鍋爐采暖方式的選擇

鍋爐采暖方式的選擇

1相對過剩、峰谷差近年來，我國大氣污染日益嚴(yán)重，人們呼吁環(huán)境保護(hù)、清潔天空的聲音越來越大。北方冬天城市污染的重要來源是燃煤鍋爐產(chǎn)生的有害粉塵和氣體。與此同時,許多地區(qū)電力出現(xiàn)了相對過剩、電力峰谷差不斷拉大的現(xiàn)象。因此,在環(huán)保要求高的城市采暖供熱中,燃煤鍋爐房或燃煤爐灶將嚴(yán)格限制使用,取而代之的幾種可能的采暖形式主要有集中供熱的電鍋爐、大型電動熱泵和燃?xì)忮仩t房以及分散在用戶房間內(nèi)的家用燃?xì)鉅t、電暖器等(見圖1)。同時,為減小電力網(wǎng)發(fā)電的峰谷差,也可考慮在供熱系統(tǒng)中設(shè)置蓄熱裝置,使得在滿足采暖要求的同時,對電力負(fù)荷起到削峰填谷的作用。為此,本文將對上述采暖系統(tǒng)形式的應(yīng)用作初步的分析與探討。2加熱和回?zé)嵯到y(tǒng)的能耗和經(jīng)濟(jì)性2.1采暖系統(tǒng)可調(diào)節(jié)系數(shù)傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)消耗的能量是燃料,而電動采暖系統(tǒng)所消耗的能量是電能。為更全面分析各采暖系統(tǒng)效率,采用一次能耗率作為所耗能評價指標(biāo)。一次能耗率即單位供熱量所消耗的一次能源量。圖2為采暖系統(tǒng)在單位供熱量與相應(yīng)的一次能量之間的能量平衡圖。其中η為采暖系統(tǒng)供熱效率,即供熱量與輸入能耗之比。對于熱泵系統(tǒng),η為熱泵性能系數(shù)與系統(tǒng)管道效率之積,對于鍋爐供熱系統(tǒng),η為鍋爐采暖系統(tǒng)的熱效率與系統(tǒng)管道效率之積,對于熱電廠,η為熱電廠供熱量與燃料量之比;ηe為熱電廠的發(fā)電效率。實際上,一個采暖季的采暖能耗不僅取決于單位供熱量采暖系統(tǒng)的一次能耗,還取決于采暖系統(tǒng)的運行時間。對于家用采暖裝置,如家用熱泵、家用燃?xì)鉅t和電暖器等,由于系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活,啟停方便,根據(jù)需要隨時調(diào)整供熱工況,可在房間有人時供熱,而在無人時采暖設(shè)備停止運行,從而減小最大采暖負(fù)荷時間數(shù),降低單位采暖面積的供熱能耗。對于傳統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng),如鍋爐房或熱電聯(lián)產(chǎn),由于運行調(diào)節(jié)慣性大,設(shè)備啟停不便,一般房間內(nèi)不單獨進(jìn)行供熱量調(diào)節(jié),系統(tǒng)在整個采暖季不間斷供熱,最大采暖負(fù)荷小時數(shù)大,造成單位采暖面積能耗的增加。引入采暖系統(tǒng)可調(diào)節(jié)系數(shù)λ的概念,定義為采暖系統(tǒng)實際最大采暖負(fù)荷小時數(shù)與整個采暖季不間斷采暖的最大負(fù)荷小時數(shù)之比。對于家用采暖裝置,可調(diào)節(jié)系數(shù)一般為0.5~0.8,本文取為0.65,對于集中供熱系統(tǒng),可調(diào)節(jié)系數(shù)一般為1。系統(tǒng)一次能耗率表示單位供熱容量的采暖系統(tǒng)單位時間能耗,它反映出在考慮可調(diào)節(jié)系數(shù)后采暖系統(tǒng)的能源利用效率。圖3給出各系統(tǒng)的一次能耗率,其中有關(guān)參數(shù)的取值見表1?？梢钥闯?設(shè)置蓄熱器的電鍋爐采暖一次能耗最大,電鍋爐由于沒有蓄熱損失而一次能耗次之,考慮到可調(diào)節(jié)系數(shù),電暖器的一次能耗小于以上兩種采暖系統(tǒng)。熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能耗最小。家用燃?xì)鉅t和家用熱泵雖然能耗明顯高于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),但由于可調(diào)節(jié)系數(shù)的影響,其一次能耗率與熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相近。2.2u3000電價采暖供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性可從單位供熱容量年運行成本加以評價,年運行成本C由初投資的折舊和運行費組成。為使問題更加簡明,在運行費中僅考慮能耗費。在經(jīng)濟(jì)分析中,采暖系統(tǒng)消費和產(chǎn)生單位電量的價值在不同時刻是不同的。圖4給出了我國某電網(wǎng)小時級電價典型日分布。初投資取值如表1所示,其中熱源投資對于集中供熱系統(tǒng)包括設(shè)備和土建兩部分。由圖5可以看出,電爐采暖的年運行費遠(yuǎn)高于其它系統(tǒng),而熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性則是所有采暖系統(tǒng)中最好的。其它采暖形式之間的經(jīng)濟(jì)性差別不十分明顯。對于具體的采暖系統(tǒng),系統(tǒng)初投資和效率與表1中的值會有所不同,各地的能源價格的制定也存在差別,因此,除了熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性明顯偏好、電爐采暖的經(jīng)濟(jì)性明顯偏差外,其它采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析和評價。3不同供暖系統(tǒng)的應(yīng)用分析3.1傳統(tǒng)供暖加熱系統(tǒng)傳統(tǒng)的采暖供熱系統(tǒng)主要有鍋爐采暖系統(tǒng)和熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)。3.1.1燃煤鍋爐的應(yīng)用包括以鍋爐房為熱源的集中供熱系統(tǒng)和分散在各用戶房間的家用爐灶。按燃料分又有燃煤鍋爐和燃油、氣鍋爐(燃油、氣鍋爐房和家用壁掛氣爐)等。燃煤鍋爐——包括燃煤鍋爐房和家用小煤爐。家用小煤爐由于投資小、燃料價低而在小城鎮(zhèn)的分散住宅使用較多,燃煤鍋爐房則主要應(yīng)用于一個小區(qū)的獨立供熱或承擔(dān)大型區(qū)域供熱系統(tǒng)的尖峰負(fù)荷。燃煤鍋爐運行成本低,在我國城鎮(zhèn)采暖中使用最為普遍。但是,由于能源轉(zhuǎn)換效率很低,對大氣的污染在所有采暖系統(tǒng)中是嚴(yán)重的,因此這種采暖形式在環(huán)保要求高的城市,應(yīng)嚴(yán)格加以控制。燃油、氣鍋爐——包括應(yīng)用于小區(qū)或單個樓宇采暖的集中式燃油、氣鍋爐供熱系統(tǒng)和以壁掛氣爐等形式設(shè)置在房間內(nèi)的家用燃?xì)鉅t等。由于天然氣等是清潔燃料,這種采暖系統(tǒng)的環(huán)境污染遠(yuǎn)小于燃煤系統(tǒng)。另外,燃油、氣鍋爐運行調(diào)節(jié)靈活,尤其家用以壁掛氣爐,可根據(jù)人們的作息情況隨時做啟停和供熱量調(diào)整,從而減少了系統(tǒng)運行的最大采暖負(fù)荷小時數(shù),節(jié)省了燃料量和運行費。但是,當(dāng)考慮到天然氣管網(wǎng)的追加投資,燃?xì)忮仩t采暖系統(tǒng)的初投資會明顯增高。在運行費方面,由于油、氣等燃料價格昂貴,系統(tǒng)的一次能耗也較高(如圖3)。因此,燃油、氣鍋爐采暖系統(tǒng),尤其是集中式燃油、氣鍋爐供熱的推廣和應(yīng)用,應(yīng)在深入的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析基礎(chǔ)上慎重進(jìn)行。3.1.2熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性以熱電廠為熱源的區(qū)域供熱系統(tǒng),常見形式是熱電廠中汽輪機(jī)的抽汽或背壓排汽通過熱交換器將熱量傳遞給熱水,并通過熱網(wǎng)輸送到各采暖用戶。熱電廠將高品位的熱能用于發(fā)電,低品位的熱能用于供熱,因而能源轉(zhuǎn)換效率高。如果有關(guān)參數(shù)取值如表1,對于相同的最大采暖負(fù)荷小時數(shù),在所有采暖形式中,熱電聯(lián)產(chǎn)一次能耗是最低的。這使得熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境污染也很小。同時,在電力短缺時,熱電廠在供熱的同時發(fā)電上網(wǎng),相當(dāng)于減少了電力系統(tǒng)相應(yīng)投資。從整體上看,熱電聯(lián)產(chǎn)具有很好的經(jīng)濟(jì)性(如圖5)。因此,在保證全年充足熱負(fù)荷的前提下,應(yīng)鼓勵熱電聯(lián)產(chǎn)的建設(shè)和現(xiàn)有熱電廠的運行。3.2展示式供暖系統(tǒng)3.2.1采暖器的經(jīng)濟(jì)性和使用成本電鍋爐——屬于集中式的電采暖系統(tǒng),多用于一幢樓宇或建筑密集的商業(yè)小區(qū)供熱。與傳統(tǒng)集中供熱方式一樣,在該系統(tǒng)中,熱水被電鍋爐加熱后由熱力管道輸送至各用戶房間。由圖5可知,電鍋爐系統(tǒng)的運行成本明顯高于其它采暖系統(tǒng)。而且電鍋爐采暖系統(tǒng)單位供熱量的一次能耗在所有采暖形式中是最高的。因此,即使是在電力富裕的時期,電鍋爐采暖的使用也應(yīng)嚴(yán)格限制。因為電力過剩往往是短期性的,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,這種過剩將會消失。何況電鍋爐能源轉(zhuǎn)換效率極低,大量使用是不符合我國可持續(xù)發(fā)展的能源政策的。電暖器——一般設(shè)置在用戶房間內(nèi),主要形式有電熱微晶玻璃輻射取暖器、電熱石英管取暖器、電熱油汀等普通電暖器和具有蓄熱功能的相變蓄熱電暖器等。由于省去傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)中的熱力管道和散熱器,一般電暖器的投資明顯較低。而且電轉(zhuǎn)換為熱后可直接用于采暖,轉(zhuǎn)換效率為100%,避免了電鍋爐采暖中因中間介質(zhì)(熱水)而造成的熱損失。在運行方面,這種采暖裝置調(diào)節(jié)靈活,使用方便,用戶可根據(jù)需要對采暖裝置的啟停隨時控制,因而可減少采暖季裝置運行時間,進(jìn)而可減少采暖運行費。因此,電暖器的經(jīng)濟(jì)性要好于電鍋爐采暖系統(tǒng),見圖5。同時,家用電暖器不需象集中供熱那樣要有專門人員對采暖系統(tǒng)進(jìn)行管理、運行和維護(hù),也沒有集中供熱中所存在的計量收費難題。而且電暖器不會對使用地區(qū)產(chǎn)生污染。但是,電暖器存在著單位供熱量一次能耗大的缺點(見圖3),運行成本也高于一般的采暖系統(tǒng)。由于房間電路容量較小,因而當(dāng)采暖負(fù)荷較大時,存在用戶電路改造問題。在采暖效果上,電暖器采暖的舒適感不如傳統(tǒng)的水暖散熱器。所以,電暖器的使用應(yīng)根據(jù)用戶實際情況加以選擇,不宜盲目推廣。3.2.2熱泵采暖與空調(diào)系統(tǒng)的比較包括大型電動熱泵和家用電動熱泵。大型熱泵可使用于一幢樓宇的采暖或作為區(qū)域供熱的熱源。對于大型熱泵,可在熱源處設(shè)置蓄熱器。家用熱泵可設(shè)置在各房間內(nèi),夏季作為空調(diào)冷源,冬季作為采暖熱源,啟停調(diào)節(jié)靈活方便。電動熱泵能源轉(zhuǎn)換效率明顯高于電爐,使得運行費也低于電爐。對于家用電動熱泵,用戶可根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)熱泵的啟停,因而可進(jìn)一步節(jié)省運行費用。對于夏季同時需要空調(diào)的地方,如商業(yè)建筑,熱泵系統(tǒng)可同時滿足全年的冷熱負(fù)荷,因而,熱泵系統(tǒng)用于采暖的投資會明顯降低,可認(rèn)為是熱泵相對于空調(diào)系統(tǒng)所追加的投資(本文取為200元/kW)。因此,兼用制冷的熱泵系統(tǒng)與純采暖相比年運行費要明顯降低。另外,熱泵系統(tǒng)具備電熱爐所擁有的不對使用地產(chǎn)生大氣污染、安裝運行簡便以及占用面積小等優(yōu)點。與燃?xì)忮仩t相比,熱泵采暖在經(jīng)濟(jì)和能耗方面并不占有明顯優(yōu)勢,但從國家角度看,作為發(fā)電主要能源的煤要比天然氣豐富得多、廉價得多,因而,電動熱泵的應(yīng)用比燃?xì)忮仩t更適合我國的國情。目前普遍存在的電力過剩也會給電動熱泵的發(fā)展起到推動作用。但是,電動熱泵系統(tǒng)的不足之處是設(shè)備運行性能易受環(huán)境條件的限制。風(fēng)冷熱泵對氣候的要求較高,一般不適于冬季氣溫寒冷的城市采暖供熱。水源熱泵在需要同時制熱制冷的場合使用較為有利,在有清潔的江河湖水的地方也可使用。由此看來,在環(huán)境保護(hù)要求高的地方,如果外界條件許可,可以鼓勵使用熱泵采暖。如果擁有可利用水源,可優(yōu)先考慮使用水源熱泵,當(dāng)氣候條件合適時,可采用風(fēng)冷熱泵。3.3.3對系統(tǒng)投資的影響電力方面最突出的問題是峰谷差的不斷拉大。如果電采暖系統(tǒng)僅在電力低谷期運行,則會削減電力負(fù)荷的峰谷差,有利于電力網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。對于電采暖系統(tǒng)來講,可使用便宜的谷價電能,使運行成本大幅度降低。而要實現(xiàn)電采暖系統(tǒng)電力低谷運行,則需要利用蓄熱裝置。我國蓄熱的應(yīng)用較少,主要集中在余熱或廢熱利用等方面。蓄熱裝置的作用表現(xiàn)為平衡供熱量和熱負(fù)荷之間的關(guān)系、減小設(shè)備容量和提高系統(tǒng)效率等方面。因此,在采暖熱負(fù)荷一定的情況下,改變不同時間電采暖系統(tǒng)供熱量的大小,在電力低谷期多用電供熱,電力高峰期少用電或不用電供熱,供熱量與熱負(fù)荷之間的平衡可通過蓄熱裝置實現(xiàn),從而達(dá)到減小電力峰谷差的目的。熱水蓄熱裝置——由于采用蓄熱,從整體的角度看,電動采暖系統(tǒng)起到了對電網(wǎng)的削峰填谷作用,從局部上講,由于消耗的是低價電能,采暖系統(tǒng)的運行成本會大幅度降低。但是,采暖設(shè)備的投資也會相應(yīng)增加,因為熱源容量與無蓄熱時相比增大了,同時又增加了蓄能設(shè)備。從能耗方面看,由于蓄能損失,與無蓄熱相比,系統(tǒng)的能耗增加了。對于熱泵系統(tǒng),由于提高制取熱量的溫度,熱泵性能系數(shù)顯著降低,同樣增大了系統(tǒng)能耗。而電爐采暖系統(tǒng)可采用有壓和無壓兩種蓄熱裝置,而且由于蓄熱介質(zhì)為水,電爐應(yīng)以電鍋爐的形式加以應(yīng)用。設(shè)熱水蓄熱效率為85%,一天中電力峰谷各占12小時,由此,表2給出了采用蓄熱裝置后采暖系統(tǒng)的有關(guān)指標(biāo)。可以看出,從電力削峰填谷方面講,增設(shè)蓄熱器后的電爐采暖系統(tǒng)所起的作用最為顯著。從蓄熱器容積看,有壓熱水蓄熱的容積明顯小于無壓熱水蓄熱,但有壓熱水蓄熱器屬于壓力容器,存在安全問題。增設(shè)蓄熱裝置后,采暖系統(tǒng)的初投資將會增加,包括蓄熱裝置的投資和采暖系統(tǒng)本身因蓄熱而增加的投資等。這部分附加投資的大小與蓄熱裝置的型式、體積、位置以及系統(tǒng)運行方式等有關(guān),圖6給出了隨著這部分附加投資的增加,電鍋爐和熱泵采暖系統(tǒng)的年運行成本的變化情況。對于電動熱泵,只有當(dāng)單位供熱量系統(tǒng)附加投資小于1500元/kW(熱)時,采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性才會比無蓄熱時好。一般情況下系統(tǒng)附加投資小于該值。但如果蓄熱器空間占用費昂貴,例如設(shè)置在市區(qū)黃金地段內(nèi),則可能使系統(tǒng)的蓄熱附加投資驟增,導(dǎo)致蓄熱不能提高整體系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。對于電鍋爐,只要單位供熱量蓄熱附加投資小于4900元/kW(熱),采暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性就會比無蓄熱時好,通常系統(tǒng)蓄熱附加投資不會大于此值。因此,對于電動熱泵采暖,是否增設(shè)蓄熱裝置,應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析論證后決定。而電鍋爐采暖增設(shè)蓄熱裝置的效果是很明顯的。蓄熱電暖器——在電動采暖中,可以通過熱水蓄熱實現(xiàn)電力的削峰填谷。但是由于蓄熱器的容積很大,只能用于集中式的電動供熱系統(tǒng),若與家用電暖器結(jié)合,將會占用房間較大空間,這是不現(xiàn)實的。為此,一種電暖器與相變蓄熱相結(jié)合的采暖裝置—相變蓄熱電暖器被提出來。相變材料蓄熱能力大,蓄熱效率高,而作為熱源的電加熱器成本較低,因而可以克服以上熱水蓄熱的不足。由表2看出,這種采暖裝置的蓄熱容積僅為無壓熱水蓄熱器的約八分之一,是有壓熱水蓄熱器的約三分之一。同時,其初投資也相對較小。另外,相變蓄熱電暖器調(diào)節(jié)靈活,設(shè)置在采暖房間內(nèi),即開即用,放熱功率可由風(fēng)扇或者風(fēng)門控制,因而可減小最大采暖負(fù)荷小時數(shù)。由圖5可以看出,這種采暖裝置具有很好的經(jīng)濟(jì)性,好于電爐和燃?xì)忮仩t采暖。同時,這種電暖器可以減小電力峰谷差,對于電網(wǎng)安全高效運行具有積極意義。因此,相變蓄熱電暖器是一種具有良好發(fā)展前景的新型采暖系統(tǒng)。由于相變蓄熱電暖器的耗電功率高,當(dāng)房間采暖負(fù)荷較大時,存在用戶電路改造問題。4