邢台市某区域热源改造方案分析

闫孟哲,杜浩浩,贾鸿源,裴文浩

(河北建筑工程学院 能源工程系,河北省张家口市桥东区朝阳西大街13号 075000)

随着建筑业的蓬勃发展,城镇规模日益扩大,我国北方地区供热面积飞速增长[1]。目前,我国北方城镇地区仍以燃煤取暖为主[2]。煤等非清洁能源的大量存在,导致供热系统运行能耗高,同时造成了严重的环境污染[3]。从多方面考虑,应推进清洁能源供热。文中以邢台市某集中供热区域热源改造方案为例,分别对燃气锅炉首站供暖方案、CO2空气源热泵首站供暖方案、地源热泵首站供暖方案进行分析,结果表明,建议采用地源热泵首站供暖方案。

1 基本概况

1.1 供热概况

该工程位于邢台市,地处华北平原中部,属于温带季风气候,四季分明,年内温差大[4]。目前供暖面积约600万m2,预计新增供暖面积约600万m2。

1.2 热源现状

目前主要热源为余热回收和9台蒸汽吸收式热泵,总供热量为200MW,另有2台20t/h的燃气蒸汽锅炉作为调峰热源。

1.3 能耗现状

2021-2022年供暖季用热量为1200639GJ,用电量为828万kW·h,用水量为25772t,实际供暖收费面积为413万m2。表1给出了各项能耗情况,单位面积能耗费用6.338元/m2,单位供热量成本21.106元/GJ。

表1 2021年度能耗情况

1.4 面临的问题

目前供暖面积约600万m2,预计新增供暖面积约600万m2,现有热源无法满足新增热负荷,急需进行热源改造。

2 热源改造分析

针对目前供热中面临热源供热余量不足的问题,结合现行国家政策,综合考虑供热范围的地理位置、气象条件以及供热现状,对比分析以下3种热源改造方案:燃气锅炉首站供暖方案、CO2空气源热泵首站供暖方案、地源热泵首站供暖方案。

燃气锅炉占地小,故障率低;但在燃气资源紧张时可能会出现限制用气的情况,不利于锅炉的正常运行,且燃气锅炉的天然气开口费较贵[5]。

热泵的基本工作原理为逆卡诺循环,消耗一部分电能,通过制冷剂的循环,将低温介质中的热量传递给采暖热水;输出的能量为压缩机做的功和热泵从环境中吸收的热量,并将其释放出来给水加热,可使热泵热效率达400%,节约大量的电能,减少采暖能耗[6]。目前应用较为广泛的热泵主要包括地源热泵和空气源热泵。

地源热泵利用地下土壤温度相对稳定的特性,通过输入少量的高品位能源,利用埋藏于建筑物周围的管路系统进行热交换,实现热量从低品位热源向高品位热源转移;但长期从地下取热后,地埋盘管附近的土壤温度降低,制热能效比下降[7]。

空气源热泵有较好的节能效果,热泵装置消耗的电能仅为制热量的一部分,其余热量均由外界空气提供,节约大量高品位能源;但在寒冷地区大规模应用中存在效率低下、制热量锐减、出水温度较低以及压缩机噪音较大的缺陷,深寒期时可由辅助热源联合运行,解决制热量锐减的问题[8]。

3 热负荷计算

采暖系统设计热负荷按采暖面积和采暖设计热指标计算,得出的采暖系统设计热负荷是热源的选型依据[9]。采暖管网输配过程中的损失已被计入设计热负荷中,设计热负荷可在设计最冷日满足供暖需求。

Qs=qm×A

(1)

式中,Qs为采暖系统设计热负荷,W;qm为采暖系统设计热指标,W/m2;A为采暖面积,m2。

前期调研结果显示,新增供暖区域热指标为39.5W/m2,则供暖新增区域采暖系统设计热负荷共约237MW。

采暖系统平均热负荷由采暖系统设计热负荷修正得出,可代表建筑在供暖期内供热负荷的平均值。

(2)

式中,Qp为采暖系统平均热负荷,W;Qs为采暖系统设计热负荷,W;tn为室内设计温度,℃,取18℃;tp为采暖期室外平均温度,℃,为0.5℃;tj为采暖期室外计算温度,℃,为-5.5℃。

供暖新增区域的采暖系统平均热负荷共约176MW。

企业供暖从室外日平均温度连续3天低于5℃开始,连续3天高于5℃停止,采暖期一般为11月15日至翌年3月15日,共121d。

Q=Qp×N×24/1000

(3)

式中,N为采暖期天数,天。

目前供暖面积约600万m2,预计新增供暖面积约600万m2,供暖新增区域年度供热量共约1840TJ。该方案按新增供暖面积依次递增100万m2进行设计计算,新增供暖区域热负荷估算结果如表2所示。

表2 新增供暖区域热负荷估算Tab.2 Estimation of heat load in newly added heating areas

4 热源改造方案

4.1 方案1:燃气锅炉首站供暖方案

方案1原理如图1所示。

图1 方案1原理Fig.1 Principle of scheme 1

在首站中新增燃气锅炉,将其作为调峰热源,仅在深寒期开启,为一次管网补热,提高一次供水温度,考虑到供水温度、压力不同,新增热源应配合换热器使用,将换热器二次侧并联接入原一次管网。首站设有两台20t/h燃气蒸汽锅炉作为调峰热源,可节省部分初投资费用,但供热成本过高。

方案1选型结果如表3所示。

表3 方案1选型结果

4.2 方案2:CO2空气源热泵首站供暖方案

方案2原理如图2所示。

图2 方案2原理Fig.2 Principle of scheme 2

在首站中新增CO2空气源热泵,将其作为调峰热源,仅在深寒期启用,为一次管网补热,提高一次供水温度,可有效保证采暖效果,并降低采暖成本。考虑到供水温度、压力不同,新增热源应配合换热器使用,将换热器二次侧串联接入原一次管网。

方案2选型结果如表4所示。

表4 方案2选型结果

4.3 方案3:地源热泵首站供暖方案

方案3原理如图3所示。

图3 方案3原理Fig.3 Principle of scheme 3

在首站中新增地源热泵,将其作为调峰热源,仅在深寒期启用,为一次管网补热,提高一次供水温度,可有效保证采暖效果,并降低采暖成本,另外可由余热回收装置为地底补热,提高运行年限。考虑到供水温度、压力不同,新增热源应配合换热器使用,将换热器二次侧串联接入原一次管网。

方案3选型结果如表5所示。

表5 方案3选型结果

5 投资估算与经济分析

5.1 初投资费用

经初步设计和市场调研,燃气蒸汽锅炉供暖方案中初投资费用应去除原有的2台20t/h燃气蒸汽锅炉,按14.42元/m2计算;CO2空气源热泵供暖方案初投资费用按50元/m2计算;地源热泵供暖方案初投资费用按55元/m2计算。

图4给出了新增供暖面积由100万m2增至600万m2条件下各方案的初投资费用,分析可知,初投资与新增供暖面积线性相关,各方案的单位供暖面积初投资波动较小,方案1的初投资费用最低,方案2次之,方案3的初投资费用最高。

图4 初投资费用Fig.4 First cost

5.2 固定运行费用

原热源年度运行费用、自来水年度费用、非产热用设备年度运行电费及人工年度费用之和,称为固定运行费用。原热源的供热量按235MW计算,原热源供热单价按16.72元/GJ计算;原热源作为初寒期、末寒期时的主要热源使用,新增热源作为调峰热源,仅在深寒期启用。补水量按循环水量的0.1%考虑,单位供暖面积年度补水量为0.006577t/m2,自来水单价8.8元/t。非产热用设备单位供暖面积年度用电量为1.8876kW/m2,平均电价0.7元/kW·h。年度人工费约520万元,新增人员按每新增供暖面积100万m2配备13人考虑,人员工资6000元/(人·月),福利费率14%。

图5给出了不同新增供暖面积条件下的固定运行费用。分析可知,固定运行费用与新增热源相关性较小,自来水年度费用、非产热用设备年度运行电费及人工年度费用与新增供暖面积线性相关,而原热源年度运行费用的增长速率随新增供暖面积的增加而减少。

图5 固定运行费用Fig.5 Fixed operating costs

5.3 年度运行费用

年度运行费用由固定运行费用和新增热源运行费用组成。

图6给出了不同新增供暖面积条件下各方案的年度运行费用。分析可知,新增供暖面积小于200万m2时,原热源可满足全部热负荷,年度运行费用随新增供暖面积线性增加,各方案的年度运行费用保持一致;而新增供暖面积大于200万m2时,新增热源供热量占比随新增供暖面积增加而增加,年度运行费用增长速率逐渐变大,方案3的年度运行费用最低,方案2次之,方案1的年度运行费用最高。

图6 年度运行费用Fig.6 Annual operating expenses

5.4 运营期年均收入

运营期年均收入包括集中供热管网建设费与运营时间的比值及供暖收费。根据目前供热情况,入住率按70%计算,供暖收费按单位建筑面积采暖费用18元/m2计算,集中供热管网建设费按单位建筑面积采暖费用70元/m2计算,运营时间为20年。

图7给出了不同新增供暖面积条件下的运营期年均收入,分析可知,年度供暖收费、集中供热管网建设费及运营期年均收入均与新增供暖面积线性相关,与新增热源相关性较小。

图7 运营期年均收入Fig.7 Average annual income during operation period

5.5 运营期年均成本

运营期年均成本由年度运行费用、原有投资项目年折旧费用、新增投资项目年折旧费用、年维修费用、贷款利息组成。原有投资项目年折旧费用按3500万元考虑。固定资产折旧采用平均年限法,折旧年限为20年,净残值率3%,年折旧率4.85%。维修费率按1.5%考虑,仅考虑新增热源的维修费。建设投资中贷款占70%,贷款利率为4.9%,其余为企业自有资金。

图8给出了不同新增供暖面积条件下各方案的运营期年均成本。分析可知,运营期年均成本均随新增供暖面积的增加而增加,新增供暖面积在200万m2以下时,各方案的增长速率不变,且仅与其初投资费用相关;新增供暖面积大于200万m2时,各方案的运营期年均成本增长速率不断变大,原因在于新增热源供热量在总供热量中的占比不断增长,导致供暖运行费用的增长速率不断增加,其增长速率取决于新增热源的供热成本;新增供暖面积600万m2条件下,方案3的运营期年均成本最低,方案2次之,方案1的运营期年均成本最高。

图8 运营期年均成本Fig.8 Average annual cost during operation period

5.6 平均年利润

平均年利润为运营期年均收入与运营期年均成本的差值。

图9给出了不同新增供暖面积条件下的平均年利润,新增供暖面积在200万m2以下时,新增热源基本不启用,初投资费用最低的方案平均年利润最高;新增供暖面积大于200万m2时,新增热源供热量占比逐渐增大,运行费用增长速率也随之变大,各方案的平均年利润均呈现先增长后降低的趋势;新增供暖面积为600万m2时,方案1的平均年利润为负值,方案1的平均年利润最低,方案2次之,方案3的平均年利润最高。

图9 平均年利润Fig.9 Average annual profit

5.7 经济分析

分析可知,各方案年均收入的增长速率不变,年均成本增长速率逐渐变大,造成年均利润先增长后减少。新增供暖面积在400万m2以下时,原有热源可满足绝大部分热负荷,初投资费用越低的方案平均年利润越高,燃气锅炉首站供暖方案经济性较好;新增供暖面积在400万m2到600万m2之间时,新增热源供热量占比增加,热泵供暖方案经济性较好,其中地源热泵供暖方案的经济性比CO2空气源热泵供暖方案的经济性略好。

6 结论

为解决企业面临的供热余量不足问题,对3种热源改造方案的技术性和经济性进行初步分析,响应国家节能减排政策,推动企业多能互补、低成本清洁供暖的实现。

新增供暖面积为600万m2时,燃气锅炉首站供暖方案初投资最低,运营期年均成本最高,能耗最高,平均年利润为负值;CO2空气源热泵首站供暖方案初投资费用较高,运营期年均成本较低,能耗较低,平均年利润较高;地源热泵首站供暖方案初投资费用最高,运营期年均成本最低,能耗最低,平均年利润最高。

综上所述,建议采用地源热泵首站供暖方案,该方案稳定性好,能耗最低,利润最高。