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基于分布式清洁能源供热系统应用的技术经济分析马新厂

发表时间：2021/8/10 来源：《建筑科技》2021年9月上作者：马新厂

[导读] 传统供热方式虽技术可靠，但工艺落后，污染严重。市场对锅炉进行强制脱硫工艺的可行性存在普遍质疑，认为传统燃煤锅炉的整治缺乏财政补贴，企业缺乏积极性和主动性，归根结底是脱硫成本高等原因。

青岛新奥新城燃气工程有限公司马新厂山东省青岛市城阳区 266109

摘要：传统供热方式虽技术可靠，但工艺落后，污染严重。市场对锅炉进行强制脱硫工艺的可行性存在普遍质疑，认为传统燃煤锅炉的整治缺乏财政补贴，企业缺乏积极性和主动性，归根结底是脱硫成本高等原因。本文通过对两种不同形式的空气源热泵技术进行技术经济分析，旨在为缺乏市政集中供热的项目比选最佳的新能源供热方案。
关键词：分布式；燃气空气源热泵；电压缩式空气源热泵；技术经济分析
        引言
        国家发展和改革委员会发布新版《天然气利用政策》，将天然气分布式能源列为优先类天然气利用项目，为天然气的发展带来了新的机遇。而随着近年来新能源的崛起，风力发电、太阳能光伏发电、生物质能发电等可再生能源发电系统开始在分布式能源系统发展中占据重要地位，天然气面临着与可再生能源竞争的新形势，天然气产业一方面需要积极参与分布式能源建设，另一方面需分析自身的优势和劣势，扬长避短，推进天然气分布式能源系统的高质量和高效益发展。为此，以中国分布式能源和天然气行业现状为切入点，对天然气行业如何应对分布式能源发展新形势的挑战，提出针对性的应对策略和建议，以期有助于天然气产业与天然气分布式能源系统融合发展。
        1分布式清洁能源发展的必要性与可行性
        天然气是中国改变能源结构，推进能源转型，降低二氧化碳排放，发展清洁能源不可或缺的能源，分布式能源又是我国新能源发展的重要方向。分布式能源与天然气融合发展具有充分的必要性、可行性和现实意义。分布式能源利用率较高，是天然气利用的最佳方式之一。从中国能源资源禀赋和供应与利用的角度来看，无论是当前还是中远期，常规和非常规天然气产量实现大规模突破存在较大不确定性，国内天然气总体供应能力相对有限，难以满足天然气需求量的快速增长。因此，优化资源配置和高效利用天然气资源将是我国天然气发展的长期战略。分布式能源项目的优势和特点是可以充分挖掘天然气资源潜力，使其发挥出最大能源效率和利用价值。相比于可再生分布式能源，天然气分布式能源具有明显的技术优势。可再生分布式能源系统的建设受地域限制，并且存在着间歇、不连续运行的缺点，在并网运行时会对电网造成功率的冲击，影响用户用电质量。
        2空气源热泵供热与传统市政供热的比较
        传统市政供热是基于热电联产的方式，利用汽轮机冷凝放热后形成的110℃~130℃左右的热水作为供热系统的一次侧热源。热水通过市政供热管网输送到用热项目，通过换热站输送至末端用户。因涉及管网及换热站建设，项目开发商需要缴纳大量的配套费用。电驱动蒸汽压缩式空气源热泵是最常见的热泵形式，技术可靠，供应链比较成熟。其基本原理是通过消耗电力这种高品位能源驱动压缩机做功，通过制冷剂的相变换热使热量从低温热源流向高温热源。目前提高蒸汽压缩式热泵能效的方法主要有多级压缩和喷气增焓技术，同时采取提高热泵热力学完善度的方法，减小压缩机和换热器的不可逆损失，绝大部分产品的性能可提升20%左右。
        3技术经济分析及优化
        居住建筑节能设计标准中，目前对于建筑耗热量指标的规定为25W/m2。则10万m2项目的总热负荷为2500kW，管网损失附加率按1.1考虑，则设备负荷为2750kW。因空气源热泵在极寒天气下的衰减比较严重，衰减附加值应再增加50%，则衰减修正后的设备负荷约为4125kW。

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        若按常规集中供热来算，根据济南市目前的市政配套缴费标准，需缴纳费用数额为红线外大配套费78元/m2，红线内小配套费48元/m2，共计126元/m2，收费指标为独立公建外的地上面积，则10万m2供暖配套费需缴纳总额约为1260万元。综合运行费用为26.7元/m2。如采用电压缩式空气源热泵供热方案，设计拟采用单机制热能力40匹的空气源热泵，单机制热能力为132kW，输入功率33.4kW，制热COP平均值约为3.95。根据上述热负荷估算值，实际需要的装机台数为31.9台，取整数32台。电力增容量指标：根据优化后的设备配置方案，平摊到总建筑面积后，实际估算值为0.012kW/m2。方案选用的热泵机组单机造价为2300元一匹，40匹机单台造价为9.2万元，那么热泵设备的初投资约为294.4万元。循环泵造价约为4万元，缓冲水箱约为15万元，一次侧管道管件及安装费合计10万元左右，二次侧管网（含能源站及热力入口装置）仍按260万元计，则设备总初投资为583.4万元（不含电力增容费）；电力增容费按259万元预估，则总投资额约为842.4万元。运行费用方面，电压缩式热泵的主要能源是电力，因此运行费主要是电费。经测算，37℃供水条件下约为16元/m2供暖面积，42℃供水条件下约为22元/m2供暖面积，综合运行费用约20元/m2，这里所指的供暖面积。均默认为套内面积。
        如采用燃气空气源热泵，初投资主要由设备费、安装费、辅材费、单元入口装置费及分户热计量装置费组成。设备部分总投资主要包含设备费、安装费（不含运输和现场吊装费）和辅材费。本研究项目拟选用单台制热量53kW（45℃稳定供水工况下）的燃气热泵机组，输入功率1.25kW。根据前述负荷参数，该项目需配置77.8台燃气热泵机组，取整数78台，热泵机组总投资约468万元。热力系统二次侧与前述电压缩式空气源热泵供暖系统基本一致，但因吸收式热泵的输入功率要小得多，故电力增容费要明显减小，按1500元/kW估算，则总费用为146.25万元。估算下来，总投资额约为903.3万元。
        运行费用方面，燃气热泵的主要能源是燃气，附加一部分电力，因此由燃气费和电费两部分组成。研究项目所处城市商用气价为3.65元/Nm3，商用电价为0.8元/kWH。为提高数据的准确性，计算模型按照热泵负荷率分别在100%、75%、50%和25%四种工况下的加权数值来计，对应的实际使用时间比率，根据统计数据分别为3.9%、23.8%、42.2%和30.2%，统计时间自每年11月15日至次年的3月15日，每天24h共计2904h，最终测算的综合运行单价为16.34元/m2采暖面积，采暖面积均按套内面积取。以上测算结果基于现有能源市场价格，如果能源价格变化，结果也会出现差异，但这也给运营商提供了一个思路，如果有条件争取较低的燃料价，那么热泵采暖的优势将更加明显。由于空气源热泵能效比随室外温度下降而衰减的先天不足，其供热可靠性也相对较低。同样热负荷的情况下需要配置大量的室外机组，占地面积大，对能源站结构荷载要求高，运行噪声大，设备更新及维护保养成本也比较高。
        结束语
        对市政供热不具备或者不完全具备的寒冷地区，基于分布式清洁能源供热技术的空气源热泵系统可作为供暖替代的首选项。在不考虑设备折旧的基础上，相比市政集中供热，电压缩式热泵供热系统初投资相比市政供热减小约33%，综合运行费用降低约25%；燃气吸收式热泵系统初投资相比市政供热减小约28%，综合运行费用降低约39%；如果有条件申请到能源补贴或较低的能源单价，综合运行费用还有更大的下降空间，经济优势明显。
参考文献
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