陳 雷， 趙旭章， 閆水海， 金永強(qiáng)， 邢作霞

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；2.新疆互力佳源環(huán)?？萍加邢薰?，烏魯木齊 830022）

0 引言

固體電制熱儲(chǔ)熱裝置作為儲(chǔ)能的一種方式，通過(guò)將低谷電轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱材料中，在用電高峰時(shí)段提供熱能供用戶(hù)使用。為了最大程度發(fā)揮固體電制熱儲(chǔ)熱裝置的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行儲(chǔ)熱裝置的性能測(cè)試與評(píng)定是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)［1-3］。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)固體電制熱儲(chǔ)熱裝置性能測(cè)試與評(píng)定的相關(guān)方法較少。2016年美國(guó)提出過(guò)相變儲(chǔ)熱裝置和顯熱儲(chǔ)熱裝置的熱工性能試驗(yàn)方法［4］。德國(guó)對(duì)裝置的電氣安全提出了測(cè)試方法。國(guó)內(nèi)的測(cè)試主要集中在供暖效果實(shí)際應(yīng)用的測(cè)試和水蓄熱裝置的性能指標(biāo)測(cè)試［5-6］。目前儲(chǔ)熱裝置產(chǎn)品有固蓄和水蓄等多種形式，但測(cè)試人員對(duì)儲(chǔ)熱裝置性能指標(biāo)評(píng)定缺乏統(tǒng)一的步驟方法，不同方法所測(cè)的結(jié)果差異較大，難以真實(shí)反映產(chǎn)品的運(yùn)行效果［7-8］。

以實(shí)際應(yīng)用平臺(tái)和設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)為依托，本文通過(guò)設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試指標(biāo)，應(yīng)用提出的測(cè)試方法驗(yàn)證了實(shí)際產(chǎn)品的適配性，提出了部分性能參數(shù)的測(cè)試內(nèi)容和方法，在已有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了測(cè)試步驟和方法［9］。

1 測(cè)試平臺(tái)構(gòu)成及設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試平臺(tái)構(gòu)成

整個(gè)儲(chǔ)熱測(cè)試平臺(tái)包括儲(chǔ)熱部分、熱轉(zhuǎn)換供暖輸出設(shè)備、外部控制部分和測(cè)量附屬設(shè)備。外部控制部分有人機(jī)交互界面、外部PLC控制設(shè)備和低壓開(kāi)關(guān)柜，儲(chǔ)熱部分包括儲(chǔ)熱磚和加熱絲，熱轉(zhuǎn)換供暖輸出設(shè)備有氣水換熱器和變頻風(fēng)機(jī)。其中測(cè)量附屬設(shè)備包括：溫度檢測(cè)系統(tǒng)、循環(huán)補(bǔ)水系統(tǒng)、熱量計(jì)量系統(tǒng)及運(yùn)程監(jiān)控系統(tǒng)。圖1所示為測(cè)試平臺(tái)示意圖［10-12］。

圖1 儲(chǔ)熱裝置測(cè)試平臺(tái)示意圖

1.2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

本裝置GDRX-3480-07/17現(xiàn)安裝在遼寧省某辦公大樓，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：儲(chǔ)熱體體積175 m3，額定電壓380 V，額定電流1.322 kA，額定儲(chǔ)熱量6.09 MW·h，儲(chǔ)熱體功率800 kW，儲(chǔ)熱時(shí)間8 h，釋熱時(shí)間16 h，儲(chǔ)熱體最高溫度850℃，儲(chǔ)熱體最低溫度270℃，額定出水溫度50℃，額定回水溫度40℃，換熱器額定功率1.60 MW，儲(chǔ)熱介質(zhì)鎂磚，換熱介質(zhì)空氣。

1.3 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容及工具

測(cè)試內(nèi)容包括儲(chǔ)熱階段、靜置階段和釋熱階段3個(gè)階段的性能指標(biāo)測(cè)試。其中儲(chǔ)熱階段測(cè)試內(nèi)容主要有：儲(chǔ)熱體加熱絲電壓、供電電流、儲(chǔ)熱體溫度以及裝置外殼環(huán)境溫度等。測(cè)量?jī)?chǔ)熱裝置溫度需要多個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)裝置的均溫性。靜置階段需要測(cè)試的內(nèi)容有：儲(chǔ)熱體表面溫度和外殼環(huán)境溫度。釋熱階段需要測(cè)試的內(nèi)容有：儲(chǔ)熱裝置的進(jìn)水溫度、出水溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度和儲(chǔ)熱體溫度。

裝置的三相供電電壓、電流和有功功率利用型號(hào)ZR2080W3的多功能表測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)主要是高、低壓開(kāi)關(guān)柜中的斷路器；進(jìn)、出水溫及水流量利用型號(hào)TDS-100Y的一體式超聲波熱量表測(cè)量［13］，鉑電阻型號(hào)為Pt100，測(cè)量周期10 s，每個(gè)測(cè)量周期采樣次數(shù)64次。為了使得到的數(shù)據(jù)更精確，傳感器放置在流場(chǎng)分布均勻的地方，且充分遠(yuǎn)離閥門(mén)和泵等干擾源［14］；儲(chǔ)熱體溫度利用型號(hào)WRN-310的K型熱電偶放置于儲(chǔ)熱體內(nèi)，為了判斷儲(chǔ)熱裝置的均溫性，如圖2所示在儲(chǔ)熱裝置內(nèi)部設(shè)置10個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，且測(cè)溫?zé)犭娕荚趦?chǔ)熱主體中分布盡可能均勻；進(jìn)、出風(fēng)溫度由Pt100鉑電阻放置于風(fēng)道口處進(jìn)行測(cè)量。

圖2 各測(cè)溫點(diǎn)分布示意圖

2 測(cè)試方法

2.1 儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱階段性能測(cè)試

儲(chǔ)熱時(shí)，儲(chǔ)熱裝置通電后，經(jīng)電阻絲加熱儲(chǔ)熱介質(zhì)將電能轉(zhuǎn)化為熱能保存起來(lái)，通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)吹出的冷風(fēng)將熱量帶到換熱器用于加熱供暖出水。測(cè)試步驟如下：

第1步測(cè)試開(kāi)始前，進(jìn)行儲(chǔ)熱裝置試運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間一般為24 h或24 h的整數(shù)倍，確保儲(chǔ)熱裝置和測(cè)試設(shè)備處在平衡運(yùn)行狀態(tài)。

第2步 在試運(yùn)行測(cè)試周期完成后，加熱儲(chǔ)熱裝置，當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)停止加熱。在測(cè)試過(guò)程中上位機(jī)每隔10 min記錄一次儲(chǔ)熱體溫度和消耗的電能，觀察儲(chǔ)熱裝置在一個(gè)測(cè)試周期各項(xiàng)指標(biāo)的變化，同時(shí)持續(xù)記錄環(huán)境溫度。

第3步 繪制儲(chǔ)熱曲線圖。計(jì)算儲(chǔ)熱單元儲(chǔ)熱量、儲(chǔ)熱速率、儲(chǔ)熱裝置效率。

儲(chǔ)熱單元儲(chǔ)熱量

式中：Q1為儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱量，kW·h；c為比熱容，J/（kg·℃）；ρ為儲(chǔ)熱體密度，g/cm3；V為儲(chǔ)熱體體積，m3；T1為儲(chǔ)熱裝置加熱開(kāi)始時(shí)儲(chǔ)熱體溫度，℃；T2為裝置穩(wěn)定在設(shè)定溫度時(shí)儲(chǔ)熱體溫度為，℃。

儲(chǔ)熱速率

式中：v1為儲(chǔ)熱速率，J/s；Δt1為儲(chǔ)熱裝置蓄熱時(shí)間，s。

儲(chǔ)熱裝置效率

式中：η為儲(chǔ)熱裝置效率，%；P1為儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱階段消耗電能，kW·h。

2.2 儲(chǔ)熱裝置靜置階段性能測(cè)試

儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱過(guò)程完成后，在峰谷電價(jià)相隔時(shí)間段使儲(chǔ)熱裝置處于靜置狀態(tài)，用熱成像儀測(cè)量?jī)?chǔ)熱單元表面溫度分布，通過(guò)上位機(jī)記錄儲(chǔ)熱裝置溫度變化，同時(shí)測(cè)量?jī)?chǔ)熱裝置外殼處的環(huán)境溫度，評(píng)估其保溫特性［15］。測(cè)試步驟如下：

第1步測(cè)試應(yīng)在儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱階段結(jié)束后開(kāi)始進(jìn)行；

第2步在釋熱階段開(kāi)始前記錄靜置階段時(shí)間，記錄儲(chǔ)熱裝置溫度和環(huán)境溫度的變化，測(cè)試過(guò)程結(jié)束后，計(jì)算儲(chǔ)熱裝置最大靜置熱損失率和平均儲(chǔ)熱電功率。具體計(jì)算如下：

最大靜置熱損失率

式中：e為最大靜置熱損失率，%；Em為最大靜置漏熱測(cè)試的總耗電量，kW·h；τs為最大靜置漏熱測(cè)試的時(shí)長(zhǎng)，s；Pave為儲(chǔ)熱裝置的平均儲(chǔ)熱電功率，kW，

式中：E1為通電儲(chǔ)熱過(guò)程的總耗電量，kW·h；τ1為通電儲(chǔ)熱過(guò)程的時(shí)長(zhǎng)，s。

2.3 儲(chǔ)熱裝置釋熱階段性能測(cè)試

第1步 開(kāi)啟變頻風(fēng)機(jī)進(jìn)行熱量傳遞，根據(jù)供暖要求調(diào)整變頻風(fēng)機(jī)風(fēng)速，使試驗(yàn)機(jī)組中的熱量持續(xù)輸出，經(jīng)過(guò)換熱器提供供用戶(hù)使用。從儲(chǔ)熱裝置加熱供暖回水開(kāi)始記錄，直到儲(chǔ)熱裝置完成加熱后試驗(yàn)結(jié)束。釋熱過(guò)程中通過(guò)上位機(jī)每隔10 min記錄一次進(jìn)水溫度、出水溫度、儲(chǔ)熱體溫度和水流量，觀察在一個(gè)供暖周期內(nèi)裝置各指標(biāo)的變化是否滿(mǎn)足供暖需求［16］。

第2步 繪制釋熱曲線圖。計(jì)算儲(chǔ)熱裝置釋熱量、釋熱速率、釋儲(chǔ)熱量比和系統(tǒng)效率。具體計(jì)算如下：

儲(chǔ)熱裝置釋熱量

式中：Q2為儲(chǔ)熱裝置釋熱量，kW·h；T3為釋熱開(kāi)始時(shí)儲(chǔ)熱體溫度為，℃；T4為釋熱結(jié)束時(shí)儲(chǔ)熱體溫度，℃。

釋儲(chǔ)熱量比

式中，K為釋儲(chǔ)熱量比，%。

釋熱速率

式中：v2為釋熱速率，J/s；Δt2為釋熱時(shí)間，s。

系統(tǒng)效率

式中：ηgl為系統(tǒng)效率，%；P2為儲(chǔ)熱裝置消耗電能的總和，kW·h。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)例來(lái)源遼寧省某辦公大樓，年供暖時(shí)間為180 d，每天供暖時(shí)間主要集中在6：00～22：00。對(duì)儲(chǔ)熱裝置溫度、供暖出水溫度、變頻風(fēng)機(jī)頻率等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，取一個(gè)儲(chǔ)熱周期（24 h）的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下分析。儲(chǔ)熱裝置測(cè)試實(shí)物平臺(tái)如圖3所示。為了確定固體電制熱儲(chǔ)熱裝置性能的優(yōu)劣，實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行裝置溫度、進(jìn)出風(fēng)溫度、出回水溫度、風(fēng)機(jī)頻率、儲(chǔ)熱速率、釋熱速率和均溫性等各種指標(biāo)的驗(yàn)證。

圖3 儲(chǔ)熱裝置性能測(cè)試實(shí)物平臺(tái)

（1）儲(chǔ)熱裝置溫度功率數(shù)值分析。儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱時(shí)間為8 h左右，儲(chǔ)熱裝置的溫度從約300℃上升到850℃左右，如圖4所示。儲(chǔ)熱裝置溫度在有限時(shí)間內(nèi)增加明顯，說(shuō)明該裝置加熱絲和儲(chǔ)熱磚設(shè)計(jì)合理具有良好的適配性，保證了儲(chǔ)熱裝置溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求；儲(chǔ)熱裝置放熱時(shí)間為16 h左右，儲(chǔ)熱裝置溫度從850℃左右變化到300℃左右，儲(chǔ)熱體溫度呈線性降低，釋熱效果明顯，供暖熱水時(shí)間滿(mǎn)足日供熱需求，說(shuō)明裝置外部換熱器和變頻風(fēng)機(jī)選型合理，設(shè)備參數(shù)要求滿(mǎn)足供暖需求，保證儲(chǔ)熱裝置能夠在預(yù)設(shè)的時(shí)間內(nèi)有足夠的熱量來(lái)滿(mǎn)足辦公樓需求。

圖4 儲(chǔ)熱體溫度和功率變化曲線

（2）進(jìn)出風(fēng)溫度與風(fēng)機(jī)頻率數(shù)值分析。驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示，從晚上22：00到次日6：00出風(fēng)道溫度處于上升階段，出風(fēng)溫度最高為500℃左右，此時(shí)辦公樓需要熱負(fù)荷較小，風(fēng)機(jī)頻率較低，出、回風(fēng)溫差大但風(fēng)量較?。粡?：00～22：00辦公樓對(duì)熱量需求較大，由于出風(fēng)道溫度隨儲(chǔ)熱體溫度逐漸下降，出、回風(fēng)溫差也逐漸降低，通過(guò)提高風(fēng)機(jī)頻率使換熱風(fēng)量增大，保證出風(fēng)溫度能持續(xù)加熱供暖出水用于辦公樓供暖。

圖5 進(jìn)出風(fēng)溫度和頻率變化曲線

（3）出回水溫度和溫差數(shù)值分析。在圖6中，供暖出水溫度維持在45℃左右，儲(chǔ)熱裝置出水溫度和回水溫度在1個(gè)周期內(nèi)變化幅度較小，溫度變化趨勢(shì)一致且在合理范圍內(nèi)；同時(shí)，儲(chǔ)熱裝置出、回水溫差在2℃以?xún)?nèi)且保持恒定，換熱性能滿(mǎn)足辦公樓需求，表明換熱器和循環(huán)風(fēng)機(jī)可以在不同時(shí)間段滿(mǎn)足出回水溫度要求。

圖6 出回水溫度和溫差變化曲線

（4）出水溫度，儲(chǔ)熱裝置溫度和風(fēng)機(jī)頻率數(shù)值分析。當(dāng)儲(chǔ)熱裝置在夜間加熱時(shí)，儲(chǔ)熱裝置溫度逐漸升高，變頻風(fēng)機(jī)頻率較低，供暖出水溫度保持在50℃左右，符合測(cè)試設(shè)定范圍。在純放熱情況下，儲(chǔ)熱裝置溫度逐漸下降，變頻風(fēng)機(jī)的頻率上升到45 Hz左右進(jìn)行熱量傳遞，供暖出水溫度一直保持在50℃左右，達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度范圍，驗(yàn)證結(jié)果如圖7所示，由圖可知，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)頻率保持出水溫度穩(wěn)定滿(mǎn)足供暖需求。

圖7 出水溫度、儲(chǔ)熱裝置溫度和風(fēng)機(jī)頻率變化曲線

（5）1個(gè)周期內(nèi)儲(chǔ)熱裝置熱量和速率數(shù)值分析。如圖8所示，在圖8（a）中，儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱量峰值在凌晨6：00可到達(dá)5694 kW·h，該儲(chǔ)熱裝置額定儲(chǔ)熱量理論值為6090 kW·h，儲(chǔ)熱時(shí)間7 h以上，儲(chǔ)熱速率變化不大，變化情況符合理論要求，說(shuō)明儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱效果較好；由圖8（b）可知，釋熱量約為5044.3 kW·h，純釋熱時(shí)間17 h，釋儲(chǔ)熱量比為82.8%，剩余熱量較少，釋熱速率變化波動(dòng)不大，釋熱效果好，供暖滿(mǎn)足辦公樓日常的要。

圖8 1個(gè)周期內(nèi)儲(chǔ)熱裝置熱量和速率變化曲線

（6）儲(chǔ)熱裝置多個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)值分析。通過(guò)選取5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)繪圖進(jìn)行裝置均溫性驗(yàn)證，結(jié)果如圖9所示。一個(gè)時(shí)間周期（24 h）內(nèi)儲(chǔ)熱裝置各測(cè)溫點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)皆一致，各測(cè)溫點(diǎn)之間溫差皆小于20℃，且隨著裝置的運(yùn)行各測(cè)溫點(diǎn)之間溫差逐漸變小，且變化幅度趨于平穩(wěn)，通過(guò)多個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)表明固體電制熱儲(chǔ)熱裝置均溫性較好。

圖9 1個(gè)周期內(nèi)儲(chǔ)熱裝置溫度變化曲線

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)測(cè)試方法對(duì)儲(chǔ)熱裝置的各項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算，結(jié)果如表1所示。通過(guò)表1的測(cè)試內(nèi)容可以看出儲(chǔ)熱裝置部分性能測(cè)試結(jié)果與裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)存在一定的誤差，但在儲(chǔ)熱裝置的實(shí)際使用方面不會(huì)產(chǎn)生較大影響，其中系統(tǒng)效率達(dá)到了93.6%，與燃煤鍋爐供暖相比起到了節(jié)能減排的作用。

表1 儲(chǔ)熱裝置性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)熱裝置測(cè)試平臺(tái)和評(píng)定指標(biāo)，通過(guò)制定儲(chǔ)熱裝置在不同運(yùn)行階段的測(cè)試步驟及關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)實(shí)物平臺(tái)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證和測(cè)試結(jié)果表明：儲(chǔ)熱裝置在不同階段下的溫度、熱損失率和系統(tǒng)效率滿(mǎn)足用戶(hù)的實(shí)際使用要求；提出的儲(chǔ)熱裝置測(cè)試和評(píng)定方法有效且合理。該測(cè)試方法操作簡(jiǎn)單，具有強(qiáng)的實(shí)用性，可滿(mǎn)足不同材料的儲(chǔ)熱設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試。固體電制熱儲(chǔ)熱裝置作為一個(gè)新型清潔供暖產(chǎn)品，隨著蓄熱產(chǎn)品的不斷更新，儲(chǔ)熱型電加熱裝置測(cè)試和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的建立還需要進(jìn)一步完善。