北方冬季供暖是我國的民生工程。"秦嶺-淮河"是我國地理上劃分南北的重要分界線，以秦淮一線為界，我國實行集中供暖的區(qū)域主要包括華北、東北、西北等地區(qū)。為了保護(hù)環(huán)境，改善空氣質(zhì)量，2016年國家發(fā)展改革委等八部委聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于推進(jìn)電能替代的指導(dǎo)意見》，其中提出：在存在采暖剛性需求的北方地區(qū)和有采暖需求的長江沿線地區(qū)，重點對燃?xì)猓崃Γ┕芫W(wǎng)覆蓋范圍以外的學(xué)校、商場、辦公樓等熱負(fù)荷不連續(xù)的公共建筑，大力推廣碳晶、石墨烯發(fā)熱器件、發(fā)熱電纜、電熱膜等分散電采暖替代燃煤采暖。在燃?xì)猓崃Γ┕芫W(wǎng)無法達(dá)到的老舊城區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部或生態(tài)要求較高區(qū)域的居民住宅，推廣蓄熱式電鍋爐、熱泵、分散電采暖。在農(nóng)村地區(qū)，以京津冀及周邊地區(qū)為重點，逐步推進(jìn)散煤清潔化替代工作，大力推廣以電代煤。在新能源富集地區(qū)，利用低谷富余電力，實施蓄能供暖。

近期，深圳市愛能森科技有限公司首席科學(xué)家曾智勇及董華佳、周厚國在《綠色科技》雜志發(fā)表了《儲能在“煤改電”中的應(yīng)用》一文，對“煤改電”概況，儲熱技術(shù)，帶儲能的清潔供暖系統(tǒng)運行狀況及其應(yīng)用前景等進(jìn)行了闡述。轉(zhuǎn)載如下，以供參考。

1、電供暖概況

電供暖是指直接利用電力向用戶供暖，是一種安全、清潔、舒適的取暖方式。電供暖具有多種實現(xiàn)形式，例如電鍋爐、發(fā)熱電纜、電熱膜以及各種電驅(qū)動熱泵等。2016年以來，我國北方地區(qū)大力推進(jìn)“煤改電”清潔供暖，在取得了一定的成績的同時，也存在著一些問題。

（1）設(shè)備安裝條件限制

“煤改電”工程主要針對是城市集中熱力管網(wǎng)輻射不到的城郊或者農(nóng)村地區(qū)。以上地區(qū)公共基礎(chǔ)設(shè)施相對落后，由于工程實際需要，“煤改電”的相關(guān)設(shè)備，例如空氣源熱泵、變壓器很多情況下需要安裝在胡同內(nèi)、馬路邊、街巷等地，施工難度大，難以做到整體規(guī)劃[4]。

（2）電力負(fù)荷不匹配

“煤改電”會造成在局部區(qū)域電力需求量出現(xiàn)劇增，原有配電網(wǎng)設(shè)計與新增電力需求負(fù)荷不匹配。電力增容工程需要繁雜的辦理手續(xù)，而且電力基礎(chǔ)設(shè)施投資使得整體工程造價成本大幅提高。

（3）取暖成本

在當(dāng)前主要的取暖方式中，燃煤供暖是最廉價的。在“煤改電”試點前期，在一些政策補(bǔ)貼的推動下，不少用戶采購了直熱電鍋爐、蓄熱電鍋爐進(jìn)行冬季取暖，后來因為承擔(dān)不起昂貴的電費成本不得不選擇了放棄，散煤取暖卷土重來。

空氣源熱泵具備節(jié)能環(huán)保、操作簡單、維護(hù)方便等顯著優(yōu)點，是實現(xiàn)北方“煤改電”的主要途徑之一。然而，空氣源熱泵在運行過程會產(chǎn)生較大的噪音，對住宅小區(qū)產(chǎn)生噪音污染。此外，空氣源熱泵的能效受環(huán)境溫度影響明顯，運行不穩(wěn)定，在極端天氣甚至出現(xiàn)停機(jī)的情況，供暖效果得不到保障。

2、儲熱技術(shù)

儲能技術(shù)在我國發(fā)展已經(jīng)比較成熟了，大致可以分為4類：抽水儲能，儲熱，電化學(xué)儲能，機(jī)械儲能。由于供暖主要涉及熱能應(yīng)用，本文主要討論儲熱技術(shù)。儲熱的具體原理是利用其他形式能量轉(zhuǎn)換為熱能，并通過特定的蓄熱介質(zhì)將熱能在保溫良好的條件下儲存起來，當(dāng)需要利用時再通過換熱把所儲存的熱量提取出來加以利用。儲熱，根據(jù)蓄熱介質(zhì)的狀態(tài)可以分為顯熱儲能和相變儲能。

相變材料儲熱具有較大的儲能密度，因而發(fā)展?jié)摿Ω蟆Ｓ捎诓牧铣杀竞团涮自O(shè)備的限制，目前儲熱市場仍然以顯熱儲能為主。隨著新型儲熱材料的研發(fā)應(yīng)用和配套設(shè)備制造工藝的提升，儲熱技術(shù)應(yīng)用的成本逐年下降，越來越多商業(yè)化工程應(yīng)用得到推廣。

根據(jù)能源品位劃分，儲熱可以歸納為3個梯度：①高品位能源（≥1000℃）；②中品位能源（160-550℃）；③低品位能源（0-160℃）。供暖熱源的溫度范圍一般在50℃-120℃，從能量品位層次劃分來看，屬于低品位能源。由于供暖所需能源品位要求不高，可利用的能源很廣泛。例如，空氣能、地?zé)崮堋⑽鬯堋㈦姀S余熱、谷電棄電等。帶儲能的供暖系統(tǒng)可以耦合這些能源，將不穩(wěn)定的、不連續(xù)的能源輸入轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的、連續(xù)的高質(zhì)量能源輸出。

3、帶儲能的清潔供暖系統(tǒng)

山東省是《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017-2021年)》中清潔供暖改造的重點省份，“2+26”城市中山東省占了7個。 在“宜氣則氣，宜電則電”、“新舊動能轉(zhuǎn)換”等政策推動下，山東省在城郊以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道開展了一系列“煤改電”工程。以山東濰坊市某“煤改電”工程為例，簡單闡述一下儲熱在“煤改電”供暖領(lǐng)域的應(yīng)用。

原來的工程項目采用空氣源熱泵對小區(qū)燃煤鍋爐進(jìn)行“煤改電”清潔供暖改造。小區(qū)供暖面積7.2萬平方米，采用25臺額定制熱量140KW空氣源熱泵低溫機(jī)組進(jìn)行供暖。系統(tǒng)主要設(shè)備配置及工藝流程簡圖如下。

表1  空氣源熱泵供暖系統(tǒng)主要設(shè)備配置表

圖1  空氣源熱泵供暖系統(tǒng)工藝流程簡圖

濰坊市屬于北溫帶季風(fēng)區(qū)，四季的氣溫分布分明，1月份為全年的最冷月，日均最低溫達(dá)到-8℃。工程投入使用第一年的供暖季，空氣源熱泵在極端嚴(yán)寒天氣出現(xiàn)部分機(jī)組結(jié)霜嚴(yán)重，能效降低，甚至停機(jī)保護(hù)的情況，用戶室內(nèi)溫度達(dá)不到供暖指標(biāo)要求。

第二年，為了保障供暖效果，對空氣源熱泵采暖系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，增加了儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)由熱池模塊和換熱模塊組成。熱池模塊包含了熱池罐、緩沖罐、電加熱器以及特種儲熱材料“駱駝二號”。“駱駝二號”的設(shè)計儲熱溫度在60-130℃，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無腐蝕，損耗率小，使用壽命周期長，是一種高品質(zhì)的傳熱、儲熱材料。儲熱包含了熱能儲存和熱能轉(zhuǎn)換兩個過程。

熱能儲存：谷電時段，利用電加熱器加熱熱池罐中“駱駝二號”，將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲存。

熱能轉(zhuǎn)換：在峰電時段或者空氣源熱泵出力不足的情況，“駱駝二號”與供暖管道中的循環(huán)水進(jìn)行換熱，將儲存的熱能傳遞到供暖循環(huán)水中，再通過給水泵輸送到用戶末端進(jìn)行供暖。

表2  改造后供暖系統(tǒng)主要設(shè)備配置表

圖2  帶儲能的供暖系統(tǒng)工藝流程簡圖

表3  儲能模塊工況切換表

增加儲能模塊以后，上述“煤改電”清潔供暖系統(tǒng)的運行可靠性提高，即使在極端寒冷天氣依然能夠通過延長儲能系統(tǒng)的運行時間使得用戶室內(nèi)溫度維持在18±2℃。在個別空氣源熱泵機(jī)組出現(xiàn)停機(jī)保護(hù)時，還可以啟動電加熱進(jìn)行直接熱量補(bǔ)充。

此外，儲能系統(tǒng)可以跟隨供暖系統(tǒng)總熱負(fù)荷隨機(jī)性和波動性的特點，靈活調(diào)節(jié)儲存熱能的總量，以及合理控制儲存熱能的換熱，充分利用“峰谷電價”杠桿最大化能源利用的經(jīng)濟(jì)效益。上述工程案例，當(dāng)?shù)胤骞入妰r比為4.12:1，通過儲熱不僅可以削峰填谷，利于調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)仉娏?yīng)負(fù)荷平衡，提高能源利用效率，還能降低供暖系統(tǒng)的電費成本。

根據(jù)供暖系統(tǒng)改造前后2年的運維數(shù)據(jù)統(tǒng)計，增加儲能模塊之后，供暖季谷電利用占比由原來的32.6%提升到了44.0%，單位面積能耗增加了4.5%，單位面積電費降低了14.2%。具體數(shù)據(jù)詳見表4-表6。

表4  電價表

表5 能耗對比表

表6  電費對比

綜上所述，“煤改電”工程耦合儲能系統(tǒng)，不僅可以提高供暖系統(tǒng)可靠性，而且可以降低系統(tǒng)運行成本。因而，儲能在“煤改電”中的應(yīng)用愈加受到重視，商業(yè)推廣日益廣泛。“煤改電”將是“2+26”城市清潔供暖大勢所趨的方向。隨著“煤改電”清潔供暖工程的大范圍推廣，儲能憑借自身的獨特優(yōu)勢，將會迎來大放異彩的發(fā)展浪潮。