新疆連棟育苗溫室煤改電鍋爐供暖系統(tǒng)應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益分析

肖林剛 蔣智超 王先宏 王 瑞 馬月虹

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091，2.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督管理站，新疆 烏魯木齊 830054，3.阿瓦提縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，新疆 阿克蘇 843200)

連棟溫室被越來(lái)越多地用作花卉、苗木和蔬菜的育苗方面，相較于日光溫室連棟溫室5面透光，可為作物提供良好的光照且光線分布均勻，使溫室能夠形成一個(gè)適宜的小氣候環(huán)境[1]。阿瓦提縣育苗連棟溫室在2019年前冬季一直都是燃煤鍋爐供暖，在煤改電政策的指導(dǎo)下，阿瓦提縣將原有育苗連棟溫室的燃煤鍋爐改造成了電加熱鍋爐，溫室內(nèi)的散熱器和供暖管路沒(méi)有改動(dòng)。溫室冬季用燃煤供暖從現(xiàn)行政策與環(huán)保要求都不是發(fā)展方向，亟待一種新的供暖模式和替代能源，溫室冬季供暖煤改電是一種行之有效的方法和途徑[2-3]。

1 工程實(shí)例

1.1 連棟溫室物理模型的建立

試驗(yàn)溫室始建于2012年，坐落于團(tuán)結(jié)村緊鄰國(guó)道312旁，溫室東西4跨，單跨三尖頂，跨度9.6 m。南北向開(kāi)間4 m，長(zhǎng)36 m；檐高4 m，頂高約4.7 m；溫室天面角22°，溫室軸線面積1382.4 m2，溫室四周澆筑50 cm、高30 cm寬的混凝土墻體，溫室南面采用(4 mm+9 mm+4 mm)雙層中空浮法玻璃覆蓋，東、西、北面和頂部采用10 mm厚聚碳酸酯雙層中空板(PC)覆蓋。溫室內(nèi)配備內(nèi)遮陽(yáng)和內(nèi)保溫幕系統(tǒng)，四周緊挨墻壁和苗床底下布置熱鍍鋅圓翼型翅片暖氣管加溫，該溫室用作于蔬菜種苗繁育。

2 溫室的熱負(fù)荷計(jì)算與分析

2.1 溫室的維護(hù)結(jié)構(gòu)及熱負(fù)荷

本試驗(yàn)溫室的覆蓋材料是雙層中空玻璃和聚碳酸酯雙層中空板，這類覆蓋材料阻熱能力較差，而溫室中的作物和設(shè)備基本無(wú)蓄熱能力[5]。因此，溫室的熱負(fù)荷可根據(jù)中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10297―2014《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，溫室的采暖熱負(fù)荷計(jì)算公式Q由式(1)計(jì)算

QR=Q1+Q2+Q3

(1)

式中，QR為試驗(yàn)溫室供熱總負(fù)荷，W；Q1為通過(guò)墻體、玻璃和聚碳酸酯板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失，W；Q2為溫室冷風(fēng)滲透熱損失，W；Q3為溫室地面熱損失，W。

Q1可由式(2)計(jì)算。

(2)

式中：Kj為溫室各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)(包括墻體、玻璃和聚碳酸酯板等)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Akj為溫室各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面面積，m2；ti為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃，取15 ℃；to為室外設(shè)計(jì)溫度，℃，取-22 ℃。

溫室建造中常用的維護(hù)結(jié)構(gòu)及覆蓋材料的傳熱系數(shù)Kj如表1所示。

表1 常用圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料傳熱系數(shù)

本試驗(yàn)溫室由3部分維護(hù)覆蓋材料構(gòu)成，墻體維護(hù)面積為22.32 m2，聚碳酸酯中空(PC)板維護(hù)面積為1788 m2，玻璃維護(hù)面積為153.6 m2。根據(jù)計(jì)算公式(2)和(3)得出：溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量為：Q1=223.1 kW；

Q2可由式(3)計(jì)算。

Q2=0.5k風(fēng)速VN(ti-to)

(3)

式中：k風(fēng)速表示風(fēng)力因子，根據(jù)溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范查表(如表2)對(duì)應(yīng)的參數(shù)值為 1.00；V表示溫室空氣體積；N為每小時(shí)換氣次數(shù)。該試驗(yàn)溫室的空氣體積為 V=5529.6 m3；N為溫室密閉環(huán)境下每小時(shí)換氣次數(shù)，次/h，查表(如表3)可知N取1次/h。根據(jù)計(jì)算公式(3)可知，試驗(yàn)溫室的冷風(fēng)滲透熱損失Q2為 102.3 kW。

表2 風(fēng)速因子(k風(fēng)速)

表3 每小時(shí)換氣次數(shù)N推薦

地中熱損失Q3可由式(4)計(jì)算

(4)

式中：ui為第i區(qū)地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·k)；Ai表示第i區(qū)面積，m2。溫室地面熱損失的速度與地面和外圍護(hù)墻體結(jié)構(gòu)間的距離有關(guān)，為了便于計(jì)算，通常將溫室內(nèi)的地面按與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離劃分成3個(gè)區(qū)域如表4，最后按各自的傳熱系數(shù)和面積算出熱損失之和，便得到Q3。根據(jù)公式(4)及參考《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，可得本試驗(yàn)溫室的地面?zhèn)鳠釗p失熱負(fù)荷Q3為 296.4W。

表4 地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

2.2 溫室熱負(fù)荷分析

連棟溫室熱負(fù)荷是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，尤其是溫室中有蓄熱體(植物，蓄水池和配套裝備等)，本文為了便于計(jì)算沒(méi)有考慮的到溫室中蓄熱體吸熱與放熱問(wèn)題。有學(xué)者在進(jìn)行溫室能耗計(jì)算時(shí)，將白天溫室獲得太陽(yáng)輻射熱計(jì)算入溫室的熱負(fù)荷中[7-8]，這對(duì)溫室供熱設(shè)計(jì)非常不利，溫室的最大熱負(fù)荷在黎明時(shí)分，極端天氣(連陰天、降雪天)時(shí)溫室也無(wú)法獲得太陽(yáng)輻射熱，在進(jìn)行溫室供熱能耗計(jì)算時(shí)不應(yīng)當(dāng)考慮太陽(yáng)的輻射熱。綜上所述，試驗(yàn)溫室總的采暖熱負(fù)荷Q1、Q2、Q3之和為：325.7 kW，溫室單位面積散熱量為：235.6 W/m2。

3 電鍋爐系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)

試驗(yàn)溫室于2019年入冬前進(jìn)行煤改電鍋爐升級(jí)方案，2018年的供暖期還在使用燃煤鍋爐，鍋爐類型為燃煤立式常壓熱水鍋爐(如圖1)，發(fā)熱量為0.42 mw，即420 kW。該溫室理論計(jì)算采暖負(fù)荷為325.7 kW即0.33 mW，改造前燃煤鍋爐發(fā)熱量選型匹配較為合理，符合理論計(jì)算要求且熱量略有盈余。日運(yùn)行時(shí)數(shù)為17 h左右，僅在最冷月份1月當(dāng)溫度降至-19 ℃以下時(shí)的半個(gè)月左右的時(shí)間里為全時(shí)運(yùn)行，即日運(yùn)行時(shí)數(shù)為24 h。

圖1 傳統(tǒng)燃煤立式鍋爐

該溫室園區(qū)為了響應(yīng)阿瓦提縣政府倡導(dǎo)的“藍(lán)天計(jì)劃”，在2019年將燃煤鍋爐替換為電鍋爐，改善了以往燃煤鍋爐運(yùn)行時(shí)排放大量的煙塵，廢氣和噪音等污染，更換后的電鍋爐運(yùn)行時(shí)零排放、無(wú)煙塵、無(wú)廢氣和噪音等污染，環(huán)保安全[9]。

3.1 改造技術(shù)方案

電鍋爐與以往化石能源燃燒鍋爐不同，是將電能轉(zhuǎn)化為熱量或加熱介質(zhì)轉(zhuǎn)換熱能的裝置，一般由鍋爐本體，蓄熱水箱，終端散熱系統(tǒng)構(gòu)成，按發(fā)熱裝置結(jié)構(gòu)可分為電阻式加熱和電磁式加熱鍋爐[10]。本案例選用的是電阻式加熱方式。電阻式鍋爐具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小、整體重量輕、無(wú)需吊裝器械即可安裝，鍋爐自帶電腦系統(tǒng)可自動(dòng)控溫，對(duì)廠房要求不高，本項(xiàng)目中原有燃煤鍋爐拆卸工作量大，由于改造資金有限，故在改造中燃煤鍋爐沒(méi)有拆除，將體積較小的電鍋爐一塊放置在了鍋爐房，如圖2。

圖2 電阻式鍋爐

結(jié)合溫室熱負(fù)荷理論計(jì)算和之前燃煤鍋爐的發(fā)熱量，本次改造后的電鍋爐熱容量選為360kW，鍋爐額度工作壓力 0 MPa。電鍋爐的電腦控制系統(tǒng)電壓為220 V，導(dǎo)熱電阻電壓為380 V，100～360 kW可調(diào)，鑒于鍋爐功率較小，本方案選用一臺(tái)鍋爐，電源線路采用帶 N 線和 PE線的25 mm2五股銅芯線電纜。為了安全起見(jiàn)，配電柜必須做接地設(shè)計(jì)，采用TN-S處理，電纜N線采用重復(fù)接地，電鍋爐配電柜和水泵及其它電氣設(shè)備的金屬外殼和電線線槽穿線管等均做接地處理，接地電阻不應(yīng)小于4 Ω。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

本工程案例是將發(fā)熱量為0.42 mW的燃煤鍋爐改造為360 kW的電阻式發(fā)熱電鍋爐，這里主要針對(duì)兩種不同性能的鍋爐運(yùn)行成本進(jìn)行分析。

(1)購(gòu)置和安裝成本。

對(duì)比兩種鍋爐的初始投資成本，該成本包括鍋爐主體成本、環(huán)保投資成本、安裝成本，鍋爐房的成本按配套鍋爐所要求新建廠房造價(jià)為主(表5)。

表5 兩種鍋爐初始成本投資

廠房投資在此以新建廠房為準(zhǔn)，電鍋爐廠房較小，沒(méi)有煙囪，高度要求也較低，360 kW的廠房面積一般10 m2即可，高度大約3.5 m；燃煤鍋爐0.42 mw的鍋爐房廠房一般要3間房屋，即鍋爐房，除塵脫硫間，電器控制水處理間兼值班室，廠房面積約28 m2，高度5.5 m，鍋爐房周圍(200 m內(nèi))有建筑物時(shí)，其煙囪高度應(yīng)超出建筑物高度3 m以上[11]。另外燃煤鍋爐房還需配置燃煤堆放場(chǎng)地和爐渣場(chǎng)地，約120 m2，可見(jiàn)燃煤鍋爐占用廠房面積較大，配套場(chǎng)地要求面積也較大，對(duì)于土地資源緊張的區(qū)域不太適宜燃煤鍋爐裝備的使用，由表5可知，總體初始成本燃煤鍋爐是電阻式鍋爐的1.71倍，差別最大的投資為廠房投資，相差1.67倍。

(2)運(yùn)行和維護(hù)性能分析。

燃煤鍋爐和電阻發(fā)熱式鍋爐因其結(jié)構(gòu)不同，制熱形式不同，其運(yùn)行和維護(hù)也有很大的差別，各自的使用性能如表6。

表6 兩種鍋爐維護(hù)性能表

從表6的對(duì)比分析中可以看出，無(wú)論是在使用的便利性還是在維護(hù)保養(yǎng)的工作量上，以及在后期的回收利用上，電鍋爐都明顯的優(yōu)于燃煤鍋爐。

(3)運(yùn)行成本分析。

2種不同類型的鍋爐除前期一次性投入差別很大，在運(yùn)行期間產(chǎn)生的費(fèi)用也不盡相同，通過(guò)對(duì)2019年采暖季電鍋爐的運(yùn)行成本和2018年燃煤鍋爐的運(yùn)行成本統(tǒng)計(jì)對(duì)比如表7。

表7 兩種鍋爐運(yùn)行費(fèi)用表

通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目方案改造升級(jí)可以看出，采用電鍋爐一次性投入低，運(yùn)行成本也不高，燃煤鍋爐運(yùn)行成本主要取決于當(dāng)?shù)氐娜济簝r(jià)格，各地的電價(jià)都差不多，在低谷時(shí)還能享受到政府的補(bǔ)貼價(jià)，煤炭?jī)r(jià)格卻波動(dòng)很大，同時(shí)燃煤鍋爐的運(yùn)行人員費(fèi)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電鍋爐的運(yùn)行人員費(fèi)，就表7的對(duì)比可以看出，燃煤鍋爐的供暖季運(yùn)行費(fèi)用是電鍋爐的2.8倍。

4 結(jié)語(yǔ)

“煤改電”工作已是全國(guó)各個(gè)縣市的重點(diǎn)環(huán)保工作之一，在市政供暖及大型企業(yè)中推廣較為順利，而設(shè)施農(nóng)業(yè)及小微企業(yè)中因資金問(wèn)題，推廣較為緩慢，為促進(jìn)“煤改電”替代工作的順利推進(jìn)，本文以0.42 mW的燃煤鍋爐作為試驗(yàn)對(duì)象，研究了相近負(fù)荷的電鍋爐改造方案，并對(duì)兩種鍋爐的改造成本和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行計(jì)算，為相關(guān)用戶的煤改電工作提供了參考依據(jù)。