中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院      李爱松   李忠   路   宾   聂晶晶

国家空调设备质量监督检验中心      陈亮

摘   要：蓄热装置是供热空调领域利用峰谷电力、余热和新能源的有效产品形式。介绍了目前应用的主要蓄热装置形式，分析了适用于各类型蓄热装置的国外热性能测试方法标准，总结了目前国内蓄热装置相关标准的情况。

关键词：蓄热装置；热性能；测试方法；标准

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目“美丽乡村绿色农房建造关键技术研究与示范”课题绿色农房气候适应性研究和周边环境营建关键技术研究与示范（编号：2015BAL03B04）。

       0   引言

       近年来，国家不断加大力度开展节能减排工作，为降低京津冀地区供暖期雾霾问题，大力开展了以电采暖等为主、新能源供热示范补充的清洁能源供暖技术，与此同时，为提高能源利用效率，充分回收利用低品位余热资源，发改委和住建部联合发文启动了余热暖民工程，大力开展回收利用工业低品位余热用于城镇供暖的工作。

       在清洁能源供暖和余热暖民工程中，仍存在一些技术问题使得供热能源供应与用热需求之间存在着时间、地点和强度上的不匹配，具体表现为：

     （1）风力发电和太阳能发电等可再生能源电力的上网受气象条件的影响较大，直接用于供热会造成短时间产热量难以消纳或者供热不足；

     （2）随着电力系统持续扩容，系统调峰和谷电消纳的压力进一步上升，直热式电采暖措施不仅无法降低这种压力，当用于日间供暖负荷较大的建筑时还会增加调峰削谷压力；

     （3）太阳能热利用或工业余热利用会受到天气或工艺的影响，不能直接按用热需求供热。

       蓄热装置是有效解决上述问题的途径，可以有效缓解能量供求双方在时间、地点、强度上的不匹配，是合理利用能源及减轻环境污染的有效途径^[1]。

       然而，蓄热装置上述优势的发挥，是建立在所应用的产品具有良好的性能且与建筑用热负荷以及能源供应特性良好匹配的基础上的。目前，蓄热装置已有了较多形式的产品，但生产厂家和设计人员对蓄热装置的重要性能指标缺乏较为详实的数据资料，自测性能指标所得结果差异较大，往往不能真实反映产品的真实性能。相近产品也没有形成统一的对比评价方法平台。

       因此，研究如何形成针对蓄热装置热性能的统一合理的测试方法，对于优良产品的推广应用，促进技术进步和产品升级具有重要作用，也有利于蓄热供热技术的健康发展，为节能减排工作作出贡献。

       1   蓄热装置介绍

       目前国内进行蓄热装置产品的开发和生产的企业有几十家，产品在商业、工业、居住建筑以及农村“煤改电”清洁能源供暖项目中均有较为广泛的应用。应用形式主要包括以下几类：

       1.1   固体蓄热型电加热装置

       该产品目前一般采用镁铁合金砖作为蓄热材料，该材料比热虽然只有水的1/3~1/4，但材料密度是水的2.5倍左右，且蓄热温度可达750℃以上，使得蓄热体单位容积蓄热量可达水的5倍，具有较高的蓄热能力^[2]。

图1   一种热水型固体蓄热型电加热装置构造示意图

       该类装置将电加热元件直接布置在蓄热砖的空隙中。蓄热阶段，电加热元件通电后产生的热量通过辐射和热空气对流传递给蓄热砖，以蓄热砖温升的形式显热蓄热；放热阶段，根据传热流体的不同而有所区别：

     （1）热风型装置一般采用冷空气进气口设置分流阀，将部分冷空气直接与蓄热体换热成高温热空气后，再与旁通冷空气混合成一定温度的热空气后输出，输出热空气的温度通过混流比例调节控制；

     （2）热水型装置一般采用设置变频风机，依靠风机驱动蓄热体内部自循环热空气经过热风-水换热器，与换热器外接管道回水进行换热，制取热水，热水出水温度通过调节变频风机频率来进行控制。

       1.2   一体式水蓄热供热装置

       该装置一般将电加热元件直接内置到蓄热水箱内，为便于更换加热元件以及避免热水直接接触加热元件造成到长期运行腐蚀和结垢问题，一般采用电加热元件内置于套筒内并填充导热介质，依靠间接换热加热水箱热水的方式。

图2   一种一体式水蓄热供热装置构造示意图

       一体式水蓄热供热装置由于采用电加热元件内置于水箱的方式，其热损失相比于热水锅炉与蓄热水箱结合的分体式系统大大减少，并且采用以整套装置的形式现场安装，直接与既有供热系统管道对接即可，降低了现场的施工量。目前市场上的产品在蓄热水箱内部都增设有温度场优化措施和混流措施，可充分利用水箱分层原理，并利于供水温度的控制调节。

       1.3   相变蓄热装置

       相变蓄热技术是蓄能技术中的一大类蓄能方法，相变蓄冷蓄热通过介质的相变来贮存热量，与显热相比，它具有贮能密度高，而且贮、释热过程近似等温，易与运行系统匹配等诸多优点^[3]。近些年来，相变蓄热技术已经由前期的相变材料开发与建筑材料应用，转化为蓄热装置的产品开发与应用。与被动式相变蓄热相比，主动式相变蓄热装置具有容积小，蓄热密度大，蓄放热温度波动小等优点，可集中有效解决相变材料导热性能差、过冷度高、长期运行相分离等问题，并且作为供能系统的产品形式，利于企业化生产和建筑内安装。

       目前主动式相变蓄热装置的应用产品多以模块的形式出现，按不同蓄热量要求将多个相变蓄热模块进行并联，再与前端热源以及后端供热系统进行连接。近些年国内相变材料的研究与国外引进技术都取得了长足的发展，研发出了多种相变蓄热材料，但在多数相变蓄热装置产品实际应用中，针对热水供热系统还主要以结晶水合物为主要蓄热材料，部分太阳能热水供暖和热风供暖中应用有机蓄热材料作为蓄热体。此外，得益于太阳能热发电技术的发展， 熔融盐相变蓄热材料也已开始在供热蓄能产品领域得到应用。

       1.3.1   结晶水合物相变蓄热装置

       无机结晶水合物相变蓄热材料目前在产品中应用较多的为Ba(OH)·8H₂O，此外，像CaCl2·6H₂O、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂CO₄·10H₂O 、MgNO₃·6H₂O和Na₃PO₄·12H₂O等或它们的复合物也有一定的应用，无机水合物相变材料的相变焓值一般在200kJ/kg~300kJ/kg的居多，以Ba(OH)·8H₂O为例，其相变温度为78℃，相变焓值为293kJ/kg。

       结晶水合物的相变焓值较大，但容易出现过冷问题^[4]，并且由于存在与水分子之间的结合和解析过程，长时间运行后的相分离问题也应重视，另外，还要重点考虑无机盐的腐蚀与环保问题。为增强换热效率，一般将换热盘管浸入到蓄热材料中且采用多重复合盘管、管道变截面或翅片管等方式，并通过流道优化或内置搅拌器降低相分离发生，常见的结晶水合物相变蓄热装置产品构造如图3所示。

图3   一种无机结晶水合物相变蓄热装置构造示意图

       1.3.2   有机相变蓄热装置

       有机相变蓄热装置以石蜡作为蓄热材料的较为常见，另外脂肪酸类也有一定的应用，虽然有机相变材料的相变焓值较低（多数在200kJ/kg以下），但其化学性质稳定，过冷现象不明显，且对封装材料无腐蚀性。有机相变材料的导热性较差，应用时需要增强换热措施，可通过掺混其他导热物质或浸入泡沫铜等方式实现^[5]。

       有机相变蓄热装置的构造，可采用类似于结晶水合物相变蓄热装置的方式，将换热器浸入蓄热材料中，也可采用蓄热球或蓄热管的形式将蓄热材料封装为小的蓄热单元，热风或热水等传热介质在蓄热单元的空隙间流动换热（近些年来，在蓄热球封装材料的研究上也取得了较大的进展，开发出了适应蓄热材料体积变化交变应力和腐蚀性的封装材料^[6]），该种方式的蓄热装置构造如图4所示。

图4   一种有机相变蓄热装置构造示意图

       1.3.3   熔融盐相变蓄热装置

       熔融盐蓄热和传热最初应用于太阳能热发电领域，近些年来随着熔融盐蓄热材料的研究，目前已研制出使用温度在60℃~1000℃的范围宽度^[7]。熔融盐蓄热技术具有材料价格低廉、储热密度大（多数在170kJ/kg~500kJ/kg）和应用温度较宽等优点，已经在西班牙、意大利等欧洲地区和部分北美地区等发达国家得到了实际的商业化应用，在我国已有部分产品形式，但尚未大量应用，具有非常好的发展潜力。
熔融盐相变蓄热温度较高（可达400℃以上），一般采用导热油作为内部传热介质，通过电加热直接加热导热油与相变蓄热材料换热，导热油外侧流经换热器与热水进行换热。

       1.4   卵石蓄热箱

       卵石作为廉价、易得的天然蓄热材料，将其堆置于保温箱体内，可充分蓄存太阳能热风供暖或热水供暖时日间过余集热量，用于夜间供暖需求。该类采暖方式在早期美国偏远乡村住宅中已有较为广泛的应用，近些年来随着国内太阳能供暖建筑的示范推广，也有了一定的应用并申请了多项专利^[8-9]。

图5   一种卵石蓄热箱构造示意图

       1.5   家用储热式室内加热器（蓄热式电采暖散热器）

       作为末端电供暖装置，该产品是农村地区煤改清洁能源项目的主推产品类型之一。其特点是施工安装方便，无防冻要求，无热水管路，仅有电网的扩容改造即可。

       目前该产品应用较多的形式是采用固体蓄热砖显热蓄热方式，将电加热元件布置于蓄热体中间，并与蓄热体整体包覆保温隔热材料，电加热热量蓄存到固体蓄热中，并通过可启闭风门依靠自然对流和表面热辐射供暖，带有强制循环风机的产品可通过控制风机将热量带出。还有一些产品采用相变蓄热体蓄热的形式。如图6所示。

图6   家用储热式室内加热器工作原理示意图

       2   国外蓄热装置热性能测试方法标准介绍

       目前美国ASHRAE标准较为系统地对不同类型的蓄热装置给出了热性能测试方法规定：

     （1）ASHRAE Standard 94.1-2010 “Method of Testing Active Latent-Heat Storage Devices Based on Thermal Performance”（基于热性能的主动潜热蓄热装置测试方法）。

     （2）ANSI/ASHRAE 94.2-2010 “Method of Testing Thermal Storage Devices with Electrical Input and Thermal Output Based on Thermal Performance”（基于热性能的带电气输入和热输出蓄热装置的试验方法）。

     （3）ASHRAE Standard 94.3-2010 “Method of Testing Active Sensible Thermal Energy Devices Based on Thermal Performance”（基于热性能的主动显热蓄热装置测试方法）。

       2.1   美国标准ASHRAE Standard 94.1-2010

       该标准建立了针对主动潜热蓄热装置的热性能测试方法。标准适用于蓄热量在10⁴MJ数量级及以下的潜热蓄热装置（按8h纯蓄热时间计算蓄热功率约为347kW），当蓄热体内置搅拌泵或电热元件时，其功率小于总功率的10%时可纳入该标准适用范围。

       该标准规定了对潜热蓄热装置的蓄热量、蓄热时间、放热量、放热时间、漏热率、蓄热效率、循环阻力等重要参数的测试方法。标准规定在测试过程中，环境温度应控制在20℃±2℃的范围内，测试前被测装置应至少完成过5次完整的蓄放热过程，测试过程中传热介质的比热变化应小于±0.5%。

       该标准分别针对热风型蓄热装置和热水型（或其他液态流体）蓄热装置给出了详细的测试装置描述和仪器精度限定，并推荐采用闭式循环测试系统。对于热风型蓄热装置，应用喷嘴测试风量，热水型则采用液体流量计测量。

       标准的测试方法包含5次正式的循环过程，每个循环过程的蓄热过程和放热过程均按恒定蓄热率（放热率）进行控制，值得一提的是，与该标准修订前的版本相比，在测试方法上使用了恒定蓄热率（放热率）的控制方式替代了恒定输入温度的控制方式，简而言之，就是在传热介质流量一定的条件下，采用装置进出口温差控制方式替代了装置进口温度控制方式，这样更加贴近潜热蓄热装置的实际应用情况。

       2.2   美国标准ASHRAE Standard 94.2-2010

       该标准建立了针对电直接输入和热输出的蓄热装置的热性能测试方法。标准适用于蓄热量在10⁵MJ数量级及以下的一体化电加热蓄热装置（按8h纯蓄热时间计算蓄热功率约为3472kW）。在适用的产品分类上，该标准给出了三种方式：

     （1）按传热介质包含空气型和热水型两类；

     （2）按蓄热方式包含显热蓄热、潜热蓄热两类；

     （3）按产品形式上包含集中供热蓄热装置和家用储热式室内加热器两类。

       对于集中供热蓄热装置，该标准的测试装置与ASHRAE Standard 94.1-2010的描述基本相同，并增加了电能测量装置。针对储热式室内加热器，则增设了采用量热器测试的装置具体描述。

       该标准分别针对集中供热蓄热装置和储热式室内加热器两类产品规定了测试方法。对于集中供热蓄热装置，通过至少四个测试阶段得出耗电量、最大静置漏热量、放热量、残留热量、装置热效率以及各运行阶段时间等热性能参数。对于储热式室内加热器，通过预运行、静态放热测试和动态放热测试三个过程分别得出静态和动态条件下的外壳漏热量、放热量和残余热量等参数。

       2.3   美国标准ASHRAE Standard 94.3-2010

       该标准建立了针对主动显热蓄热装置的热性能测试方法。标准适用于蓄热量在104MJ数量级及以下的潜热蓄热装置（按8h纯蓄热时间计算蓄热功率约为347kW）。

       该标准规定了对显热蓄热装置的蓄热量、蓄热时间、放热量、放热时间、漏热率、蓄热效率、循环阻力等重要参数的测试方法。

       该标准分别针对热风型蓄热装置和热水型（或其他液态流体）蓄热装置给出了详细的测试装置描述和仪器精度限定，并推荐采用闭式循环测试系统。对于热风型蓄热装置，应用喷嘴测试风量，热水型则采用液体流量计测量。

       该标准采用恒定装置进口传热介质温度的方式进行蓄热和放热测试。对于热风型蓄热装置，进口空气温度波动维持在±1.0℃内，对于热水型蓄热装置，进口温度维持在±0.2℃内。

       2.4   以上各标准的适用装置形式总结

       通过对目前国内较为常见的蓄热装置产品分析和美国测试标准介绍，可以看出，美国标准所规定的产品形式基本上涵盖了国内各类型蓄热装置，其具体适用装置分类情况见表1。

表1   各美国标准适用的蓄热装置产品类型划分

       3   目前国内蓄热装置相关标准情况介绍

       目前，国内尚未按照蓄热装置的类别给出针对性的产品性能测试方法国家或行业标准，对于建筑用蓄冷蓄热测试，与之相关的标准有《电蓄冷（热）和热泵系统现场测试规范》（DL/T 359—2010）和《蓄冷空调系统的测试和评价方法》（GB/T 19412—2003）。对于家用储热式室内加热器，《家用储热式室内加热器性能测试方法》（GB/T 31299—2014）直接采纳lEC 60531:1999标准，在《电采暖散热器》（JG/T 236—2008）行业标准中也涉及了该类产品的性能测试要求。另外，在辽宁省地方标准《电热储能炉工程应用技术规程》（DB21/T 2018—2012）中涉及了固体蓄热型电加热装置的应用技术要求，并即将编制中国工程建设协会标准。

       值得一提的是，目前国家标准《蓄热型电加热装置》已列入国标委2017年第一批编制计划，同时，中国工程建设标准化协会标准《相变蓄热装置》也已列入2017年第一批产品标准试点项目计划，在上述标准的编制过程中，将充分借鉴国外标准的成熟经验，并结合我国蓄热装置的实际情况，相信随着上述标准的编制实施，蓄热装置行业将在我国取得更为规范和快速的发展。

       4   结论

     （1）蓄热装置是是合理利用能源及减轻环境污染的有效途径，但其应用需要统一合理的性能测试方法支撑。

     （2）目前国内蓄热装置已存在多种技术类型和产品形式，且在实际工程中均有应用。

     （3）美国标准针对不同类型的蓄热装置的热性能测试方法给出了全面详实的规定，也涵盖了目前国内蓄热装置的所有形式，具有重要的参考价值。

     （4）目前国内蓄热装置的标准体系尚不完善，相关标准正在制定过程中，预计随着相关标准的实施，将会进一步规范和促进蓄热装置产品市场的发展。

参考文献

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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期。
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