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:
2dj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——电子签章技术
smdv-17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，实现全天营养块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.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 平板天线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90℃、固体材料小于800℃)，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（DGT）、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），一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。
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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，由此分为电阻锅炉和电极锅炉。电阻锅炉功率一般小于2MW，电压220～380V；电极锅炉功率范围是1～50MW，工作电压3～20kV。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3×N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/m2℃。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（400℃），耐高压（2.5Mpa），应用条件广泛，适用较大的压力、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。
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