严寒地区区域供暖系统优化方案技术经济性分析_闫凯玲.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 1.0 3 6严寒地区区域供暖系统优化方案技术经济性分析闫凯玲,刘爱明,米生福,贾埃学,陶晓霞(国家能源集团 神东煤炭集团公司,鄂尔多斯0 1 7 2 0 9)摘 要:严寒地区既有供暖系统改造作为我国老旧小区综合改造和性能提升的重要内容,是缓解我国环境问题和资源紧张的重要途径和关键环节。基于“煤改气”、“煤改电”政策对燃气锅炉供暖系统、空气源热泵复合供暖系统进行技术与经济分析,旨在为我国严寒地区区域供暖提供重要的参考价值。关键词:区域供暖;燃气锅炉供暖;空气源热泵复合供暖;经济性分析A n a l y s i so f t h eR e n o v a t i o nP l a no f t h eE x i s t i n gD i s t r i c tH e a t i n gS y s t e mi nt h eC o l dA r e aY AN K a i-l i n g,L I UA i-m i n g,M IS h e n g-f u,J I AA i-x u e,T A OX i a o-x i a(N a t i o n a lE n e r g yG r o u pS h e n d o n gC o a lG r o u pC o r p o r a t i o nO r d o sC i t y,I n n e rM o n g o l i a0 1 7 2 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:A sa n i m p o r t a n tp a r to f t h ec o m p r e h e n s i v e t r a n s f o r m a t i o na n dp e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n to fo l dr e s i d e n-t i a la r e a s i nC h i n a,t h e t r a n s f o r m a t i o no f e x i s t i n gh e a t i n gs y s t e m s i nc o l da r e a s i s a n i m p o r t a n tw a ya n dk e y l i n k t oa l l e-v i a t eC h i n a s e n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s a n dr e s o u r c e c o n s t r a i n t s.B a s e do n t h ep o l i c yo f c o a l t og a s a n d c o a l t oe l e c t r i c-i t y,t h e t e c h n i c a l a n de c o n o m i ca n a l y s i so fg a sb o i l e rh e a t i n gs y s t e ma n da i r s o u r c eh e a tp u m pc o m p o s i t eh e a t i n gs y s-t e mi sc a r r i e do u t,a i m i n gt op r o v i d e i m p o r t a n t r e f e r e n c ev a l u e f o rd i s t r i c th e a t i n g i ns e v e r ec o l da r e a s i nC h i n a.K e yw o r d s:d i s t r i c th e a t i n g;g a sb o i l e rh e a t i n g;a i r-s o u r c eh e a tp u m pc o m p o s i t eh e a t i n g;e c o n o m i ca n a l y s i s收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 8.作者简介:闫凯玲(1 9 9 5-),助理工程师.E-m a i l:x i a n y a z i 1 6 3.c o m随着经济发展,人们对生活质量要求提高,我国北方大多地区需大量供暖,其年均增长约1 0%1。随着采暖面积的增加,采暖季会出现严重的环境问题。在政府提出“煤改气”、“煤改电”的政策下,清洁能源走进了人们的视野。北方城镇建筑采暖能耗占总建筑能耗2 5%,采用清洁能源的供暖方式是改善国家环境污染和能源紧缺问题的有效途径2,3。为了应对气候和环境变化,促进温室气体的减排、缓解能源紧张的问题。2 0 2 0年我国政府提出了“双碳”目标,更加加快了新能源产业链的转型,为未来能源指明了方向。目前,清洁能源改造的形式主要有两种:一是燃煤锅炉改为燃气锅炉;二是燃煤锅炉改为用电采暖4。目前在北方采暖地区,许多区域供暖设施设备和管网已运行十几年之久,设备老化加之技术落后,导致供暖室内温度过低或过高,热舒适性差且环境污染严重,急需对其进行供暖改造5。为分析不同供暖系统的合理性,以下对燃气锅炉供暖系统、空气源热泵水蓄热复合供暖系统、太阳能辅助空气源热泵耦合供暖系统三种典型的区域供暖系统进行技术与经济性分析。1 既有区域供暖改造系统技术分析1.1 燃气锅炉供暖系统燃气锅炉的主要部件有燃气燃烧器和锅炉控制器。在燃气锅炉系统中,水从进水口进入锅炉,并经锅炉加热得到满足供热标准的水温经循环水泵送入室内散热器进行供暖。通过散热器的水重新回到锅炉进行加热,再重新流入散热器,如此往复循环进行。燃气锅炉供暖组成图如图1所示。921建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期1.2 空气源热泵水蓄热复合供暖系统空气源热泵水蓄热复合供暖系统的运行主要有三个过程:一是采暖初期,由于室外温度较高,空气源热泵C O P大,空气源热泵单独运行,承担所有热负荷;二是室外温度较低,空气源热泵单独运行无法满足用户供热需求,需水蓄热辅助空气源热泵联合运行,在低谷电蓄热,高峰电放热;三是室外温度升高,空气源热泵C O P增大,空气源热泵再次单独运行,并承担所有热负荷。空气源水蓄热复合系统组成图如图2所示。1.3 太阳能辅助空气源热泵供暖系统系统组成图如图3所示,主要包括空气源热泵系统、太阳能热利用系统、控制系统以及采暖末端。该系统主要根据天气和日照情况,通过控制系统来转换运行模式。在日照充足的情况下,只需太阳能热利用系统加热所需热水;在日照不足时,太阳能加热系统不能提供部分供暖需求,控制系统启动空气源热泵系统进行联合供暖;当环境温度过低,太阳能集热器与空气源热泵系统均无法满足用户的供热需求时,通过控制器启动电加热器进行辅助供热。2 既有区域供暖改造系统经济性分析经济性是对一个系统评价的重要指标。系统采用费用年值法对各个系统经济性进行评价。费用年值法031建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期包括初投资及运行费用,同时兼顾了长期性投资方案,应用较广泛。当不考虑通货膨胀时,系统费用年值法计算公式如式(1)、式(2)所示。C0=Cr+Cm+P I C-S()+SI(1)P I=i1-(1+i)-n(2)式中,C0为系统的费用年值,元/年;Cr为系统的年运行费用,元/年;P I为系统的资本收益系数,%;C为系统的初始投资,元;S为资本投资净残值(例:本次取0元);i为系统的折现率,取1 0%;Cm为系统的年维护费用,元/年;N为系统预计寿命。以严寒地区内蒙古某供暖改造小区为例,采暖面积为1 0万m2,内蒙古供暖时间从1 0月1 0日次年4月1 5日,共1 8 6d,热负荷指标为6 5 W/m2,根据面积概算供暖季热负荷为65 0 0kW,内蒙的峰时电价为0.5 6 8元/kWh,谷段电价为0.2 8 8元/kWh,计算其平均电价为0.4 5元/kWh。1)燃气锅炉经济性估算参考相关费用标准,天然气供暖系统初投资按6 5元/m2,计算初投资费用为6 5 0万元。燃气锅炉供暖系统的运行费用主要包括燃料费和运行电费两大部分。燃气锅炉、燃料费计算如式(3)、式(4)所示。Vq=Qqqq(3)式中,Vq为燃气锅炉每小时耗气量,Nm3/h;Q为建筑热负荷,W;qq为天然气的热值,取3 55 0 0k J/m3;q为燃气锅炉效率,取0.8 5。F=Tnafq(4)式中,F为燃料费,元;T为锅炉运行天数,d;n为日运行小时数;a为燃料耗量,m3/h;f为燃料单价,元/m3;q为负荷率,取0.7 5。电耗费按照式(5)进行计算。S电耗费=Nhddyjd(5)式中,N为循环水泵功率,kW;hd为每天运行的小时数,h;dy为全年运行时间,d;jd为用电单价,取0.4 5元/kWh。据式(3)求得Vq为2 1 5Nm3/h,并根据式(4)计算此系统的燃料成本为5 1 1万元,系统选用2台水泵功率为1 2kW,按式(5)计算电费为4.8万元,则燃气锅炉的运行费用为5 1 5.8万元。燃气锅炉维护系数取2%,维护成本为初投资维护系数,故计算出维护成本为1 3万元。按照式(1)、式(2)计算出费用年值为6 0 5万元/年。2)空气源热泵水蓄热复合系统经济性估算基于系统不可能一直在最大负荷(1 0 0%)下工作,机组可能主要在7 5%、5 0%等负荷下工作,美国制冷学会及美国暖通空调工程师学会提出了综合部分复合系数(I P L V)的概念,如式(6)所示。I P L V=1.2%A+3 2.8%B+3 9.7%C+2 6.3%D(6)式中,A为1 0 0%负荷时的性能系数(W/W);B为7 5%负荷时的性能系数(W/W);C为5 0%负荷时的性能系数(W/W);D为2 5%负荷时的性能系数(W/W)。根据式(6)得出1 0 0%、7 5%、5 0%、2 5%负荷下的天数分别约为2d、6 1d、7 4d、4 9d。在5 0%和2 5%负荷下由空气源热泵单独运行供暖;由于环境温度降低,在1 0 0%和7 5%负荷下空气源热泵与水蓄热的热负荷配比为7 0%、3 0%。根据工程估算,空气源热泵的初投资取2 0 0元/m2,水蓄热电锅炉的初投资取1 2 0元/m2。根据此系统运行策略计算总初投资约为18 9 9.4万元,根据式(5)及系统运行策略算得运行费用约为2 1 7.1 4万元。维修费用系数取值1%,则维护费用约为1 9万元,根据式(1)、式(2)计算出费用年值为4 8 7万元/年。3)太阳能辅助空气源热泵系统经济性估算参考相关费用标准,太阳能辅助空气源热泵供热系统初投资指标为3 4 1元/m2,计算系统的初投资为34 1 0万元。131建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期系统运行费用主要包括太阳能循环水泵电耗费与空气源热泵的电耗费两部分。太阳能主要用于白天供暖,集热时间为8h,夜晚依靠空气源热泵进行供暖。根据工程经验按1 8个阴雨雾霾天由空气源热泵或电加热进行供暖,此时考虑到空气源热泵随室外温度降低制热性能也降低以及电制热的存在,空气源热泵C O P取1.8,其他时段取2.5。同时,太阳能保证率为7 0%,太阳能循环水泵功率为5.5kW,最终根据系统的运行策略及式(5)计算出运行成本为1 4 7.7 5万元,维护系数取1%,计算的维护成本为3 4.1万元,根据式(1)、式(2)计算出费用年值为5 8 4.2 3万元/年。不同系统供暖分析如表1所示。表1 系统供暖分析表项目燃气锅炉太阳能-空气源热泵水蓄热-空气源热泵供暖面积/万m21 01 01 0供暖负荷/k W65 0 065 0 065 0 0总初投资/万元6 5 034 1 018 9 9.4能源单价3.5 5元/m0.4 5元/k Wh0.5 6 8/0.2 8 8元/kWh运行费用/万元5 1 5.81 4 7.7 52 1 7.1 4维