試論供熱系統(tǒng)能耗的評(píng)價(jià)模型及應(yīng)用

張銅強(qiáng)

摘 要：目前，面臨各行業(yè)高投低產(chǎn)現(xiàn)狀，我國(guó)開(kāi)展提高能效、節(jié)約資源刻不容緩。供熱系統(tǒng)是建筑能耗最大的部分，也是節(jié)能潛力最大的部分。集中供熱是我國(guó)當(dāng)前供熱的主要形式，比例高達(dá)70%。但在供熱系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，受到維護(hù)結(jié)構(gòu)、熱源效率等因素的影響，供熱系統(tǒng)能耗較高，且對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了不良影響，構(gòu)建供熱系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)模型，能夠發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中能耗較高的環(huán)節(jié)，并采取切實(shí)可行的措施加以處理和優(yōu)化，提高資源利用率。文章梳理并總結(jié)供熱系統(tǒng)能耗研究現(xiàn)狀，對(duì)現(xiàn)有評(píng)價(jià)模式當(dāng)中存在的不足之處予以改進(jìn)，并對(duì)不同供熱系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)模型具體應(yīng)用進(jìn)行深入探究，最后進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)供熱系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：供熱系統(tǒng)；能耗；評(píng)價(jià)模型；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.233

0 前言

供熱系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用中類型較多，但科學(xué)評(píng)價(jià)方法尚未統(tǒng)一，特別是熱電聯(lián)產(chǎn)科學(xué)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確難以確定。基于熱力學(xué)一、二定律來(lái)看，改進(jìn)獲得的科學(xué)評(píng)價(jià)方法，能夠?qū)﹄姀S能耗水平予以分析和評(píng)價(jià)，并結(jié)合實(shí)際情況判斷供熱系統(tǒng)能耗，根據(jù)此制定節(jié)能減排方案，從而為實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 供熱系統(tǒng)能耗研究現(xiàn)狀

新時(shí)期下，節(jié)能環(huán)保理念早已深入人心，不同國(guó)家紛紛構(gòu)建了不同的法定準(zhǔn)則，重新審視聯(lián)產(chǎn)電廠。目前運(yùn)用單一指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)能耗予以衡量時(shí)，常常運(yùn)用熱力學(xué)第一定律的熱電廠總熱效率概念為主，但該定律忽視了熱、電能量的差別。一些國(guó)家在不引入?概念的情況下，對(duì)第一定律予以調(diào)整，使得能耗評(píng)價(jià)工作更加簡(jiǎn)便。此外，各國(guó)學(xué)者從熱力學(xué)、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)等多個(gè)角度進(jìn)行分析，如Jose等人在熱經(jīng)濟(jì)學(xué)層面對(duì)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行建模，從中尋求最優(yōu)運(yùn)行方案。J.Ballester等人從用戶需求層面，評(píng)價(jià)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。但研究成果中，過(guò)于集中在某一方面，不夠全面和系統(tǒng)。總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果來(lái)看，針對(duì)供熱系統(tǒng)能耗的評(píng)價(jià)，構(gòu)建了TPES、PER、PESR等指標(biāo)。全球氣候變暖趨勢(shì)愈發(fā)明顯，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注能量系統(tǒng)減排效果，評(píng)估系統(tǒng)是否先進(jìn)。

綜合現(xiàn)有研究成果，本文將以熱電聯(lián)產(chǎn)電廠評(píng)價(jià)指標(biāo)入手，并在熱力學(xué)一、二定律，確定科學(xué)評(píng)價(jià)方法，然后將研究對(duì)象拓展到整個(gè)供熱系統(tǒng)上，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行方法研究，通過(guò)實(shí)踐分析和檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)模型具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

2 熱電聯(lián)產(chǎn)總效率改進(jìn)

熱電廠總效率、熱電比等是聯(lián)產(chǎn)電廠評(píng)價(jià)指標(biāo)，并納入到有關(guān)規(guī)定當(dāng)中，在區(qū)別真假電廠等方面發(fā)揮著積極作用，但是針對(duì)熱電廠能耗予以評(píng)價(jià)，還有待進(jìn)一步完善。熱電廠總熱效率是熱電廠輸出的熱、電兩種產(chǎn)品總能量與消耗之間的比值，具體如下：

該公式是建立在第一定律基礎(chǔ)之上，在計(jì)算中僅是將熱與電兩種能量按照大小進(jìn)行直接相加，無(wú)法體現(xiàn)出二者之間的不同。而熱力學(xué)第二定律對(duì)過(guò)程可逆性等予以明確的界定，在其指導(dǎo)下，?效率更加科學(xué)，具體表達(dá)式為：

綜上來(lái)看，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)科學(xué)評(píng)價(jià)要以第二定律為核心，且要針對(duì)供電、供熱能耗進(jìn)行針對(duì)性分析和評(píng)價(jià)，以此來(lái)確保評(píng)價(jià)先進(jìn)性和科學(xué)性。

3 不同供熱系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)模型

3.1 一般化分析

通常情況下，供熱系統(tǒng)是由熱源、熱網(wǎng)及熱用戶構(gòu)成，具體拓?fù)湎到y(tǒng)如圖1。

針對(duì)圖1來(lái)看，電能在實(shí)際運(yùn)行中，為了避免流體流動(dòng)不可逆產(chǎn)生的損失，而理想狀態(tài)當(dāng)中不存在串聯(lián)關(guān)系。四種供熱系統(tǒng)中，鍋爐供熱是最簡(jiǎn)單的類型。針對(duì)電熱，如果能夠基于一次能源予以考慮，那么燃料進(jìn)入到鍋爐后，能夠轉(zhuǎn)換為熱能，并通過(guò)電網(wǎng)輸送到電熱器，借助電能產(chǎn)生供熱需要的熱能。

對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)，電能、熱能同時(shí)存在于汽輪機(jī)單元當(dāng)中，因此汽輪機(jī)兼具電能與熱能發(fā)生子系統(tǒng)雙重功能。基于此，各類供熱系統(tǒng)可以通過(guò)6個(gè)系統(tǒng)予以描述，具體如圖2。

生產(chǎn)單位在生產(chǎn)過(guò)程中，其產(chǎn)品消耗的一次能源，即產(chǎn)品燃料單耗，針對(duì)熱產(chǎn)品而言，其單耗可以規(guī)定為㎏/GJ。當(dāng)處于理想狀態(tài)時(shí)，其單耗可以分為完全串聯(lián)與非串聯(lián)兩部分，其中內(nèi)部能耗主要以第二定律進(jìn)行計(jì)算，如果系統(tǒng)運(yùn)行中并未產(chǎn)生外部能量，那么可以確定其為串聯(lián)狀態(tài)，具體燃料單耗如下：

b=be+ba

3.2 內(nèi)部單耗計(jì)算

供熱系統(tǒng)生產(chǎn)并輸出的產(chǎn)品為熱能，其燃料為一次能源，根據(jù)第二定律可知：Fef=Pep+

其中F、P分別代表的是燃料量、產(chǎn)品量。針對(duì)一般供熱系統(tǒng)，忽視其外部能量完全串聯(lián)系統(tǒng)，針對(duì)系統(tǒng)中，從能量流由上至下的依次排序，針對(duì)所有的環(huán)節(jié)都要進(jìn)行如下設(shè)置：

3.3 外部單耗計(jì)算

根據(jù)圖2可知，能量流中2、4等均為外部單耗的一部分，各個(gè)子系統(tǒng)外部單耗存在并聯(lián)關(guān)系，通過(guò)計(jì)算，能夠得出總體外部單耗，計(jì)算公式如下：

計(jì)算過(guò)程中，針對(duì)鍋爐外的供熱系統(tǒng)，其他供熱系統(tǒng)，要充分考慮兩個(gè)子系統(tǒng)合并到一起，對(duì)應(yīng)的合并考慮成電廠的用電，并視為內(nèi)部單耗。如此一來(lái)，能夠省略對(duì)子系統(tǒng)的外部單耗計(jì)算，電能輸配子系統(tǒng)并無(wú)單耗[1]。熱能輸配子系統(tǒng)外部單耗，要結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)熱網(wǎng)布置及熱負(fù)荷分布情況計(jì)算出水力，或者根據(jù)設(shè)計(jì)等實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。熱用戶子系統(tǒng)的外部能耗，是指用戶散熱器冷側(cè)使用外部動(dòng)力，強(qiáng)制性對(duì)流換熱而產(chǎn)生的動(dòng)力消耗。

4 評(píng)價(jià)應(yīng)用與案例分析

4.1 電熱評(píng)價(jià)

一般情況下，熱用戶即居民供熱，其燃料可以按照發(fā)熱量進(jìn)行計(jì)算，確定為標(biāo)準(zhǔn)煤，系統(tǒng)理論最低單耗為2.24㎏/GJ。電熱是供熱系統(tǒng)的一部分，是可逆性最低的環(huán)節(jié)，針對(duì)系統(tǒng)，子系統(tǒng)1、2分別代表的是鍋爐和汽輪機(jī)，二者能夠進(jìn)行整體性計(jì)算，其?效率可以由平均供電煤耗計(jì)算得出。

子系統(tǒng)3為電網(wǎng)，早在2011年，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)平均線損為0.0632，因此輸配電效率為0.9368。子系統(tǒng)4是電熱器，由于不存在熱輸配問(wèn)題，故5不存在，而子系統(tǒng)6，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生電能向熱用戶室內(nèi)空間傳遞的設(shè)備，如散熱板等。電熱供熱系統(tǒng)外部單耗不需要重新計(jì)算，影響電熱系統(tǒng)單耗的關(guān)鍵在于電網(wǎng)平均供電煤耗，當(dāng)煤耗處于270～400g/KWh范圍內(nèi)，電熱系統(tǒng)單耗將會(huì)介于80～120㎏/GJ之間，具體如圖3所示。endprint

4.2 鍋爐供熱

鍋爐供熱作為相對(duì)傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)，是由圖2當(dāng)中的1、5、6構(gòu)成，具體可以劃分為三個(gè)類型，即戶型、小區(qū)型與區(qū)域型。其中第一種多以家用燃煤小鍋爐、壁掛爐式供熱為主。第二種以10、20t/h蒸汽鍋爐為熱源。第三種為410t/h大型蒸汽鍋爐為主，不同鍋爐熱效率取值為表1。

針對(duì)戶型采暖，家用鍋爐供回水溫度，即用戶供回水溫度，處于自然循環(huán)狀態(tài)，壓力損失可以忽略不計(jì)，并不會(huì)產(chǎn)生額外電能消耗。而對(duì)于小區(qū)、區(qū)域鍋爐，由于各個(gè)鍋爐參數(shù)有所差別，對(duì)應(yīng)的蒸汽參數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生變化。但鍋爐工質(zhì)、熱網(wǎng)水之間會(huì)設(shè)置換熱器，而換熱器熱網(wǎng)水的溫度基本處于固定狀態(tài)，此時(shí)熱網(wǎng)供回水溫度為95℃/70℃，并為子系統(tǒng)1的一部分，具體?效率具體如下：

上述公式能夠計(jì)算出子系統(tǒng)熱效率，經(jīng)過(guò)計(jì)算，三種型式鍋爐的?效率及單耗如表2。影響鍋爐供熱系統(tǒng)單耗的根本原因在于鍋爐效率，如果鍋爐效率能夠達(dá)到70%～95%之間，鍋爐供熱系統(tǒng)單耗將會(huì)集中在40～60㎏/GJ之間，具體變化趨勢(shì)如圖4。

5 分析與討論

目前，基于電廠節(jié)水要求的影響，空冷機(jī)組將會(huì)獲得較好的發(fā)展前景，且大容量空冷汽輪機(jī)的末級(jí)葉片相對(duì)較短，僅適用于低真空運(yùn)行狀態(tài)。隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，變頻控制技術(shù)的應(yīng)用，使得水力工況調(diào)節(jié)難度有所下降，操作更加便利，且熱網(wǎng)能耗降至原來(lái)的1/3，在很大程度上緩解了直連熱網(wǎng)電耗的增加，故在供熱系統(tǒng)改進(jìn)過(guò)程中，我們可以積極引入低真空供熱系統(tǒng)。

6 結(jié)論

根據(jù)上文所述，隨著城市化進(jìn)程不斷深化，供熱系統(tǒng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但供熱系統(tǒng)在運(yùn)行中，會(huì)消耗大量資源，且會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重的危害。文章對(duì)聯(lián)產(chǎn)電廠進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，在熱力學(xué)第二定律理論及學(xué)者研究成果的指導(dǎo)下引入大量電耗率對(duì)總熱效率予以調(diào)整和改進(jìn)，以此來(lái)獲得先進(jìn)的能耗評(píng)價(jià)方法。針對(duì)不同類型的供熱系統(tǒng)，要結(jié)合單耗分析方法，從總能層面上，提出適用于不同類型供熱系統(tǒng)統(tǒng)一能耗評(píng)價(jià)模型，為供熱系統(tǒng)提供科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)模型，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)能耗情況，并進(jìn)行對(duì)比和分析，選擇出最佳供熱模式，從而推動(dòng)供熱產(chǎn)業(yè)能夠朝著綠色、環(huán)保等方向發(fā)展。

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