丁 榮,周 波,錢永娟

(國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,石家莊 050021)

近年來,我國能源對外依存度不斷上升,外部能源供應(yīng)環(huán)境復(fù)雜,面臨嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題,亟需在節(jié)能減排的前提下培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。鑒于此,國家電網(wǎng)公司提出著力推進(jìn)“三型兩網(wǎng)”建設(shè)戰(zhàn)略,大力推動企業(yè)轉(zhuǎn)型。

作為電網(wǎng)企業(yè)核心資源的變電站,在承擔(dān)電力輸配和電力供應(yīng)方面發(fā)揮著重要的樞紐作用,依托廣泛布局的變電站開展能源綜合體建設(shè),有助于實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)方、設(shè)備供應(yīng)方、用戶的良性互動和合作供應(yīng),具備良好的發(fā)展前景[1]。地源熱泵技術(shù)作為一種可再生能源利用技術(shù),從節(jié)能和減排上來看,都比傳統(tǒng)鍋爐房的優(yōu)勢明顯:在節(jié)能方面,地源熱泵利用的是電力驅(qū)動地表與地上溫差互換,相比傳統(tǒng)的燃煤鍋爐供熱具備明顯的節(jié)能優(yōu)勢;在減排方面,地源熱泵運(yùn)行過程中不產(chǎn)生任何污染氣體和溫室氣體,具備良好的環(huán)保特性[2-6]。我國針對地源熱泵技術(shù)的研究和應(yīng)用起步相對較晚,目前相關(guān)研究重點(diǎn)側(cè)重于采用地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行住宅供冷的能耗及經(jīng)濟(jì)性分析[7]、地源熱泵系統(tǒng)設(shè)備選型及施工工藝等方向[8-10],針對變電站建設(shè)地源熱泵系統(tǒng)提供供冷/供熱服務(wù)經(jīng)濟(jì)性的相關(guān)研究還未開展。本文在梳理地源熱泵技術(shù)經(jīng)濟(jì)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,立足于變電站綜合能源體改造及現(xiàn)行相關(guān)政策、價格體系,針對變電站建設(shè)地源熱泵系統(tǒng)提供冷、熱供應(yīng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了建模分析,提出適合變電站熱泵系統(tǒng)的合理定價參數(shù)。在理論研究的基礎(chǔ)上,選擇河北某“多站融合”項(xiàng)目的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)證分析,并結(jié)合典型案例實(shí)證測算及敏感性分析結(jié)果,對我國未來多站融合項(xiàng)目的地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)營提出了合理化建議。

1 地源熱泵技術(shù)

地源熱泵利用地表溫度常年保持穩(wěn)定的特性,通過將地表層的溫度與地上溫度進(jìn)行置換,實(shí)現(xiàn)夏季制冷、冬季供暖的目的。根據(jù)探索發(fā)現(xiàn),地表淺層能夠儲存47%左右的太陽能,地源熱泵技術(shù)能夠充分利用該特點(diǎn),在冬季,將溫度較高的地表淺層能量與溫度較低的地上能量進(jìn)行交換,實(shí)現(xiàn)冬季供暖的效果;在夏季,將溫度較低的地表淺層能量與溫度較高的地上能量績效交換,實(shí)現(xiàn)夏季制冷的效果。地源熱泵是一種可再生能源技術(shù),從節(jié)能和減排上來看,都比傳統(tǒng)鍋爐房的優(yōu)勢明顯,節(jié)能方面,地源熱泵利用的是地表儲熱,減排方面,地源熱泵不產(chǎn)生污染氣體和溫室氣體。因此,地源熱泵可以說是解決冬季集中供暖導(dǎo)致的能源問題的一個重要技術(shù),能夠起到明顯緩解冬季污染的作用。

地源熱泵系統(tǒng)由室外換熱器、水源熱泵機(jī)組、控制系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)末端組成。其原理是通過與四季恒溫的地下土壤、水等介質(zhì)換熱,使用少量電能即可實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)功能;而分體空調(diào)是與空氣進(jìn)行換熱,性能較差,故地源熱泵性能優(yōu)于分體空調(diào),節(jié)能效果顯著。如圖1、圖2和表1所示。

圖1 夏季制冷示意

表1 地源熱泵系統(tǒng)與中央空調(diào)系統(tǒng)主要特點(diǎn)比較

2 多站融合項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析模型

2.1 地源熱泵系統(tǒng)成本構(gòu)成

地源熱泵系統(tǒng)的成本主要包括固定成本和變動成本。固定成本是熱泵系統(tǒng)開發(fā)和建設(shè)期間的資本投入所形成的成本,主要包括:固定資產(chǎn)投資、建設(shè)期借款利息和流動資金。變動成本是項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)營后在運(yùn)營過程中產(chǎn)生的成本,主要是指地源熱泵的運(yùn)行維護(hù)成本。地源熱泵系統(tǒng)的主要成本構(gòu)成如圖3所示。

圖3 地源熱泵系統(tǒng)成本

地源熱泵系統(tǒng)成本的主要影響因素包括兩方面:

a.電價。電價水平的高低是地源熱泵項(xiàng)目盈利水平的重要影響因素,未來隨著電力體制改革的推進(jìn)及電力現(xiàn)貨市場的建設(shè),我國電價整體水平將逐步降低,同時為鼓勵清潔取暖,某些地方政府也為地源熱泵項(xiàng)目提供了優(yōu)惠電價,例如沈陽市針對地源熱泵項(xiàng)目的系統(tǒng)用電采用居民電價收費(fèi),大幅度降低了地源熱泵系統(tǒng)的電費(fèi)支出。

b.設(shè)備購置費(fèi)。目前,地源熱泵的初始投資普遍較高,地源熱泵系統(tǒng)單位造價約在850～950元/m2,與之相比,中央空調(diào)系統(tǒng)的單位造價約在350～400元/m2。較高的設(shè)備投資費(fèi)用,降低了企業(yè)和居民用戶采用地源熱泵的熱情。

因此,未來我國應(yīng)加大對地源熱泵設(shè)備制造業(yè)的扶植力度,通過設(shè)立科技專項(xiàng)攻關(guān)基金等方式爭取促進(jìn)相關(guān)裝備制造業(yè)水平的提升,通過降低材料成本、規(guī)?；a(chǎn)降低成本等多種方式降低地源熱泵系統(tǒng)的投資成本。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析模型

為便于比較地源熱泵系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的“中央空調(diào)+集中供暖”模式的經(jīng)濟(jì)性,均采用凈年值法統(tǒng)一進(jìn)行比較。

地源熱泵系統(tǒng)的凈年值成本計算公式:

式中:C0為地源熱泵系統(tǒng)的凈年值成本;I0為項(xiàng)目初始總投資(固定成本);CRF 為將建設(shè)期投資折算為等價年值的換算因子;S0為地源熱泵系統(tǒng)的年維護(hù)成本;QC、QW分別為地源熱泵系統(tǒng)制冷、制熱的年耗電量;P0為地源熱泵系統(tǒng)的充電電價;i為貼現(xiàn)率,n 為壽命期,a。

“中央空調(diào)+集中供暖”系統(tǒng)的凈年值成本計算公式:

式中:C1為“中央空調(diào)+集中供暖”系統(tǒng)的凈年值成本;I1為中央空調(diào)系統(tǒng)的初始總投資;CRF 為折算為等價年值的換算因子;S1為中央空調(diào)系統(tǒng)的年維護(hù)成本;QC1為中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷年耗電量;P1為中央空調(diào)系統(tǒng)的充電電價;S 為供暖面積;PW為供暖費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。

定義地源熱泵系統(tǒng)與“中央空調(diào)+集中供暖”系統(tǒng)年費(fèi)差為:

根據(jù)上述定義,則如果ΔC ＞0,表示地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于傳統(tǒng)模式;如果ΔC ＜0,表示地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比傳統(tǒng)模式差。

3 算例分析

3.1 A 多站融合項(xiàng)目概況

A 多站融合項(xiàng)目位于華北某地,該站結(jié)合周邊負(fù)荷現(xiàn)狀及未來規(guī)劃,以“三型兩網(wǎng)”建設(shè)為契機(jī),建設(shè)2×63 MVA 的110 k V 智能變電站、1套50 k W/100 k Wh鋰電池儲能裝置、2臺地源熱泵裝置,同時配套建設(shè)120 k W 一體化大功率直流充電樁4臺,75.03 k W 分布式光伏電站,2個邊緣數(shù)據(jù)中心,1個智能化營業(yè)廳。該項(xiàng)目是該地區(qū)第一個規(guī)劃建設(shè)的多站融合項(xiàng)目,預(yù)計今年年底投入運(yùn)行。

該站設(shè)計采用的2臺地源熱泵機(jī)組的空調(diào)主機(jī)參數(shù)如表2。

表2 熱泵主機(jī)參數(shù)(單臺)

3.2 A 多站合一項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性測算

該項(xiàng)目中地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)相關(guān)投資115萬元,項(xiàng)目建設(shè)期1年,設(shè)計運(yùn)營壽命25年,則初始投資的年值折算系數(shù)為0.146,殘值率5%,該地源熱泵系統(tǒng)的年維護(hù)成本為0.575萬元(初始投資的0.5%),根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn),基準(zhǔn)收益率取為8%。

地源熱泵系統(tǒng)為變電站及營業(yè)廳、數(shù)據(jù)中心供冷、熱,面積為1 209.5 m2,該地區(qū)針對商業(yè)用戶的供熱收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為32元/m2,商業(yè)用戶的目錄電價為0.752元/k Wh。

采用“中央空調(diào)+集中供暖”模式下,假定中央空調(diào)系統(tǒng)的造價為350 元/m2,則初始投資為42.5萬元,設(shè)計運(yùn)營壽命為10年,初始投資的年值折算系數(shù)為0.463,殘值率5%。文獻(xiàn)[11]指出,中央空調(diào)系統(tǒng)能效比為2.8,每平方米面積的制冷需匹配的空調(diào)制冷功率為115 W,制熱功率為150 W,為滿足1 209.5 m2面積的制冷需求,中央空調(diào)系統(tǒng)功率選型為50 k W,中央空調(diào)系統(tǒng)的年維護(hù)成本為0.425萬元(初始投資的1%),根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn),基準(zhǔn)收益率取為8%。

該地區(qū)供冷需求為每年5月15日到9月15日,供熱需求為每年11 月15 日到次年3 月15日。相關(guān)文獻(xiàn)指出,每年的供冷利用小時數(shù)為800 h,供熱小時數(shù)為1 200 h。則地源熱泵系統(tǒng)的年耗電量為24.2×800+34.4×1 200=60 640(k Wh),中央空調(diào)系統(tǒng)年耗電量為50×800=40 000(k Wh)。

地源熱泵系統(tǒng)與“中央空調(diào)+集中供暖”系統(tǒng)年費(fèi)差為:

(42.5×0.463+0.204+4×0.752+0.068×32)-(115×0.146+0.325+6.064×0.752)=5.056(萬元)＞0

在提供相同的供冷、供熱量下,地源熱泵系統(tǒng)比“中央空調(diào)+集中供暖”的凈年值成本低5.06萬元,即地源熱泵系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于“中央空調(diào)+集中供暖”系統(tǒng)。

3.3 敏感性分析

針對地源熱泵系統(tǒng)的初始投資、維護(hù)成本和電價3個因素分別變動±10%、和±20%分別測算地源熱泵系統(tǒng)與“中央空調(diào)+集中供暖”系統(tǒng)的年費(fèi)差。測算結(jié)果見表3。

表3 敏感性分析表

從表3的測算結(jié)果可以看出,地源熱泵系統(tǒng)的初始投資對項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的影響最大,電價水平對項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的影響其次,年維護(hù)費(fèi)用的變動對項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性狀況影響最小。因此,在多站融合項(xiàng)目的地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)過程中,必須努力提升熱泵系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備制造水平,通過政府有關(guān)部門的專項(xiàng)政策支持,鼓勵制造企業(yè)加大研發(fā)投入,在提升熱泵運(yùn)行效率的同時降低制造成本;同時,在地源熱泵的投資決策和項(xiàng)目實(shí)施過程中,需要努力優(yōu)化設(shè)計方案,合理使用資金以控制項(xiàng)目的初始投資水平。研究同時表明,電價對地源熱泵項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性也有較大影響,因此,堅定不移地推進(jìn)電力體制改革,通過市場化手段降低工商業(yè)電價水平,對提升地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性也有促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

本文對多站融合項(xiàng)目中的地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析和研究,并在研究基礎(chǔ)上對地源熱泵系統(tǒng)的投資決策及產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了合理化建議,通過研究,得出如下結(jié)論。

a.地源熱泵系統(tǒng)在節(jié)能環(huán)保、促進(jìn)可再生能源利用與提高能源利用效率方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,科學(xué)適度布局地源熱泵系統(tǒng)有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和電力行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。

b.地源熱泵系統(tǒng)的成本包括固定成本和變動成本。固定成本部分共包括固定資產(chǎn)投資、建設(shè)期借款利息及流動資金;變動成本是項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)營后在運(yùn)營過程中產(chǎn)生的成本,主要包括運(yùn)行成本和維護(hù)成本等。熱泵系統(tǒng)成本的主要影響因素有兩方面:電價水平、地源熱泵系統(tǒng)初始投資。

c.某多站合一項(xiàng)目案例測算結(jié)果表明,在提供相同的供冷、供熱量下,地源熱泵系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于“中央空調(diào)+集中供暖”系統(tǒng);通過不同因素對地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性影響程度的敏感性分析,初始投資對地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響最大;電價水平的影響較大;對盈利水平影響最小的是熱泵系統(tǒng)的年維護(hù)費(fèi)用。

d.根據(jù)案例測算結(jié)果,可以考慮采取如下措施提升地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性:從國家層面出臺相應(yīng)政策鼓勵企業(yè)研制與開發(fā)先進(jìn)的熱泵設(shè)備制造技術(shù),加快設(shè)備生產(chǎn)與運(yùn)行維護(hù)的國產(chǎn)化進(jìn)程,提升熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率、同時降低制造成本;拓寬地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)的資金渠道來源,從國家層面出臺相應(yīng)的補(bǔ)貼與優(yōu)惠政策;堅定不移地推進(jìn)電力體制改革,推動建立電力現(xiàn)貨市場,通過市場化改革釋放改革紅利,通過工商業(yè)電價的降低為地源熱泵技術(shù)的推廣創(chuàng)造空間。