基于綠色低碳的嚴寒地區住宅多源互補供熱系統經濟性分析*

徐正香，董傳點，薛冰川，江健健，劉杰

1.青島市生態環境局市北分局；2.青島理工大學；3.青島市農業技術推廣中心

城鎮住宅小區是城鎮供熱的主要對象，在熱網尚未覆蓋的獨立小區應積極尋找合適的清潔能源供暖系統。聶海寧等[1]介紹了清潔能源多能互補供熱技術，分析了優勢和效益。王天寧等[2]人從經濟角度對集熱器進行優化，確立目標函數，確定長春地區1000m2的建筑物采用的最佳集熱器面積為173m2。呂中一等[3]針對實際項目，監測運行工況，在實驗研究的基礎上，進行了耦合系統的模擬分析。郭琪，郭健翔等[4]人提出了太陽能與空氣源熱泵的耦合系統，并且建立了耦合供熱系統的瞬態計算模型。郭琪等[5]構建了北方寒冷和嚴寒地區農村獨立民居的多源互補系統，研究了系統在不同條件下的經濟和環境效益。辛禾[6]構建了多目標調度模型及求解算法，提出了多種優化模型，建立了多能互補的清潔能源系統效益評價體系。羨曉東等[7]針對新建小區進行了多能互補的應用分析，優化其運行情況，進行了經濟和環境效益分析。馬晨鈺等[8]對典型的城鎮居民建筑設計了多能互補的供熱系統，分析各個系統，分析其控制策略，進行適用性分析、氣候分區適用性和經濟性分析。劉子雄等[9]對北方各個地區不同情景下的供暖情況進行分析，得到清潔能源供暖的可行性方案和環境效益。根據前人對多源互補的研究，本文采用費用年值優化方法，得出在嚴寒地區不同因素影響下，多源互補的方案選擇和經濟效益分析。

一、嚴寒地區城鎮住宅小區供熱系統構建及運行模式

在嚴寒A、B區供暖季極為寒冷，空氣源熱泵性能衰減嚴重，不宜使用，因此嚴寒A、B區的獨立住宅小區適宜采用以太陽能集熱系統與地源熱泵為主的聯合供暖系統，系統圖如圖1。太陽能、土壤源熱泵作為低運行能耗的清潔能源，在外界條件適宜時應優先運行。供暖期間，白天供熱水箱出口水溫能達到直接供暖需求時，直接使用太陽能集熱系統進行供暖；當水溫達不到供暖需求時，開啟熱泵系統有耦合供暖。在夜間谷電期間，利用熱泵系統在供暖的同時進行蓄熱，在白天優先使用夜間蓄熱量以減少運行費用。在極端寒冷天氣時，利用燃氣鍋爐及電鍋爐調峰以保證系統的穩定運行。在非供暖季，通過太陽能集熱系統通過地埋管進行跨季節性蓄熱，以保證土壤熱平衡。

圖1 嚴寒地區城鎮獨立住宅小區供熱系統

二、費用年值優化方法

對于具體典型建筑，在分析其動態負荷的基礎上結合各熱源設備的具體特點，構建多源互補供熱模型，在保證供熱溫度的前提下，分析不同熱源配比的運行特點。針對不同熱源的供熱特性，分別采用不同的控制模式和不同的多熱源配比對其供熱過程進行動態模擬，得出供熱期間運行能耗并計算出運行費用。考慮資金的時間價值，利用費用年值法，將各可再生能源供熱系統初投資費用折算到單位年。通過比較年費用年值來選取最優控制模式下的最優配比。投資年值根據以下公式計算

其中A為投資年值，P為總投資，i為貸款利率，n為設備壽命。

式中Ac為費用年值；Ai為投資年值；Oc為運行費用；Aei為設備及自控投資折算年值；Acon為安裝建設投資折算年值；Ef為運行電費；Omc為維護管理費用；利用費用年值法，將各可再生能源供熱系統初投資費用折算到單位年。通過比較費用年值來選取最優控制模式下的最優配比。

三、不同造價、電價水平、貸款利率、經濟補貼下的情景分析

（一）太陽能集熱器造價的影響

太陽能系統的選用可以大大降低運行成本，而且綠色安全高效環保。但是僅使用太陽能集熱器供熱，初投資水平較高，從費用年值上考慮缺少優勢，需要考慮以補貼來促進太陽能的應用。所以在研究中設置了不同的太陽能集熱器虛擬價格，分析不同系統太陽能集熱器價格對費用年值的影響。以某地區現有居住建筑為例，在居民分時電價政策下的費用年值情況，在TRNSYS平臺上搭建土壤源熱泵+太陽能+電輔耦合供熱系統并進行模擬計算，分析該系統在耦合供熱過程中，太陽能集熱器造價對費用年值的影響變化趨勢及供熱系統的最優匹配方案，如表1、圖2所示。

圖2 集熱器價格對系統費用年值的變化趨勢

表1 不同集熱器價格下土壤源+太陽能+電輔供熱系統的最優匹配方案

從中可知，太陽能集熱器價格的變化對于最優化的方案存在一定影響，隨著太陽能集熱器價格的升高，當達到800—1000元/㎡時，土壤源熱泵+太陽能的初投資過高；當太陽能集熱器的價格降低時，系統的費用年值降低，有利于土壤源熱泵供暖容量的提升，使得土壤源熱泵的低運行費用的優勢更加明顯，從而降低系統的費用年值。

（二）電價變化的影響

在土壤源熱泵+太陽能+電輔耦合供熱系統運行過程中，系統的運行費用對費用年值產生重要的影響。

以城鎮住宅小區現有建筑為研究對象，以現有居民分時電價為參考并在此基礎上研究電價政策變化的影響。在居民分時電價政策條件下，當低谷電價發生變化時，會直接影響供暖系統的運行費用。谷電電價的降低會更加有利于初投資小的熱源設備的占比，影響最優化方案的選擇，如表2所示為不同谷電電價政策下，最優化方案匹配表和最優費用年值隨電價變化的費用年值變化圖。

表2 不同電價政策水平下土壤源熱泵+太陽能+電輔供熱系統最優系統方案

由表2可知，谷電電價在0.15元 /kWh、0.25元 /kWh、0.32元/kWh變化時，供熱系統最優配比方案并未發生變化，谷電電價在0.1元/kWh左右的情況下，其系統的費用年值才可基本與哈爾濱地區的集中供熱的收費標準相當，但該系統在哈爾濱地區的應用受到土壤源熱泵地埋管占地面積及太陽能集熱器安裝用空間的限制，因此應結合其他熱源聯合應用。

（三）貸款利率的影響

貸款利率可以影響清潔能源供熱系統投資年金，進而影響系統的費用年值，較低的利率可以吸引投資，促進互補供熱系統的推廣與應用。下面以某一建筑為研究對象，在居民分時電價政策條件下，當貸款利率發生變化時，分析其對不同系統的最優匹配方案和費用年值造成的影響。

由表3可知，在不同貸款利率的情況下，熱源的最優配比情況發生變化，其中，隨著貸款利率的升高，初投資較高的土壤源熱泵容量不斷變小。由圖3可知，隨著貸款利率的降低，多熱源耦合供熱系統的費用年值不斷降低。

圖3 不同貸款利率水平下，土壤源+太陽能+電輔系統費用年值

表3 不同貸款利率水平下，土壤源+太陽能+電輔最優系統方案

（四）經濟補貼的影響

以哈爾濱地區為例，該地區對于使用清潔能源替代燃煤小鍋爐的改造政府將給予補貼建設資金總額的1/3，并且在用電政策方面，居民供熱可以使用居民用電價格，谷時段延長為10個小時，價格為0.2898元/kWh。因此，采用太陽能和地源熱泵供暖系統，在其系統配比為太陽能集熱器面積12126m2，地源熱泵容量為5500kW，蓄水箱體積為600m3時，投資年金為189.63元/m2，運營年金為16.23元/m2，費用年值為37.05元/m2，采用居民分時電價，若收費標準為40元/m2時，即使不存在政府資金補貼，使用年限15年的內部收益率達到了10.61%。

四、結論

（1）在哈爾濱等嚴寒地區進行供熱時，優先使用土壤源熱泵、太陽能、生物質等作為多源互補供暖熱源，選用土壤源熱泵+太陽能+電輔或土壤源熱泵+生物質鍋爐+太陽能+電輔耦合供熱系統進行供熱。

（2）太陽能集熱器價格的變化對于最優化的方案存在一定影響，隨著太陽能集熱器價格的升高，當達到800—1000元/㎡時，土壤源熱泵+太陽能的初投資過高，當太陽能集熱器的價格降低時，系統的費用年值降低，有利于土壤源熱泵供暖容量的提升，使得土壤源熱泵的低運行費用的優勢更加明顯。

（3）哈爾濱地區在集熱器價格為150元/㎡或電價水平在0.55/0.01（元/kWh）或貸款利率約在3.1%的情況下，其最優費用年值即可與當地的集中供暖收費標準相當。

（4）多源互補供熱系統相比于其他燃煤、燃氣及電鍋爐等能源供熱系統相比，在一定的設備投資、電價政策及貸款利率的條件下，其費用年值相對較低并有較大的環境效益，具有一定的推廣及應用意義。