陳洪哲， 朱 能， 楊 昆， 楊 珊， 馬勝明

(1.金策工業(yè)綜合大學(xué) 熱能工程系， 朝鮮 平壤； 2.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300350)

1 概述

供暖期燃煤散燒是造成京津冀地區(qū)環(huán)境污染的重要原因之一[1-3]，尋找清潔高效的供暖方式成為有效解決環(huán)境問(wèn)題的必要舉措，煤改氣、煤改電就是國(guó)家針對(duì)大氣污染防治做出的重大決策[4-6]。電鍋爐與相變蓄熱換熱器[7]相結(jié)合的聯(lián)合供暖系統(tǒng)可在低谷電價(jià)時(shí)段實(shí)現(xiàn)供熱與蓄熱的聯(lián)合運(yùn)行，在電價(jià)高峰時(shí)段將儲(chǔ)存的熱量釋放進(jìn)行供熱，充分利用了低谷電，對(duì)于風(fēng)電資源豐富地區(qū)，還可降低棄風(fēng)的情況。

目前，電供暖裝置與相變蓄熱裝置聯(lián)合供暖的研究主要集中在可行性分析[8]、與相變蓄熱材料結(jié)合的電供暖裝置研究[9]、相變蓄熱裝置性能[10-13]等，對(duì)電鍋爐與相變蓄熱換熱器聯(lián)合供暖的研究較少。

本文對(duì)電鍋爐與相變蓄熱換熱器聯(lián)合供暖系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱聯(lián)合供暖系統(tǒng))的工藝流程與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，在設(shè)備選型與經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)不考慮用戶側(cè)設(shè)備。

2 工藝流程

聯(lián)合供暖系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。主要設(shè)備包括電鍋爐、一二級(jí)換熱器(板式換熱器)、相變蓄熱換熱器、用戶、閥門(mén)等。在盡量利用低谷電力的前提下，聯(lián)合供暖系統(tǒng)運(yùn)行方式可分為4種。

① 邊供熱邊蓄熱模式，閥門(mén)1、3、5、6打開(kāi)，其他閥門(mén)關(guān)閉。電鍋爐將低谷電能轉(zhuǎn)換為熱能，在供熱的同時(shí)，相變蓄熱換熱器進(jìn)行蓄熱。

② 相變蓄熱換熱器單獨(dú)供熱，閥門(mén)2、3、6打開(kāi)，其他閥門(mén)關(guān)閉。在電力高峰時(shí)段，利用相變蓄熱換熱器儲(chǔ)存的熱能供熱，電鍋爐不工作。

③ 電鍋爐、相變蓄熱換熱器聯(lián)合供熱，閥門(mén)1、3、5、6打開(kāi)，其他閥門(mén)關(guān)閉。在極端寒冷時(shí)段，由電鍋爐和相變蓄熱換熱器聯(lián)合供熱。

④ 電鍋爐單獨(dú)供熱，閥門(mén)1、5打開(kāi)，其他閥門(mén)關(guān)閉。在相變蓄熱換熱器的蓄熱量用盡及相變蓄熱換熱器維護(hù)保養(yǎng)的情況下，由電鍋爐單獨(dú)供熱。

圖1 聯(lián)合供暖系統(tǒng)流程

3 工程實(shí)例

① 負(fù)荷分析

本文以位于張家口地區(qū)供暖面積為5×104m2的居住小區(qū)為研究對(duì)象。供暖時(shí)間151 d，為當(dāng)年11月1日至次年3月31日。電鍋爐、相變蓄熱換熱器、一二級(jí)循環(huán)泵均設(shè)置在小區(qū)熱力站內(nèi)。不同室外溫度范圍延續(xù)時(shí)間及供熱量見(jiàn)表1。聯(lián)合供暖系統(tǒng)運(yùn)行方式見(jiàn)表2。在低谷電價(jià)時(shí)段，采用邊蓄熱邊供熱的運(yùn)行方式。在高峰電價(jià)時(shí)段，由相變蓄熱換熱器單獨(dú)向用戶供熱，電鍋爐停止運(yùn)行。因此，聯(lián)合供暖系統(tǒng)消耗的電量均按低谷電價(jià)計(jì)算。分時(shí)電價(jià)見(jiàn)表3。

表1 不同室外溫度范圍延續(xù)時(shí)間及供熱量

表2 聯(lián)合供暖系統(tǒng)運(yùn)行方式

表3 分時(shí)電價(jià)

② 設(shè)備選型

根據(jù)表1中的最大供熱量42.28 W/m2，進(jìn)行電鍋爐、相變蓄熱換熱器、一級(jí)水泵、二級(jí)水泵的選型計(jì)算，不考慮熱力站內(nèi)管道散熱損失。對(duì)于該居住小區(qū)，1 d所需供應(yīng)的熱量(向上圓整值)為51 MW·h。當(dāng)聯(lián)合供暖系統(tǒng)運(yùn)行方式采取表2的運(yùn)行方式時(shí)，22:00—次日8:00電鍋爐供應(yīng)的熱量(向上圓整值)應(yīng)達(dá)到22 MW·h，相變蓄熱換熱器蓄熱量(向上圓整值)應(yīng)達(dá)到30 MW·h。為滿足上述要求，選取1臺(tái)額定熱功率為6 MW的電鍋爐，選取4臺(tái)額定蓄熱量(單臺(tái))為8 000 kW·h的相變蓄熱換熱器。

一二級(jí)換熱器的換熱效率均按1.0考慮，水的比定壓熱容按4 186.8 J/(kg·K)計(jì)算，水的密度按977.8 kg/m3計(jì)算。一級(jí)換熱器一級(jí)側(cè)進(jìn)、出水溫度取90.0、78.5 ℃，二級(jí)側(cè)進(jìn)、出水溫度取45.0、78.5 ℃。由此可計(jì)算得到，一級(jí)換熱器一二級(jí)側(cè)的設(shè)計(jì)流量，進(jìn)而確定一級(jí)循環(huán)泵的選型流量為450 m3/h，二級(jí)循環(huán)泵的選型流量為160 m3/h。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 設(shè)備造價(jià)及安裝費(fèi)

根據(jù)設(shè)備選型結(jié)果，確定電鍋爐、相變蓄熱換熱器、一二級(jí)循環(huán)泵的設(shè)備造價(jià)，見(jiàn)表4。安裝費(fèi)為100×104元。

表4 設(shè)備造價(jià)

4.2 年收益及年支出

① 年收益

聯(lián)合供暖系統(tǒng)的熱價(jià)按張家口居民集中供暖價(jià)格29.55 元/(m2·a)計(jì)算，可計(jì)算得到年收益為147.75×104元/a。

② 年支出

電鍋爐供暖期耗電量E的計(jì)算式為：

(1)

式中E——電鍋爐供暖期耗電量，kW·h

ti——供暖期第i個(gè)室外溫度范圍的延續(xù)時(shí)間(見(jiàn)表1)，d

qi——供暖期第i個(gè)室外溫度范圍的供熱量(見(jiàn)表1)，W/m2

A——居住小區(qū)供熱面積，m2

η——電鍋爐的熱效率，取0.998

由表1數(shù)據(jù)、低谷電價(jià)(按表3選取)及式(1)，可計(jì)算得到電鍋爐供暖期電費(fèi)為89.06×104元/a。一二級(jí)循環(huán)泵供暖期單位供暖面積電費(fèi)按文獻(xiàn)[14]提供的2.03 元/m2計(jì)算，可計(jì)算得到一二級(jí)循環(huán)泵供暖期電費(fèi)為10.15×104元/a。

聯(lián)合供暖系統(tǒng)年耗水量按單位供暖面積耗水量0.2 t/m2計(jì)算，水價(jià)按3.64 元/t計(jì)算，可計(jì)算得到年水費(fèi)為3.64×104元/a。用工量按每1×104m2供暖面積配置0.45 人，工資按3×104元/人計(jì)算，可計(jì)算得到年人工費(fèi)為6.75×104元/a。維修費(fèi)按設(shè)備造價(jià)的1.5%計(jì)算，可計(jì)算得到年維修費(fèi)為3.03×104元/a。

由以上數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到聯(lián)合供暖系統(tǒng)年支出為112.63×104元/a。

4.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

本文采用凈現(xiàn)值、動(dòng)態(tài)投資回收期對(duì)聯(lián)合供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)[15]。

凈現(xiàn)值FNPV的計(jì)算式為：

(2)

式中FNPV——凈現(xiàn)值，元/a

n——聯(lián)合供暖系統(tǒng)使用壽命，a，取30 a

fin——年收益，元/a

fout——年支出，元/a

i——基準(zhǔn)折現(xiàn)率，取0.08

動(dòng)態(tài)投資回收期nP的表達(dá)式為：

(3)

式中np——?jiǎng)討B(tài)投資回收期，a

將已知數(shù)據(jù)代入式(2)、(3)，利用EES軟件(Engineering Equation Solver)進(jìn)行求解，可計(jì)算得到，凈現(xiàn)值為117.93×104元/a，動(dòng)態(tài)投資回收期(向上圓整值)為13 a。

4.4 敏感性分析

本文主要分析低谷電價(jià)對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響。低谷電價(jià)上漲時(shí)，供暖成本增加，若熱價(jià)仍保持29.55 元/(m2·a)，基準(zhǔn)折現(xiàn)率保持不變，則每年的凈現(xiàn)金流不斷減少。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)其他條件不變，在使用壽命為30 a時(shí)凈現(xiàn)值恰好為0所對(duì)應(yīng)的低谷電價(jià)為0.168 元/(kW·h)，即低谷電價(jià)0.168 元/(kW·h)作為方案經(jīng)濟(jì)可行性的臨界電價(jià)。當(dāng)?shù)凸入妰r(jià)高于0.168 元/(kW·h)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高熱價(jià)。

5 結(jié)論

介紹電鍋爐與相變蓄熱換熱器聯(lián)合供暖系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱聯(lián)合供暖系統(tǒng))的工藝流程。以位于張家口地區(qū)供暖面積為5×104m2的居住小區(qū)為研究對(duì)象，在負(fù)荷分析基礎(chǔ)上，對(duì)聯(lián)合供暖系統(tǒng)(僅利用低谷電力)進(jìn)行設(shè)備選型。選取凈現(xiàn)值、動(dòng)態(tài)投資回收期作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)聯(lián)合供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)聯(lián)合供暖系統(tǒng)的熱價(jià)按張家口居民集中供暖價(jià)格29.55 元/(m2·a)計(jì)算，低谷電價(jià)為0.15 元/(kW·h)時(shí)，聯(lián)合供暖系統(tǒng)的凈現(xiàn)值為117.93×104元/a，動(dòng)態(tài)投資回收期為13 a，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性比較理想。當(dāng)其他條件不變，在使用壽命為30 a時(shí)凈現(xiàn)值恰好為0所對(duì)應(yīng)的低谷電價(jià)為0.168 元/(kW·h)，即低谷電價(jià)0.168 元/(kW·h)作為方案經(jīng)濟(jì)可行性的臨界電價(jià)。當(dāng)?shù)凸入妰r(jià)高于0.168 元/(kW·h)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高熱價(jià)。