供暖领域电能替代效益分析

供暖领域电能替代效益分析

武中，李强，徐红涛

(国网山西省电力公司 经济技术研究院，山西 太原 030002)

摘要：供暖领域用电能供暖替代传统燃煤供暖方式，是减少雾霾的主要措施之一.将电锅炉和地源热泵技术等进行集成，基于能耗及经济成本等因素，建立分析模型，并通过调研数据对分析模型进行验证，分析电锅炉以及热泵在不同性能曲线(COP)的联合使用的运行策略，寻找最优的运行方案是实现电能替代效益的关键步骤.基于系统模型以及优化目标，借助计算机辅助编程，通过坐标轮换法，对模型进行分析和计算，得出采用地源热泵作为主供暖设施，电锅炉作为辅助供暖设施的是目前电能供暖综合最佳解决方案.

关键词：电能替代；供暖；能耗；经济效益

收稿日期：2015-03-19

基金项目：国家星火计划项目(2010GA700156)

作者简介：武中(1971—)，男，山西太原人，高级工程师，研究方向为电能替代、智能电网通信网规划，E-mail：153336684362@foxmail.com.

中图分类号：TM925

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2015)05-0508-04

Abstract:As one of the main measures to disperse haze, electric heating systems will replace the traditional coal-fired heating systems in the field of heat supply. Integrating electric boilers and ground source heat pump, the analysis model based on energy consumption, economic costs and other factors is built. The analysis model is validated via the survey data and the co-running strategies of electric boilers and ground source heat pump in different COP are evaluated in order to find the optimal solution. These are the key steps for efficiency evaluation of alternative energy. Based on the system model and optimization goal, the coordinate rotation method is used to analyze and calculate the model through computer-aided programming. The best solution of electric supply is to use ground source heat pumps as the main heating facilities and electric boilers as an auxiliaries.

Keywords:alternative energy; heat supply; energy consumption; economic efficiency

Efficiency evaluation of alternative energy in heat supply system

WU Zhong, LI Qiang, XU Hongtao

(Economics and Technology Research Institute of State Grid Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030002, China)

当前，环保形势严峻，严重雾霾频繁发生，尤其是在北方冬季供暖期间，雾霾大规模长时间的爆发，严重影响了人们的生活和健康[1].研究表明：PM2.5中的50%～60%源于燃煤，20%～30%源于燃油[2]，直燃煤是造成环境污染的重要因素[3].随着清洁能源发电比重的提高，电能的污染物排放明显优于直燃煤[4]，能显著减少城市的空气污染，能够改善生活环境质量.电能替代是推进节能减排工作的有效途径之一[5-6]，但与传统供暖方式相比，过高的运行费用是其大规模推广的主要障碍之一[7-8].在供暖领域通过对燃煤锅炉、电锅炉和地源热泵的进行经济性和环保效益分析，提出了电能替代传统燃煤方式供暖的解决方案.

1模型研究

国内研究主要从简单的经济效益角度出发，但没有考虑环境的经济成本[9-10]，从一种普适地角度提出替代模型，主要讲成本分为初期投资(设备、安装、建设等)、运行成本(运行、设备折旧费等)两个分类，如表1所示，同时将环保成本归增加到上述分类的子类当中去，旨在通过定量的分析体现电能替代的长远效益.计算模型将各种设备的投资成本和每年的运行维护费用，标准化折算成每平方供暖年化费用.

表1　模型参数

将环保成本归增加到初期投资(设备、安装、建设等)、运行成本(运行、设备折旧费等)等环节当中去，旨在通过定量的分析体现电能替代的长远效益.计算模型将各种设备的投资成本和每年的运行维护费用，标准化折算成每平方供暖年化费用.

为了方便表示和计算，做以下约定：燃煤锅炉、电锅炉、地源热泵分别用下标cb，eb，gp表示，比如，N表示折旧年限，则Ncb代表燃煤锅炉的折旧年限；M代表主设备价格，则Meb表示电锅炉的价格.

1) 主设备成本

设主设备成本为M，主设备是指用供暖系统使用能源实现加热的主体设备，即燃煤锅炉、电锅炉、热泵设备本身.主设备的折旧年限N，供暖面积为S,则三种设备折算成每平米的年均投资m为

(1)

2) 土建成本

设土建成本为F，包含土地和建筑两部分.设土地单价为α，建筑造价为β，面积为S1,场地面积(例如堆煤及渣料等非建筑场地)S2，则土建成本折算为每平米的年均投资f为

(2)

3) 配件成本

设配件成本为A，供暖系统的配件包括给水泵及控制箱、循环水泵、软水器、换热设备、引风机、鼓风机、除尘器、除渣机、上煤机、脱硫脱销除尘、配电柜、变压器、线缆等一系列配套设备.则配件成本折算成每平米的年均投资a为

(3)

4) 其他成本

设其他成本为O，主要包括安装费、人工费以及监理费用等等.这些费用一般和工程总造价的20%，购地费用不计算在工程造价内，其他成本折算成每平米的年均投资o为

oi=0.1(mi+ai)i=cb,eb,gp

(4)

5) 人工费用

设人工费用为E，对于供暖环节，设需要n个工作人员，月工资为d，员工的节假日补助及福利费用G，G=Ci×14%，一年员工工作t个月，对于三种设备，其年人工费用记作e，即

(5)

6) 耗材费用

耗材费用C主要有主要包括辅助配件费用，辅助设备的电费C(e)，水费，C(w)以及其他耗材费用C(o)，其他耗材费用购买软化水剂等产生的费用,对于燃煤锅炉，其他费用还包括脱硫脱硝除尘所需的脱硫剂、脱硝催化剂等，C=C(e)+C(w)+C(o)，耗材费用每平米供暖年化耗材成本c为

(6)

7) 维修费用

即初始投资的线性函数R=(M+A)ξ，ξ取值为3.5%，每平米供暖年化维修成本为

(7)

针对不同的供能设备，计算在产生相同的经济效益的基础上，在生命周期内共使用了多少费用W，使用费用W较少的具备较好的经济性，其表达式为

W=(M+F+A+O)+N(E+C+R)

(8)

其中N为设备可使用年限.

根据式(8)，有以下多种判断逻辑：

1) 正向判别.不同的设备和用能方式，具有不同的生命期费用.令c为用煤方式，e为用电方式，如果W(e)

2) 延迟判别.由各个参数的主要受制于价格因素，而价格又随时间变化，所以式(8)可以表达为时间的函数，即W(t)=(M(t)+F(t)+A(t)+O(t))+N(E(t)+C(t)+R(t))，则如在t0时刻，有W(e, t0)< W(c, t0)，则有可能在t1时刻，W(e, t1)< W(c, t1)，即经济性具有时间效应，并不是一成不变的.

3) 反向推导.如果t在短期内无法使W(e, t0)< W(c, t0)，而电能替代又必须实施，则通过干预某个参数，如政府实施优惠电价，使W(e, t0)< W(c, t0).

在实际情形下，因为能源价格的波动性，参数很难用简单的时间函数来表示，同时，政府干预参数也属于不可控范畴，所以选择正向判别作为惟一的判断逻辑.

2模型构建

1) 初始投资成本

通过对锅炉、热泵的生产销售企业调研，了解企业近2年来实施案例的初始投资成本，按照一蒸吨(700kW)的规模折算如表2所示.

表2　初始投资成本调研数据

2) 模型计算

将折旧年限Ncb=10，Neb=15，Ngp=15，煤锅炉司炉工c1按2 300 元/月，电锅炉和热泵看管员工c2按2 000 元/月等参数带入式(1～7)并求和，得到年化费用C，该费用分为由两部分组成，实际产生的费用和供能费用如表3所示.

对于供能费用s，对于燃煤锅炉，可以表达成燃煤单价的函数，同样，对于电锅炉，也可以表达成其电价的函数，而对于地源热泵，C随温度而变化，其可以表达成电价和温度的函数.

热负荷为q，供暖面积为s，在一定时间t所消耗的热量Q可表示为

Q= qst　(9)

考虑热当量μ，热效率为C，采暖热负荷修正系数K1=0.8，传输热损失K2=0.7[11-12]，那么燃煤锅炉的能量消耗量A与Q的关系为

Q=μK1K2AC

(10)

scb=Apc

(11)

对于电供暖设备，其功率为P，与Q的关系满足

Q=K1K2PCt

(12)

s=Ptp

(13)

对于电锅炉和热泵，其费用分别为

seb=Pebtpe

(14)

sgp=Pgptpe

(15)

太原地区一个采暖季天数为127天[13]，一天供暖18 h，累计供暖2 286 h，可以单独采用燃煤锅炉供暖或电锅炉、地源热泵联合供暖.将以上数据代入式(9～15)中，化简可得

Qcb=Qeb+Qgp

(16)

Ccb=19.4+Apc

(17)

Ceb=7.94+Pebtpe

(18)

Cgp=9.53+Pgptpe

(19)

由此可以看出：在式(16)的约束条件下，燃煤价格、电价、电锅炉初装功率和热泵初装功率分别为多少时，电能替代经济上可行，即判别式Δ≥1，有

Δ=Ccb/(Ceb+Cgp)

(20)

3模型求解

判别式Δ包含5个自变量，加之自变量之间的耦合关系，判别式直接求解较困难.采用坐标轮换法的思路，把多参数转换为单参数进行求解.

1) 令Ce=Ceb+Cgp，为用电设备的每平米年总开销，假定pe为常量，为当前电价0.47，则变量peb，pgp满足0.97Peb+PgpC实际=q，太原地区的采暖热负荷q=60 W/m2，电锅炉的热效率Ceb=0.97，燃煤锅炉热效率Ccb=0.8；地源热泵的C名义=3.3，标准出水温度为45度，其实际C随出水温度关系[14]满足C名义=Ceb(101.5-2.25X)/100，则费用Ce表示见图1.从图1可以看出：热泵实际C越低，总体费用也低，但考虑到实际取暖效果，出水温度不应低于45度，热泵单独供暖可以保证采暖季初期和末期的供暖需求.综合太原地区的天气情况，配套电锅炉应该满足最冷供暖日满负荷供应，则两者最佳初装功率比为1∶1.

图1　电设备费用 Fig.1　The costs of electric equipments

2) 依旧假定为常量，为当前电价0.47，则费用比率与煤电价的关系如图2所示.从图2可以看出：总费用随着煤电价比的增高而增高，根据测算，以当前电价为基准，煤炭价格为电价的3.2倍，即煤炭价格超过1 500 元/吨时，具有可替代性.

图2　费用比率 Fig.2　The rate of cost

4结论

电锅炉费用远高于燃煤锅炉，经济上替代可行性不大，热泵费用虽然低于燃煤锅炉费用，但实际应用中发现，由于热泵出水温度不高，在严寒季节的夜间无法达到室内取暖最低温度的标准，单独替代可行性不大.采用地源热泵作为主供暖设施，小功率电锅炉作为辅助供暖设施的是目前电能供暖综合最佳解决方案，当电锅炉的供暖比例1∶1,电价保持不变，煤炭价格高于1 500元/吨时，供暖利用完全可以实施电能替代.

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(责任编辑：刘岩)