固體電制熱儲熱裝置性能測試與評定

陳 雷， 趙旭章， 閆水海， 金永強， 邢作霞

（1.沈陽工業大學電氣工程學院，沈陽 110870；2.新疆互力佳源環?？萍加邢薰?，烏魯木齊 830022）

0 引言

固體電制熱儲熱裝置作為儲能的一種方式，通過將低谷電轉化為熱能儲存在儲熱材料中，在用電高峰時段提供熱能供用戶使用。為了最大程度發揮固體電制熱儲熱裝置的優勢，進行儲熱裝置的性能測試與評定是必不可少的一個環節［1-3］。

目前國內外針對固體電制熱儲熱裝置性能測試與評定的相關方法較少。2016年美國提出過相變儲熱裝置和顯熱儲熱裝置的熱工性能試驗方法［4］。德國對裝置的電氣安全提出了測試方法。國內的測試主要集中在供暖效果實際應用的測試和水蓄熱裝置的性能指標測試［5-6］。目前儲熱裝置產品有固蓄和水蓄等多種形式，但測試人員對儲熱裝置性能指標評定缺乏統一的步驟方法，不同方法所測的結果差異較大，難以真實反映產品的運行效果［7-8］。

以實際應用平臺和設備運行數據為依托，本文通過設計測試平臺和測試指標，應用提出的測試方法驗證了實際產品的適配性，提出了部分性能參數的測試內容和方法，在已有標準的基礎上補充了測試步驟和方法［9］。

1 測試平臺構成及設計

1.1 測試平臺構成

整個儲熱測試平臺包括儲熱部分、熱轉換供暖輸出設備、外部控制部分和測量附屬設備。外部控制部分有人機交互界面、外部PLC控制設備和低壓開關柜，儲熱部分包括儲熱磚和加熱絲，熱轉換供暖輸出設備有氣水換熱器和變頻風機。其中測量附屬設備包括：溫度檢測系統、循環補水系統、熱量計量系統及運程監控系統。圖1所示為測試平臺示意圖［10-12］。

圖1 儲熱裝置測試平臺示意圖

1.2 測試系統設計指標

本裝置GDRX-3480-07/17現安裝在遼寧省某辦公大樓，設計參數如下：儲熱體體積175 m3，額定電壓380 V，額定電流1.322 kA，額定儲熱量6.09 MW·h，儲熱體功率800 kW，儲熱時間8 h，釋熱時間16 h，儲熱體最高溫度850℃，儲熱體最低溫度270℃，額定出水溫度50℃，額定回水溫度40℃，換熱器額定功率1.60 MW，儲熱介質鎂磚，換熱介質空氣。

1.3 數據采集內容及工具

測試內容包括儲熱階段、靜置階段和釋熱階段3個階段的性能指標測試。其中儲熱階段測試內容主要有：儲熱體加熱絲電壓、供電電流、儲熱體溫度以及裝置外殼環境溫度等。測量儲熱裝置溫度需要多個測點檢測裝置的均溫性。靜置階段需要測試的內容有：儲熱體表面溫度和外殼環境溫度。釋熱階段需要測試的內容有：儲熱裝置的進水溫度、出水溫度、進風溫度、出風溫度和儲熱體溫度。

裝置的三相供電電壓、電流和有功功率利用型號ZR2080W3的多功能表測量，測量點主要是高、低壓開關柜中的斷路器；進、出水溫及水流量利用型號TDS-100Y的一體式超聲波熱量表測量［13］，鉑電阻型號為Pt100，測量周期10 s，每個測量周期采樣次數64次。為了使得到的數據更精確，傳感器放置在流場分布均勻的地方，且充分遠離閥門和泵等干擾源［14］；儲熱體溫度利用型號WRN-310的K型熱電偶放置于儲熱體內，為了判斷儲熱裝置的均溫性，如圖2所示在儲熱裝置內部設置10個測溫點，且測溫熱電偶在儲熱主體中分布盡可能均勻；進、出風溫度由Pt100鉑電阻放置于風道口處進行測量。

圖2 各測溫點分布示意圖

2 測試方法

2.1 儲熱裝置儲熱階段性能測試

儲熱時，儲熱裝置通電后，經電阻絲加熱儲熱介質將電能轉化為熱能保存起來，通過循環風機吹出的冷風將熱量帶到換熱器用于加熱供暖出水。測試步驟如下：

第1步測試開始前，進行儲熱裝置試運行，運行時間一般為24 h或24 h的整數倍，確保儲熱裝置和測試設備處在平衡運行狀態。

第2步 在試運行測試周期完成后，加熱儲熱裝置，當溫度達到目標溫度時停止加熱。在測試過程中上位機每隔10 min記錄一次儲熱體溫度和消耗的電能，觀察儲熱裝置在一個測試周期各項指標的變化，同時持續記錄環境溫度。

第3步 繪制儲熱曲線圖。計算儲熱單元儲熱量、儲熱速率、儲熱裝置效率。

儲熱單元儲熱量

式中：Q1為儲熱裝置儲熱量，kW·h；c為比熱容，J/（kg·℃）；ρ為儲熱體密度，g/cm3；V為儲熱體體積，m3；T1為儲熱裝置加熱開始時儲熱體溫度，℃；T2為裝置穩定在設定溫度時儲熱體溫度為，℃。

儲熱速率

式中：v1為儲熱速率，J/s；Δt1為儲熱裝置蓄熱時間，s。

儲熱裝置效率

式中：η為儲熱裝置效率，%；P1為儲熱裝置儲熱階段消耗電能，kW·h。

2.2 儲熱裝置靜置階段性能測試

儲熱裝置儲熱過程完成后，在峰谷電價相隔時間段使儲熱裝置處于靜置狀態，用熱成像儀測量儲熱單元表面溫度分布，通過上位機記錄儲熱裝置溫度變化，同時測量儲熱裝置外殼處的環境溫度，評估其保溫特性［15］。測試步驟如下：

第1步測試應在儲熱裝置儲熱階段結束后開始進行；

第2步在釋熱階段開始前記錄靜置階段時間，記錄儲熱裝置溫度和環境溫度的變化，測試過程結束后，計算儲熱裝置最大靜置熱損失率和平均儲熱電功率。具體計算如下：

最大靜置熱損失率

式中：e為最大靜置熱損失率，%；Em為最大靜置漏熱測試的總耗電量，kW·h；τs為最大靜置漏熱測試的時長，s；Pave為儲熱裝置的平均儲熱電功率，kW，

式中：E1為通電儲熱過程的總耗電量，kW·h；τ1為通電儲熱過程的時長，s。

2.3 儲熱裝置釋熱階段性能測試

第1步 開啟變頻風機進行熱量傳遞，根據供暖要求調整變頻風機風速，使試驗機組中的熱量持續輸出，經過換熱器提供供用戶使用。從儲熱裝置加熱供暖回水開始記錄，直到儲熱裝置完成加熱后試驗結束。釋熱過程中通過上位機每隔10 min記錄一次進水溫度、出水溫度、儲熱體溫度和水流量，觀察在一個供暖周期內裝置各指標的變化是否滿足供暖需求［16］。

第2步 繪制釋熱曲線圖。計算儲熱裝置釋熱量、釋熱速率、釋儲熱量比和系統效率。具體計算如下：

儲熱裝置釋熱量

式中：Q2為儲熱裝置釋熱量，kW·h；T3為釋熱開始時儲熱體溫度為，℃；T4為釋熱結束時儲熱體溫度，℃。

釋儲熱量比

式中，K為釋儲熱量比，%。

釋熱速率

式中：v2為釋熱速率，J/s；Δt2為釋熱時間，s。

系統效率

式中：ηgl為系統效率，%；P2為儲熱裝置消耗電能的總和，kW·h。

3 實驗驗證

實例來源遼寧省某辦公大樓，年供暖時間為180 d，每天供暖時間主要集中在6：00～22：00。對儲熱裝置溫度、供暖出水溫度、變頻風機頻率等數據進行采集，取一個儲熱周期（24 h）的數據進行如下分析。儲熱裝置測試實物平臺如圖3所示。為了確定固體電制熱儲熱裝置性能的優劣，實驗需要進行裝置溫度、進出風溫度、出回水溫度、風機頻率、儲熱速率、釋熱速率和均溫性等各種指標的驗證。

圖3 儲熱裝置性能測試實物平臺

（1）儲熱裝置溫度功率數值分析。儲熱裝置的儲熱時間為8 h左右，儲熱裝置的溫度從約300℃上升到850℃左右，如圖4所示。儲熱裝置溫度在有限時間內增加明顯，說明該裝置加熱絲和儲熱磚設計合理具有良好的適配性，保證了儲熱裝置溫度達到設計要求；儲熱裝置放熱時間為16 h左右，儲熱裝置溫度從850℃左右變化到300℃左右，儲熱體溫度呈線性降低，釋熱效果明顯，供暖熱水時間滿足日供熱需求，說明裝置外部換熱器和變頻風機選型合理，設備參數要求滿足供暖需求，保證儲熱裝置能夠在預設的時間內有足夠的熱量來滿足辦公樓需求。

圖4 儲熱體溫度和功率變化曲線

（2）進出風溫度與風機頻率數值分析。驗證結果如圖5所示，從晚上22：00到次日6：00出風道溫度處于上升階段，出風溫度最高為500℃左右，此時辦公樓需要熱負荷較小，風機頻率較低，出、回風溫差大但風量較??；從6：00～22：00辦公樓對熱量需求較大，由于出風道溫度隨儲熱體溫度逐漸下降，出、回風溫差也逐漸降低，通過提高風機頻率使換熱風量增大，保證出風溫度能持續加熱供暖出水用于辦公樓供暖。

圖5 進出風溫度和頻率變化曲線

（3）出回水溫度和溫差數值分析。在圖6中，供暖出水溫度維持在45℃左右，儲熱裝置出水溫度和回水溫度在1個周期內變化幅度較小，溫度變化趨勢一致且在合理范圍內；同時，儲熱裝置出、回水溫差在2℃以內且保持恒定，換熱性能滿足辦公樓需求，表明換熱器和循環風機可以在不同時間段滿足出回水溫度要求。

圖6 出回水溫度和溫差變化曲線

（4）出水溫度，儲熱裝置溫度和風機頻率數值分析。當儲熱裝置在夜間加熱時，儲熱裝置溫度逐漸升高，變頻風機頻率較低，供暖出水溫度保持在50℃左右，符合測試設定范圍。在純放熱情況下，儲熱裝置溫度逐漸下降，變頻風機的頻率上升到45 Hz左右進行熱量傳遞，供暖出水溫度一直保持在50℃左右，達到預設的溫度范圍，驗證結果如圖7所示，由圖可知，通過自動控制系統調節變頻風機頻率保持出水溫度穩定滿足供暖需求。

圖7 出水溫度、儲熱裝置溫度和風機頻率變化曲線

（5）1個周期內儲熱裝置熱量和速率數值分析。如圖8所示，在圖8（a）中，儲熱裝置儲熱量峰值在凌晨6：00可到達5694 kW·h，該儲熱裝置額定儲熱量理論值為6090 kW·h，儲熱時間7 h以上，儲熱速率變化不大，變化情況符合理論要求，說明儲熱裝置儲熱效果較好；由圖8（b）可知，釋熱量約為5044.3 kW·h，純釋熱時間17 h，釋儲熱量比為82.8%，剩余熱量較少，釋熱速率變化波動不大，釋熱效果好，供暖滿足辦公樓日常的要。

圖8 1個周期內儲熱裝置熱量和速率變化曲線

（6）儲熱裝置多個測點溫度數值分析。通過選取5個測溫點的數據繪圖進行裝置均溫性驗證，結果如圖9所示。一個時間周期（24 h）內儲熱裝置各測溫點溫度變化趨勢皆一致，各測溫點之間溫差皆小于20℃，且隨著裝置的運行各測溫點之間溫差逐漸變小，且變化幅度趨于平穩，通過多個測點數據表明固體電制熱儲熱裝置均溫性較好。

圖9 1個周期內儲熱裝置溫度變化曲線

4 實驗結果與分析

根據測試方法對儲熱裝置的各項關鍵內容進行測試和計算，結果如表1所示。通過表1的測試內容可以看出儲熱裝置部分性能測試結果與裝置的設計參數存在一定的誤差，但在儲熱裝置的實際使用方面不會產生較大影響，其中系統效率達到了93.6%，與燃煤鍋爐供暖相比起到了節能減排的作用。

表1 儲熱裝置性能測試結果

5 結語

本文設計的儲熱裝置測試平臺和評定指標，通過制定儲熱裝置在不同運行階段的測試步驟及關鍵參數，經實物平臺實驗、驗證和測試結果表明：儲熱裝置在不同階段下的溫度、熱損失率和系統效率滿足用戶的實際使用要求；提出的儲熱裝置測試和評定方法有效且合理。該測試方法操作簡單，具有強的實用性，可滿足不同材料的儲熱設備進行性能測試。固體電制熱儲熱裝置作為一個新型清潔供暖產品，隨著蓄熱產品的不斷更新，儲熱型電加熱裝置測試和評定標準的建立還需要進一步完善。