電鍋爐與相變蓄熱換熱器聯(lián)合供暖的經(jīng)濟性

陳洪哲， 朱 能， 楊 昆， 楊 珊， 馬勝明

(1.金策工業(yè)綜合大學 熱能工程系， 朝鮮 平壤； 2.天津大學 環(huán)境科學與工程學院， 天津 300350)

1 概述

供暖期燃煤散燒是造成京津冀地區(qū)環(huán)境污染的重要原因之一[1-3]，尋找清潔高效的供暖方式成為有效解決環(huán)境問題的必要舉措，煤改氣、煤改電就是國家針對大氣污染防治做出的重大決策[4-6]。電鍋爐與相變蓄熱換熱器[7]相結合的聯(lián)合供暖系統(tǒng)可在低谷電價時段實現(xiàn)供熱與蓄熱的聯(lián)合運行，在電價高峰時段將儲存的熱量釋放進行供熱，充分利用了低谷電，對于風電資源豐富地區(qū)，還可降低棄風的情況。

目前，電供暖裝置與相變蓄熱裝置聯(lián)合供暖的研究主要集中在可行性分析[8]、與相變蓄熱材料結合的電供暖裝置研究[9]、相變蓄熱裝置性能[10-13]等，對電鍋爐與相變蓄熱換熱器聯(lián)合供暖的研究較少。

本文對電鍋爐與相變蓄熱換熱器聯(lián)合供暖系統(tǒng)(以下簡稱聯(lián)合供暖系統(tǒng))的工藝流程與經(jīng)濟性進行分析，在設備選型與經(jīng)濟性分析時不考慮用戶側設備。

2 工藝流程

聯(lián)合供暖系統(tǒng)流程見圖1。主要設備包括電鍋爐、一二級換熱器(板式換熱器)、相變蓄熱換熱器、用戶、閥門等。在盡量利用低谷電力的前提下，聯(lián)合供暖系統(tǒng)運行方式可分為4種。

① 邊供熱邊蓄熱模式，閥門1、3、5、6打開，其他閥門關閉。電鍋爐將低谷電能轉換為熱能，在供熱的同時，相變蓄熱換熱器進行蓄熱。

② 相變蓄熱換熱器單獨供熱，閥門2、3、6打開，其他閥門關閉。在電力高峰時段，利用相變蓄熱換熱器儲存的熱能供熱，電鍋爐不工作。

③ 電鍋爐、相變蓄熱換熱器聯(lián)合供熱，閥門1、3、5、6打開，其他閥門關閉。在極端寒冷時段，由電鍋爐和相變蓄熱換熱器聯(lián)合供熱。

④ 電鍋爐單獨供熱，閥門1、5打開，其他閥門關閉。在相變蓄熱換熱器的蓄熱量用盡及相變蓄熱換熱器維護保養(yǎng)的情況下，由電鍋爐單獨供熱。

圖1 聯(lián)合供暖系統(tǒng)流程

3 工程實例

① 負荷分析

本文以位于張家口地區(qū)供暖面積為5×104m2的居住小區(qū)為研究對象。供暖時間151 d，為當年11月1日至次年3月31日。電鍋爐、相變蓄熱換熱器、一二級循環(huán)泵均設置在小區(qū)熱力站內(nèi)。不同室外溫度范圍延續(xù)時間及供熱量見表1。聯(lián)合供暖系統(tǒng)運行方式見表2。在低谷電價時段，采用邊蓄熱邊供熱的運行方式。在高峰電價時段，由相變蓄熱換熱器單獨向用戶供熱，電鍋爐停止運行。因此，聯(lián)合供暖系統(tǒng)消耗的電量均按低谷電價計算。分時電價見表3。

表1 不同室外溫度范圍延續(xù)時間及供熱量

表2 聯(lián)合供暖系統(tǒng)運行方式

表3 分時電價

② 設備選型

根據(jù)表1中的最大供熱量42.28 W/m2，進行電鍋爐、相變蓄熱換熱器、一級水泵、二級水泵的選型計算，不考慮熱力站內(nèi)管道散熱損失。對于該居住小區(qū)，1 d所需供應的熱量(向上圓整值)為51 MW·h。當聯(lián)合供暖系統(tǒng)運行方式采取表2的運行方式時，22:00—次日8:00電鍋爐供應的熱量(向上圓整值)應達到22 MW·h，相變蓄熱換熱器蓄熱量(向上圓整值)應達到30 MW·h。為滿足上述要求，選取1臺額定熱功率為6 MW的電鍋爐，選取4臺額定蓄熱量(單臺)為8 000 kW·h的相變蓄熱換熱器。

一二級換熱器的換熱效率均按1.0考慮，水的比定壓熱容按4 186.8 J/(kg·K)計算，水的密度按977.8 kg/m3計算。一級換熱器一級側進、出水溫度取90.0、78.5 ℃，二級側進、出水溫度取45.0、78.5 ℃。由此可計算得到，一級換熱器一二級側的設計流量，進而確定一級循環(huán)泵的選型流量為450 m3/h，二級循環(huán)泵的選型流量為160 m3/h。

4 經(jīng)濟性分析

4.1 設備造價及安裝費

根據(jù)設備選型結果，確定電鍋爐、相變蓄熱換熱器、一二級循環(huán)泵的設備造價，見表4。安裝費為100×104元。

表4 設備造價

4.2 年收益及年支出

① 年收益

聯(lián)合供暖系統(tǒng)的熱價按張家口居民集中供暖價格29.55 元/(m2·a)計算，可計算得到年收益為147.75×104元/a。

② 年支出

電鍋爐供暖期耗電量E的計算式為：

(1)

式中E——電鍋爐供暖期耗電量，kW·h

ti——供暖期第i個室外溫度范圍的延續(xù)時間(見表1)，d

qi——供暖期第i個室外溫度范圍的供熱量(見表1)，W/m2

A——居住小區(qū)供熱面積，m2

η——電鍋爐的熱效率，取0.998

由表1數(shù)據(jù)、低谷電價(按表3選取)及式(1)，可計算得到電鍋爐供暖期電費為89.06×104元/a。一二級循環(huán)泵供暖期單位供暖面積電費按文獻[14]提供的2.03 元/m2計算，可計算得到一二級循環(huán)泵供暖期電費為10.15×104元/a。

聯(lián)合供暖系統(tǒng)年耗水量按單位供暖面積耗水量0.2 t/m2計算，水價按3.64 元/t計算，可計算得到年水費為3.64×104元/a。用工量按每1×104m2供暖面積配置0.45 人，工資按3×104元/人計算，可計算得到年人工費為6.75×104元/a。維修費按設備造價的1.5%計算，可計算得到年維修費為3.03×104元/a。

由以上數(shù)據(jù)，可計算得到聯(lián)合供暖系統(tǒng)年支出為112.63×104元/a。

4.3 經(jīng)濟性評價

本文采用凈現(xiàn)值、動態(tài)投資回收期對聯(lián)合供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行評價[15]。

凈現(xiàn)值FNPV的計算式為：

(2)

式中FNPV——凈現(xiàn)值，元/a

n——聯(lián)合供暖系統(tǒng)使用壽命，a，取30 a

fin——年收益，元/a

fout——年支出，元/a

i——基準折現(xiàn)率，取0.08

動態(tài)投資回收期nP的表達式為：

(3)

式中np——動態(tài)投資回收期，a

將已知數(shù)據(jù)代入式(2)、(3)，利用EES軟件(Engineering Equation Solver)進行求解，可計算得到，凈現(xiàn)值為117.93×104元/a，動態(tài)投資回收期(向上圓整值)為13 a。

4.4 敏感性分析

本文主要分析低谷電價對經(jīng)濟性的影響。低谷電價上漲時，供暖成本增加，若熱價仍保持29.55 元/(m2·a)，基準折現(xiàn)率保持不變，則每年的凈現(xiàn)金流不斷減少。經(jīng)過計算，當其他條件不變，在使用壽命為30 a時凈現(xiàn)值恰好為0所對應的低谷電價為0.168 元/(kW·h)，即低谷電價0.168 元/(kW·h)作為方案經(jīng)濟可行性的臨界電價。當?shù)凸入妰r高于0.168 元/(kW·h)時，應適當提高熱價。

5 結論

介紹電鍋爐與相變蓄熱換熱器聯(lián)合供暖系統(tǒng)(以下簡稱聯(lián)合供暖系統(tǒng))的工藝流程。以位于張家口地區(qū)供暖面積為5×104m2的居住小區(qū)為研究對象，在負荷分析基礎上，對聯(lián)合供暖系統(tǒng)(僅利用低谷電力)進行設備選型。選取凈現(xiàn)值、動態(tài)投資回收期作為評價指標，對聯(lián)合供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行評價。當聯(lián)合供暖系統(tǒng)的熱價按張家口居民集中供暖價格29.55 元/(m2·a)計算，低谷電價為0.15 元/(kW·h)時，聯(lián)合供暖系統(tǒng)的凈現(xiàn)值為117.93×104元/a，動態(tài)投資回收期為13 a，項目經(jīng)濟性比較理想。當其他條件不變，在使用壽命為30 a時凈現(xiàn)值恰好為0所對應的低谷電價為0.168 元/(kW·h)，即低谷電價0.168 元/(kW·h)作為方案經(jīng)濟可行性的臨界電價。當?shù)凸入妰r高于0.168 元/(kW·h)時，應適當提高熱價。