供暖領(lǐng)域電能替代效益分析

供暖領(lǐng)域電能替代效益分析

武中，李強(qiáng)，徐紅濤

(國網(wǎng)山西省電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山西 太原 030002)

摘要：供暖領(lǐng)域用電能供暖替代傳統(tǒng)燃煤供暖方式，是減少霧霾的主要措施之一.將電鍋爐和地源熱泵技術(shù)等進(jìn)行集成，基于能耗及經(jīng)濟(jì)成本等因素，建立分析模型，并通過調(diào)研數(shù)據(jù)對分析模型進(jìn)行驗(yàn)證，分析電鍋爐以及熱泵在不同性能曲線(COP)的聯(lián)合使用的運(yùn)行策略，尋找最優(yōu)的運(yùn)行方案是實(shí)現(xiàn)電能替代效益的關(guān)鍵步驟.基于系統(tǒng)模型以及優(yōu)化目標(biāo)，借助計算機(jī)輔助編程，通過坐標(biāo)輪換法，對模型進(jìn)行分析和計算，得出采用地源熱泵作為主供暖設(shè)施，電鍋爐作為輔助供暖設(shè)施的是目前電能供暖綜合最佳解決方案.

關(guān)鍵詞：電能替代；供暖；能耗；經(jīng)濟(jì)效益

收稿日期：2015-03-19

基金項目：國家星火計劃項目(2010GA700156)

作者簡介：武中(1971—)，男，山西太原人，高級工程師，研究方向?yàn)殡娔芴娲?、智能電網(wǎng)通信網(wǎng)規(guī)劃，E-mail：153336684362@foxmail.com.

中圖分類號：TM925

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)05-0508-04

Abstract:As one of the main measures to disperse haze, electric heating systems will replace the traditional coal-fired heating systems in the field of heat supply. Integrating electric boilers and ground source heat pump, the analysis model based on energy consumption, economic costs and other factors is built. The analysis model is validated via the survey data and the co-running strategies of electric boilers and ground source heat pump in different COP are evaluated in order to find the optimal solution. These are the key steps for efficiency evaluation of alternative energy. Based on the system model and optimization goal, the coordinate rotation method is used to analyze and calculate the model through computer-aided programming. The best solution of electric supply is to use ground source heat pumps as the main heating facilities and electric boilers as an auxiliaries.

Keywords:alternative energy; heat supply; energy consumption; economic efficiency

Efficiency evaluation of alternative energy in heat supply system

WU Zhong, LI Qiang, XU Hongtao

(Economics and Technology Research Institute of State Grid Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030002, China)

當(dāng)前，環(huán)保形勢嚴(yán)峻，嚴(yán)重霧霾頻繁發(fā)生，尤其是在北方冬季供暖期間，霧霾大規(guī)模長時間的爆發(fā)，嚴(yán)重影響了人們的生活和健康[1].研究表明：PM2.5中的50%～60%源于燃煤，20%～30%源于燃油[2]，直燃煤是造成環(huán)境污染的重要因素[3].隨著清潔能源發(fā)電比重的提高，電能的污染物排放明顯優(yōu)于直燃煤[4]，能顯著減少城市的空氣污染，能夠改善生活環(huán)境質(zhì)量.電能替代是推進(jìn)節(jié)能減排工作的有效途徑之一[5-6]，但與傳統(tǒng)供暖方式相比，過高的運(yùn)行費(fèi)用是其大規(guī)模推廣的主要障礙之一[7-8].在供暖領(lǐng)域通過對燃煤鍋爐、電鍋爐和地源熱泵的進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效益分析，提出了電能替代傳統(tǒng)燃煤方式供暖的解決方案.

1模型研究

國內(nèi)研究主要從簡單的經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，但沒有考慮環(huán)境的經(jīng)濟(jì)成本[9-10]，從一種普適地角度提出替代模型，主要講成本分為初期投資(設(shè)備、安裝、建設(shè)等)、運(yùn)行成本(運(yùn)行、設(shè)備折舊費(fèi)等)兩個分類，如表1所示，同時將環(huán)保成本歸增加到上述分類的子類當(dāng)中去，旨在通過定量的分析體現(xiàn)電能替代的長遠(yuǎn)效益.計算模型將各種設(shè)備的投資成本和每年的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，標(biāo)準(zhǔn)化折算成每平方供暖年化費(fèi)用.

表1　模型參數(shù)

將環(huán)保成本歸增加到初期投資(設(shè)備、安裝、建設(shè)等)、運(yùn)行成本(運(yùn)行、設(shè)備折舊費(fèi)等)等環(huán)節(jié)當(dāng)中去，旨在通過定量的分析體現(xiàn)電能替代的長遠(yuǎn)效益.計算模型將各種設(shè)備的投資成本和每年的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，標(biāo)準(zhǔn)化折算成每平方供暖年化費(fèi)用.

為了方便表示和計算，做以下約定：燃煤鍋爐、電鍋爐、地源熱泵分別用下標(biāo)cb，eb，gp表示，比如，N表示折舊年限，則Ncb代表燃煤鍋爐的折舊年限；M代表主設(shè)備價格，則Meb表示電鍋爐的價格.

1) 主設(shè)備成本

設(shè)主設(shè)備成本為M，主設(shè)備是指用供暖系統(tǒng)使用能源實(shí)現(xiàn)加熱的主體設(shè)備，即燃煤鍋爐、電鍋爐、熱泵設(shè)備本身.主設(shè)備的折舊年限N，供暖面積為S,則三種設(shè)備折算成每平米的年均投資m為

(1)

2) 土建成本

設(shè)土建成本為F，包含土地和建筑兩部分.設(shè)土地單價為α，建筑造價為β，面積為S1,場地面積(例如堆煤及渣料等非建筑場地)S2，則土建成本折算為每平米的年均投資f為

(2)

3) 配件成本

設(shè)配件成本為A，供暖系統(tǒng)的配件包括給水泵及控制箱、循環(huán)水泵、軟水器、換熱設(shè)備、引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、除塵器、除渣機(jī)、上煤機(jī)、脫硫脫銷除塵、配電柜、變壓器、線纜等一系列配套設(shè)備.則配件成本折算成每平米的年均投資a為

(3)

4) 其他成本

設(shè)其他成本為O，主要包括安裝費(fèi)、人工費(fèi)以及監(jiān)理費(fèi)用等等.這些費(fèi)用一般和工程總造價的20%，購地費(fèi)用不計算在工程造價內(nèi)，其他成本折算成每平米的年均投資o為

oi=0.1(mi+ai)i=cb,eb,gp

(4)

5) 人工費(fèi)用

設(shè)人工費(fèi)用為E，對于供暖環(huán)節(jié)，設(shè)需要n個工作人員，月工資為d，員工的節(jié)假日補(bǔ)助及福利費(fèi)用G，G=Ci×14%，一年員工工作t個月，對于三種設(shè)備，其年人工費(fèi)用記作e，即

(5)

6) 耗材費(fèi)用

耗材費(fèi)用C主要有主要包括輔助配件費(fèi)用，輔助設(shè)備的電費(fèi)C(e)，水費(fèi)，C(w)以及其他耗材費(fèi)用C(o)，其他耗材費(fèi)用購買軟化水劑等產(chǎn)生的費(fèi)用,對于燃煤鍋爐，其他費(fèi)用還包括脫硫脫硝除塵所需的脫硫劑、脫硝催化劑等，C=C(e)+C(w)+C(o)，耗材費(fèi)用每平米供暖年化耗材成本c為

(6)

7) 維修費(fèi)用

即初始投資的線性函數(shù)R=(M+A)ξ，ξ取值為3.5%，每平米供暖年化維修成本為

(7)

針對不同的供能設(shè)備，計算在產(chǎn)生相同的經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，在生命周期內(nèi)共使用了多少費(fèi)用W，使用費(fèi)用W較少的具備較好的經(jīng)濟(jì)性，其表達(dá)式為

W=(M+F+A+O)+N(E+C+R)

(8)

其中N為設(shè)備可使用年限.

根據(jù)式(8)，有以下多種判斷邏輯：

1) 正向判別.不同的設(shè)備和用能方式，具有不同的生命期費(fèi)用.令c為用煤方式，e為用電方式，如果W(e)

2) 延遲判別.由各個參數(shù)的主要受制于價格因素，而價格又隨時間變化，所以式(8)可以表達(dá)為時間的函數(shù)，即W(t)=(M(t)+F(t)+A(t)+O(t))+N(E(t)+C(t)+R(t))，則如在t0時刻，有W(e, t0)< W(c, t0)，則有可能在t1時刻，W(e, t1)< W(c, t1)，即經(jīng)濟(jì)性具有時間效應(yīng)，并不是一成不變的.

3) 反向推導(dǎo).如果t在短期內(nèi)無法使W(e, t0)< W(c, t0)，而電能替代又必須實(shí)施，則通過干預(yù)某個參數(shù)，如政府實(shí)施優(yōu)惠電價，使W(e, t0)< W(c, t0).

在實(shí)際情形下，因?yàn)槟茉磧r格的波動性，參數(shù)很難用簡單的時間函數(shù)來表示，同時，政府干預(yù)參數(shù)也屬于不可控范疇，所以選擇正向判別作為惟一的判斷邏輯.

2模型構(gòu)建

1) 初始投資成本

通過對鍋爐、熱泵的生產(chǎn)銷售企業(yè)調(diào)研，了解企業(yè)近2年來實(shí)施案例的初始投資成本，按照一蒸噸(700kW)的規(guī)模折算如表2所示.

表2　初始投資成本調(diào)研數(shù)據(jù)

2) 模型計算

將折舊年限Ncb=10，Neb=15，Ngp=15，煤鍋爐司爐工c1按2 300 元/月，電鍋爐和熱泵看管員工c2按2 000 元/月等參數(shù)帶入式(1～7)并求和，得到年化費(fèi)用C，該費(fèi)用分為由兩部分組成，實(shí)際產(chǎn)生的費(fèi)用和供能費(fèi)用如表3所示.

對于供能費(fèi)用s，對于燃煤鍋爐，可以表達(dá)成燃煤單價的函數(shù)，同樣，對于電鍋爐，也可以表達(dá)成其電價的函數(shù)，而對于地源熱泵，C隨溫度而變化，其可以表達(dá)成電價和溫度的函數(shù).

熱負(fù)荷為q，供暖面積為s，在一定時間t所消耗的熱量Q可表示為

Q= qst　(9)

考慮熱當(dāng)量μ，熱效率為C，采暖熱負(fù)荷修正系數(shù)K1=0.8，傳輸熱損失K2=0.7[11-12]，那么燃煤鍋爐的能量消耗量A與Q的關(guān)系為

Q=μK1K2AC

(10)

scb=Apc

(11)

對于電供暖設(shè)備，其功率為P，與Q的關(guān)系滿足

Q=K1K2PCt

(12)

s=Ptp

(13)

對于電鍋爐和熱泵，其費(fèi)用分別為

seb=Pebtpe

(14)

sgp=Pgptpe

(15)

太原地區(qū)一個采暖季天數(shù)為127天[13]，一天供暖18 h，累計供暖2 286 h，可以單獨(dú)采用燃煤鍋爐供暖或電鍋爐、地源熱泵聯(lián)合供暖.將以上數(shù)據(jù)代入式(9～15)中，化簡可得

Qcb=Qeb+Qgp

(16)

Ccb=19.4+Apc

(17)

Ceb=7.94+Pebtpe

(18)

Cgp=9.53+Pgptpe

(19)

由此可以看出：在式(16)的約束條件下，燃煤價格、電價、電鍋爐初裝功率和熱泵初裝功率分別為多少時，電能替代經(jīng)濟(jì)上可行，即判別式Δ≥1，有

Δ=Ccb/(Ceb+Cgp)

(20)

3模型求解

判別式Δ包含5個自變量，加之自變量之間的耦合關(guān)系，判別式直接求解較困難.采用坐標(biāo)輪換法的思路，把多參數(shù)轉(zhuǎn)換為單參數(shù)進(jìn)行求解.

1) 令Ce=Ceb+Cgp，為用電設(shè)備的每平米年總開銷，假定pe為常量，為當(dāng)前電價0.47，則變量peb，pgp滿足0.97Peb+PgpC實(shí)際=q，太原地區(qū)的采暖熱負(fù)荷q=60 W/m2，電鍋爐的熱效率Ceb=0.97，燃煤鍋爐熱效率Ccb=0.8；地源熱泵的C名義=3.3，標(biāo)準(zhǔn)出水溫度為45度，其實(shí)際C隨出水溫度關(guān)系[14]滿足C名義=Ceb(101.5-2.25X)/100，則費(fèi)用Ce表示見圖1.從圖1可以看出：熱泵實(shí)際C越低，總體費(fèi)用也低，但考慮到實(shí)際取暖效果，出水溫度不應(yīng)低于45度，熱泵單獨(dú)供暖可以保證采暖季初期和末期的供暖需求.綜合太原地區(qū)的天氣情況，配套電鍋爐應(yīng)該滿足最冷供暖日滿負(fù)荷供應(yīng)，則兩者最佳初裝功率比為1∶1.

圖1　電設(shè)備費(fèi)用 Fig.1　The costs of electric equipments

2) 依舊假定為常量，為當(dāng)前電價0.47，則費(fèi)用比率與煤電價的關(guān)系如圖2所示.從圖2可以看出：總費(fèi)用隨著煤電價比的增高而增高，根據(jù)測算，以當(dāng)前電價為基準(zhǔn)，煤炭價格為電價的3.2倍，即煤炭價格超過1 500 元/噸時，具有可替代性.

圖2　費(fèi)用比率 Fig.2　The rate of cost

4結(jié)論

電鍋爐費(fèi)用遠(yuǎn)高于燃煤鍋爐，經(jīng)濟(jì)上替代可行性不大，熱泵費(fèi)用雖然低于燃煤鍋爐費(fèi)用，但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于熱泵出水溫度不高，在嚴(yán)寒季節(jié)的夜間無法達(dá)到室內(nèi)取暖最低溫度的標(biāo)準(zhǔn)，單獨(dú)替代可行性不大.采用地源熱泵作為主供暖設(shè)施，小功率電鍋爐作為輔助供暖設(shè)施的是目前電能供暖綜合最佳解決方案，當(dāng)電鍋爐的供暖比例1∶1,電價保持不變，煤炭價格高于1 500元/噸時，供暖利用完全可以實(shí)施電能替代.

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(責(zé)任編輯：劉巖)