基于負荷分解的學校電能替代方案設計

李 勇，張 旭

（國網浙江綜合能源服務有限公司，杭州 310014）

0 引言

近年來，隨著我國工業化、城鎮化的深入推進，能源資源消耗持續增加，大氣污染防治形勢日益嚴峻。為貫徹落實國家大氣污染防治行動計劃相關文件的要求，加快推進高污染燃料禁燃區建設和淘汰改造非禁燃區分散燃煤鍋（窯）爐，減少燃煤污染，各地都出臺了相關政策，對燃煤鍋爐淘汰等提出了相應要求[1-2]。

當前，我國電煤比重與電氣化水平偏低，大量的散燒煤與燃油消費是造成嚴重霧霾的主要因素之一。電能具有清潔、高效、安全、便捷等優勢，目前各類電鍋爐、電窯爐等電器設備基本可以取代傳統燃煤鍋爐、燃煤窯爐[3-4]。

國家電網有限公司2013年已提出“電能替代”戰略，倡導“以電代煤、以電代油、電從遠方來”的能源消費新理念，實施電能替代對于推動能源消費革命、落實國家能源戰略、促進能源清潔化發展意義重大。2016年5月，國家發改委等八部委出臺了《關于推進電能替代的指導意見》，對電能替代工作提出了明確要求和指導[5-6]。

目前，各類學校中燃煤（油）鍋爐使用較為普遍，存在著污染嚴重、能源利用率低等問題，而學校對于安全、環保等要求較高，同時學校電價較低，因此在學校開展電能替代具有諸多先天優勢[7-8]。

1 學校用能現狀

目前，不同地區、不同類型學校用能情況各不相同。按照用能設備劃分，主要有照明燈具、空調、機房、鍋爐等。根據能源種類劃分，主要有電力、煤炭、燃油、天然氣等。電力主要供學校照明、空調、機房等場所應用，煤炭主要為煤鍋爐提供燃料，一般用于廚房食物加工、熱水制取等場合，部分學校鍋爐為燃油鍋爐或燃氣鍋爐。學校電能替代應用主要是對燃煤（油）設備進行替代，主要包括鍋爐、炊具等，在實現能源方式轉變的同時，保證廚房食物加工、熱水制取等應用不受影響[5]。

目前學校燃煤（油）鍋爐供熱存在以下問題：

（1）運行效率低。學校食堂鍋爐容量不大，自動控制水平低，燃燒設備和輔機陳舊老化，污染物超標排放嚴重，效率低下。

（2）高品質能源低品質利用。通常學校鍋爐產汽壓力都在0.5~1.25 MPa，參數較高，而食堂、開水房、浴室中對蒸汽參數要求較低，食堂蒸飯和餐具消毒需要的用熱對蒸汽壓力的要求一般小于0.2 MPa，占學校總用熱量35%以上的浴室用熱，其能級要求更低，一般在50℃以下。因此，傳統小容量燃煤（油）鍋爐供汽、供熱方式是高品質能源低品質利用的典型，是對高品質能量的嚴重浪費。

（3）蒸汽輸送和換熱過程熱損失較大。從鍋爐房到用戶端（用熱設施端）都有一定的距離，需要通過管道進行輸送，近則幾百米，遠則上千米。長距離的蒸汽輸送，在一般保溫措施下的熱損失相當可觀。

（4）配置不合理。大多數學校在裝設燃煤鍋爐時并未進行合理設計，普遍存在“大馬拉小車”等現象，造成運行費用較高。

2 中小學校常用電能替代技術與設備

2.1 電鍋爐

電鍋爐也稱電加熱鍋爐、電熱鍋爐，它是以電力為能源并將其轉化成為熱能，向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機熱載體的鍋爐設備。可根據輸出不同分為電熱水鍋爐和電蒸汽鍋爐。電鍋爐效率較高，環保、無污染、溫度控制準確，可以完全用來替代煤鍋爐、燃油鍋爐。

特別是小型電蒸汽鍋爐，也稱為電蒸汽發生器，如圖1所示。其中容積在30 L以下的不需要強制報檢，使用靈活方便，可以根據需要分散就近布置，減少了管道損失，同時也可以根據需要靈活控制開關臺數，用于取代學校傳統燃油、燃煤鍋爐，主要在蒸飯、蒸菜、消毒等需要蒸汽的場合使用。

圖1 電蒸汽發生器

2.2 電磁灶

電炊具主要有電熱式與電磁式2種加熱方式，電熱式主要采用電阻絲發熱進行加熱，電磁式利用電磁感應原理進行加熱，電磁灶通過加熱線圈中通入交變電流，線圈周圍便產生交變磁場，交變磁場的磁力線大部分通過金屬鍋體，在鍋底中產生大量渦流，從而產生烹飪所需的熱。

電磁灶主要產品有電磁蒸飯車、電磁蒸包爐、電磁煲湯爐以及各類電磁炒灶等，如圖2所示。與傳統的灶具相比，具有安全環保、效率高等特點，可以完全取代傳統灶具。蒸飯車（如圖3所示）類主要用于蒸飯、蒸菜等，甚至可以代替鍋爐，炒灶類主要替代原有燃油灶、燃氣灶。

圖2 電磁炒灶

圖3 電磁蒸飯車

以加熱10 L水為例，自來水平均溫度按照20℃計算，加熱至100℃，不同灶具對比見表1。

表1 不同類型灶具對比

2.3 熱泵

熱泵就是靠電能拖動，迫使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。熱泵可以把不能直接利用的低品位熱能（空氣、土壤、井水、河水、太陽能、工業廢水等）轉換為可以利用的熱能，從而達到節約能源的目的。根據熱源的不同，熱泵分為空氣源熱泵、地源熱泵、水源熱泵等。

地源熱泵和水源熱泵整體上熱源更加穩定，效率更高，運行成本較低，不過其初始投資稍高，對使用場所的土地、水源等有要求。空氣源熱泵整體上使用較為方便，隨著技術進步，其在低溫狀態下也可以工作，目前已有在-25℃下工作的報道，特別適合南方地區熱水制取使用。對于學校應用，主要用來代替傳統鍋爐，制取洗澡熱水。

以制取1 t熱水為例，自來水平均溫度按照20℃計，加熱至55℃，不同熱水設備能耗對比如表2所示。

表2 不同熱水制取設備對比

3 基于負荷分解的學校廚房電能替代方案設計

3.1 常規電能替代方案[9-10]

中小學校廚房蒸汽一般用來給食物加熱，產生蒸汽設備傳統上為燃煤（油）鍋爐，常規電能替代方案為用電鍋爐直接替換原有燃煤（油）鍋爐，基本滿足式（1）條件：式中：Ws為設計的電鍋爐蒸噸；Ws為原有燃煤（油）鍋爐蒸噸。

計算其運行成本：

式中：S為運行費用；F為電功率與蒸汽折算系數，一般取720；TY為電鍋爐運行時間；J為電價。

改造后的鍋爐噸位與改造前相同，采用這種改造方案，一般能夠滿足要求，從調研中可以看到，很多學校采用此種改造方案，但是其浪費較大。以1 000人學校原有1 t/h燃煤鍋爐為例，原來燃料費用一年約10萬元，人工成本約5萬元，合計15萬元，采用1 t/h電鍋爐改造，功率720 kW，年運行200天，每天滿功率運行約3 h，電價按照0.538元/kWh，年運行費用合計23萬元，改造成本僅鍋爐就需要15~20萬元，如果考慮配套變壓器增容，費用更多，投資與運行成本較高，這也是限制電能替代開展的一個關鍵因素[11-12]。

3.2 基于負荷分解的電能替代優化方案

為實現電能替代改造目的，同時最大化減少運費開支，需要從實際用能設備出發，對負荷進行分析，基于負荷分解進行方案設計。

通過對中小學校食堂用能設備進行調研分析，其主要包括煲湯類、蒸飯類、蒸包類，計算不同類型設備對應的蒸汽用量：

式中：Pd為設備對應的電功率；N為中小學校人數；Dd為設備對應食物的單人分量；C為加熱食物的比熱，可按照水的比熱計算；Δt為加熱實物的溫差；G為考慮到損失等的修正系數；K為度電與熱量折算系數，一般取860；T為食物加熱時間；Wd為設備對應的蒸噸數。

該方案基于實際用能設備負荷分析，采用分布式方式配置設備，能量損失較小，運行成本低，但是其投資稍高，所用設備較多，為了平衡投資與運行成本關系，可進行修正，改為集中式配置。根據用能情況，考慮設備同時率，所配置鍋爐應滿足一個用能周期蒸汽需量最大值：

式中：Wd（t）為用能周期中不同用能設備蒸汽需求量。

該方案相對于分布式用能設備配置其初期投資較低，但是仍然需要一定管路，并考慮到設備冗余，其運行成本將會提升，但是一般也小于原有鍋爐。

4 典型學校電能替代設計與應用

以一所1 000人就餐的中學為例，其原來采用燃煤（油）鍋爐對食堂及澡堂進行蒸汽供應，滿足日常煲湯、蒸飯、蒸包等使用；使用燃油灶進行菜肴烹制。根據實際用能場景，結合常用電能替代技術及設備進行方案設計及應用。

4.1 食堂蒸汽供應

食堂蒸汽主要用來蒸飯、煲湯、蒸包，根據實際調研及分析，其用能類型及相關參數如表3所示。

表3 食堂蒸汽使用類型及相關參數

將相關參數帶入公式（3）可以得到配置相應電磁設備所需電功率，如表4所示。

表4 蒸汽類電磁設備所需功率

根據相應產品規格書，并考慮到實際應用便捷性問題，一般配置如表5所示。

表5 食堂蒸汽類電磁設備實際配置

該方案投資較高，但是運行成本較低，適合對初期投資不太敏感單位，對于想減少初期投資，可以根據公式（5）進行分析計算。根據實際調研，學校一般在煲湯與蒸飯，煲湯與蒸包時可能存在同時用情況，前者所需最小電功率為87.8 kW，后者所需電功率為68.8 kW，根據公式（4）計算，所需最小蒸汽噸數為0.122 t/h，根據電鍋爐產品規格，配置0.15 t/h電鍋爐即可滿足要求。

4.2 食堂菜肴烹制

對于使用煤炭、柴火、燃油、燃氣等進行菜肴烹制的食堂，可以使用電磁炒灶進行替代，采用電磁灶后能夠完全滿足使用要求，可以參照蒸汽設備選型進行設計，其相關參數如表6所示。

表6 食堂烹制設計相關參數

根據公式（3）可以得到滿足烹飪要求所需配置電功率為104.2 kW，根據產品手冊，考慮到使用便捷性，一般配置如表7所示。

表7 食堂烹制類電磁設備實際配置

4.3 洗澡熱水制備

對于學校澡堂用熱水，其溫度一般在40℃左右，傳統方式是使用燃煤鍋爐產生蒸汽，蒸汽通過管道輸送到水箱，與冷水混合進而產生熱水，是典型的高品位能量低品位利用，造成了能源浪費。采用電加熱方式雖然較清潔，但電能消耗大，熱效率不高，采用空氣源熱泵，可以以較高的效率產生所需熱水，具有較高的經濟性。

正常情況下供應1 000人洗澡，共需40℃熱水30 t，熱泵系統提供熱水為55℃，根據公式（3）可以得到所需熱量為700 kWh，熱泵系統COP（制熱能效比）一般取3.5，按照每天10 h工作時間計算，配置熱泵的輸入電功率不小于20 kW即可[13]。

4.4 經濟性分析

對于1 000人學校，常規使用1 t/h左右燃煤或燃油鍋爐供食堂蒸汽使用，使用成本包括能源費用及人工成本，由于能源利用率較低，年運行費用較高，可以采用電鍋爐、電炊具等電氣設備進行改造，根據所選設備其投資及運行成本如表8所示。

5 學校電能替代推廣應用建議

隨著安全、環保等要求不斷提高，大部分學校都面臨著燃煤（油）鍋爐改造等電能替代需求，從改造推廣實踐出發，對學校電能替代推廣應用建議提出以下建議[14-15]：

表8 食堂不同用能設備對比

（1）加大政策支持力度。

目前，各級政府已出臺了電能替代的優惠政策，不同地區之間政策優惠度差別較大，有的進行設備補貼，有的進行運行費用補貼，各類財政補貼積極有效推動了學校電能替代推廣應用。應進一步加大政策宣傳、財政支持力度，建立長效機制，促進學校電能替代應用。

（2）供電企業做好電網配套建設。

實施電能替代，一般會較大增加用電負荷，根據實際調研情況，大部分學校實施電能替代時都面臨變壓器容量不夠的問題，同時如果較多單位開展電能替代，也會對線路供電能力等提出相應要求，電網企業應做好配套電網建設。

（3）合理設計技術方案。

目前，許多學校燃煤（油）鍋爐存在著“大馬拉小車”等設計不合理現象，進行電能替代方案設計時，不能僅僅按照標稱蒸噸進行電鍋爐改造，應根據實際用能設備情況、現場管道情況、原有設備運行情況等進行合理方案設計，以達到投資、運行費用最優。

（4）創新商業模式。

學校電能替代主要是進行用能設備更換，需要一定投資費用，對初投資有困難的學校，可以采用合同能源、設備租賃、能源費用托管等商業模式進行電能替代推廣。

6 結論

分析學校用能現狀、學校電能替代主要設備的特點及應用場合，針對常規電能替代設計方案造成的投資及運行成本過高問題，提出分布式與集中式電能替代方案，提升能源利用效率，在滿足原有用能基礎上盡可能減少初期投資與運行成本。利用本文研究成果已在臺州、寧波等地多所學校開展了煤鍋爐與傳統灶具電能替代改造，結果表明效果良好，受到學校歡迎，推動了學校電能替代改造開展。