中國建筑科學研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院      李愛松   李忠   路   賓   聶晶晶

國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心      陳亮

摘   要：蓄熱裝置是供熱空調(diào)領(lǐng)域利用峰谷電力、余熱和新能源的有效產(chǎn)品形式。介紹了目前應(yīng)用的主要蓄熱裝置形式，分析了適用于各類型蓄熱裝置的國外熱性能測試方法標準，總結(jié)了目前國內(nèi)蓄熱裝置相關(guān)標準的情況。

關(guān)鍵詞：蓄熱裝置；熱性能；測試方法；標準

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目“美麗鄉(xiāng)村綠色農(nóng)房建造關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”課題綠色農(nóng)房氣候適應(yīng)性研究和周邊環(huán)境營建關(guān)鍵技術(shù)研究與示范（編號：2015BAL03B04）。

       0   引言

       近年來，國家不斷加大力度開展節(jié)能減排工作，為降低京津冀地區(qū)供暖期霧霾問題，大力開展了以電采暖等為主、新能源供熱示范補充的清潔能源供暖技術(shù)，與此同時，為提高能源利用效率，充分回收利用低品位余熱資源，發(fā)改委和住建部聯(lián)合發(fā)文啟動了余熱暖民工程，大力開展回收利用工業(yè)低品位余熱用于城鎮(zhèn)供暖的工作。

       在清潔能源供暖和余熱暖民工程中，仍存在一些技術(shù)問題使得供熱能源供應(yīng)與用熱需求之間存在著時間、地點和強度上的不匹配，具體表現(xiàn)為：

     （1）風力發(fā)電和太陽能發(fā)電等可再生能源電力的上網(wǎng)受氣象條件的影響較大，直接用于供熱會造成短時間產(chǎn)熱量難以消納或者供熱不足；

     （2）隨著電力系統(tǒng)持續(xù)擴容，系統(tǒng)調(diào)峰和谷電消納的壓力進一步上升，直熱式電采暖措施不僅無法降低這種壓力，當用于日間供暖負荷較大的建筑時還會增加調(diào)峰削谷壓力；

     （3）太陽能熱利用或工業(yè)余熱利用會受到天氣或工藝的影響，不能直接按用熱需求供熱。

       蓄熱裝置是有效解決上述問題的途徑，可以有效緩解能量供求雙方在時間、地點、強度上的不匹配，是合理利用能源及減輕環(huán)境污染的有效途徑^[1]。

       然而，蓄熱裝置上述優(yōu)勢的發(fā)揮，是建立在所應(yīng)用的產(chǎn)品具有良好的性能且與建筑用熱負荷以及能源供應(yīng)特性良好匹配的基礎(chǔ)上的。目前，蓄熱裝置已有了較多形式的產(chǎn)品，但生產(chǎn)廠家和設(shè)計人員對蓄熱裝置的重要性能指標缺乏較為詳實的數(shù)據(jù)資料，自測性能指標所得結(jié)果差異較大，往往不能真實反映產(chǎn)品的真實性能。相近產(chǎn)品也沒有形成統(tǒng)一的對比評價方法平臺。

       因此，研究如何形成針對蓄熱裝置熱性能的統(tǒng)一合理的測試方法，對于優(yōu)良產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，促進技術(shù)進步和產(chǎn)品升級具有重要作用，也有利于蓄熱供熱技術(shù)的健康發(fā)展，為節(jié)能減排工作作出貢獻。

       1   蓄熱裝置介紹

       目前國內(nèi)進行蓄熱裝置產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)有幾十家，產(chǎn)品在商業(yè)、工業(yè)、居住建筑以及農(nóng)村“煤改電”清潔能源供暖項目中均有較為廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用形式主要包括以下幾類：

       1.1   固體蓄熱型電加熱裝置

       該產(chǎn)品目前一般采用鎂鐵合金磚作為蓄熱材料，該材料比熱雖然只有水的1/3~1/4，但材料密度是水的2.5倍左右，且蓄熱溫度可達750℃以上，使得蓄熱體單位容積蓄熱量可達水的5倍，具有較高的蓄熱能力^[2]。

圖1   一種熱水型固體蓄熱型電加熱裝置構(gòu)造示意圖

       該類裝置將電加熱元件直接布置在蓄熱磚的空隙中。蓄熱階段，電加熱元件通電后產(chǎn)生的熱量通過輻射和熱空氣對流傳遞給蓄熱磚，以蓄熱磚溫升的形式顯熱蓄熱；放熱階段，根據(jù)傳熱流體的不同而有所區(qū)別：

     （1）熱風型裝置一般采用冷空氣進氣口設(shè)置分流閥，將部分冷空氣直接與蓄熱體換熱成高溫熱空氣后，再與旁通冷空氣混合成一定溫度的熱空氣后輸出，輸出熱空氣的溫度通過混流比例調(diào)節(jié)控制；

     （2）熱水型裝置一般采用設(shè)置變頻風機，依靠風機驅(qū)動蓄熱體內(nèi)部自循環(huán)熱空氣經(jīng)過熱風-水換熱器，與換熱器外接管道回水進行換熱，制取熱水，熱水出水溫度通過調(diào)節(jié)變頻風機頻率來進行控制。

       1.2   一體式水蓄熱供熱裝置

       該裝置一般將電加熱元件直接內(nèi)置到蓄熱水箱內(nèi)，為便于更換加熱元件以及避免熱水直接接觸加熱元件造成到長期運行腐蝕和結(jié)垢問題，一般采用電加熱元件內(nèi)置于套筒內(nèi)并填充導(dǎo)熱介質(zhì)，依靠間接換熱加熱水箱熱水的方式。

圖2   一種一體式水蓄熱供熱裝置構(gòu)造示意圖

       一體式水蓄熱供熱裝置由于采用電加熱元件內(nèi)置于水箱的方式，其熱損失相比于熱水鍋爐與蓄熱水箱結(jié)合的分體式系統(tǒng)大大減少，并且采用以整套裝置的形式現(xiàn)場安裝，直接與既有供熱系統(tǒng)管道對接即可，降低了現(xiàn)場的施工量。目前市場上的產(chǎn)品在蓄熱水箱內(nèi)部都增設(shè)有溫度場優(yōu)化措施和混流措施，可充分利用水箱分層原理，并利于供水溫度的控制調(diào)節(jié)。

       1.3   相變蓄熱裝置

       相變蓄熱技術(shù)是蓄能技術(shù)中的一大類蓄能方法，相變蓄冷蓄熱通過介質(zhì)的相變來貯存熱量，與顯熱相比，它具有貯能密度高，而且貯、釋熱過程近似等溫，易與運行系統(tǒng)匹配等諸多優(yōu)點^[3]。近些年來，相變蓄熱技術(shù)已經(jīng)由前期的相變材料開發(fā)與建筑材料應(yīng)用，轉(zhuǎn)化為蓄熱裝置的產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用。與被動式相變蓄熱相比，主動式相變蓄熱裝置具有容積小，蓄熱密度大，蓄放熱溫度波動小等優(yōu)點，可集中有效解決相變材料導(dǎo)熱性能差、過冷度高、長期運行相分離等問題，并且作為供能系統(tǒng)的產(chǎn)品形式，利于企業(yè)化生產(chǎn)和建筑內(nèi)安裝。

       目前主動式相變蓄熱裝置的應(yīng)用產(chǎn)品多以模塊的形式出現(xiàn)，按不同蓄熱量要求將多個相變蓄熱模塊進行并聯(lián)，再與前端熱源以及后端供熱系統(tǒng)進行連接。近些年國內(nèi)相變材料的研究與國外引進技術(shù)都取得了長足的發(fā)展，研發(fā)出了多種相變蓄熱材料，但在多數(shù)相變蓄熱裝置產(chǎn)品實際應(yīng)用中，針對熱水供熱系統(tǒng)還主要以結(jié)晶水合物為主要蓄熱材料，部分太陽能熱水供暖和熱風供暖中應(yīng)用有機蓄熱材料作為蓄熱體。此外，得益于太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展， 熔融鹽相變蓄熱材料也已開始在供熱蓄能產(chǎn)品領(lǐng)域得到應(yīng)用。

       1.3.1   結(jié)晶水合物相變蓄熱裝置

       無機結(jié)晶水合物相變蓄熱材料目前在產(chǎn)品中應(yīng)用較多的為Ba(OH)·8H₂O，此外，像CaCl2·6H₂O、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂CO₄·10H₂O 、MgNO₃·6H₂O和Na₃PO₄·12H₂O等或它們的復(fù)合物也有一定的應(yīng)用，無機水合物相變材料的相變焓值一般在200kJ/kg~300kJ/kg的居多，以Ba(OH)·8H₂O為例，其相變溫度為78℃，相變焓值為293kJ/kg。

       結(jié)晶水合物的相變焓值較大，但容易出現(xiàn)過冷問題^[4]，并且由于存在與水分子之間的結(jié)合和解析過程，長時間運行后的相分離問題也應(yīng)重視，另外，還要重點考慮無機鹽的腐蝕與環(huán)保問題。為增強換熱效率，一般將換熱盤管浸入到蓄熱材料中且采用多重復(fù)合盤管、管道變截面或翅片管等方式，并通過流道優(yōu)化或內(nèi)置攪拌器降低相分離發(fā)生，常見的結(jié)晶水合物相變蓄熱裝置產(chǎn)品構(gòu)造如圖3所示。

圖3   一種無機結(jié)晶水合物相變蓄熱裝置構(gòu)造示意圖

       1.3.2   有機相變蓄熱裝置

       有機相變蓄熱裝置以石蠟作為蓄熱材料的較為常見，另外脂肪酸類也有一定的應(yīng)用，雖然有機相變材料的相變焓值較低（多數(shù)在200kJ/kg以下），但其化學性質(zhì)穩(wěn)定，過冷現(xiàn)象不明顯，且對封裝材料無腐蝕性。有機相變材料的導(dǎo)熱性較差，應(yīng)用時需要增強換熱措施，可通過摻混其他導(dǎo)熱物質(zhì)或浸入泡沫銅等方式實現(xiàn)^[5]。

       有機相變蓄熱裝置的構(gòu)造，可采用類似于結(jié)晶水合物相變蓄熱裝置的方式，將換熱器浸入蓄熱材料中，也可采用蓄熱球或蓄熱管的形式將蓄熱材料封裝為小的蓄熱單元，熱風或熱水等傳熱介質(zhì)在蓄熱單元的空隙間流動換熱（近些年來，在蓄熱球封裝材料的研究上也取得了較大的進展，開發(fā)出了適應(yīng)蓄熱材料體積變化交變應(yīng)力和腐蝕性的封裝材料^[6]），該種方式的蓄熱裝置構(gòu)造如圖4所示。

圖4   一種有機相變蓄熱裝置構(gòu)造示意圖

       1.3.3   熔融鹽相變蓄熱裝置

       熔融鹽蓄熱和傳熱最初應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，近些年來隨著熔融鹽蓄熱材料的研究，目前已研制出使用溫度在60℃~1000℃的范圍寬度^[7]。熔融鹽蓄熱技術(shù)具有材料價格低廉、儲熱密度大（多數(shù)在170kJ/kg~500kJ/kg）和應(yīng)用溫度較寬等優(yōu)點，已經(jīng)在西班牙、意大利等歐洲地區(qū)和部分北美地區(qū)等發(fā)達國家得到了實際的商業(yè)化應(yīng)用，在我國已有部分產(chǎn)品形式，但尚未大量應(yīng)用，具有非常好的發(fā)展?jié)摿Α?br /> 熔融鹽相變蓄熱溫度較高（可達400℃以上），一般采用導(dǎo)熱油作為內(nèi)部傳熱介質(zhì)，通過電加熱直接加熱導(dǎo)熱油與相變蓄熱材料換熱，導(dǎo)熱油外側(cè)流經(jīng)換熱器與熱水進行換熱。

       1.4   卵石蓄熱箱

       卵石作為廉價、易得的天然蓄熱材料，將其堆置于保溫箱體內(nèi)，可充分蓄存太陽能熱風供暖或熱水供暖時日間過余集熱量，用于夜間供暖需求。該類采暖方式在早期美國偏遠鄉(xiāng)村住宅中已有較為廣泛的應(yīng)用，近些年來隨著國內(nèi)太陽能供暖建筑的示范推廣，也有了一定的應(yīng)用并申請了多項專利^[8-9]。

圖5   一種卵石蓄熱箱構(gòu)造示意圖

       1.5   家用儲熱式室內(nèi)加熱器（蓄熱式電采暖散熱器）

       作為末端電供暖裝置，該產(chǎn)品是農(nóng)村地區(qū)煤改清潔能源項目的主推產(chǎn)品類型之一。其特點是施工安裝方便，無防凍要求，無熱水管路，僅有電網(wǎng)的擴容改造即可。

       目前該產(chǎn)品應(yīng)用較多的形式是采用固體蓄熱磚顯熱蓄熱方式，將電加熱元件布置于蓄熱體中間，并與蓄熱體整體包覆保溫隔熱材料，電加熱熱量蓄存到固體蓄熱中，并通過可啟閉風門依靠自然對流和表面熱輻射供暖，帶有強制循環(huán)風機的產(chǎn)品可通過控制風機將熱量帶出。還有一些產(chǎn)品采用相變蓄熱體蓄熱的形式。如圖6所示。

圖6   家用儲熱式室內(nèi)加熱器工作原理示意圖

       2   國外蓄熱裝置熱性能測試方法標準介紹

       目前美國ASHRAE標準較為系統(tǒng)地對不同類型的蓄熱裝置給出了熱性能測試方法規(guī)定：

     （1）ASHRAE Standard 94.1-2010 “Method of Testing Active Latent-Heat Storage Devices Based on Thermal Performance”（基于熱性能的主動潛熱蓄熱裝置測試方法）。

     （2）ANSI/ASHRAE 94.2-2010 “Method of Testing Thermal Storage Devices with Electrical Input and Thermal Output Based on Thermal Performance”（基于熱性能的帶電氣輸入和熱輸出蓄熱裝置的試驗方法）。

     （3）ASHRAE Standard 94.3-2010 “Method of Testing Active Sensible Thermal Energy Devices Based on Thermal Performance”（基于熱性能的主動顯熱蓄熱裝置測試方法）。

       2.1   美國標準ASHRAE Standard 94.1-2010

       該標準建立了針對主動潛熱蓄熱裝置的熱性能測試方法。標準適用于蓄熱量在10⁴MJ數(shù)量級及以下的潛熱蓄熱裝置（按8h純蓄熱時間計算蓄熱功率約為347kW），當蓄熱體內(nèi)置攪拌泵或電熱元件時，其功率小于總功率的10%時可納入該標準適用范圍。

       該標準規(guī)定了對潛熱蓄熱裝置的蓄熱量、蓄熱時間、放熱量、放熱時間、漏熱率、蓄熱效率、循環(huán)阻力等重要參數(shù)的測試方法。標準規(guī)定在測試過程中，環(huán)境溫度應(yīng)控制在20℃±2℃的范圍內(nèi)，測試前被測裝置應(yīng)至少完成過5次完整的蓄放熱過程，測試過程中傳熱介質(zhì)的比熱變化應(yīng)小于±0.5%。

       該標準分別針對熱風型蓄熱裝置和熱水型（或其他液態(tài)流體）蓄熱裝置給出了詳細的測試裝置描述和儀器精度限定，并推薦采用閉式循環(huán)測試系統(tǒng)。對于熱風型蓄熱裝置，應(yīng)用噴嘴測試風量，熱水型則采用液體流量計測量。

       標準的測試方法包含5次正式的循環(huán)過程，每個循環(huán)過程的蓄熱過程和放熱過程均按恒定蓄熱率（放熱率）進行控制，值得一提的是，與該標準修訂前的版本相比，在測試方法上使用了恒定蓄熱率（放熱率）的控制方式替代了恒定輸入溫度的控制方式，簡而言之，就是在傳熱介質(zhì)流量一定的條件下，采用裝置進出口溫差控制方式替代了裝置進口溫度控制方式，這樣更加貼近潛熱蓄熱裝置的實際應(yīng)用情況。

       2.2   美國標準ASHRAE Standard 94.2-2010

       該標準建立了針對電直接輸入和熱輸出的蓄熱裝置的熱性能測試方法。標準適用于蓄熱量在10⁵MJ數(shù)量級及以下的一體化電加熱蓄熱裝置（按8h純蓄熱時間計算蓄熱功率約為3472kW）。在適用的產(chǎn)品分類上，該標準給出了三種方式：

     （1）按傳熱介質(zhì)包含空氣型和熱水型兩類；

     （2）按蓄熱方式包含顯熱蓄熱、潛熱蓄熱兩類；

     （3）按產(chǎn)品形式上包含集中供熱蓄熱裝置和家用儲熱式室內(nèi)加熱器兩類。

       對于集中供熱蓄熱裝置，該標準的測試裝置與ASHRAE Standard 94.1-2010的描述基本相同，并增加了電能測量裝置。針對儲熱式室內(nèi)加熱器，則增設(shè)了采用量熱器測試的裝置具體描述。

       該標準分別針對集中供熱蓄熱裝置和儲熱式室內(nèi)加熱器兩類產(chǎn)品規(guī)定了測試方法。對于集中供熱蓄熱裝置，通過至少四個測試階段得出耗電量、最大靜置漏熱量、放熱量、殘留熱量、裝置熱效率以及各運行階段時間等熱性能參數(shù)。對于儲熱式室內(nèi)加熱器，通過預(yù)運行、靜態(tài)放熱測試和動態(tài)放熱測試三個過程分別得出靜態(tài)和動態(tài)條件下的外殼漏熱量、放熱量和殘余熱量等參數(shù)。

       2.3   美國標準ASHRAE Standard 94.3-2010

       該標準建立了針對主動顯熱蓄熱裝置的熱性能測試方法。標準適用于蓄熱量在104MJ數(shù)量級及以下的潛熱蓄熱裝置（按8h純蓄熱時間計算蓄熱功率約為347kW）。

       該標準規(guī)定了對顯熱蓄熱裝置的蓄熱量、蓄熱時間、放熱量、放熱時間、漏熱率、蓄熱效率、循環(huán)阻力等重要參數(shù)的測試方法。

       該標準分別針對熱風型蓄熱裝置和熱水型（或其他液態(tài)流體）蓄熱裝置給出了詳細的測試裝置描述和儀器精度限定，并推薦采用閉式循環(huán)測試系統(tǒng)。對于熱風型蓄熱裝置，應(yīng)用噴嘴測試風量，熱水型則采用液體流量計測量。

       該標準采用恒定裝置進口傳熱介質(zhì)溫度的方式進行蓄熱和放熱測試。對于熱風型蓄熱裝置，進口空氣溫度波動維持在±1.0℃內(nèi)，對于熱水型蓄熱裝置，進口溫度維持在±0.2℃內(nèi)。

       2.4   以上各標準的適用裝置形式總結(jié)

       通過對目前國內(nèi)較為常見的蓄熱裝置產(chǎn)品分析和美國測試標準介紹，可以看出，美國標準所規(guī)定的產(chǎn)品形式基本上涵蓋了國內(nèi)各類型蓄熱裝置，其具體適用裝置分類情況見表1。

表1   各美國標準適用的蓄熱裝置產(chǎn)品類型劃分

       3   目前國內(nèi)蓄熱裝置相關(guān)標準情況介紹

       目前，國內(nèi)尚未按照蓄熱裝置的類別給出針對性的產(chǎn)品性能測試方法國家或行業(yè)標準，對于建筑用蓄冷蓄熱測試，與之相關(guān)的標準有《電蓄冷（熱）和熱泵系統(tǒng)現(xiàn)場測試規(guī)范》（DL/T 359—2010）和《蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的測試和評價方法》（GB/T 19412—2003）。對于家用儲熱式室內(nèi)加熱器，《家用儲熱式室內(nèi)加熱器性能測試方法》（GB/T 31299—2014）直接采納lEC 60531:1999標準，在《電采暖散熱器》（JG/T 236—2008）行業(yè)標準中也涉及了該類產(chǎn)品的性能測試要求。另外，在遼寧省地方標準《電熱儲能爐工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DB21/T 2018—2012）中涉及了固體蓄熱型電加熱裝置的應(yīng)用技術(shù)要求，并即將編制中國工程建設(shè)協(xié)會標準。

       值得一提的是，目前國家標準《蓄熱型電加熱裝置》已列入國標委2017年第一批編制計劃，同時，中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準《相變蓄熱裝置》也已列入2017年第一批產(chǎn)品標準試點項目計劃，在上述標準的編制過程中，將充分借鑒國外標準的成熟經(jīng)驗，并結(jié)合我國蓄熱裝置的實際情況，相信隨著上述標準的編制實施，蓄熱裝置行業(yè)將在我國取得更為規(guī)范和快速的發(fā)展。

       4   結(jié)論

     （1）蓄熱裝置是是合理利用能源及減輕環(huán)境污染的有效途徑，但其應(yīng)用需要統(tǒng)一合理的性能測試方法支撐。

     （2）目前國內(nèi)蓄熱裝置已存在多種技術(shù)類型和產(chǎn)品形式，且在實際工程中均有應(yīng)用。

     （3）美國標準針對不同類型的蓄熱裝置的熱性能測試方法給出了全面詳實的規(guī)定，也涵蓋了目前國內(nèi)蓄熱裝置的所有形式，具有重要的參考價值。

     （4）目前國內(nèi)蓄熱裝置的標準體系尚不完善，相關(guān)標準正在制定過程中，預(yù)計隨著相關(guān)標準的實施，將會進一步規(guī)范和促進蓄熱裝置產(chǎn)品市場的發(fā)展。

參考文獻

       [1] 尚燕, 張雄. 相變儲能材料的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報，2005,11(19):V265–V268.

       [2] 趙廣播, 董芃, 白勝喜, 等. 電熱固體蓄熱裝置放熱過程的實驗研究[J].電站系統(tǒng)工程，2003,11(19–6):13–14.

       [3] 鄒進, 黃素逸. 貯能材料和保溫材料的新進展[J].全國化工熱工設(shè)計技術(shù)中心站年會論文集，2006(3):49–58.

       [4] 徐治國, 趙長穎, 紀育楠, 等. 中低溫相變蓄熱的研究進展[J].儲能科學與技術(shù),2014,5(3–3):179–189.

       [5] 唐小梅, 于航. 使用泡沫銅增強相變材料換熱性能的實驗研究[J].建筑節(jié)能，2012(3):50–54.

       [6] 鐵生年, 柳馨, 鐵健. 相變儲能材料的腐蝕性與封裝材料研究進展[J].材料導(dǎo)報A：綜述篇，2015,6(29-6):138–143.

       [7] 廖文俊, 丁柳柳. 熔融鹽蓄熱技術(shù)及其在太陽熱發(fā)電中的應(yīng)用[J].裝備機械，2013(3):55–59.

       [8] 代彥軍, 李勇, 趙東亮, 等. 基于太陽能空氣集熱器的建筑供熱采暖系統(tǒng):201010129566.6 [P].2010–03–23.

       [9] 張廣宇, 曾雁, 王賀, 等. 太陽能卵石蓄熱采暖系統(tǒng): 200910310400.1 [P].2009–11–25.

備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2017年3月刊總第3期。
          版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。