清潔供暖電能替代方案經濟性分析

傅 旭，李富春，楊 欣，楊攀峰，吳 雄

（1.中國電力工程顧問集團 西北電力設計院有限公司，西安 710075；2.西安交通大學 電氣工程學院，西安 710049）

0 引言

電鍋爐采暖技術對環(huán)境污染小，具有廣闊發(fā)展空間［1—2］。電鍋爐分為直熱式電鍋爐和蓄熱式電鍋爐。文獻［3］對比分析了京津冀地區(qū)清潔能源供暖政策實施前后空氣質量變化，并對空氣質量進行趨勢性檢驗。文獻［4］以辦公建筑群太陽能、風能、燃氣互補的可再生能源分布式系統(tǒng)為研究對象，建立了蓄熱技術與可再生能源分布式能源系統(tǒng)耦合評價模型。文獻［5］針對當前風電供熱項目使用純凝電力過多、電鍋爐利用率低的問題，提出了風電供熱項目與熱電廠互補供熱的運行模式。文獻［6］分析了儲熱技術在冷熱電三聯供、熱電聯產以及電采暖等典型綜合能源系統(tǒng)的應用價值。文獻［7］計算了天津地區(qū)土壤源熱泵、水蓄熱電鍋爐、燃氣燃煤鍋爐的經濟性。文獻［8］提出一種基于全壽命周期等年值成本的蓄熱式電采暖方案經濟性評估方法。文獻［9］結合典型案例進行驗證，測算了高溫固體蓄熱電鍋爐、電極鍋爐、水蓄熱、電鍋爐和相變蓄熱的經濟性。文獻［10］從“風電-電網-電鍋爐-儲能”聯合運行系統(tǒng)的成本與收益出發(fā)，建立了“源-網-荷-儲”聯合運行系統(tǒng)風電消納經濟性評估模型。文獻［11］考慮供暖期風電棄風特性及其與負荷的相關性，提出了基于蓄熱式電鍋爐和蓄熱式電鍋爐-熱電聯產的2種風電供熱組合方案。文獻［12］根據“煤改電”區(qū)域用電特點，系統(tǒng)分析和研究了基于“煤改電”的電網運行管控體系。

本文對直熱式電鍋爐、蓄熱式電鍋爐、量子能鍋爐、空氣熱泵的技術特點進行分析，對供暖成本進行了對比。研究表明，蓄熱式電鍋爐具備儲熱裝置，可以改變采暖用戶用電特性，降低采暖用電成本，但儲熱裝置的配置與峰谷電價政策密切相關。通過設置采暖峰谷電價政策，可以引導負荷在新能源大發(fā)時段多用電，提高電網消納能力，研究成果可以為我國北方地區(qū)清潔供暖提供參考。

1 電采暖技術特點

（1）直熱式電鍋爐

直熱式電鍋爐也稱電加熱鍋爐、電熱鍋爐，根據加熱方式的不同，直熱電熱鍋爐可以分為電阻式電熱鍋爐與電極式電熱鍋爐。

電阻式鍋爐采用高阻抗管形電熱元件，接通電源后，管形電熱元件產生高熱使水成為熱水或蒸汽。配電電壓一般為380 V，屬于低電壓等級；單臺鍋爐功率較小，一般小于3 MW，適合小范圍供熱。鍋爐容量與管形電熱元件的數量呈正相關，并按投運數量來調節(jié)鍋爐負荷。因此，電阻式鍋爐的容量受到電熱元件結構布置的限制。

電極式鍋爐中，連接高壓電源的電極直接浸沒在鍋爐的爐水中進行加熱。調節(jié)電極在水中的深度，即可改變輸入的功率。配電電壓為10 kV至66 kV，屬于高電壓等級；單臺鍋爐功率較大，最高可達70 MW。啟動迅速，從冷態(tài)啟動到滿負荷，只需要幾十分鐘，從熱態(tài)到滿負荷狀態(tài)，通常情況下，只需要1 min。

（2）蓄熱式電鍋爐

蓄熱式電鍋爐采暖是以電鍋爐為熱源，水為熱媒，利用峰谷電價差，在供電低谷時，開啟電鍋爐將水箱的水加熱、保溫、儲存；在供電高峰及平時時段，關閉鍋爐，用蓄熱水箱的熱水供熱。整套系統(tǒng)采用電極式電鍋爐與儲熱水箱結合的方式供暖，在低谷電價時段，電鍋爐可直接向2級換熱站的用戶供熱水，同時向儲熱水箱提供足夠峰電時段使用的儲熱量；在峰電時段，電鍋爐停機，由儲熱水箱向2級換熱站的用戶提供熱水。該采暖系統(tǒng)可以在一個站點布置，也可按負荷分片區(qū)布置，既可節(jié)省管網費用，又方便分區(qū)域管理。鍋爐本體體積小，設備布置緊湊，不需要煙囪和燃料堆放地，因此鍋爐房可建在地下，但蓄熱式電鍋爐初期投資較大，整體占地較大。

（3）量子能電鍋爐

量子能電鍋爐采用量子液制熱，量子液在電能激活的作用下進行沖擊運動，進而產生能量轉換，電能不斷使量子液激活而發(fā)生物質變化，倍增釋放能量，在加熱過程中不斷改變分子結構、運行速度及運行方向使其產生摩擦，實現低能耗高能量轉換。其技術特點包括：①在環(huán)境溫度相對較低時，量子熱水機組加熱可高達90℃，不受低溫惡劣環(huán)境的影響，且水溫可調，蒸汽溫度可達130～230℃。②高碳分子發(fā)熱油為有機合成，無污染、低揮發(fā)且常溫不易著火，設備內水電分離，安全性高。③占地面積小，安裝、使用及維護簡單；運行性能穩(wěn)定，運行時無噪聲、零排污、不易結垢，環(huán)保性能高。

（4）空氣熱泵技術

空氣源熱泵通過逆卡諾循環(huán)原理，用較少的電能，吸收空氣中大量的低溫熱能，通過壓縮機的壓縮變?yōu)楦邷責崮埽且环N節(jié)能高效的熱泵技術?？諝庠礋岜迷谶\行中，蒸發(fā)器從空氣中的環(huán)境熱能中吸取熱量來蒸發(fā)傳熱工質，工質蒸氣經壓縮機壓縮后，壓力及溫度上升，高溫蒸氣通過冷凝器冷凝成液體，釋放出熱量加熱末端散熱設備進行供暖或提供生活用熱水，冷凝后的傳熱工質通過膨脹閥返回蒸發(fā)器，之后再被蒸發(fā)，如此循環(huán)往復。其技術特點包括：①效率高，相比一般電采暖方式，節(jié)電50%以上，節(jié)能明顯。②投資較高，系統(tǒng)相對復雜，運行時噪聲較大。③環(huán)境溫度低于5℃后，機組能效開始急劇衰減，普通的空氣源熱泵在-5℃以下幾乎都不能使用；超低溫空氣源機組可以在-25℃的低溫環(huán)境下正常制熱，但此時的能效衰減至2.0以下。

2 運行成本比較

2.1 負荷特性及峰谷電價

以某醫(yī)院采暖為例，采暖熱負荷特性如圖1所示。醫(yī)院采暖熱負荷峰值區(qū)間為8:00至19:00，熱負荷系數取1.0；19：00至次日8:00考慮部分住院及急診采暖需求，熱負荷系數取0.4；日供暖等效時長取16 h；采暖面積取10 000 m2；熱負荷指標取60 W/m2；總熱負荷約600 kW；一個采暖季取210 d。

圖1 醫(yī)院采暖熱負荷特性Fig.1 Heating load characteristics of hospital

鍋爐用電量計算參考《城鎮(zhèn)供熱管網設計規(guī)范》CJJ34，電鍋爐采暖系統(tǒng)全年總用電量計算式為

式中：W為采暖系統(tǒng)全年耗電量，kWh；Qh為采暖熱負荷，kW；t為單日供熱計算時間，取24 h；N為采暖期天數，d；Ti為室內計算溫度，℃；Ta為采暖期室外平均溫度，℃；To為采暖室外計算溫度，℃；η為系統(tǒng)熱效率。

本文研究中，對于蓄熱式電鍋爐采用圖2所示的峰谷電價模式。每天用電時間分為高峰、低谷、平段3個時段。即：高峰時段為8:00—12:00、18:00—23:00；低谷時段為0:00—8:00；其余時間為平段。峰、平、谷時段電價分別為0.585 0元/kWh、0.367 2元/kWh、0.149 4元/kWh。

圖2 峰谷電價模式Fig.2 Peak and valley electricity price model

2.2 電鍋爐供暖成本分析

根據供熱面積和最大功率，采用不同種類的電鍋爐，投資估算如表1所示，其中蓄熱式電鍋爐的儲熱配置如表2所示，其儲熱放熱特性如圖3所示。

表1 電鍋爐投資估算Table 1 Investment estimation of electric boiler

表2 蓄熱式電鍋爐儲熱配置Table 2 Heat storage configuration of regenerative electric boiler

圖3 蓄熱式電鍋爐運行特性Fig.3 Operating characteristics of regenerative electricboilers

由表1可知，直熱式電鍋爐最大功率為632 kW，單位投資為80元/m2，總投資約為80萬元；蓄熱式電鍋爐功率約為1 290 kW，單位投資為240元/m2，初投資約為240萬元；量子能電鍋爐最大功率為632 kW，單位投資為215元/m2，總投資約為215萬元；空氣源熱泵，需配置空氣源熱泵功率300 kW，單位投資為250元/m2，總投資約為250萬元。

由表2可以看出，蓄熱式電鍋爐全天等效供暖時長為16 h，電鍋爐功率為2倍熱負荷功率，儲熱裝置容量需滿足全天各時段供熱，扣除電價低谷時段（8 h）供暖需求后，儲熱時長應達到約13 h（熱負荷峰值運行13 h）。

各類電鍋爐的運行成本如表3所示?？梢钥闯?，直熱式電鍋爐每年供暖用電量約為212萬kWh，年運行費用約為59萬元，折單位運行費用約為8.49元/（m2·月）；蓄熱式電鍋爐，每年供暖用電量約為217萬kWh，采用低谷時段電價0.149 4元/kWh，年運行費用約為32萬元，折單位運行費用約為4.63元/（m2·月）；量子能鍋爐年運行費用約為59萬元，折單位運行費用約為8.49元/（m2·月）；空氣熱泵技術，年運行費用約為28萬元，折單位運行費用約為4.03元/（m2·月）；可以看出，蓄熱式電鍋爐和空氣源熱泵的供能成本較低。

表3 電鍋爐運行成本Table 3 Electric boiler operating costs

3 峰谷電價模式對蓄熱式電鍋爐的影響

適當調整峰谷電價時段分布，可以有效提高新能源消納能力，同時減小儲熱裝置配置容量。參考目前的大工業(yè)峰谷電價，初步擬定電供暖峰谷電價曲線，如圖4所示，蓄熱式電鍋爐在此電價模式下的運行特性如圖5所示。

圖4 峰谷電價模式2Fig.4 Peak and valley electricity price in model 2

圖5 醫(yī)院供暖電負荷特性（蓄熱式鍋爐，電價模式2）Fig.5 Hospital heating electric load characteristics（regenerative boiler,electricity price in mode 2）

蓄熱式電鍋爐按全谷電8 h進行儲熱，用電時段為10:00至18:00，即全天采暖需求總量通過蓄熱式電鍋爐的儲熱裝置遷移至谷電時段。蓄熱式電鍋爐功率約1 290 kW，儲熱時長8 h，初投資約為160萬元，蓄熱式鍋爐的儲熱配置和投資估算如表4、表5所示。可以看出，此電價模式下的投資與大工業(yè)峰谷電價模式相比，降低了80萬元，運行成本則與大工業(yè)峰谷電價模式下完全相同。

表4 蓄熱式電鍋爐儲熱分析Table 4 Thermal storage analysis of regenerative electric boiler

表5 蓄熱式電鍋爐投資估算Table 5 Investment estimation of regenerative electric boiler

可以看出，調整峰谷電價時段分布后，由于自身采暖負荷時段與谷電電價時段基本一致，可以減小蓄熱式電鍋爐儲熱容量的配置，降低初投資。

4 直熱式電鍋爐與燃煤鍋爐運行成本比較

分別測算燃煤供暖成本、直熱式（電極式）電鍋爐供暖成本以及與燃煤供暖成本持平時的供暖電價水平。計算結果表明，燃煤成本為600～1 100元/t，鍋爐效率取50%，若每天供暖等效時長取16 h，單位供暖成本約為5.9～10.9元/（m2·月）；若每天供暖等效時長取11 h，初步測算單位供暖成本約為4.1～7.5元/（m2·月），計算結果見表6。

表6 燃煤鍋爐供暖運行成本測算Table 6 Calculation of operating cost of coal-fired boiler heating

若采用直熱式電鍋爐供暖，每天供暖等效時長取16 h，年用電量約為211萬kWh（能效系數取0.95），供暖電價為0.10～0.35元/kWh，單位供暖費用約為3.0～10.6元/（m2·月）；每天供暖等效時長取11 h，年用電量約為146萬kWh，單位供暖費用約為2.1～7.3元/（m2·月），計算結果見表7。

表7 直熱式電鍋爐供暖運行成本測算Table 7 Calculation of operating cost of direct heating electric boiler heating

初步測算，燃煤成本為600～1 100元/t，與燃煤供暖成本持平時的電鍋爐電價約為0.196 1～0.359 5元/kWh，計算結果見表8。

表8 與燃煤鍋爐供暖運行成本持平時的電鍋爐電價水平Table 8 Electricity price level for electric boilers when the operating cost of coal-fired boilers is the same

5 結束語

本文完成的主要工作及得出的主要結果如下：

（1）對比了直熱式電鍋爐、蓄熱式電鍋爐、量子能電鍋爐、空氣源熱泵等電采暖技術的運行和投資成本。按照滿足相同的供熱面積來測算，直熱式電鍋爐的投資最低，但是其供熱成本最高。

（2）蓄熱式電鍋爐具備儲熱裝置，可以通過改變采暖用戶用電特性，降低采暖用電成本，同時儲熱配置與峰谷電價政策密切相關。

（3）對燃煤鍋爐和直熱式鍋爐的運行成本持平時的電價和燃煤價格進行了分析，燃煤成本為600～1 100元/t，與燃煤供暖成本持平時的電鍋爐電價約為0.196 1～0.359 5元/kWh。D