多站融合项目中的地源热泵系统经济性分析

丁 荣,周 波,钱永娟

(国网河北省电力有限公司经济技术研究院,石家庄 050021)

近年来,我国能源对外依存度不断上升,外部能源供应环境复杂,面临严峻的能源和环境问题,亟需在节能减排的前提下培育新的经济增长点。鉴于此,国家电网公司提出着力推进“三型两网”建设战略,大力推动企业转型。

作为电网企业核心资源的变电站,在承担电力输配和电力供应方面发挥着重要的枢纽作用,依托广泛布局的变电站开展能源综合体建设,有助于实现电力供应方、设备供应方、用户的良性互动和合作供应,具备良好的发展前景[1]。地源热泵技术作为一种可再生能源利用技术,从节能和减排上来看,都比传统锅炉房的优势明显:在节能方面,地源热泵利用的是电力驱动地表与地上温差互换,相比传统的燃煤锅炉供热具备明显的节能优势;在减排方面,地源热泵运行过程中不产生任何污染气体和温室气体,具备良好的环保特性[2-6]。我国针对地源热泵技术的研究和应用起步相对较晚,目前相关研究重点侧重于采用地源热泵系统进行住宅供冷的能耗及经济性分析[7]、地源热泵系统设备选型及施工工艺等方向[8-10],针对变电站建设地源热泵系统提供供冷/供热服务经济性的相关研究还未开展。本文在梳理地源热泵技术经济相关研究的基础上,立足于变电站综合能源体改造及现行相关政策、价格体系,针对变电站建设地源热泵系统提供冷、热供应服务的经济性进行了建模分析,提出适合变电站热泵系统的合理定价参数。在理论研究的基础上,选择河北某“多站融合”项目的地源热泵系统进行了实证分析,并结合典型案例实证测算及敏感性分析结果,对我国未来多站融合项目的地源热泵系统建设运营提出了合理化建议。

1 地源热泵技术

地源热泵利用地表温度常年保持稳定的特性,通过将地表层的温度与地上温度进行置换,实现夏季制冷、冬季供暖的目的。根据探索发现,地表浅层能够储存47%左右的太阳能,地源热泵技术能够充分利用该特点,在冬季,将温度较高的地表浅层能量与温度较低的地上能量进行交换,实现冬季供暖的效果;在夏季,将温度较低的地表浅层能量与温度较高的地上能量绩效交换,实现夏季制冷的效果。地源热泵是一种可再生能源技术,从节能和减排上来看,都比传统锅炉房的优势明显,节能方面,地源热泵利用的是地表储热,减排方面,地源热泵不产生污染气体和温室气体。因此,地源热泵可以说是解决冬季集中供暖导致的能源问题的一个重要技术,能够起到明显缓解冬季污染的作用。

地源热泵系统由室外换热器、水源热泵机组、控制系统、空气调节末端组成。其原理是通过与四季恒温的地下土壤、水等介质换热,使用少量电能即可实现空气调节功能;而分体空调是与空气进行换热,性能较差,故地源热泵性能优于分体空调,节能效果显著。如图1、图2和表1所示。

图1 夏季制冷示意

表1 地源热泵系统与中央空调系统主要特点比较

2 多站融合项目地源热泵系统经济性分析模型

2.1 地源热泵系统成本构成

地源热泵系统的成本主要包括固定成本和变动成本。固定成本是热泵系统开发和建设期间的资本投入所形成的成本,主要包括:固定资产投资、建设期借款利息和流动资金。变动成本是项目投产运营后在运营过程中产生的成本,主要是指地源热泵的运行维护成本。地源热泵系统的主要成本构成如图3所示。

图3 地源热泵系统成本

地源热泵系统成本的主要影响因素包括两方面:

a.电价。电价水平的高低是地源热泵项目盈利水平的重要影响因素,未来随着电力体制改革的推进及电力现货市场的建设,我国电价整体水平将逐步降低,同时为鼓励清洁取暖,某些地方政府也为地源热泵项目提供了优惠电价,例如沈阳市针对地源热泵项目的系统用电采用居民电价收费,大幅度降低了地源热泵系统的电费支出。

b.设备购置费。目前,地源热泵的初始投资普遍较高,地源热泵系统单位造价约在850～950元/m2,与之相比,中央空调系统的单位造价约在350～400元/m2。较高的设备投资费用,降低了企业和居民用户采用地源热泵的热情。

因此,未来我国应加大对地源热泵设备制造业的扶植力度,通过设立科技专项攻关基金等方式争取促进相关装备制造业水平的提升,通过降低材料成本、规模化生产降低成本等多种方式降低地源热泵系统的投资成本。

2.2 地源热泵系统经济性分析模型

为便于比较地源热泵系统相比传统的“中央空调+集中供暖”模式的经济性,均采用净年值法统一进行比较。

地源热泵系统的净年值成本计算公式:

式中:C0为地源热泵系统的净年值成本;I0为项目初始总投资(固定成本);CRF 为将建设期投资折算为等价年值的换算因子;S0为地源热泵系统的年维护成本;QC、QW分别为地源热泵系统制冷、制热的年耗电量;P0为地源热泵系统的充电电价;i为贴现率,n 为寿命期,a。

“中央空调+集中供暖”系统的净年值成本计算公式:

式中:C1为“中央空调+集中供暖”系统的净年值成本;I1为中央空调系统的初始总投资;CRF 为折算为等价年值的换算因子;S1为中央空调系统的年维护成本;QC1为中央空调系统的制冷年耗电量;P1为中央空调系统的充电电价;S 为供暖面积;PW为供暖费收费标准。

定义地源热泵系统与“中央空调+集中供暖”系统年费差为:

根据上述定义,则如果ΔC ＞0,表示地源热泵系统经济性优于传统模式;如果ΔC ＜0,表示地源热泵系统经济性比传统模式差。

3 算例分析

3.1 A 多站融合项目概况

A 多站融合项目位于华北某地,该站结合周边负荷现状及未来规划,以“三型两网”建设为契机,建设2×63 MVA 的110 k V 智能变电站、1套50 k W/100 k Wh锂电池储能装置、2台地源热泵装置,同时配套建设120 k W 一体化大功率直流充电桩4台,75.03 k W 分布式光伏电站,2个边缘数据中心,1个智能化营业厅。该项目是该地区第一个规划建设的多站融合项目,预计今年年底投入运行。

该站设计采用的2台地源热泵机组的空调主机参数如表2。

表2 热泵主机参数(单台)

3.2 A 多站合一项目地源热泵系统经济性测算

该项目中地源热泵系统建设相关投资115万元,项目建设期1年,设计运营寿命25年,则初始投资的年值折算系数为0.146,残值率5%,该地源热泵系统的年维护成本为0.575万元(初始投资的0.5%),根据项目特点,基准收益率取为8%。

地源热泵系统为变电站及营业厅、数据中心供冷、热,面积为1 209.5 m2,该地区针对商业用户的供热收费标准为32元/m2,商业用户的目录电价为0.752元/k Wh。

采用“中央空调+集中供暖”模式下,假定中央空调系统的造价为350 元/m2,则初始投资为42.5万元,设计运营寿命为10年,初始投资的年值折算系数为0.463,残值率5%。文献[11]指出,中央空调系统能效比为2.8,每平方米面积的制冷需匹配的空调制冷功率为115 W,制热功率为150 W,为满足1 209.5 m2面积的制冷需求,中央空调系统功率选型为50 k W,中央空调系统的年维护成本为0.425万元(初始投资的1%),根据项目特点,基准收益率取为8%。

该地区供冷需求为每年5月15日到9月15日,供热需求为每年11 月15 日到次年3 月15日。相关文献指出,每年的供冷利用小时数为800 h,供热小时数为1 200 h。则地源热泵系统的年耗电量为24.2×800+34.4×1 200=60 640(k Wh),中央空调系统年耗电量为50×800=40 000(k Wh)。

地源热泵系统与“中央空调+集中供暖”系统年费差为:

(42.5×0.463+0.204+4×0.752+0.068×32)-(115×0.146+0.325+6.064×0.752)=5.056(万元)＞0

在提供相同的供冷、供热量下,地源热泵系统比“中央空调+集中供暖”的净年值成本低5.06万元,即地源热泵系统投资经济性优于“中央空调+集中供暖”系统。

3.3 敏感性分析

针对地源热泵系统的初始投资、维护成本和电价3个因素分别变动±10%、和±20%分别测算地源热泵系统与“中央空调+集中供暖”系统的年费差。测算结果见表3。

表3 敏感性分析表

从表3的测算结果可以看出,地源热泵系统的初始投资对项目经济性的影响最大,电价水平对项目经济性的影响其次,年维护费用的变动对项目经济性状况影响最小。因此,在多站融合项目的地源热泵系统建设过程中,必须努力提升热泵系统相关设备制造水平,通过政府有关部门的专项政策支持,鼓励制造企业加大研发投入,在提升热泵运行效率的同时降低制造成本;同时,在地源热泵的投资决策和项目实施过程中,需要努力优化设计方案,合理使用资金以控制项目的初始投资水平。研究同时表明,电价对地源热泵项目经济性也有较大影响,因此,坚定不移地推进电力体制改革,通过市场化手段降低工商业电价水平,对提升地源热泵系统的经济性也有促进作用。

4 结论

本文对多站融合项目中的地源热泵系统的经济效益进行了分析和研究,并在研究基础上对地源热泵系统的投资决策及产业发展提出了合理化建议,通过研究,得出如下结论。

a.地源热泵系统在节能环保、促进可再生能源利用与提高能源利用效率方面具有独特的优势,科学适度布局地源热泵系统有利于实现节能减排和电力行业绿色可持续发展的战略目标。

b.地源热泵系统的成本包括固定成本和变动成本。固定成本部分共包括固定资产投资、建设期借款利息及流动资金;变动成本是项目投产运营后在运营过程中产生的成本,主要包括运行成本和维护成本等。热泵系统成本的主要影响因素有两方面:电价水平、地源热泵系统初始投资。

c.某多站合一项目案例测算结果表明,在提供相同的供冷、供热量下,地源热泵系统投资经济性优于“中央空调+集中供暖”系统;通过不同因素对地源热泵系统经济性影响程度的敏感性分析,初始投资对地源热泵系统经济性的影响最大;电价水平的影响较大;对盈利水平影响最小的是热泵系统的年维护费用。

d.根据案例测算结果,可以考虑采取如下措施提升地源热泵系统的经济性:从国家层面出台相应政策鼓励企业研制与开发先进的热泵设备制造技术,加快设备生产与运行维护的国产化进程,提升热泵系统的运行效率、同时降低制造成本;拓宽地源热泵系统建设的资金渠道来源,从国家层面出台相应的补贴与优惠政策;坚定不移地推进电力体制改革,推动建立电力现货市场,通过市场化改革释放改革红利,通过工商业电价的降低为地源热泵技术的推广创造空间。