135电锅炉水蓄热技术的应用实例

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1、1电锅炉水蓄热技术的应用实例现代建筑设计集团上海建筑设计研究院有限公司 张伟程摘摘 要：要：介绍了电锅炉水蓄热技术在具体工程设计中的应用，并着重介绍了该系统的概况、流程以及各种运行模式下的控制方式。 关键词关键词：电锅炉 水蓄热 运行模式 控制1 电锅炉水蓄热技术介绍集中空调的冬季供暖部分，根据热源的类型， 可以分为空气（或水）源热泵、燃油、燃煤气（或 天然气）、燃煤、用电等几大类。 从用户的角度看，使用电作为热源不需要排废 水、废气、废渣，也无明火，不需设置堆煤或储油 场地，为最清洁能源，不存在消防、环保等特殊要 求，且用电设备可以做到完全自动控制，减少人为 操作所带来的浪费及管理难度。 对

2、于以电能作为空调供暖热源的系统，在公 共建筑节能设计标准GB50189-2005 中有明确的 规定：“除非夜间可利用低谷电进行蓄热、且蓄热 式电锅炉不在日间用电高峰和平时段时间启用的建 筑，不得采用电热锅炉、电热水器作为直接采暖和 空气调节系统的热源。”故在实际应用时，不得采 用电锅炉直供的形式，一般采用电锅炉水蓄热系统， 且以全量蓄热为好。 电锅炉水蓄热系统是指在电力低谷期间，以水 为介质将电锅炉产生的热量储存在蓄热装置中，适 时供应给用热设备的系统1。这样在用电高峰时段 就可以不开或者少开电锅炉，从而减少高峰时段用 电量，起到移峰填谷的作用。电锅炉水蓄热从系统 构成上来说只是在常规电热锅炉

3、的基础上增加了一 套水蓄热装置，其他各部分在结构上与常规热源系 统并无不同，它在使用范围方面也与常规供热系统 基本一致。通常水蓄热装置有常温（常压、温度低 于 100）和高温（高压、温度高于 100）两种， 蓄热量有全量和分量两种模式，蓄热系统有串联和 并联两种流程。 电锅炉水蓄热系统具有以下几个显著优点： 1）适合在无集中供热与燃气源，而电力充足、 供电政策支持和电价优惠的地区使用。 2）采用电能，不存在排放废水、废气、废渣 之忧，无燃烧过程，安全可靠性高。 3）由于水蓄热系统是按白天全量负荷在夜间 蓄热时段的平均值来确定电锅炉装机容量的，而电锅炉直供系统则是按白天的峰值负荷来确定的。所 以

4、相对于电锅炉直供系统，水蓄热系统减少了电锅 炉装机容量，其附属运转设备和电力设施的装机容 量也相应减少，从而减少了初投资费用。 4）可根据外界空调负荷的变化更及时、灵活、 精确地供应储存的热量。 5）利用峰谷电价差，可以明显减少运行费用。 有利于平衡用电负荷，缓解供电矛盾 2 。 6）当停电时，用小功率应急发电机带动循环 水泵即可继续提供热量，提高了供暖系统的可靠性。2 工程概况工程概况陆家嘴时代金融中心（B3-5 地块）冬季空调 供暖设计计算热负荷峰值为 5 044 kW：16 层（裙 房）973 kW，820 层（低区）1 331 kW，2234 层（中区）1 331 kW，3646 层（

5、高区）1 409 kW。考虑到当时的市政能源条件（无集中供热与 燃气源，电力充足、供电政策支持和电价优惠）和 初投资与运行费用的效益比以及机房安全条件，本 工程采用常压型电热水锅炉生产的蓄热水作为空调 供暖热源，采用常温全量（不考虑不可预见系数） 蓄热模式、并联流程，并根据楼层分布情况分设 4 套系统，机房分别布置于 7 层，21 层，35 层， PH1 设备层。每套系统均设有 2 台 675 kW 的电锅 炉、1 个有效容积为 200m3的蓄热水箱，其设计蓄 热水温为 4590 ，蓄热量为 10 465 kWh；考虑 10%的余量，联合供热（板式换热器的）总供热能 力为 1 600 kW；板

6、式换热器一次侧的设计进、出水 温度为 55 /45 、二次侧（空调末端设备）的设 计供、回水温度为 50 /40 。该水蓄热系统夏 季可兼作蓄冷用，其蓄热水箱转变为蓄冷水箱，主 要用于新风空调箱的供冷。 系统有冬季电锅炉单蓄热、电锅炉单供热、 蓄热水箱单供热、电锅炉与蓄热水箱联合供热（蓄 热水箱优先）、电锅炉边蓄热边供热以及夏季制冷2机蓄冷、蓄冷水箱放冷共 7 种运行模式，其原理见 图 1。T2 F1T6T7T3T1F2T5T8 F3T4F23 运行控制运行控制3.1 系统运行模式控制 对于系统不同的运行模式应有不同的运行策略和控 制方式，详见表 1。 3.2 系统运行模式转换 晚上低谷电时段

7、，采用何种模式运行需视大楼 的负荷情况而定。一般情况下夜间大楼没有负荷， 采用电锅炉单蓄热模式；如夜间出现了负荷（临时 有单位加班或其他事情，可以向物业公司申请空调 供暖），则采用电锅炉边蓄热边供热模式。当然， 对夜间负荷应有所控制，否则过量的夜间负荷会影 响系统蓄热量，可能造成第二天电锅炉的过量运行 而增加运行费用，增加的费用应由夜间负荷用户承 担。 白天空调供暖时，为了保证采用蓄热水箱优先 的联合供热模式，采用蓄热水箱等速放热方式，保 证蓄热水箱均匀放出热量，同时确保在工作时间段 将水箱热量用尽。在计算水箱的等速放热量时，需 考虑电锅炉的避峰电时段运行，此时段蓄热水箱应 全量供热（即蓄热水

8、箱单供热模式），从而尽量减 少电锅炉的运行费用。在联合供热的时候，根据水箱进出口温度和流量计算出水箱的放热量 Q1（水 箱等速放热的热量），同时根据板式换热器一次侧 的进、出口温度和流量计算出空调末端需要的供热 量 Q2，当 Q2接近 Q1，两者差值持续（约 2 min， 具体持续时间调试时候可根据实际情况调整设定） 小于设定值时，则系统切换到蓄热水箱单供热模式。 在蓄热水箱以单供热模式运行时，当板式换热器二 次侧的出水温度（50）受水箱循环泵变频控制而 持续（约 2 min，具体持续时间调试时候可根据实 际情况调整设定）下降，则系统重新切换到电锅炉 和蓄热水箱联合供热模式。当水箱出口温度低于

9、55 （此时理论上水箱的进口温度低于 45 ）时， 表明水箱热量已用尽，放热结束，系统转化到电锅 炉单供热模式。 一般情况下白天空调供暖采用蓄热水箱单供热 或联合供热模式，但当水箱前一天晚上因其他原因 没有蓄热或蓄热水箱热量用尽时，系统采用电锅炉 单供热模式。 3.3 蓄热水箱预热模式 在系统投入上班时段运行前需启动蓄热水箱单 供热模式对整个大楼进行预热，以抵消大楼内前一 夜的蓄冷量，从而保证上班前室内温度达到所需温 度。在预热时应关闭空调新、排风系统以避免热量 的损耗，在上班时段再启用空调新、排风系统。 对于电锅炉与蓄热水箱联合供热（蓄热水箱优 先）模式，在依据总蓄热量计算水箱的等速放热量

10、时应扣除预热所需的耗热量。4 结语结语4.1 本工程四个空调供暖分区的设计计算热负荷 峰值是不同的，但考虑到设备材料采购和施工、维 护的方便，将其电锅炉水蓄热系统设计为单一容量 规格。如按峰值负荷平均运行 8h 考虑，则每个区 域的热负荷总容量分别为：16 层（裙房）7 784 kWh，820 层（低区）10 648 kWh，2234 层（中 区）10 648 kWh，3646 层（高区）11 272 kWh。 蓄热水箱的设计蓄热量为 10 465 kWh，分别达到了 需求的 134%，98%，98%，93%，基本达到了全量 蓄热的要求。 4.2 就水蓄热装置而言，采用常压形式可使得控 制和保

11、护系统要求较低、蓄热装置加工要求一般， 但蓄热和供热温差有限、单位体积蓄热量较小1。 结合本工程的实际情况，由于蓄热水箱所在设备层 的上下层均为人员密集的办公场所，从安全防护角3度考虑不得采用有压高温蓄热水箱，故最终确定采 用常压蓄热水箱，其设计蓄热温度为 90 。 4.3 受设备层空间高度的限制，本工程中蓄热水 箱的箱体高度只能做到 3 m，故采用了管道垂直分 隔槽式水箱。 4.4 通常水蓄热系统是按电锅炉下游的串联流程 设计的，其箱体内水体则按一次流、大温差计算。 但由于蓄热水箱内水体的有效高度较小，考虑到其 热温水混合、死水空间和储存效率等问题，本工程 采用了并联流程，其箱体内水体按多次

12、混水流、小 温差计算。虽然这种做法增加了水泵和板式换热器 的容量，控制也相对复杂，但结合本工程蓄热水箱 安放空间和高度特别受限的情况，也不失为一种安 全、可靠的做法。 4.5 对于水蓄热系统，通过适当改进可使其在夏季兼作蓄冷用。由于常规空调供冷时的供水温度较 低，一般为 57 ，此种工况的显热温差几乎是无 法满足使用要求的。故必须将该系统的蓄冷工况单 独用于新风空调箱，使其在高于 20 的供水温度 时也能保持一定的供冷能力，从而充分利用其显热 温差。 4.6 由于常压蓄热水箱内水体的有效高度较小， 而高温热水又相对容易汽化，故在做管道设计时， 需对水泵吸入段管道的阻力损失进行精确计算，如 有必

13、要可通过增大该段管道的管径来降低阻力损失， 并且确保避免出现管道存气现象，从而防止水泵汽 蚀。表 1 系统运行模式控制表参与运行 的设备启动顺序水泵启动方式运行策略控制方式备 注电锅炉单蓄热电锅炉，锅炉 循环泵，蓄热 水箱电动阀 F1，F2，F3 打开（其他电动阀 关闭），锅炉循环 泵开启（工频运行） ，电锅炉开启锅炉循环泵工 频启动该模式是在冬 季夜间 22:00 次日 6:00 时间 段、无空调供 暖负荷时运行当蓄热水箱出口温 度达到 90 或时 间到了次日 6:00 的时候，蓄热结束过渡季节可根 据实际需要适 当降低蓄热温 度，确保前一 天晚上的蓄热 量当天用尽电锅炉单供热电锅炉，锅炉

14、循环泵，供热 板式换热器， 二次循环供热 泵F1，F7 打开（其他 电动阀关闭），锅 炉循环泵开启（变 频运行），电锅炉 开启，二次循环供 热泵开启（变频运 行）锅炉循环泵变 频启动，二次 循环供热泵变 频启动当蓄热量用尽 后或低谷电需 开启电锅炉时， 采用该模式由 电锅炉满足大 楼全部的空调 供暖负荷要求电锅炉出口温度设 定为 90 ，锅炉 循环泵变频控制供 热板式换热器二次 侧的出水温度为 50 单供热 蓄热水箱蓄热水箱，水 箱循环泵，供 热板式换热器， 二次循环供热 泵F3，F7 打开（其他 电动阀关闭），水 箱循环泵开启（变 频运行），二次循 环供热泵开启（变 频运行）水箱循环泵变 频

15、启动，二次 循环泵变频启 动空调供暖期的 绝大部分时间 （非设计日） 采用该模式运 行水箱循环泵变频控 制板式换热器二次 侧的出水温度为 50 联合供热（蓄热水箱优 先） 电锅炉与蓄热水箱电锅炉，锅炉 循环泵，蓄热 水箱，水箱循 环泵，供热板 式换热器，二 次循环供热泵电动阀 F1，F3，F7 打开（其他电动阀 关闭），锅炉循环 泵开启（变频运行） ，水箱循环泵开启 （变频运行），电 锅炉开启，二次循 环供热泵开启（变 频运行）锅炉循环泵变 频启动，水箱 循环泵变频启 动，二次循环 泵变频启动在设计日或负 荷较大时，可 能采用该模式 提供热量电锅炉出口温度设 定为 90 ，锅炉 循环泵变频控制

16、板 式换热器二次侧的 出水温度 50 采用水箱等速 放热，同时需 考虑电锅炉的 避峰电时段运 行边蓄热边供热 电锅炉电锅炉，蓄热 水箱，锅炉循 环泵，供热板 式换热器，二 次循环供热泵F1，F3 打开（其他 电动阀关闭）， F2，F7 调节，锅炉 循环泵开启（工频 运行），二次循环 泵开启（变频运行）锅炉循环泵工 频启动，二次 循环供热泵变 频启动该模式在冬季 夜间 22:00次 日 6:00 时间段 有空调供暖负 荷的时候运行当蓄热水箱出口温 度达到 90 或时 间到了次日早上 6:00 的时候，蓄热 结束过渡季节可根 据实际需要适 当将蓄热温度 降低，确保前 一天晚上蓄好 的热量当天用 尽4制冷机蓄冷蓄冷水箱，水 箱循环泵，蓄 冷板式换器， 冷水机组（包 括冷却水系统） ，接力冷源板 式换热器，冷 水泵电动阀 F3，F4，F5 打开（其他电动阀 关闭），水箱循环 泵开启（工频运行） ，冷水泵开启（定 频运行），冷水机 组开启（包括冷却 水系统）水箱循环泵工 频启动，冷水 泵