邢臺市某區域熱源改造方案分析

閆孟哲,杜浩浩,賈鴻源,裴文浩

(河北建筑工程學院 能源工程系,河北省張家口市橋東區朝陽西大街13號 075000)

隨著建筑業的蓬勃發展,城鎮規模日益擴大,我國北方地區供熱面積飛速增長[1]。目前,我國北方城鎮地區仍以燃煤取暖為主[2]。煤等非清潔能源的大量存在,導致供熱系統運行能耗高,同時造成了嚴重的環境污染[3]。從多方面考慮,應推進清潔能源供熱。文中以邢臺市某集中供熱區域熱源改造方案為例,分別對燃氣鍋爐首站供暖方案、CO2空氣源熱泵首站供暖方案、地源熱泵首站供暖方案進行分析,結果表明,建議采用地源熱泵首站供暖方案。

1 基本概況

1.1 供熱概況

該工程位于邢臺市,地處華北平原中部,屬于溫帶季風氣候,四季分明,年內溫差大[4]。目前供暖面積約600萬m2,預計新增供暖面積約600萬m2。

1.2 熱源現狀

目前主要熱源為余熱回收和9臺蒸汽吸收式熱泵,總供熱量為200MW,另有2臺20t/h的燃氣蒸汽鍋爐作為調峰熱源。

1.3 能耗現狀

2021-2022年供暖季用熱量為1200639GJ,用電量為828萬kW·h,用水量為25772t,實際供暖收費面積為413萬m2。表1給出了各項能耗情況,單位面積能耗費用6.338元/m2,單位供熱量成本21.106元/GJ。

表1 2021年度能耗情況

1.4 面臨的問題

目前供暖面積約600萬m2,預計新增供暖面積約600萬m2,現有熱源無法滿足新增熱負荷,急需進行熱源改造。

2 熱源改造分析

針對目前供熱中面臨熱源供熱余量不足的問題,結合現行國家政策,綜合考慮供熱范圍的地理位置、氣象條件以及供熱現狀,對比分析以下3種熱源改造方案:燃氣鍋爐首站供暖方案、CO2空氣源熱泵首站供暖方案、地源熱泵首站供暖方案。

燃氣鍋爐占地小,故障率低;但在燃氣資源緊張時可能會出現限制用氣的情況,不利于鍋爐的正常運行,且燃氣鍋爐的天然氣開口費較貴[5]。

熱泵的基本工作原理為逆卡諾循環,消耗一部分電能,通過制冷劑的循環,將低溫介質中的熱量傳遞給采暖熱水;輸出的能量為壓縮機做的功和熱泵從環境中吸收的熱量,并將其釋放出來給水加熱,可使熱泵熱效率達400%,節約大量的電能,減少采暖能耗[6]。目前應用較為廣泛的熱泵主要包括地源熱泵和空氣源熱泵。

地源熱泵利用地下土壤溫度相對穩定的特性,通過輸入少量的高品位能源,利用埋藏于建筑物周圍的管路系統進行熱交換,實現熱量從低品位熱源向高品位熱源轉移;但長期從地下取熱后,地埋盤管附近的土壤溫度降低,制熱能效比下降[7]。

空氣源熱泵有較好的節能效果,熱泵裝置消耗的電能僅為制熱量的一部分,其余熱量均由外界空氣提供,節約大量高品位能源;但在寒冷地區大規模應用中存在效率低下、制熱量銳減、出水溫度較低以及壓縮機噪音較大的缺陷,深寒期時可由輔助熱源聯合運行,解決制熱量銳減的問題[8]。

3 熱負荷計算

采暖系統設計熱負荷按采暖面積和采暖設計熱指標計算,得出的采暖系統設計熱負荷是熱源的選型依據[9]。采暖管網輸配過程中的損失已被計入設計熱負荷中,設計熱負荷可在設計最冷日滿足供暖需求。

Qs=qm×A

(1)

式中,Qs為采暖系統設計熱負荷,W;qm為采暖系統設計熱指標,W/m2;A為采暖面積,m2。

前期調研結果顯示,新增供暖區域熱指標為39.5W/m2,則供暖新增區域采暖系統設計熱負荷共約237MW。

采暖系統平均熱負荷由采暖系統設計熱負荷修正得出,可代表建筑在供暖期內供熱負荷的平均值。

(2)

式中,Qp為采暖系統平均熱負荷,W;Qs為采暖系統設計熱負荷,W;tn為室內設計溫度,℃,取18℃;tp為采暖期室外平均溫度,℃,為0.5℃;tj為采暖期室外計算溫度,℃,為-5.5℃。

供暖新增區域的采暖系統平均熱負荷共約176MW。

企業供暖從室外日平均溫度連續3天低于5℃開始,連續3天高于5℃停止,采暖期一般為11月15日至翌年3月15日,共121d。

Q=Qp×N×24/1000

(3)

式中,N為采暖期天數,天。

目前供暖面積約600萬m2,預計新增供暖面積約600萬m2,供暖新增區域年度供熱量共約1840TJ。該方案按新增供暖面積依次遞增100萬m2進行設計計算,新增供暖區域熱負荷估算結果如表2所示。

表2 新增供暖區域熱負荷估算Tab.2 Estimation of heat load in newly added heating areas

4 熱源改造方案

4.1 方案1:燃氣鍋爐首站供暖方案

方案1原理如圖1所示。

圖1 方案1原理Fig.1 Principle of scheme 1

在首站中新增燃氣鍋爐,將其作為調峰熱源,僅在深寒期開啟,為一次管網補熱,提高一次供水溫度,考慮到供水溫度、壓力不同,新增熱源應配合換熱器使用,將換熱器二次側并聯接入原一次管網。首站設有兩臺20t/h燃氣蒸汽鍋爐作為調峰熱源,可節省部分初投資費用,但供熱成本過高。

方案1選型結果如表3所示。

表3 方案1選型結果

4.2 方案2:CO2空氣源熱泵首站供暖方案

方案2原理如圖2所示。

圖2 方案2原理Fig.2 Principle of scheme 2

在首站中新增CO2空氣源熱泵,將其作為調峰熱源,僅在深寒期啟用,為一次管網補熱,提高一次供水溫度,可有效保證采暖效果,并降低采暖成本?？紤]到供水溫度、壓力不同,新增熱源應配合換熱器使用,將換熱器二次側串聯接入原一次管網。

方案2選型結果如表4所示。

表4 方案2選型結果

4.3 方案3:地源熱泵首站供暖方案

方案3原理如圖3所示。

圖3 方案3原理Fig.3 Principle of scheme 3

在首站中新增地源熱泵,將其作為調峰熱源,僅在深寒期啟用,為一次管網補熱,提高一次供水溫度,可有效保證采暖效果,并降低采暖成本,另外可由余熱回收裝置為地底補熱,提高運行年限?？紤]到供水溫度、壓力不同,新增熱源應配合換熱器使用,將換熱器二次側串聯接入原一次管網。

方案3選型結果如表5所示。

表5 方案3選型結果

5 投資估算與經濟分析

5.1 初投資費用

經初步設計和市場調研,燃氣蒸汽鍋爐供暖方案中初投資費用應去除原有的2臺20t/h燃氣蒸汽鍋爐,按14.42元/m2計算;CO2空氣源熱泵供暖方案初投資費用按50元/m2計算;地源熱泵供暖方案初投資費用按55元/m2計算。

圖4給出了新增供暖面積由100萬m2增至600萬m2條件下各方案的初投資費用,分析可知,初投資與新增供暖面積線性相關,各方案的單位供暖面積初投資波動較小,方案1的初投資費用最低,方案2次之,方案3的初投資費用最高。

圖4 初投資費用Fig.4 First cost

5.2 固定運行費用

原熱源年度運行費用、自來水年度費用、非產熱用設備年度運行電費及人工年度費用之和,稱為固定運行費用。原熱源的供熱量按235MW計算,原熱源供熱單價按16.72元/GJ計算;原熱源作為初寒期、末寒期時的主要熱源使用,新增熱源作為調峰熱源,僅在深寒期啟用。補水量按循環水量的0.1%考慮,單位供暖面積年度補水量為0.006577t/m2,自來水單價8.8元/t。非產熱用設備單位供暖面積年度用電量為1.8876kW/m2,平均電價0.7元/kW·h。年度人工費約520萬元,新增人員按每新增供暖面積100萬m2配備13人考慮,人員工資6000元/(人·月),福利費率14%。

圖5給出了不同新增供暖面積條件下的固定運行費用。分析可知,固定運行費用與新增熱源相關性較小,自來水年度費用、非產熱用設備年度運行電費及人工年度費用與新增供暖面積線性相關,而原熱源年度運行費用的增長速率隨新增供暖面積的增加而減少。

圖5 固定運行費用Fig.5 Fixed operating costs

5.3 年度運行費用

年度運行費用由固定運行費用和新增熱源運行費用組成。

圖6給出了不同新增供暖面積條件下各方案的年度運行費用。分析可知,新增供暖面積小于200萬m2時,原熱源可滿足全部熱負荷,年度運行費用隨新增供暖面積線性增加,各方案的年度運行費用保持一致;而新增供暖面積大于200萬m2時,新增熱源供熱量占比隨新增供暖面積增加而增加,年度運行費用增長速率逐漸變大,方案3的年度運行費用最低,方案2次之,方案1的年度運行費用最高。

圖6 年度運行費用Fig.6 Annual operating expenses

5.4 運營期年均收入

運營期年均收入包括集中供熱管網建設費與運營時間的比值及供暖收費。根據目前供熱情況,入住率按70%計算,供暖收費按單位建筑面積采暖費用18元/m2計算,集中供熱管網建設費按單位建筑面積采暖費用70元/m2計算,運營時間為20年。

圖7給出了不同新增供暖面積條件下的運營期年均收入,分析可知,年度供暖收費、集中供熱管網建設費及運營期年均收入均與新增供暖面積線性相關,與新增熱源相關性較小。

圖7 運營期年均收入Fig.7 Average annual income during operation period

5.5 運營期年均成本

運營期年均成本由年度運行費用、原有投資項目年折舊費用、新增投資項目年折舊費用、年維修費用、貸款利息組成。原有投資項目年折舊費用按3500萬元考慮。固定資產折舊采用平均年限法,折舊年限為20年,凈殘值率3%,年折舊率4.85%。維修費率按1.5%考慮,僅考慮新增熱源的維修費。建設投資中貸款占70%,貸款利率為4.9%,其余為企業自有資金。

圖8給出了不同新增供暖面積條件下各方案的運營期年均成本。分析可知,運營期年均成本均隨新增供暖面積的增加而增加,新增供暖面積在200萬m2以下時,各方案的增長速率不變,且僅與其初投資費用相關;新增供暖面積大于200萬m2時,各方案的運營期年均成本增長速率不斷變大,原因在于新增熱源供熱量在總供熱量中的占比不斷增長,導致供暖運行費用的增長速率不斷增加,其增長速率取決于新增熱源的供熱成本;新增供暖面積600萬m2條件下,方案3的運營期年均成本最低,方案2次之,方案1的運營期年均成本最高。

圖8 運營期年均成本Fig.8 Average annual cost during operation period

5.6 平均年利潤

平均年利潤為運營期年均收入與運營期年均成本的差值。

圖9給出了不同新增供暖面積條件下的平均年利潤,新增供暖面積在200萬m2以下時,新增熱源基本不啟用,初投資費用最低的方案平均年利潤最高;新增供暖面積大于200萬m2時,新增熱源供熱量占比逐漸增大,運行費用增長速率也隨之變大,各方案的平均年利潤均呈現先增長后降低的趨勢;新增供暖面積為600萬m2時,方案1的平均年利潤為負值,方案1的平均年利潤最低,方案2次之,方案3的平均年利潤最高。

圖9 平均年利潤Fig.9 Average annual profit

5.7 經濟分析

分析可知,各方案年均收入的增長速率不變,年均成本增長速率逐漸變大,造成年均利潤先增長后減少。新增供暖面積在400萬m2以下時,原有熱源可滿足絕大部分熱負荷,初投資費用越低的方案平均年利潤越高,燃氣鍋爐首站供暖方案經濟性較好;新增供暖面積在400萬m2到600萬m2之間時,新增熱源供熱量占比增加,熱泵供暖方案經濟性較好,其中地源熱泵供暖方案的經濟性比CO2空氣源熱泵供暖方案的經濟性略好。

6 結論

為解決企業面臨的供熱余量不足問題,對3種熱源改造方案的技術性和經濟性進行初步分析,響應國家節能減排政策,推動企業多能互補、低成本清潔供暖的實現。

新增供暖面積為600萬m2時,燃氣鍋爐首站供暖方案初投資最低,運營期年均成本最高,能耗最高,平均年利潤為負值;CO2空氣源熱泵首站供暖方案初投資費用較高,運營期年均成本較低,能耗較低,平均年利潤較高;地源熱泵首站供暖方案初投資費用最高,運營期年均成本最低,能耗最低,平均年利潤最高。

綜上所述,建議采用地源熱泵首站供暖方案,該方案穩定性好,能耗最低,利潤最高。