1 前言
随着采暖面积的增加，与之相对应的环境污染和能源浪费问题越来越严重。其中传统的燃煤锅炉采暖所造成的粉尘和有害气体排放是造成北方冬季城市污染的重要来源，因而在许多城市市区被严格限制使用。热电联产能源转换效率高，但由于发电与采暖负荷的不匹配，影响了热电厂的运行效益。为解决这一矛盾，其有效的方法之一就是采用蓄热技术。蓄热可以分为热电厂直接蓄热与用户处电蓄热两种方式。热电厂直接蓄热是热电厂在发电稳定的条件下，当采暖负荷减少时把热电厂所产生的多余热量储存起来，当采暖负荷较大而热电厂不能满足供热要求时把所储存的热量输送出来，从而在发电负荷稳定的条件下适应采暖负荷的变化。用户处电蓄热是如果用户是用电采暖，则在夜间用电负荷低谷时，在用户处把电转化为热而储存起来，当白天用电高峰时再把这部分热释放出来采暖，这样可以使用电负荷比较均匀，起到移峰填谷的作用。
热电厂直接蓄热一般采用水蓄热，用户处蓄热可采用水蓄热，也可采用相变蓄热。本文主要介绍用于热电厂的水蓄热和用户处的相变蓄热技术。
2 热电厂水蓄热技术
目前世界各国都十分鼓励发展热电联产，我国中小型热电厂的发展也十分迅速。热电厂由于遵循"以热定电"的原则，大大提高了其能源的综合利用效率，既节约了能源又利于环保，因而得到了迅速的发展。然而，对于热电厂的运行起决定作用的热负荷又往往具有黑很大的波动性，特别是对于工业负荷所占比例相对较小或具有城市集中供应生活热水的"三联供"热网的热电厂，在严寒期的峰谷用热期，其负荷的变化幅度就更大。这样不仅影响了机组的稳定运行，降低效率、增加不安全因素，而且很可能为确保峰值负荷而增加设备的大量投资。正是考虑到热电厂本身就是热能大户，而且又存在着这样的问题需要解决，国外特别是北欧一些国家，在热电厂中就应用了较多的水蓄热设备。如丹麦哥本哈根SRAVEDORE热电厂就建设了24000立方米的水蓄热罐。据了解，目前世界上最大的水蓄热器已做到30000立方米。
在热电联产中应用水蓄热的作用是显而易见的，技术上也不复杂。但各地热电厂增建蓄热设备是否有必要，则需要根据当地热网实际运行的负荷构成、负荷变化幅度、负荷变化率、热电厂的现有设备与发展、当地工程造价等实际情况来进行项目技术经济分析。当然这也与蓄热设备的设计容量、介质参数、建设用材等有关。
水蓄热器不仅在热电联产中有广阔的应用前景，而且随着各城市峰谷电价的调整，在越来越多的电锅炉供热系统中也将得到应用。如北京、石家庄等市应用效果比较理想。
3 相变蓄热电暖气
在用电采暖时，能源利用效率非常高的热泵采暖技术受到大家的青睐而开始推广，但是热泵在冬天由于结霜问题比较难解决，使其使用范围受到很大的局限。
为了解决热泵使用限制的问题，一些城市开始电直接加热采暖，如电热膜等。虽然其能源转换效率低，但由于在使用中对环境无污染，调节灵活，又不存在传统计量收费的难题，因而在电力相对富裕的今天，开始受到人们的关注。其中北京为了鼓励电采暖，于近日调低了集中电锅炉房的用电价格。但一般的电直接加热采暖装置往往不具备显著的蓄热功能，不能缓解电网负荷峰谷差过大的问题。为此，需在电采暖系统增设蓄热装置。这又会导致采暖系统的初投资、能耗和占地面积增加等问题，而这些问题都可以在相变蓄能采暖中得到较好地解决。在经济方面，电采暖供热系统与传统的锅炉房采暖系统相比并无优势。但增加蓄能装置后，其经济性有很大提高。从整体角度看，采用相变蓄能后，电采暖系统的经济性不亚于其他大多数采暖系统。在实行峰谷电价之后，相变电蓄能采暖凭借着其固有的优势很有可能成为一种重要的采暖形式。另一方面，在电厂中采用蓄热装置可以经济地解决高峰负荷，填平需求低谷，以缓冲蓄热方式调节机组负荷更方便。采用蓄热装置可以节约燃料，降低电厂的燃料费用，提高机组的运行效率和改善机组的运行条件，从而提高电厂的运行效益和改善电厂的利用率，降低排气污染，改善环境。
3.1 国内现状
现有的相变蓄热电暖器主要分为高温相变电暖器和中温相变电暖器两种。高温相变电暖器中相变材料蓄热密度高，占地面积小，具有推广前途。中温相变电暖器的相变材料较便宜，但体积和占地面积较大。
1995年，文献[1]提出了一种中温民用相变蓄热电暖器。该电暖器采用融点为78℃，融解热为265kJ/kg，密度为2.0kg/dm2的相变材料KD78作为蓄热介质，具有如下优点：①用夜间廉价电加热，缩小了电网峰谷差，降低了取暖费用；②采用夜间电加热后蓄热，加热与取暖时间比一般大于或等于8/3，故可采用较小功率电加热（<500W），增强了安全性，避免了多户同时使用时电负荷过重、使用区域电压过低等弊病；③由于不取暖时采用蓄热和隔热，取暖时采用强化传热，因此采暖时无时间滞后，不采暖时热损很小。但其蓄热密度较低。
1997年，中国科学院广州能源研究所的任振根、余鸿文[2] 等提出了一种提供工业用高温气体的电热相变蓄热器。该蓄热器采用热容大和相变潜热大的熔点在３６０℃～６００℃范围的铝合金或锌基合金作为蓄热介质，将电热元件、换热管和蓄热介质结合为一体形成电热储能体，并采用保温层和兼作换热气进气风道的空气夹层等双层保温措施，能有效避免二次热损失和缩小蓄热器体积，具有较高的热效率。
吉林省先胜科技发展有限责任公司推出了PAS系列的静态式储热加热器。该产品是在用电非高峰期间利用磁化芯充电的原理设计出的节能环保产品，属于显热式蓄热加热器，可用于民用住宅，工作间及办公室，并且由于加热器内无风扇，无任何机械部件，从而具有无噪音，不引起灰尘上扬的特点。
北京源深节能技术有限责任公司开发的WMT、WMA和WMG系列储存式散热器通过一个或多个单位功率为850W的耐热合金加热元件在用电低谷时加热一个由多块高密度的磁性砖组成的储热核心部件，并将热量储存起来。这些被储存的热将通过由对流和辐射所组成的联合供热方式向屋内提供舒适、平衡的热量。
3.2 高温相变蓄热装置
蓄热材料T580的热物性参数 表1
(kg/m3) (Jkg-1K-1) (Wm-1K-1) (m2/s) (℃)
2660 871 180 577.5
开发相变蓄热装置的关键技术之一是相变材料的合理选择与制备。清华大学建筑技术科学系开发的高温相变蓄热材料具有很大相变潜热，可以在外形尺寸较小的情况下储存大量的热量，其热物性参数参见表1。开发这种材料的蓄热装置，不仅可缓解我国城市因燃煤而造成的环境污染问题，而且可平衡电网峰谷差，节约电采暖运行费用。 它在工业方面还有很多的运用领域。
目前工业热能储存采用的是再生式加热炉和废热蓄能锅炉等蓄能装置。采用蓄热技术来回收储存碱性氧气转炉或电炉的烟气余热以及干法熄焦中的废热，既节约了能源，又减少了空气污染以及冷却、淬火过程中水的消耗量。在造纸和制浆工业中，燃烧废木料的锅炉适应负荷的能力较差，采用蓄热装置后，可以提高其负荷适应能力。在食品工业的洗涤、蒸煮和杀菌等过程中，由于负荷经常发生波动，采用蓄热装置后就能很好地适应这种波动。纺织工业的漂白和染色工艺过程也可采用蓄热装置来满足负荷波动。在采暖系统中热能的生产随需求的变化要随时调整，因此蓄热的作用显得更加重要。借助蓄热装置，可以降低能量转换装置以及二次能传输系统(区域热力管网 )的设计功率，因为在一年中只有较短的一段时间需要最大采暖功率。在电热采暖和供应热水的过程中，可以把用电时间安排到非高峰时期，从而降低运行成本。采用蓄热装置后，不存在部分负荷运行情况，能量的转换效率提高。采暖锅炉由于需求的波动导致锅炉启停频繁，则启停过程的能量损失非常大。采用蓄热装置后，有效地增加了系统蓄热容量，在一定范围内可以满足波动负荷的要求，从而降低锅炉启停的频率，降低能量消耗。
4 进展情况及今后重点研究内容
4.1 热网蓄热调节
当供热计量收费以后，各用户都可以自主的调节散热器的流量，因此将导致热网流量、热网供热量的波动，特别是昼夜间的波动。但区域锅炉房或者热电联产热源不可能随着用热量的波动而随时变化，因此供热网要有蓄热能力来适应这种变化。在供热量波动比较小时，热网管道本身的蓄热能力可以满足这种变化；但当波动大时，则必须设置必要的蓄热设备。目前大多用水蓄热，由于其经济、取材容易，应用日益广泛。威海市准备在首站附近建立一个水蓄热罐，并配以太阳能辅助加热以满足生活用热水的需要。有蓄热罐后可以减少生活热水负荷对热网波动的冲击，从而使热网能较稳定的运行；辅助太阳能后减少热网承担生活热水的负荷、节省能源、提高运行能效。
在用水蓄热时还有一些需要解决的问题，如低温蓄热，显热蓄热量太少，需要大体积容器；如高温蓄热，除需要高压容器外，热网水温本身并不高，因此又需要额外实施对水加热升温，这又造成系统复杂。同时如何确定蓄热器的大小是和系统、用户使用及热源能力有很大关系，只有处理好这些关系才能提高热网能效、正常发挥蓄热器的能力满足供热的要求。
4.2 电蓄热调节
随着国民经济的发展，人民生活水平不断提高，用电结构也发生了相应的变化。一方面存在着高峰电力不足，另一方面更存在着峰谷差过大等问题。这些矛盾的出现制约了国民经济的发展。"削峰填谷"可以充分利用电力资源，缩小用电峰谷差。目前各省、市、地区电业部门纷纷公布用电政策和"峰谷分时电价"，以经济手段推动"削峰填谷"的实现。相变储热技术在这种背景下具有很大的优势。它不仅可以解决峰谷差的问题，而且还可缓解我国城市的环境污染问题，节约电采暖运行费用，是一种值得大力研究和推广的技术。今后重点研究方向为：进一步研究蓄热装置中加热方式的合理、高效问题；进一步在保温方面做工作，提高蓄热效率和能量利用率；针对不同的应用背景，对具体的要求做出设计和实施。
参考文献
[1] 张寅平，江亿，狄洪发，王智超等. 高温相变电取暖器，专利号, No.99214838.3, 已授权.
[2] 王子介. 地板供暖及其发展动向. 暖通空调，1999，29（6）.
[3] 宗立华，冯学会. 塑料埋管地板辐射采暖的试验研究. 青岛建筑工程学院学报, 1999
[4] 杨巍，张于峰，王荣光. 低温地板辐射供暖的传热模拟. 暖通空调，2001.31（1）.
[5] 邹立超，杨为滨. 地板供暖在住宅中应用的可行性分析. 低温建筑技术，2001（1）.
