热水储能供热系统的设计探讨

程 鹏 月

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

目前专家学者们对于储热可以消纳弃风弃电并优化能源结构得到了一致认可.吕全、李玲等人[1]认为蓄热方案提供单位容量风电接纳空间的投资最少，且节煤效率(消纳单位弃风电量时的节煤量)最高，因而具有更好的国民经济性指标及承受未来弃风不确定性风险的能力.薛俊[2]认为风电消纳水蓄热供热对供热系统和电力系统的灵活性、以及电力系统消纳更多的可再生能源电力起到较强的支撑作用.专家学者们还认为，储能供热增大了能源结构间的协调能力.在二级热网中配置储热式电锅炉增加了用电的灵活性，且其储热容量越大，其消纳弃风的效果越好[3].

在热水储能供热的同热源系统中，供热侧和储热侧的流量和温度是相互耦合的，系统运行过程中不仅会影响蓄热效率，而且调节过程复杂.所以对于可以均衡能量分配的热水储能供热系统的设计是值得深入研究的.

1 热水储能供热系统的分析

热水供暖和水储热的同热源系统，在同时储热与供热的运行模式下，根据能量守恒定律，热源放热量与储热量、供热量之间的关系为：

Qe=Qb-Qs

(1-1)

其中，Qe为热源对用热侧的供热量，j；Qb为热源放热量，j；Qs为热源对储热侧的储热量，j.

由于是同热源系统，因此热源出水温度、储热侧入水温度和用热侧供水温度相同.那么就有：

cfGe(T-Teh)=cfGb(T-Tbh)+cfGs(T-Tsh)

(1-2)

其中，c为热媒的比热容，j/kg·℃；Ge为用热侧的循环流量，m3/h；Gb为热源循环流量，m3/h；Gs为储热侧的循环流量，m3/h；T为热源出水温度，℃；Teh为用热侧的回水温度，℃；Tbh为热源的回水温度，℃；Tsh为储热侧的回水温度，℃.

当用热侧采用量调节的运行方法，即保持供水温度T不变，调节供水流量Ge，使用热侧在不同室外温度的影响下保持供需平衡.此时为了保证热用户的供暖舒适度，供热温度T不宜太高，从而导致储热侧入水温度T受到限制.而且每一次量调节都会导致供热和储热流量比例再分配，增加了调节难度.所以此种方法将限制储热量Qs.

当用热侧采用质调节的运行方式，即保持供水流量Ge不变，调节供水温度T，使用热侧在不同室外温度的影响下保持供需平衡.由于是同热源系统，用热侧供水温度与储热侧入水温度相同，每一次质调节都会导致储热侧入水温度的变化，所以此种方法也会限制储热量Qs.

当用热侧采用质量调节时，调节过程更加复杂，影响储热效率，导致热量分配不均等问题.

2 双分流系统的提出

通过上述对供热和储热的同热源系统的运行过程分析可知，储热效率受到限制的主要原因是，热源的集中调节导致用热侧和储热侧的温度、流量相互耦合.那么，在用热侧增加二级调节，实现供热调节的独立性，用热侧和储热侧将会解耦运行.

用热侧的二级调节是热量的调节，即将热源对用热侧的供热量调节(只能减小)为与实际用热量相平衡的实际供热量.所以，首先分析热源对用热侧的供热量.

Qe=cGe(T-Teh)

(2-1)

图1 解耦储热与供热的双分流系统

根据上式可知，调节供热量Qe，就是改变供水温度T和供热循环流量Ge，因此，本文提出在供水管路上分别设置降温节点调节供水温度T和分流节点调节供热循环流量Ge.在降温节点，为了充分利用低温热能，由部分低温回水与供水混流进行降温，控制冷热水比例调节温度变化.在分流节点，根据实际需要的供热循环流量，控制调量分流的大小，为了实现热能的回收，调量分流随之进入回水进行下一次供热循环.如此便形成了双分流系统，如图1所示，即在热水供暖和水储热的同热源系统中，将双分流管路连接在热源和用热侧之间，也就是在原有系统的用热侧循环泵前后分别加一根分流管路，使得供热管路上分别形成混流降温节点和分流调量节点.在下文中，应用双分流管路的供热系统都简称为双分流系统.

3 试验研究

3.1 试验方案

储热与供热的同热源系统中增加了双分流管路，实现了用热侧的按需取热，从而在边储边供的运行模式下用热侧对热源侧、储热侧解耦运行，因此本实验重点研究双分流管路的解耦特性.

本实验采用6KW热水电锅炉为热源进行供热，电锅炉供水温度可调；以铸铁式散热器为散热末端.系统回水经变频水泵循环至电锅炉.在电锅炉和散热器之间，增加双分流管路，即在变频水泵的两侧分别增加供水旁通管路和回水旁通管路.在两个旁通管路上分别装两个流量调节阀，与变频水泵共同调节双分流管路.为了进行多组不同工况测试，电锅炉循环管路和散热器循环管路上也分别安装有流量调节阀，调节各自支路流量.为了给双分流系统的调节提供依据，以及监测各分支在调节过程中的参数变化，需要对各分支布置温度、流量测点，安装仪表进行测量.

根据式(2-1)可知，热量Q受流量G与温度T的影响，因此，双分流管路的解耦特性将由流量解耦和供水温度可调两方面来证明.

3.2 试验结果分析

(1)流量解耦分析.

本部分对热用户单独调节进行试验，采用电磁流量计对各管段流量进行实时测量，试验数据的采样间隔为1min，然后对双分流管路以及热源和热用户的流量变化进行分析.在系统水泵最大能力范围内，为了使用户循环流量的调节变化明显，同时考虑到测试数据的稳定性，实验进行四次调节，每次调节间隔内持续时间为三到四个加热周期.由此得到的数据如下：

图2 散热器单独调节的分支流量折线图

图2中所示是热源的初始循环流量为1.5 m3/h时，调节用户循环流量时各支路的流量变化的折线图.在整个测试周期内，用户循环流量折线随着每次调节呈下降趋势，分别稳定为1.3 m3/h、1 m3/h、0.6 m3/h、0.4 m3/h四种情况，而热源循环流量折线几乎水平，整体稳定在1.5 m3/h；双分流管路中供水分流管路的流量折线随着每次调节呈上升趋势，分别稳定为2.2 m3/h、2.5 m3/h、2.8 m3/h、3 m3/h四种情况，回水分流管路和回水管路的流量折线几乎水平，分别稳定在3.5 m3/h和2 m3/h.根据上图可以推出，热用户循环流量与供水分流管路的流量同时呈相反方向变化，且变化值几乎相等.以上结果可以证明，在双分流管路的作用下，用户循环流量的调节变化由供水分流管路来补偿，从而对热源循环流量没有影响，因此，热用户的单独调节实现了热用户与热源的解耦运行.在双分流管路的作用下，用户循环流量的变化对热源循环流量均无影响，热用户的单独调节的情况下热用户与热源实现了流量解耦.

(2)温度变化分析.

本实验研究双分流管路的混水比对供热温度的影响，监测在不同混水比的工况下供水温度变化.由此得到的数据如下：

图3 散热器入口温度变化图

图3中所示情况为在散热器和热源的循环流量为1.0 m3/h时，利用调节双分流管路进行调节时散热器入口的温度变化，在图中可以看出，不同冷热混水流量比的散热器入口温度变化比较平稳.随着冷热混水流量比的增大，散热器入口温度逐渐降低，说明利用双分流管路，可以实现散热器入口温度的调节.

4 结 论

本文针对热水储能供热系统中储热量与供热量分配不合理的问题，提出了解耦储热与供热的双分流系统，通过进行试验研究，得出以下结论：

(1)通过双分流管路进行散热器循环流量的调节不会导致对电锅炉循环流量的变化，因此可以证明，双分流系统中流量解耦.在电锅炉和散热器循环流量恒定的情况下，利用双分流管路，可以实现供热温度的改变.并且随着冷热混流比例的增大，供热温度逐渐降低.所以，双分流系统可以实现解耦运行.

(2)经过双分流管路调节，热用户与热源、储热侧可以实现流量解耦同时可以调节供热温度，从而对用户的供热量与热源的放热量、储热侧的储热量解耦.因此在双分流系统的边蓄边供的运行模式时，储热侧隔离了用热侧调节的影响，储热效率增加，在储热时间内可以最大限度的进行热量储存；在储热直供的运行模式时，水箱热源隔离了用热侧调节的影响，水力稳定性更好，对用热侧的调节方式的运用也更加灵活.