基于负荷分解的学校电能替代方案设计

李 勇，张 旭

（国网浙江综合能源服务有限公司，杭州 310014）

0 引言

近年来，随着我国工业化、城镇化的深入推进，能源资源消耗持续增加，大气污染防治形势日益严峻。为贯彻落实国家大气污染防治行动计划相关文件的要求，加快推进高污染燃料禁燃区建设和淘汰改造非禁燃区分散燃煤锅（窑）炉，减少燃煤污染，各地都出台了相关政策，对燃煤锅炉淘汰等提出了相应要求[1-2]。

当前，我国电煤比重与电气化水平偏低，大量的散烧煤与燃油消费是造成严重雾霾的主要因素之一。电能具有清洁、高效、安全、便捷等优势，目前各类电锅炉、电窑炉等电器设备基本可以取代传统燃煤锅炉、燃煤窑炉[3-4]。

国家电网有限公司2013年已提出“电能替代”战略，倡导“以电代煤、以电代油、电从远方来”的能源消费新理念，实施电能替代对于推动能源消费革命、落实国家能源战略、促进能源清洁化发展意义重大。2016年5月，国家发改委等八部委出台了《关于推进电能替代的指导意见》，对电能替代工作提出了明确要求和指导[5-6]。

目前，各类学校中燃煤（油）锅炉使用较为普遍，存在着污染严重、能源利用率低等问题，而学校对于安全、环保等要求较高，同时学校电价较低，因此在学校开展电能替代具有诸多先天优势[7-8]。

1 学校用能现状

目前，不同地区、不同类型学校用能情况各不相同。按照用能设备划分，主要有照明灯具、空调、机房、锅炉等。根据能源种类划分，主要有电力、煤炭、燃油、天然气等。电力主要供学校照明、空调、机房等场所应用，煤炭主要为煤锅炉提供燃料，一般用于厨房食物加工、热水制取等场合，部分学校锅炉为燃油锅炉或燃气锅炉。学校电能替代应用主要是对燃煤（油）设备进行替代，主要包括锅炉、炊具等，在实现能源方式转变的同时，保证厨房食物加工、热水制取等应用不受影响[5]。

目前学校燃煤（油）锅炉供热存在以下问题：

（1）运行效率低。学校食堂锅炉容量不大，自动控制水平低，燃烧设备和辅机陈旧老化，污染物超标排放严重，效率低下。

（2）高品质能源低品质利用。通常学校锅炉产汽压力都在0.5~1.25 MPa，参数较高，而食堂、开水房、浴室中对蒸汽参数要求较低，食堂蒸饭和餐具消毒需要的用热对蒸汽压力的要求一般小于0.2 MPa，占学校总用热量35%以上的浴室用热，其能级要求更低，一般在50℃以下。因此，传统小容量燃煤（油）锅炉供汽、供热方式是高品质能源低品质利用的典型，是对高品质能量的严重浪费。

（3）蒸汽输送和换热过程热损失较大。从锅炉房到用户端（用热设施端）都有一定的距离，需要通过管道进行输送，近则几百米，远则上千米。长距离的蒸汽输送，在一般保温措施下的热损失相当可观。

（4）配置不合理。大多数学校在装设燃煤锅炉时并未进行合理设计，普遍存在“大马拉小车”等现象，造成运行费用较高。

2 中小学校常用电能替代技术与设备

2.1 电锅炉

电锅炉也称电加热锅炉、电热锅炉，它是以电力为能源并将其转化成为热能，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体的锅炉设备。可根据输出不同分为电热水锅炉和电蒸汽锅炉。电锅炉效率较高，环保、无污染、温度控制准确，可以完全用来替代煤锅炉、燃油锅炉。

特别是小型电蒸汽锅炉，也称为电蒸汽发生器，如图1所示。其中容积在30 L以下的不需要强制报检，使用灵活方便，可以根据需要分散就近布置，减少了管道损失，同时也可以根据需要灵活控制开关台数，用于取代学校传统燃油、燃煤锅炉，主要在蒸饭、蒸菜、消毒等需要蒸汽的场合使用。

图1 电蒸汽发生器

2.2 电磁灶

电炊具主要有电热式与电磁式2种加热方式，电热式主要采用电阻丝发热进行加热，电磁式利用电磁感应原理进行加热，电磁灶通过加热线圈中通入交变电流，线圈周围便产生交变磁场，交变磁场的磁力线大部分通过金属锅体，在锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的热。

电磁灶主要产品有电磁蒸饭车、电磁蒸包炉、电磁煲汤炉以及各类电磁炒灶等，如图2所示。与传统的灶具相比，具有安全环保、效率高等特点，可以完全取代传统灶具。蒸饭车（如图3所示）类主要用于蒸饭、蒸菜等，甚至可以代替锅炉，炒灶类主要替代原有燃油灶、燃气灶。

图2 电磁炒灶

图3 电磁蒸饭车

以加热10 L水为例，自来水平均温度按照20℃计算，加热至100℃，不同灶具对比见表1。

表1 不同类型灶具对比

2.3 热泵

热泵就是靠电能拖动，迫使热量从低位热源流向高位热源的装置。热泵可以把不能直接利用的低品位热能（空气、土壤、井水、河水、太阳能、工业废水等）转换为可以利用的热能，从而达到节约能源的目的。根据热源的不同，热泵分为空气源热泵、地源热泵、水源热泵等。

地源热泵和水源热泵整体上热源更加稳定，效率更高，运行成本较低，不过其初始投资稍高，对使用场所的土地、水源等有要求。空气源热泵整体上使用较为方便，随着技术进步，其在低温状态下也可以工作，目前已有在-25℃下工作的报道，特别适合南方地区热水制取使用。对于学校应用，主要用来代替传统锅炉，制取洗澡热水。

以制取1 t热水为例，自来水平均温度按照20℃计，加热至55℃，不同热水设备能耗对比如表2所示。

表2 不同热水制取设备对比

3 基于负荷分解的学校厨房电能替代方案设计

3.1 常规电能替代方案[9-10]

中小学校厨房蒸汽一般用来给食物加热，产生蒸汽设备传统上为燃煤（油）锅炉，常规电能替代方案为用电锅炉直接替换原有燃煤（油）锅炉，基本满足式（1）条件：式中：Ws为设计的电锅炉蒸吨；Ws为原有燃煤（油）锅炉蒸吨。

计算其运行成本：

式中：S为运行费用；F为电功率与蒸汽折算系数，一般取720；TY为电锅炉运行时间；J为电价。

改造后的锅炉吨位与改造前相同，采用这种改造方案，一般能够满足要求，从调研中可以看到，很多学校采用此种改造方案，但是其浪费较大。以1 000人学校原有1 t/h燃煤锅炉为例，原来燃料费用一年约10万元，人工成本约5万元，合计15万元，采用1 t/h电锅炉改造，功率720 kW，年运行200天，每天满功率运行约3 h，电价按照0.538元/kWh，年运行费用合计23万元，改造成本仅锅炉就需要15~20万元，如果考虑配套变压器增容，费用更多，投资与运行成本较高，这也是限制电能替代开展的一个关键因素[11-12]。

3.2 基于负荷分解的电能替代优化方案

为实现电能替代改造目的，同时最大化减少运费开支，需要从实际用能设备出发，对负荷进行分析，基于负荷分解进行方案设计。

通过对中小学校食堂用能设备进行调研分析，其主要包括煲汤类、蒸饭类、蒸包类，计算不同类型设备对应的蒸汽用量：

式中：Pd为设备对应的电功率；N为中小学校人数；Dd为设备对应食物的单人分量；C为加热食物的比热，可按照水的比热计算；Δt为加热实物的温差；G为考虑到损失等的修正系数；K为度电与热量折算系数，一般取860；T为食物加热时间；Wd为设备对应的蒸吨数。

该方案基于实际用能设备负荷分析，采用分布式方式配置设备，能量损失较小，运行成本低，但是其投资稍高，所用设备较多，为了平衡投资与运行成本关系，可进行修正，改为集中式配置。根据用能情况，考虑设备同时率，所配置锅炉应满足一个用能周期蒸汽需量最大值：

式中：Wd（t）为用能周期中不同用能设备蒸汽需求量。

该方案相对于分布式用能设备配置其初期投资较低，但是仍然需要一定管路，并考虑到设备冗余，其运行成本将会提升，但是一般也小于原有锅炉。

4 典型学校电能替代设计与应用

以一所1 000人就餐的中学为例，其原来采用燃煤（油）锅炉对食堂及澡堂进行蒸汽供应，满足日常煲汤、蒸饭、蒸包等使用；使用燃油灶进行菜肴烹制。根据实际用能场景，结合常用电能替代技术及设备进行方案设计及应用。

4.1 食堂蒸汽供应

食堂蒸汽主要用来蒸饭、煲汤、蒸包，根据实际调研及分析，其用能类型及相关参数如表3所示。

表3 食堂蒸汽使用类型及相关参数

将相关参数带入公式（3）可以得到配置相应电磁设备所需电功率，如表4所示。

表4 蒸汽类电磁设备所需功率

根据相应产品规格书，并考虑到实际应用便捷性问题，一般配置如表5所示。

表5 食堂蒸汽类电磁设备实际配置

该方案投资较高，但是运行成本较低，适合对初期投资不太敏感单位，对于想减少初期投资，可以根据公式（5）进行分析计算。根据实际调研，学校一般在煲汤与蒸饭，煲汤与蒸包时可能存在同时用情况，前者所需最小电功率为87.8 kW，后者所需电功率为68.8 kW，根据公式（4）计算，所需最小蒸汽吨数为0.122 t/h，根据电锅炉产品规格，配置0.15 t/h电锅炉即可满足要求。

4.2 食堂菜肴烹制

对于使用煤炭、柴火、燃油、燃气等进行菜肴烹制的食堂，可以使用电磁炒灶进行替代，采用电磁灶后能够完全满足使用要求，可以参照蒸汽设备选型进行设计，其相关参数如表6所示。

表6 食堂烹制设计相关参数

根据公式（3）可以得到满足烹饪要求所需配置电功率为104.2 kW，根据产品手册，考虑到使用便捷性，一般配置如表7所示。

表7 食堂烹制类电磁设备实际配置

4.3 洗澡热水制备

对于学校澡堂用热水，其温度一般在40℃左右，传统方式是使用燃煤锅炉产生蒸汽，蒸汽通过管道输送到水箱，与冷水混合进而产生热水，是典型的高品位能量低品位利用，造成了能源浪费。采用电加热方式虽然较清洁，但电能消耗大，热效率不高，采用空气源热泵，可以以较高的效率产生所需热水，具有较高的经济性。

正常情况下供应1 000人洗澡，共需40℃热水30 t，热泵系统提供热水为55℃，根据公式（3）可以得到所需热量为700 kWh，热泵系统COP（制热能效比）一般取3.5，按照每天10 h工作时间计算，配置热泵的输入电功率不小于20 kW即可[13]。

4.4 经济性分析

对于1 000人学校，常规使用1 t/h左右燃煤或燃油锅炉供食堂蒸汽使用，使用成本包括能源费用及人工成本，由于能源利用率较低，年运行费用较高，可以采用电锅炉、电炊具等电气设备进行改造，根据所选设备其投资及运行成本如表8所示。

5 学校电能替代推广应用建议

随着安全、环保等要求不断提高，大部分学校都面临着燃煤（油）锅炉改造等电能替代需求，从改造推广实践出发，对学校电能替代推广应用建议提出以下建议[14-15]：

表8 食堂不同用能设备对比

（1）加大政策支持力度。

目前，各级政府已出台了电能替代的优惠政策，不同地区之间政策优惠度差别较大，有的进行设备补贴，有的进行运行费用补贴，各类财政补贴积极有效推动了学校电能替代推广应用。应进一步加大政策宣传、财政支持力度，建立长效机制，促进学校电能替代应用。

（2）供电企业做好电网配套建设。

实施电能替代，一般会较大增加用电负荷，根据实际调研情况，大部分学校实施电能替代时都面临变压器容量不够的问题，同时如果较多单位开展电能替代，也会对线路供电能力等提出相应要求，电网企业应做好配套电网建设。

（3）合理设计技术方案。

目前，许多学校燃煤（油）锅炉存在着“大马拉小车”等设计不合理现象，进行电能替代方案设计时，不能仅仅按照标称蒸吨进行电锅炉改造，应根据实际用能设备情况、现场管道情况、原有设备运行情况等进行合理方案设计，以达到投资、运行费用最优。

（4）创新商业模式。

学校电能替代主要是进行用能设备更换，需要一定投资费用，对初投资有困难的学校，可以采用合同能源、设备租赁、能源费用托管等商业模式进行电能替代推广。

6 结论

分析学校用能现状、学校电能替代主要设备的特点及应用场合，针对常规电能替代设计方案造成的投资及运行成本过高问题，提出分布式与集中式电能替代方案，提升能源利用效率，在满足原有用能基础上尽可能减少初期投资与运行成本。利用本文研究成果已在台州、宁波等地多所学校开展了煤锅炉与传统灶具电能替代改造，结果表明效果良好，受到学校欢迎，推动了学校电能替代改造开展。