新型储热式电暖器应用的探讨
1 引言
北方地区冬季的供暖需求对城市环境及能源消耗具有重要影响。由于我国目前能源消耗主要还是以燃煤为主，环境污染严重的城市基本都还是典型的煤烟型污染特征，大气中90%的二氧化碳、二氧化硫都来自于燃煤。每年采暖期用煤量增加时，污染浓度急剧超标，大量燃煤使我国成为二氧化碳排放大国，位列世界第二。根据世界许多大城市的经验表明，改善大气污染状况的根本出路是改变能源结构。所以在未来几年甚至几十年内中国将会在各行各业包括民用燃料方面加大清洁干净、高质高效能源的推广使用。从丹麦哥本哈根国际气候峰会到第二届世界环保与新能源中国发展大会，各国都在为我们赖以生存的人类地球家园谋出路。环境保护、节能减排在和平时期、冷战时代的世界几乎都成了从联合国到每一个负责任的国家政府最重要的工作任务之一，针对国际上对我国环保问题的质疑，中国政府郑重承诺2005-2020年单位GDP碳排放强度降低40-45%，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。据统计，我国每年冬季单纯用于采暖所消耗的能源折合人民币达700亿元，占全国能源总消耗的1/4左右。所以供暖的科学性、合理性、能源利用效率的提高对我国的环境保护、节能减排起着举足轻重的作用。能源是人类生存和发展的基础, 科学技术发展到今天, 能源问题已成为制约人类物质和精神生活进一步提高的瓶颈。因此, 如何开发出新的绿色能源以及提高原有能源的利用率一直都是现代科技界关注的焦点。近年来, 储能材料逐渐成为国内外能源利用和材料科学研究方面的热点。储能材料在其物性变化过程中, 能够从环境吸收热量或向环境放出热量, 从而达到储存和释放能量的目的, 解决了能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾, 因此有效地提高了能源的利用率。同时由于有些储能材料在其相变过程中温度近似恒定, 可以用于调整控制周围环境的温度, 并且可以多次重复使用[1]。由于这些特性, 使储能材料在太阳能、电力“移峰填谷”、工业与民用建筑和空调的节能等领域有着广阔的应用前景。
2 储热电采暖的研究现状
现代储热技术主要是在20世纪70年代石油危机后发展起来的，当时一些工业大国开始重视太阳能、核能、风能等新能源的研究开发，而这些新能源是不连续的，这就迫使人们开始真正重视热能存储技术并迅速开展研究工作。另一方面，随着采暖、空调用能急剧增长和空间技术的迅速发展，如何使用热能存储技术进行电力的“削峰填谷”以及给空间热动力装置提供稳定的热能或电能，成了研究和应用的热点。储热技术应用于建筑领域始于1982年，由美国能源部太阳能司发起，1988年起由美国能量储存分配办公室推动此项研究。经过20多年的发展，储热技术开始转入大规模商业化应用，成熟产品和设备相继出现，储能调温建筑材料的产业化进程步入正轨。
储热技术是开发新能源、提高能源利用率的重要途径，国内、外为了对电网实现用电负荷消峰填谷、平衡用电负荷，研究人员开展了储热式电采暖的研究。储热式电采暖根据储热介质的不同分为显热储热式及相变储热式。显热储热式电采暖其储热介质一般是热容量（材料的密度与比热的乘积）较大的固体材料、热水等。其储热原理为在储热阶段对储热介质电加热，使其吸收热量从而温度升高，储热介质加以保温措施以实现储存热量的目的；在放热阶段储热介质温度降低释放出热量，可见其储存、释放的热量是由于温度差引起的，故此类电采暖称为显热储热式电采暖。显热储热式电采暖由于其技术实现容易，国外开展研究较早。目前英国、西班牙、爱尔兰、德国、芬兰、丹麦等国家已经生产出大量以四氧化三铁为储热介质的显热储热式电暖器。国内对该项研究开始于上世纪90年代，研究了电锅炉中储热技术。例如中科院工程热物理研究所对电锅炉中储热水箱的分层取水进行了研究，很好的解决了储热水箱取水温度不稳定的问题 [2] -[4] 。相变储热式电采暖则是利用相变材料的相变过程来储存或释放热量。
3 储热电采暖供暖原理及特点
3.1 供暖原理
储热式电暖器是指在每天夜间低谷电价时段通电加热6-7小时，将廉价的电能转换成热能，并存储起来；在当天其它17-18小时用电高峰时段，将储存的热量断电释放，这样，它既能利用低谷电价政策，又可以24小时持续向房间放热，实现了“削峰填谷，低谷储热，电费减半”。
本文介绍的储热电暖器以电热管为加热元件，以储热砖为热媒，加热管被加热后把热量直接传递给储热砖，储热砖由高密度氧化铁构成，比热1.1KJ/℃.Kg，即每千克储热砖温升1℃可以吸收储存1.1 KJ的热量。储热砖平均最高温度可达到700℃以上，储热同时也可放热，并且无有害气体释放，完全达到环保要求。断电后，通过储热砖和外壳之间的保温层的作用，储热砖按一定的放热曲线见图1（设备功率为3200W），实现24小时持续向房间放热。因此，供暖房间温度波动极小，基本处于均匀、恒定状态。
图1 热量输出曲线
3.2 性能特点
(1) 低谷用电，运行费用较低
目前，甘肃、辽宁、吉林、黑龙江、北京、上海、江苏等省市都实行“峰谷电价”政策，夜间将低谷时段电费约为其他时段的50%。储热电暖器利用低谷时段加热并储存热量，全天稳定释放，同比运行费用降低约50%。
(2) 全天24小时持续供暖，室温均匀稳定，温暖宜人
通过长寿命、高能效的加热元件，在低谷时段加热7-8小时，储存在蓄热能力极高的蓄热砖中，全天释放保证室内供暖。经过计算配置后的储热供暖系统能够使室温达到16-20℃ 。
储热电暖器通过温度感应器对输入热量和输出热量进行调节控制。储热电暖器热量输出大小完全根据室外温度循环变化曲线设计，随着室外温度的高低不同，补充需要的热量，从而保持室内温度全天稳定。
(3) 调节灵活，适用于不同用户的需求
储热电暖器提供多种功率选择，适用不同房间。每一个储热电暖器都可以单独控制，如果长期外出，可以完全关闭。每台储热电暖器都有热量输入输出调节旋钮（小功率设备除外）。上班期间，家中无人时可以把热量输出调到最小，回家时调到最大；天气暖和时可以把热量输入调小，以达到最大的经济性。总之，灵活的调控，最大限度满足不同用户的不同需求。
(4) 外形美观，安装方便 外形美观大方，不需要改造室内线路，固定在墙体上或者万向轮作移动式，即装即用，安装比水暖更简单，简便快捷与普通水暖相比从根本上节省了管材和初装费用，不影响居室的改造和二次装修。
(5) 运行安全可靠，免维护 暖气片腔体内的节能储热材料具有防冻特性（-10℃），不会因天气寒冷时冻裂散热片的现象。经过生产使用，证明储热电暖器运行安全可靠，全年免维护。省去传统采暖的跑冒滴漏和定期的检查维护烦恼。
(6) 行为节能，绿色供暖；无污染，无噪音，安全环保
中国大部分地区高峰电力短缺已成为影响经济发展的一大障碍。然而，另一方面，夜间的电力却白白浪费。通过削峰填谷，行为节能，提高电力运行效率，节省能源是储热电暖器的主要特点之一。
以自然辐射对流为主的散热方式，安静、舒适。完全使用电能，清洁、环保，无污染物排放，属于绿色供暖。
(7) 使用寿命
使用寿命长达二十年，无腐蚀，而且各项安全指标均通过检测，使用安全省心。
4 经济性分析
迄今为止，电采暖在我国已得到长足发展，各地已经制定了分时电价以鼓励电采暖。在电采暖推广中其经济性也引起了广泛争议。为此，下面对储热电暖器与普通电采暖在兰州地区的初投资和运行费用进行分析。
4.1 计算基础数据
（1）热指标：采暖设计热指标50W/m2；
（2）采暖天数：136天；
（3）电价：兰州市电采暖分时电价，23:00至次日7:00为0.2099元/(kW.h)、7:00至23:00为0.51元/(kW.h)；
（4）折旧年限：20年；
（5）设备配比系数：储热电暖器因考虑储热取2.0；普通电暖器间歇采暖取1.2；
（6）有效使用系数：0.7。
4.2 经济分析
下面就兰州地区保温性好的节能民用住宅建筑采用储热电暖器与普通电暖器采暖时初投资及运行费用进行计算，见表1。如果收取采暖费是按照建筑面积来核算，目前兰州市城市热力管网集中采暖费为4.2元/m2，按四个半月收取，则每个采暖季为18.9元/m2。此采暖费用的计算是基于供热单位向用户每采暖季供热量计算得出的，而在计算电采暖运行费用与之比较时，应该考虑电暖器有效使用系数来计算电采暖的运行费用，而不是直接采用设计热负荷进行计算。
表1 民用住宅建筑储热电暖器与普通电暖器经济比较
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项目
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普通电暖器
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储热电暖器
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户内投资
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设备费（元/m2）
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40
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150
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工程费
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╱
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╱
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采暖热指标（W/m2）
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50
|
50
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设备配比系数
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1.2
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2
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有效使用系数
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0.7
|
0.7
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采暖天数（天）
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136
|
136
|
|
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电费
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采暖季耗电量（KWh）
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137.1
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66.7
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电价
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23:00-7:00为0.2099元/(kW.h)
7:00-3:00为0.51元/(kW.h)
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||
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电费（元/m2）
|
56.2
|
14.0
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维修费（元/m2）
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1
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2
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运行费（元/m2）
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57.2
|
16
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折旧费
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初投资（元/m2）
|
40
|
150
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折旧率
|
0.05
|
0.05
|
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折旧费（元/m2）
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2
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7.5
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运行费+折旧费（元/m2）
|
59.2
|
23.5
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注：两种电采暖初投资的计算，均未考虑电力部分（高压配电网、低压配电网、户内线和电表）费用。
通过以上计算可得出：其中储热电暖器的采暖费用远低于普通电暖器，因以节能建筑计算，其费用并且低于城市集中热力管网集中采暖取费标准，使用储热式电暖器，每平方米建筑面积一个采暖季可节约费用约26%，如果应用于非节能建筑采暖费用会稍高于城市集中热力管网集中采暖。当然如果冬季某些天的气温较暖，可减少供电负荷。当到外地旅游、探亲访友时，可断电停止供暖，这样节约供暖费用会更高。而普通电暖器采暖虽然初投资比储热电暖器低，但不值得提倡，其一运行费用偏高，其二不带储热功能加大电网的峰谷差。理想的电采暖模式应该是与储热相结合。目前经济上可以承受、技术上可行的有储热电暖器，初投资适中，考虑其对电网的削峰填谷，其优势更加明显。我国电力时至今日已取得很大发展，但是对电力的需要增长也很快。目前电力供应出现吃紧，特别是一到夏季炎热或冬季寒冷天气，用电高峰期各地不得不拉闸限电。造成这种局面主要原因是我国电网用电负荷峰谷差严重，高峰电紧缺而低谷电富裕，这一方面对电网的安全带来威胁，另一方面不利于发电设备利用率的提高。解决这一矛盾的办法是鼓励多用低谷电，实现平衡电网用电负荷。为此各地相继出台了分时电价政策，特别是针对空调、供暖用电采取优惠政策来鼓励蓄冷空调系统及带储热功能电采暖的大量应用。
5 结束语
各种形式电采暖中普通电暖器采暖其初投资虽小，但其运行费用较高，普通电暖器采暖不具有储热功能，其大量应用势必进一步加大电网负荷峰谷差，因此不宜提倡应用；在国家标准GB 50019-2003《采暖通风与空气调节设计规范》4.7.1条也明确规定：能利用低谷电蓄热的场所，经技术经济比较合理时，可采用电采暖。所以利用储热电暖器采暖正是这种较理想的电采暖方式，不但对电网负荷实现削峰填谷、节省用户采暖费用，而且属于分布式电采暖可以节省铺设集中热力管网或天然气管网的费用，同时末端用户调节方便。就目前国内各大城市实行的分时电价政策而言，储热电暖器采暖其运行费用大大低于普通电暖器，因此储热电暖器采暖可以节省用户采暖运行费用。通过对电采暖在兰州地区的经济性初步分析可得出：建筑物保温性也会直接影响电采暖的运行费用，对于保温性能好的建筑储热电暖器费用可以低于城市集中热力管网集中供热的费用。具有分时电价政策的城市采用储热电暖器采暖可以大大降低采暖费用。综上所述，储热电暖器是一种较理想的电采暖设备，其具有广阔的市场及应用前景。
参考文献：
[1] 李栋，孙国梁，况惠芸，张阔.相变储能材料的研究进展及其在建筑领域的应用 [J].佛山陶瓷. 2008,(04) .
[2] 薛平，李建立，孙国林，韩晋民.储能调温新材料在建筑节能领域的应用研究 [J].新材料产业 2008,(02）.
[3] 王沁芳，张朝辉，杨江金.相变储能材料在节能建筑中的应用 [J].砖瓦.2009,(01).
[4] 刘靖.高温相变蓄热电暖器研制及热性能研究.[硕士学位论文].北京：清华大学建筑学院，2004.