清潔供暖電能替代方案經(jīng)濟(jì)性分析

傅 旭，李富春，楊 欣，楊攀峰，吳 雄

（1.中國電力工程顧問集團(tuán) 西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710075；2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

電鍋爐采暖技術(shù)對環(huán)境污染小，具有廣闊發(fā)展空間［1—2］。電鍋爐分為直熱式電鍋爐和蓄熱式電鍋爐。文獻(xiàn)［3］對比分析了京津冀地區(qū)清潔能源供暖政策實(shí)施前后空氣質(zhì)量變化，并對空氣質(zhì)量進(jìn)行趨勢性檢驗(yàn)。文獻(xiàn)［4］以辦公建筑群太陽能、風(fēng)能、燃?xì)饣パa(bǔ)的可再生能源分布式系統(tǒng)為研究對象，建立了蓄熱技術(shù)與可再生能源分布式能源系統(tǒng)耦合評價(jià)模型。文獻(xiàn)［5］針對當(dāng)前風(fēng)電供熱項(xiàng)目使用純凝電力過多、電鍋爐利用率低的問題，提出了風(fēng)電供熱項(xiàng)目與熱電廠互補(bǔ)供熱的運(yùn)行模式。文獻(xiàn)［6］分析了儲熱技術(shù)在冷熱電三聯(lián)供、熱電聯(lián)產(chǎn)以及電采暖等典型綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)［7］計(jì)算了天津地區(qū)土壤源熱泵、水蓄熱電鍋爐、燃?xì)馊济哄仩t的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［8］提出一種基于全壽命周期等年值成本的蓄熱式電采暖方案經(jīng)濟(jì)性評估方法。文獻(xiàn)［9］結(jié)合典型案例進(jìn)行驗(yàn)證，測算了高溫固體蓄熱電鍋爐、電極鍋爐、水蓄熱、電鍋爐和相變蓄熱的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［10］從“風(fēng)電-電網(wǎng)-電鍋爐-儲能”聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的成本與收益出發(fā)，建立了“源-網(wǎng)-荷-儲”聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)風(fēng)電消納經(jīng)濟(jì)性評估模型。文獻(xiàn)［11］考慮供暖期風(fēng)電棄風(fēng)特性及其與負(fù)荷的相關(guān)性，提出了基于蓄熱式電鍋爐和蓄熱式電鍋爐-熱電聯(lián)產(chǎn)的2種風(fēng)電供熱組合方案。文獻(xiàn)［12］根據(jù)“煤改電”區(qū)域用電特點(diǎn)，系統(tǒng)分析和研究了基于“煤改電”的電網(wǎng)運(yùn)行管控體系。

本文對直熱式電鍋爐、蓄熱式電鍋爐、量子能鍋爐、空氣熱泵的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，對供暖成本進(jìn)行了對比。研究表明，蓄熱式電鍋爐具備儲熱裝置，可以改變采暖用戶用電特性，降低采暖用電成本，但儲熱裝置的配置與峰谷電價(jià)政策密切相關(guān)。通過設(shè)置采暖峰谷電價(jià)政策，可以引導(dǎo)負(fù)荷在新能源大發(fā)時(shí)段多用電，提高電網(wǎng)消納能力，研究成果可以為我國北方地區(qū)清潔供暖提供參考。

1 電采暖技術(shù)特點(diǎn)

（1）直熱式電鍋爐

直熱式電鍋爐也稱電加熱鍋爐、電熱鍋爐，根據(jù)加熱方式的不同，直熱電熱鍋爐可以分為電阻式電熱鍋爐與電極式電熱鍋爐。

電阻式鍋爐采用高阻抗管形電熱元件，接通電源后，管形電熱元件產(chǎn)生高熱使水成為熱水或蒸汽。配電電壓一般為380 V，屬于低電壓等級；單臺鍋爐功率較小，一般小于3 MW，適合小范圍供熱。鍋爐容量與管形電熱元件的數(shù)量呈正相關(guān)，并按投運(yùn)數(shù)量來調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷。因此，電阻式鍋爐的容量受到電熱元件結(jié)構(gòu)布置的限制。

電極式鍋爐中，連接高壓電源的電極直接浸沒在鍋爐的爐水中進(jìn)行加熱。調(diào)節(jié)電極在水中的深度，即可改變輸入的功率。配電電壓為10 kV至66 kV，屬于高電壓等級；單臺鍋爐功率較大，最高可達(dá)70 MW。啟動(dòng)迅速，從冷態(tài)啟動(dòng)到滿負(fù)荷，只需要幾十分鐘，從熱態(tài)到滿負(fù)荷狀態(tài)，通常情況下，只需要1 min。

（2）蓄熱式電鍋爐

蓄熱式電鍋爐采暖是以電鍋爐為熱源，水為熱媒，利用峰谷電價(jià)差，在供電低谷時(shí)，開啟電鍋爐將水箱的水加熱、保溫、儲存；在供電高峰及平時(shí)時(shí)段，關(guān)閉鍋爐，用蓄熱水箱的熱水供熱。整套系統(tǒng)采用電極式電鍋爐與儲熱水箱結(jié)合的方式供暖，在低谷電價(jià)時(shí)段，電鍋爐可直接向2級換熱站的用戶供熱水，同時(shí)向儲熱水箱提供足夠峰電時(shí)段使用的儲熱量；在峰電時(shí)段，電鍋爐停機(jī)，由儲熱水箱向2級換熱站的用戶提供熱水。該采暖系統(tǒng)可以在一個(gè)站點(diǎn)布置，也可按負(fù)荷分片區(qū)布置，既可節(jié)省管網(wǎng)費(fèi)用，又方便分區(qū)域管理。鍋爐本體體積小，設(shè)備布置緊湊，不需要煙囪和燃料堆放地，因此鍋爐房可建在地下，但蓄熱式電鍋爐初期投資較大，整體占地較大。

（3）量子能電鍋爐

量子能電鍋爐采用量子液制熱，量子液在電能激活的作用下進(jìn)行沖擊運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，電能不斷使量子液激活而發(fā)生物質(zhì)變化，倍增釋放能量，在加熱過程中不斷改變分子結(jié)構(gòu)、運(yùn)行速度及運(yùn)行方向使其產(chǎn)生摩擦，實(shí)現(xiàn)低能耗高能量轉(zhuǎn)換。其技術(shù)特點(diǎn)包括：①在環(huán)境溫度相對較低時(shí)，量子熱水機(jī)組加熱可高達(dá)90℃，不受低溫惡劣環(huán)境的影響，且水溫可調(diào)，蒸汽溫度可達(dá)130～230℃。②高碳分子發(fā)熱油為有機(jī)合成，無污染、低揮發(fā)且常溫不易著火，設(shè)備內(nèi)水電分離，安全性高。③占地面積小，安裝、使用及維護(hù)簡單；運(yùn)行性能穩(wěn)定，運(yùn)行時(shí)無噪聲、零排污、不易結(jié)垢，環(huán)保性能高。

（4）空氣熱泵技術(shù)

空氣源熱泵通過逆卡諾循環(huán)原理，用較少的電能，吸收空氣中大量的低溫?zé)崮?，通過壓縮機(jī)的壓縮變?yōu)楦邷責(zé)崮?，是一種節(jié)能高效的熱泵技術(shù)?？諝庠礋岜迷谶\(yùn)行中，蒸發(fā)器從空氣中的環(huán)境熱能中吸取熱量來蒸發(fā)傳熱工質(zhì)，工質(zhì)蒸氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，壓力及溫度上升，高溫蒸氣通過冷凝器冷凝成液體，釋放出熱量加熱末端散熱設(shè)備進(jìn)行供暖或提供生活用熱水，冷凝后的傳熱工質(zhì)通過膨脹閥返回蒸發(fā)器，之后再被蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)。其技術(shù)特點(diǎn)包括：①效率高，相比一般電采暖方式，節(jié)電50%以上，節(jié)能明顯。②投資較高，系統(tǒng)相對復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)噪聲較大。③環(huán)境溫度低于5℃后，機(jī)組能效開始急劇衰減，普通的空氣源熱泵在-5℃以下幾乎都不能使用；超低溫空氣源機(jī)組可以在-25℃的低溫環(huán)境下正常制熱，但此時(shí)的能效衰減至2.0以下。

2 運(yùn)行成本比較

2.1 負(fù)荷特性及峰谷電價(jià)

以某醫(yī)院采暖為例，采暖熱負(fù)荷特性如圖1所示。醫(yī)院采暖熱負(fù)荷峰值區(qū)間為8:00至19:00，熱負(fù)荷系數(shù)取1.0；19：00至次日8:00考慮部分住院及急診采暖需求，熱負(fù)荷系數(shù)取0.4；日供暖等效時(shí)長取16 h；采暖面積取10 000 m2；熱負(fù)荷指標(biāo)取60 W/m2；總熱負(fù)荷約600 kW；一個(gè)采暖季取210 d。

圖1 醫(yī)院采暖熱負(fù)荷特性Fig.1 Heating load characteristics of hospital

鍋爐用電量計(jì)算參考《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ34，電鍋爐采暖系統(tǒng)全年總用電量計(jì)算式為

式中：W為采暖系統(tǒng)全年耗電量，kWh；Qh為采暖熱負(fù)荷，kW；t為單日供熱計(jì)算時(shí)間，取24 h；N為采暖期天數(shù)，d；Ti為室內(nèi)計(jì)算溫度，℃；Ta為采暖期室外平均溫度，℃；To為采暖室外計(jì)算溫度，℃；η為系統(tǒng)熱效率。

本文研究中，對于蓄熱式電鍋爐采用圖2所示的峰谷電價(jià)模式。每天用電時(shí)間分為高峰、低谷、平段3個(gè)時(shí)段。即：高峰時(shí)段為8:00—12:00、18:00—23:00；低谷時(shí)段為0:00—8:00；其余時(shí)間為平段。峰、平、谷時(shí)段電價(jià)分別為0.585 0元/kWh、0.367 2元/kWh、0.149 4元/kWh。

圖2 峰谷電價(jià)模式Fig.2 Peak and valley electricity price model

2.2 電鍋爐供暖成本分析

根據(jù)供熱面積和最大功率，采用不同種類的電鍋爐，投資估算如表1所示，其中蓄熱式電鍋爐的儲熱配置如表2所示，其儲熱放熱特性如圖3所示。

表1 電鍋爐投資估算Table 1 Investment estimation of electric boiler

表2 蓄熱式電鍋爐儲熱配置Table 2 Heat storage configuration of regenerative electric boiler

圖3 蓄熱式電鍋爐運(yùn)行特性Fig.3 Operating characteristics of regenerative electricboilers

由表1可知，直熱式電鍋爐最大功率為632 kW，單位投資為80元/m2，總投資約為80萬元；蓄熱式電鍋爐功率約為1 290 kW，單位投資為240元/m2，初投資約為240萬元；量子能電鍋爐最大功率為632 kW，單位投資為215元/m2，總投資約為215萬元；空氣源熱泵，需配置空氣源熱泵功率300 kW，單位投資為250元/m2，總投資約為250萬元。

由表2可以看出，蓄熱式電鍋爐全天等效供暖時(shí)長為16 h，電鍋爐功率為2倍熱負(fù)荷功率，儲熱裝置容量需滿足全天各時(shí)段供熱，扣除電價(jià)低谷時(shí)段（8 h）供暖需求后，儲熱時(shí)長應(yīng)達(dá)到約13 h（熱負(fù)荷峰值運(yùn)行13 h）。

各類電鍋爐的運(yùn)行成本如表3所示?？梢钥闯?，直熱式電鍋爐每年供暖用電量約為212萬kWh，年運(yùn)行費(fèi)用約為59萬元，折單位運(yùn)行費(fèi)用約為8.49元/（m2·月）；蓄熱式電鍋爐，每年供暖用電量約為217萬kWh，采用低谷時(shí)段電價(jià)0.149 4元/kWh，年運(yùn)行費(fèi)用約為32萬元，折單位運(yùn)行費(fèi)用約為4.63元/（m2·月）；量子能鍋爐年運(yùn)行費(fèi)用約為59萬元，折單位運(yùn)行費(fèi)用約為8.49元/（m2·月）；空氣熱泵技術(shù)，年運(yùn)行費(fèi)用約為28萬元，折單位運(yùn)行費(fèi)用約為4.03元/（m2·月）；可以看出，蓄熱式電鍋爐和空氣源熱泵的供能成本較低。

表3 電鍋爐運(yùn)行成本Table 3 Electric boiler operating costs

3 峰谷電價(jià)模式對蓄熱式電鍋爐的影響

適當(dāng)調(diào)整峰谷電價(jià)時(shí)段分布，可以有效提高新能源消納能力，同時(shí)減小儲熱裝置配置容量。參考目前的大工業(yè)峰谷電價(jià)，初步擬定電供暖峰谷電價(jià)曲線，如圖4所示，蓄熱式電鍋爐在此電價(jià)模式下的運(yùn)行特性如圖5所示。

圖4 峰谷電價(jià)模式2Fig.4 Peak and valley electricity price in model 2

圖5 醫(yī)院供暖電負(fù)荷特性（蓄熱式鍋爐，電價(jià)模式2）Fig.5 Hospital heating electric load characteristics（regenerative boiler,electricity price in mode 2）

蓄熱式電鍋爐按全谷電8 h進(jìn)行儲熱，用電時(shí)段為10:00至18:00，即全天采暖需求總量通過蓄熱式電鍋爐的儲熱裝置遷移至谷電時(shí)段。蓄熱式電鍋爐功率約1 290 kW，儲熱時(shí)長8 h，初投資約為160萬元，蓄熱式鍋爐的儲熱配置和投資估算如表4、表5所示?？梢钥闯?，此電價(jià)模式下的投資與大工業(yè)峰谷電價(jià)模式相比，降低了80萬元，運(yùn)行成本則與大工業(yè)峰谷電價(jià)模式下完全相同。

表4 蓄熱式電鍋爐儲熱分析Table 4 Thermal storage analysis of regenerative electric boiler

表5 蓄熱式電鍋爐投資估算Table 5 Investment estimation of regenerative electric boiler

可以看出，調(diào)整峰谷電價(jià)時(shí)段分布后，由于自身采暖負(fù)荷時(shí)段與谷電電價(jià)時(shí)段基本一致，可以減小蓄熱式電鍋爐儲熱容量的配置，降低初投資。

4 直熱式電鍋爐與燃煤鍋爐運(yùn)行成本比較

分別測算燃煤供暖成本、直熱式（電極式）電鍋爐供暖成本以及與燃煤供暖成本持平時(shí)的供暖電價(jià)水平。計(jì)算結(jié)果表明，燃煤成本為600～1 100元/t，鍋爐效率取50%，若每天供暖等效時(shí)長取16 h，單位供暖成本約為5.9～10.9元/（m2·月）；若每天供暖等效時(shí)長取11 h，初步測算單位供暖成本約為4.1～7.5元/（m2·月），計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 燃煤鍋爐供暖運(yùn)行成本測算Table 6 Calculation of operating cost of coal-fired boiler heating

若采用直熱式電鍋爐供暖，每天供暖等效時(shí)長取16 h，年用電量約為211萬kWh（能效系數(shù)取0.95），供暖電價(jià)為0.10～0.35元/kWh，單位供暖費(fèi)用約為3.0～10.6元/（m2·月）；每天供暖等效時(shí)長取11 h，年用電量約為146萬kWh，單位供暖費(fèi)用約為2.1～7.3元/（m2·月），計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 直熱式電鍋爐供暖運(yùn)行成本測算Table 7 Calculation of operating cost of direct heating electric boiler heating

初步測算，燃煤成本為600～1 100元/t，與燃煤供暖成本持平時(shí)的電鍋爐電價(jià)約為0.196 1～0.359 5元/kWh，計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 與燃煤鍋爐供暖運(yùn)行成本持平時(shí)的電鍋爐電價(jià)水平Table 8 Electricity price level for electric boilers when the operating cost of coal-fired boilers is the same

5 結(jié)束語

本文完成的主要工作及得出的主要結(jié)果如下：

（1）對比了直熱式電鍋爐、蓄熱式電鍋爐、量子能電鍋爐、空氣源熱泵等電采暖技術(shù)的運(yùn)行和投資成本。按照滿足相同的供熱面積來測算，直熱式電鍋爐的投資最低，但是其供熱成本最高。

（2）蓄熱式電鍋爐具備儲熱裝置，可以通過改變采暖用戶用電特性，降低采暖用電成本，同時(shí)儲熱配置與峰谷電價(jià)政策密切相關(guān)。

（3）對燃煤鍋爐和直熱式鍋爐的運(yùn)行成本持平時(shí)的電價(jià)和燃煤價(jià)格進(jìn)行了分析，燃煤成本為600～1 100元/t，與燃煤供暖成本持平時(shí)的電鍋爐電價(jià)約為0.196 1～0.359 5元/kWh。D