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1、一种分布式供暖的电热储能装置及方法技术领域:本发明属于电气和热力工程技术领域，特别涉及一种分布式供暖的电热储能 装置及方法。技术背景:当前，雾霾天气已成为城市污染的普遍现象，冬季尤为严重，其中燃煤供暖 是最重要的污染源。北方地区风力资源丰富，是我国开展风力发电的最主要区域， 受电网调度的影响，北方地区冬季为保障供暖需要，热电厂处于满负荷运行，弃 用风电现象严重，造成大量风资源浪费，制约影响了风电产业的进一步发展。另 一方面，北方城市冬季供热能力不足，供热以燃煤为主，清洁供热比例低，燃烧 大量煤炭。既严重污染了大气环境，又增加城市交通运输压力，影响城市景观形 象。在北方城市大规模地推广利用风电的
2、清洁热源解决城市供热及工业生产热 源，完全符合国家产业支持方向，可以最大限度地利用风力资源，实现风电全部 就近消纳，优化平衡电网。实现风电清洁供热，减少燃煤污染物排放，对于改善 我国的大气环境，实现节能减排目标，促进风电产业健康发展都具有十分重要的 意义。电锅炉能在国外发达国家已普遍应用。其比较其它热源形式的供热设备具有 以下优点：对环境没有污染、无三废排放、清洁无噪音，并且操作简单、维修方 便、自动化程度高、常压运行、安全可靠、便于控制等优点。电锅炉供热在国外 发展得很快。我国在相当长的一段时间内用电供求存在着相当大的矛盾，电力生 产满足不了用电需要。这就决定不能把电力这种宝贵的高品位能源通
3、过用电供热 设备转化为低品位的热能，因为那将是极大的浪费。但是随着电力事业的发展， 人民生活水平的提高和产业结构的变化。电有了其存在和发展的“空间”。首先 白天高峰时段的用电量不断增加而夜晚的用电量又很小，用电的峰、谷差值很大， 这给电网的运行、管理带来了直接的困难和经济损失。电网的装机大、效率低， 需要采取有效手段“移峰填谷”。电锅炉一般能耗巨大，蓄热是有效的移峰填谷 手段。其次由于生活水平的提高人们越来越关心环境保护。在我国许多城市中心 区，小吨位锅炉禁止使用尤其是在城市的商业中心地带设置燃煤、燃油锅炉房又 不切实际，电不啻为解决矛盾的好办法。但有一点必须明确，在目前国情下只有 在电热储能
4、尽可能利用谷值电的情况下才是经济合理的。但是电锅炉本身不具有 能量存储能力，这对于它在供暖系统中的应用经济性是一个致命的弱点，为了解 决上述问题，本发明提出一种电热储能装置，并将其应用到冬季供暖系统。发明内容 :针对现有采用燃煤锅炉集中供暖存在的不足，本发明提供一种分布式供暖的 电热储能装置及方法，发明了加热、储热、取热、换热及控制一体化相变电蓄热 装置，实现无压的内循环储热，具有高焓、高潜热和高转换效率的特点，从根本 上解决相关设备效率低下的行业难点问题。装置的加热采用耐高温的电发热元件通电发热，加热特制的蓄热材料高 比热容、高比重的磁性蓄热砖，再用耐高温、低导热的保温材料将贮存的热量保 存
5、住，按照取暖人的意愿调节释放速度，慢慢地将贮存的热量释放出来。贮存热 量的多少可根据室外温度的高低人为加以调节。钢制喷塑的外壳则对整个设备起 到保护和美化作用。电热储能装置是利用夜间（23 时至次日 7 时）电网低谷时段的低价（目前 北京每度电仅 2 角钱）电能，在6-8 小时内完成电、热能量转换并贮存，在电网 高峰时段，以辐射、对流的方式将贮存的热量释放出来，实现全天 24 小时室内 供暖。也就是说，每天只用通电 6-8 小时，就能实现全天 24 小时取暖，达到了 节省取暖费用的目的。电蓄热机组内部结构示意图如图 1 所示。1.室外温度传感器11.蓄热体温度传感器20.温度计2.电缆接口12
6、.机组外壳21.压力控制阀门3.室内温控装置13.热风- 水- 热交换器22.热水循环泵4.微机程序控制系统14.热风循环道23.压力表5.电源保险15.热风循环风机24.安全阀门6.高温隔热层16.风机电机25.热水管道膨胀节7.蓄热体外壳17.出水温度安全调节26.放空阀门8.镁金属蓄热介质18.放气阀门27.连接管箍9.电发热元器件19.阻断阀门28.膨胀箱10.蓄热体温度安全控制器电蓄热锅炉就是利用午夜低谷时段电力将蓄热体 （分为水蓄热和固体蓄热 ） 加热到一定的温度（水90C、固体材料小于800C）,同时也要满足低谷时段建筑 物的供暖负荷，在平电时段和峰电时段靠被加热的蓄热体余温来供
7、暖的一种供暖 方式。其中室外温度传感器就是用来检测温度的实时变化,以此来控制锅炉内加 热装置的启停,以及控制何时切换供暖开关,采用蓄热锅炉供暖。电缆接口用来连接交流市电来为蓄热锅炉系统进行供电,以完成系统的加热 和启停等功能。由锅炉、锅炉夹套、固态继电器电加热装置GT）、水泵等组成。整个系统 有两个检测变量（锅炉温度TT1、夹套温度TT2）, 般选择锅炉温度为被控变量。 有两个控制变量（电动阀门VC1、VC2的开度控制和固态继电器DGT的通断）可 以选为操作变量，另外可选择进水/出水电磁阀 VD1/VD2 的通断作为系统的扰动 量，模拟实际生产工程中的冲击进水/排水对温度的扰动。其系统框图如图
8、2所 示。电热锅炉控制系统的控制核心为 PLC， 它负责所有信息的处理。所有监测 开关量送入PLC输入口，传感器将测得的水温信号送入PLC专用A/D转换模块进 行数据处理。PLC按照预置程序完成对水温控制系统的自动测量控制，实现加热 器的投退和循环水泵电机、补水泵电机的自动启停，以及各水泵的工作、备用运 行状态的自动切换，以维持锅炉水温的正常。系统中带有电源保险，当电源故障放生短路、过压、过流等现象时，电源保 险会自动对整个系统起到保护作用。锅炉高温隔热保温材料一部分是保温砖的，保温砖在高温锅炉里工作3-5 年后，保温砖会发酥脱落，严重影响锅炉的安全和隔热保温性。锅炉保温砖的节 能做法是在保温
9、砖的表面先涂刷ZS-1耐高温隔热保温涂料，减少保温砖的受热 温度和腐蚀介质的侵蚀，在耐高温隔热保温涂料外再涂刷ZS-1061耐高温远红外 辐射涂料，增加锅炉的燃烧温度，降低排烟温度，使能源充分燃烧。这样锅炉节 能率可以提高10%-15%，延长锅炉使用年限，减少锅炉热量流失。本系统的蓄热介质采用高纯、高致密的氧化镁材料，它在高温下具有优良的 耐酸碱性和电绝缘性，光透过性好，导热性高，热膨胀系数大。氧化镁陶瓷是典 型的碱性耐火材料，在氧化气氛或氮气保护下可稳定工作到2400，Fe、Zn、 Pb、 Cu、 M 等金属对它不起还原作用。电热锅炉的加热元件主要是电阻式管状电热元件和电极式，由此分为电阻锅
10、 炉和电极锅炉。电阻锅炉功率一般小于2MW,电压220380V；电极锅炉功率范 围是150MW，工作电压320kV。目前国内电热锅炉厂家一般采用电阻式管状 电热元件，也称为电热管，在接线方式上有单相（两个接线端子）和三相（三个接 线端子）之分。电源电压为220V或380V，Y或星接法，一般为星接法。电热锅炉 的电加热功率一般是靠多个电热管的功率量叠加而成的。在使用三相电源时，应 根据三相平衡原则设计电热管的个数，否则会影响电网及水泵等电器的正常工 作。对于单相接线方式的电热管，建议选用3XN个，对于三相接线方式的电热 管，则可任意选择。蓄热体温度安全控制器用来检测蓄热体温度的实时变化，当温度超
11、出预设温 度范围时，相应的发出控制信息，控制系统对温度进行调节，以满足当前温度需 求。本系统的蓄热体采用高比热容、高比重的磁性蓄热砖，蓄热体的温度信号传 送到蓄热体温度传感器，传感器检测蓄热体当前温度值并回传到温度控制器对其 进行温度控制，以此控制电加热元件的启停。钢制喷塑的机组外壳则对整个设备起到保护和美化作用。系统中的热交换采用涡流热膜的管壳式热交换器。这种换热器采用最新的涡 流热膜传热技术，通过改变流体运动状态来增加传热效果，当介质经过涡流管表 面时，强力冲刷管子表面，从而提高换热效率。最高可达10000W/m2OC。同时这 种结构实现了耐腐蚀、耐高温、耐高压、防结垢功能。其它类型的换热
12、器的流体 通道为固定方向流形式，在换热管表面形成绕流，对流换热系数降低。涡流热膜 换热器的最大特点在于经济性和安全性统一。由于考虑了换热管之间，换热管和 壳体之间的流动关系，不再使用折流板强行阻挡的方式逼出湍流，而是靠换热管 之间自然诱导形成交替漩涡流，并在保证换热管不互相摩擦的前提下保持应有的 颤动力度。换热管的刚性和柔性配置良好，不会彼此碰撞，既克服了浮动盘管换 热器之间相互碰撞造成损伤的问题，又避免了普通管壳式换热器易结垢的问题。 此外，涡流热膜的管壳式热交换器由全不锈钢制作，使用寿命长，可达20年以 上。而且换热速度快，耐高温（400C），耐高压（2.5Mpa），应用条件广泛，适 用较
13、大的压力、温度范围和多种介质热交换。其维护费用低，易操作，清垢周期 长，清洗方便。热风循环空气循环系统采用风机循环送风方式，风循环均匀高效。风源由循 环送风电机（采用无触点开关）带动风轮经由加热器，而将热风送出，再经由风 道将热风送至储热内室，再将使用后的空气吸入风道成为风源再度循环，加热使 用。确保室内温度均匀性。为确保炉膛内保持恒温，以热力学为基础，通过热平 衡计算来校核各结构尺寸设计的合理性与确定加热元件。而当因开关门动作或其 他干扰现象引起温度值发生摆动时，则通过温度控制系统来调整加热元件的功 率，从而调整炉内温度，保证恒温。对电热水锅炉而言,热水温度是其运行的主要控制参数。对用于电蓄
14、热取暖 的热水锅炉，主要调节的目标是出水温度。电热锅炉智能控制器水温调节的任务， 就是从通过分级调节循环流量来调节出水温度。由于电热锅炉连接了一个复杂的 管路系统，并且水体循环供热是一个复杂的很难量化计算的过程，所以电热锅炉 水温是一个大惯性大滞后的难控系统。当用户用热量变化或者室外气温变化时， 目标出水温度和循环流量将发生变化。影响电热锅炉水温的因素很多，加热功率， 循环流量以及室外气温，供暖面积等。蓄热器和管路中的水体质量远大于锅炉内 水体的质量，管路系统的时滞性和惯性也远大于锅炉水体，所以出水温度对回水 温度的影响滞后很大。放气阀门采用自动放气阀门，自动放气阀门就是一种安装在供暖或供水系
15、统 上具有自动放气功能的阀门，也叫自动排气阀或放风阀。自动放气阀主要由阀帽、 阀盖、浮桶、连杆、阀体组成，浮桶连着连杆，可以上下自由运动。当系统有气 体产生时，进入自动放气阀的阀腔内，随着气体的增加压力增大，把阀腔内的水 挤出，浮桶随着水面下降，打开排气口，气体从排气口排出，气体排出后水面上 升，浮桶随之上升，连杆堵住排气口，阻止系统水从排气口流出。阻断阀门则是用于对紧急事故的快速处理，当系统发生严重故障而不能迅速 恢复正常运行时，蒸汽热流和热水等继续供给高温可能造成严重的事故，阻断阀 门就是在这时及时切断管路系统内的气流流通，避免事故的发生，待系统故障恢 复后，阻断阀门打开，系统继续正常工作
16、。温度计正是用来实时显示锅炉体内水流的温度，通过显示的温度信息控制电 加热元件的启停。以及放气阀门的开关，压力控制阀门是压力控制系统的组成部分，压力控制系统由锅炉、水泵、变 频器（MMV）、电动阀门VC1、压力变送器、电磁阀VD1等组成，通过调节电动阀 的开度和变频器的输出来控制锅炉的进水压力PT2。另外可选择电动调节阀VC1 的开度和电磁阀 VD1 的通断为系统的扰动量，模拟实际生产过程中的用水量的变 化和冲击负荷的扰动。其系统框图如图3所示。本系统中的热水循环泵采用无刷直流热水循环泵（磁力驱动隔离式）。无刷 直流水泵采用了电子组件换向，无需使用碳刷换向，采用高性能耐磨陶瓷轴及陶 瓷轴套，轴套通过注塑与磁铁连成整体也就避免了磨损，因此无刷直流磁力式水 泵的寿命大大增强了。磁力隔离式水泵的定子部分和转子部分完全隔离，定子和 电路板部分
