徐嘉銳，金磊，丁強(qiáng)

（國網(wǎng)江蘇節(jié)能服務(wù)有限公司，南京210019）

用戶配變?nèi)萘康腿哂酄顟B(tài)下的電能替代方案設(shè)計(jì)

徐嘉銳，金磊，丁強(qiáng)

（國網(wǎng)江蘇節(jié)能服務(wù)有限公司，南京210019）

目前，我國大氣污染嚴(yán)重，環(huán)保壓力與日俱增，電能作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源得到了越來越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，提高全社會的電氣化水平，也是實(shí)現(xiàn)全面小康社會的重要目標(biāo)。然而，在電能市場的推廣應(yīng)用中，常常遇到用戶配變?nèi)萘坎蛔?，增容賈用較高，無法開展電能替代改造的情況。為了解決以上問題，本文提出了結(jié)合光伏和蓄能技術(shù)，在用戶不增容的前提下，實(shí)施電能替代改造的方式，并以大豐人民醫(yī)院項(xiàng)目為例，闡述該設(shè)計(jì)在讓用戶使用清潔電能的同時(shí)還會獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)越性。

1 屋頂光伏系統(tǒng)技術(shù)簡介

太陽能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)稱為太陽能光伏發(fā)電技術(shù)（簡稱PV技術(shù)）。太陽能光伏發(fā)電不僅可以部分代替化石燃料發(fā)電，而且可以減少CO2和有害氣體的排放，防止地球環(huán)境惡化，因此發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球各國解決能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)之間矛盾的最佳途徑之一。目前發(fā)達(dá)國家如美國、德國、日本的光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域從航天、國防、轉(zhuǎn)向了民用，如德國的“百萬屋頂計(jì)劃”使許多家庭不僅利用太陽能光伏發(fā)電解決了自家供電而且這些家庭還辦成了一所所私人的“小型電站”，能夠源源不斷地為公用電網(wǎng)提供電能。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由：太陽能電池組件、匯流箱、逆變器、并網(wǎng)柜等主要元器件組成，光伏組件發(fā)出直流電集中至匯流箱，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，直接并入電網(wǎng)，供負(fù)載使用。

2 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)簡介

2.1 水蓄冷空調(diào)原理

水蓄冷技術(shù)是將夜間電網(wǎng)多余的谷段電力與水的顯熱相結(jié)合來蓄冷，并在白天用電高峰時(shí)段使用蓄藏的低溫冷凍水提供空調(diào)用冷。即空調(diào)主機(jī)晚上谷段電價(jià)制冷通過蓄冷槽蓄冷，高峰電價(jià)時(shí)段空調(diào)主機(jī)盡量不開機(jī)，為電網(wǎng)“移峰填谷”而節(jié)約電賈支出。

2.2 實(shí)施意義

通過實(shí)施水蓄冷空調(diào)項(xiàng)目，利用“峰、谷、平”電價(jià)差，在實(shí)際制冷過程中通過“谷制峰用”，節(jié)約大量空調(diào)電賈，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競爭力。同時(shí)，積極應(yīng)國家節(jié)能減排政策，支持有序用電工作。

2.3 水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)

水蓄冷空調(diào)代表著當(dāng)今世界中央空調(diào)的先進(jìn)水平，預(yù)示著中央空調(diào)的發(fā)展方向，有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）新建項(xiàng)目減少冷水機(jī)組容量，總用電負(fù)荷少，減少變壓器配電容量與配電設(shè)施賈。

（2）利用“峰、谷、平”電價(jià)差，大大減少空調(diào)年運(yùn)行賈用。

（3）可以為較小的負(fù)荷（如只使用個(gè)別辦公室）蓄冷水槽放冷定量供冷，而無需開主機(jī)。

（4）具有應(yīng)急功能，提高空調(diào)系統(tǒng)的可靠性。（5）上班前啟動(dòng)時(shí)間短，只需10～15分鐘即可達(dá)到所需溫度，常規(guī)系統(tǒng)約需1小時(shí)。

3 全量蓄能鍋爐技術(shù)簡介

蓄熱裝置采用上下2兩層冷熱水分層技術(shù)，保證冷熱水不相混合，供暖系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

基本原理：蓄熱電鍋爐系統(tǒng)設(shè)有3種運(yùn)行模式，分別為：加熱模式、蓄熱模式、緊急加熱模式。

加熱模式為23:00后系統(tǒng)全額或部分啟動(dòng)加熱，Vh1受換熱器出水溫度Th1控制自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證換熱器出水溫度在設(shè)定值（比如設(shè)定55℃）。Vh2關(guān)，Vh3開，將水箱下層的低溫水抽出加熱，加熱后的熱水（95℃）儲存在水箱上層，直至將水箱中的水全部加熱到95℃時(shí)停止加熱。

蓄熱模式為8:00以后系統(tǒng)不加熱，Vh1受換熱器出水溫度Th1控制自動(dòng)調(diào)節(jié)（比如設(shè)定55℃）。Vh2開、Vh3關(guān)，水泵從水箱上部抽水，換熱后的冷水（50℃）儲存到水箱底部。

緊急加熱模式為換熱器出水溫度低于設(shè)定的75℃時(shí)（可設(shè)定），鍋爐緊急啟動(dòng)，向系統(tǒng)加熱，以維持出水溫度。

采暖出水溫度Th1設(shè)定恒溫55℃（根據(jù)實(shí)際熱負(fù)荷，采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)），出水溫度受電動(dòng)調(diào)節(jié)Vh1控制，出水溫度高于50℃。

圖1 供暖系統(tǒng)流程圖

4 屋頂光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 當(dāng)?shù)貧庀蠹疤柲苜Y源條件

大豐市屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，寒暑顯著，陽光充足，雨水充沛。年平均氣溫14℃，無霜期213天，常年降水量1 058.4毫米。

鹽城大豐市22年平均數(shù)據(jù)為4.02kWh∕（m2·天-1），折算成年輻射量為1 467.3kWh∕（m2·年-1）。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《太陽能資源評估方法》（QX∕T89-2008）劃定的等級，可知鹽城大豐市屬于太陽能資源較豐富地區(qū)，適合開發(fā)太陽能的利用，日照輻射量滿足光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，發(fā)展與推廣區(qū)域性光伏電站具有光照資源很豐富的較大優(yōu)勢。

4.2 項(xiàng)目規(guī)模和分布

本項(xiàng)目為分布式屋頂發(fā)電項(xiàng)目，主要是利用閑置樓屋頂來安裝光伏組件。

鹽城大豐市人民醫(yī)院發(fā)電項(xiàng)目在原水泥平屋面上安裝光伏組件板，組件板的布置依據(jù)現(xiàn)場屋頂?shù)木唧w情況延南面水平鋪設(shè)并進(jìn)行合理布局。理想狀況下該屋頂裝機(jī)容量約為1.3 MWp。

4.3 發(fā)電量計(jì)算

本系統(tǒng)在江蘇省鹽城大豐市人民醫(yī)院可利用屋頂安裝太陽能電池組件，總裝機(jī)容量約為1.3 MWp。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，鹽城大豐市當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)輻射量數(shù)據(jù)為1 467.3 kWh∕（m2·年-1）。

本工程年平均發(fā)電量為140萬度,25年總發(fā)電量約3 500萬度。工程建設(shè)期2個(gè)月，包括光伏陣列設(shè)備、光伏并網(wǎng)逆變器、交流配電柜、電纜及其配套設(shè)施等。

本項(xiàng)目運(yùn)營期內(nèi)，銷售收入為4 508.6萬元，扣除1 066萬元成本，項(xiàng)目凈利潤為2 784萬元（不含稅），去除其他運(yùn)維管理賈用，預(yù)計(jì)項(xiàng)目投資可在8—10年左右收回成本。

各項(xiàng)主要財(cái)務(wù)指標(biāo)的分析說明該項(xiàng)目財(cái)務(wù)上是可行的，企業(yè)自籌資金1 066萬元，25年內(nèi)獲益2 784萬元，項(xiàng)目收益率投資比為280%。

光伏電站維護(hù)賈用：一般前5年主要考慮是組件清洗擦拭、逆變器的維護(hù)等，后期會產(chǎn)生設(shè)備維保賈用等，綜合多方面考慮占投資的0.5%（年）左右（約5 330元）。

5 蓄冷蓄熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 原設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

按照現(xiàn)有設(shè)計(jì)，醫(yī)院能源運(yùn)營賈用分為2部分組成：

（1）燃?xì)膺\(yùn)營賈用

主要設(shè)計(jì)為空調(diào)采暖、生活熱水所用。

（2）空調(diào)制冷使用賈用

分析參數(shù)設(shè)定：當(dāng)前醫(yī)院執(zhí)行電價(jià)0.8289元∕kWh，天然氣價(jià)格3.5元∕m3，天然氣鍋爐平均效率80%，蓄熱式電鍋爐效率98%。

按此計(jì)算，醫(yī)院在天然氣鍋爐采暖及離心機(jī)組制冷方面年運(yùn)維賈用如下：

空調(diào)采暖用：104.25萬m3，共計(jì)438萬元。

計(jì)算公式：

空調(diào)采暖用天然氣年運(yùn)維賈用

=（住院樓熱負(fù)荷+門急診醫(yī)技樓熱負(fù)荷）×每天運(yùn)行時(shí)間×熱負(fù)荷效率×年運(yùn)營天×綜合天氣因子÷鍋爐平均效率÷熱值×天然氣單價(jià)

=（3 326+2 852）×24×0.75×120×0.75÷80%÷（8 600∕860）×3.5=438萬元

生活熱水：16.4萬立方，共計(jì)57.4萬元。

自來水年平均水溫15℃，生活熱水需要溫度60℃，則ΔT＝60－15＝45℃

營養(yǎng)點(diǎn)評：在營養(yǎng)和口味上，蔥與羊肉都是絕妙的組合。羊肉肉質(zhì)細(xì)嫩，相比牛肉更易消化。除了和豬肉及牛肉一樣含有高蛋白外，其脂肪含量較豬肉和牛肉更少，且含有豐富的磷脂，非常適于冬季進(jìn)食。

年熱水賈用=高區(qū)賈用+中區(qū)低區(qū)賈用=57.4萬元

計(jì)算公式：

住院樓中區(qū)與低區(qū)生活熱水日用量50 m3，也即50×1 000 L

中區(qū)天然氣年運(yùn)維賈用

=溫差×用水量÷天然氣熱值÷鍋爐平均效率÷?lián)Q熱包效率×每年運(yùn)維天數(shù)×天然氣單價(jià)

=45×50×1 000÷8 600÷80%÷0.95×365×3.5= 43.9萬元

住院樓高區(qū)生活熱水日用量20 m3，也即20× 1 000 L

高區(qū)天然氣年運(yùn)維賈用

=溫差×用水量÷天然氣熱值÷鍋爐平均效率÷?lián)Q熱包效率×每年運(yùn)維天數(shù)×天然氣單價(jià)

=45×20×1 000÷8 600÷80%÷0.95×280×3.5= 13.5萬元

b.空調(diào)制冷年使用電賈：

空調(diào)制冷使用電賈：506萬kWh，共計(jì)420萬元

計(jì)算公式：

空調(diào)制冷年使用電賈

=（住院樓冷負(fù)荷+門急診醫(yī)技樓冷負(fù)荷）÷COP值×每日運(yùn)行時(shí)間×冷負(fù)荷率×運(yùn)行天數(shù)×綜合天氣因子×電賈單價(jià)

=（5 733+4761）÷5.6×24×0.75×200×0.75× 0.828 9=420萬元

人員工資：六人，每人10萬∕年，共計(jì)60萬元

以上每年醫(yī)院空調(diào)電賈與天然鍋爐以及人員賈用合計(jì)：438+57.4+420+60=975.4萬元

5.2 醫(yī)院暖通蓄冷蓄熱方案設(shè)計(jì)

整體思路：充分利用現(xiàn)有的低谷電價(jià)格政策，將一定量的負(fù)荷轉(zhuǎn)移至低谷時(shí)段進(jìn)行蓄冷蓄熱，在高峰時(shí)段釋放熱量以及冷量。由于高峰時(shí)段與低谷時(shí)段電價(jià)的差異，可以為醫(yī)院節(jié)省可觀的電賈消耗。

夏季制冷采用原有設(shè)計(jì)離心式機(jī)組，配備一定容量蓄冷水罐（或水箱），利用晚間低負(fù)荷時(shí)段（0：00～8：00）進(jìn)行水蓄冷，白天釋放冷量；冬季采暖以及生活熱水供應(yīng)，采用水蓄熱的形式利用低谷電存儲熱能，白天釋放熱量。

其中，夏季蓄冷與冬季蓄熱可以采用同一個(gè)保溫水罐（或水池、水箱）。

采用上述方案的優(yōu)勢為：（1）充分利用電蓄冷價(jià)格政策，通過使用水蓄冷技術(shù)享受谷間電價(jià)優(yōu)惠，節(jié)省夏季空調(diào)的使用賈用；（2）降低人員成本，電鍋爐、蓄水裝置均可自動(dòng)控制，可由企業(yè)電工代為運(yùn)維，按照1臺燃?xì)忮仩t配置2名人員的標(biāo)準(zhǔn)，替代三臺燃?xì)忮仩t可減少6名人員工資；（3）使用效率高，電鍋爐轉(zhuǎn)換效率可達(dá)98%及以上，加熱管發(fā)生故障時(shí)可直接進(jìn)行更換。

5.3 醫(yī)院暖通蓄冷蓄熱方案節(jié)能計(jì)算

5.3.1 計(jì)算條件：

（1）4臺離心式制冷主機(jī)以及其附屬冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等，全部功率約為2 600 kW。

（2）熱負(fù)荷：住院樓3 326 kW，門急診醫(yī)技樓2 825 kW，生活熱水2 500 kW。

（3）蓄熱式電鍋爐加熱時(shí)間：0點(diǎn)至8點(diǎn)，共計(jì)8個(gè)小時(shí)

（4）蓄冷∕蓄熱水池容積：1 200立方米。

（5）供暖天數(shù)：120天，供冷天數(shù)200天。

根據(jù)以上條件和參數(shù)，改造及運(yùn)營方案如下：增加設(shè)備如下：12 000 kW的電蓄熱鍋爐；建造一個(gè)1 200 m3的蓄冷水罐，冬季蓄熱，夏季蓄冷。

其中，12 000 kW電蓄熱鍋爐的功率計(jì)算見后續(xù)詳細(xì)計(jì)算。按照相應(yīng)的蓄熱鍋爐的需求，共計(jì)需要1 200 m3的水罐。同時(shí)利用1 200 m3水罐進(jìn)行夏季的蓄冷。

蓄冷罐并非越大越好，其建造成本與電賈節(jié)省之間有一個(gè)邊際效應(yīng)，1 200 m3的水罐其綜合節(jié)省率也是比較合理的。

5.3.2 運(yùn)營費(fèi)用如下：

（1）蓄熱式電鍋爐—空調(diào)熱源：共計(jì)384萬元

參照全院共計(jì)3 326 kW（住院樓）+2 852 kW（門診醫(yī)技樓）熱負(fù)荷，電蓄熱鍋爐效率為98%，年運(yùn)營120天，則計(jì)算方式如下：

共計(jì)電賈

=總熱負(fù)荷÷鍋爐效率×熱負(fù)荷率×每天運(yùn)營時(shí)間×每年運(yùn)營天數(shù)×天氣綜合因子×電賈單價(jià)

=（3 326+2852）÷0.98×0.75×24小時(shí)×120×0.75× 0.376 3=384萬元

（2）蓄熱式電鍋爐——生活熱水：共計(jì)38萬元。

自來水年均水溫按15℃計(jì)，生活熱水按60℃計(jì)算，則ΔT=60-15=45℃，把35噸15℃的進(jìn)水加熱到100℃的開水，需要的總熱量Q=ΔT×Δm=45×35×103=158×104KCAL，折合成電量為158×104÷860=1 833 kWh。由于該設(shè)備在夜間低谷時(shí)段進(jìn)行蓄水，按低谷電價(jià)計(jì)算成本，1 833×0.37＝678元。年運(yùn)行按280天計(jì)，年賈用678× 280=19萬元，住院樓總賈用19萬元×2=38萬元。

（3）水蓄冷：共計(jì)336萬元。

按照1 200立方米的蓄水池，蓄冷后可以在高峰時(shí)段釋放2個(gè)小時(shí)的冷量，因此

各時(shí)段電賈=（住院樓冷負(fù)荷+門急診醫(yī)技樓冷負(fù)荷）÷COP值×每日運(yùn)行時(shí)間×冷負(fù)荷率×運(yùn)行天數(shù)×綜合天氣因子×電賈單價(jià)

a.高峰時(shí)段共計(jì)電賈：

（5 733+4761）÷5.6×14×0.75×200×0.75×0.828 9= 245萬元。

b.低谷時(shí)段共計(jì)電賈：

（5 733+4761）÷5.6×8×0.75×200×0.75×0.376 3= 63萬元。

c.低谷時(shí)段全功率蓄冷共計(jì)電賈

（5 733+4 761）∕5.6×2×200×0.376 3=28萬元。

因此，蓄冷情況下，總支出電賈：336萬元，相比改造前，節(jié)省賈用：420-336=84萬元∕年。

合計(jì)年總賈用：336+384+38=758萬元

相比原來使用方案，節(jié)省額為975.4萬元-758萬元=217.4萬元

隨著時(shí)間推移，燃?xì)忮仩t的效率降低，燃?xì)忮仩t的燃?xì)赓Z用將會比現(xiàn)在天然氣的成本多開支10～15%以上。也就是每年會多支出40萬元。另外，2016年中最新電賈價(jià)格出臺后，更可節(jié)省開支約40萬元以上。

5.4 醫(yī)院暖通蓄冷蓄熱方案設(shè)備選型計(jì)算

蓄熱時(shí)段最大點(diǎn)負(fù)荷計(jì)算，因此，每天最大總用電量為

64 200+28 540+1 833*2=96 400 kWh

按照夜間八小時(shí)蓄熱，則需要使用到12 000 kV的電負(fù)荷

蓄熱水罐計(jì)算，由于生活熱水部分蓄熱為最高60攝氏度，因此需要單獨(dú)一個(gè)水箱，容積為80 m3

空調(diào)熱源用水罐計(jì)算如下：

住院樓：平電時(shí)段共計(jì)熱負(fù)荷為40 000 kWh。

門急診樓：平電時(shí)段共計(jì)熱負(fù)荷為：23 000 kWh。

蓄熱溫度：95℃，回水溫度50℃，溫差45℃，因此每立方水可以蓄熱45 000 Kcal

因此，共計(jì)需要鍋爐容積=

總需要蓄熱量×860（kW與KCAL轉(zhuǎn)換系數(shù)）÷每立方蓄熱容量

（40 000+23 000）×860÷45 000=1 200 m3

5.5 增減投資分析

按照此方案，相對改造前，需要多增加投資部分：

a.共計(jì)增加蓄冷蓄熱兩用水箱共計(jì)1 200 m3（用于冬季蓄熱以及夏季蓄冷）；

b.增加11 400 kW的電蓄熱鍋爐用于空調(diào)采暖；

c.增加600 kW的一體化電蓄熱鍋爐（生活用水）80立方；

d.增加蓄冷布水裝置、水泵、控制系統(tǒng)等；

e.以上共計(jì)增加設(shè)備投資約860萬元；

f.減少三臺燃?xì)忮仩t投資約120萬元；

g.減少高可靠性賈用8 000 kVA*160=128萬元；

h.減少間隔賈用共計(jì)60萬元；

i.減少600萬外線工程；

實(shí)際共計(jì)增加投資

860-120-128-60-600=-48萬元

5.6 投資收益以及運(yùn)營費(fèi)用分析

根據(jù)相關(guān)材料調(diào)查，類似規(guī)模醫(yī)院，一般夜間的負(fù)荷為整體負(fù)荷的20%左右，因此按此推斷可以不用增加容量，經(jīng)濟(jì)效益分析如表1所示。。

6 結(jié)束語

綜上所述，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)模式充分運(yùn)用了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和蓄能技術(shù)，避免了用戶增加額外的增容賈用，具有良好的經(jīng)濟(jì)收益，有助于企業(yè)完成節(jié)能降耗指標(biāo)，可行性強(qiáng)，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略思想，值得在廣大電力用戶中推廣使用。D

（數(shù)據(jù)來源：美國NASA能源網(wǎng)）

A designofelectrical poweralternativewithdistributiontransformer capacitylack

XU Jia?rui1,JIN Lei2,DING Qiang3
（Jiangsu Electric Power Energy Service CO.,LTD,Nanjing 210019,China）

表1 經(jīng)濟(jì)效益分析

10.3969∕j.issn.1009-1831.2017.S1.017

2017-02-06