清洁供暖电能替代方案经济性分析

2021-09-25李富春杨攀峰

电力需求侧管理 2021年5期

傅旭，李富春，杨欣，杨攀峰，吴雄

（1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 710075；2.西安交通大学电气工程学院，西安 710049）

0 引言

电锅炉采暖技术对环境污染小，具有广阔发展空间［1—2］。电锅炉分为直热式电锅炉和蓄热式电锅炉。文献［3］对比分析了京津冀地区清洁能源供暖政策实施前后空气质量变化，并对空气质量进行趋势性检验。文献［4］以办公建筑群太阳能、风能、燃气互补的可再生能源分布式系统为研究对象，建立了蓄热技术与可再生能源分布式能源系统耦合评价模型。文献［5］针对当前风电供热项目使用纯凝电力过多、电锅炉利用率低的问题，提出了风电供热项目与热电厂互补供热的运行模式。文献［6］分析了储热技术在冷热电三联供、热电联产以及电采暖等典型综合能源系统的应用价值。文献［7］计算了天津地区土壤源热泵、水蓄热电锅炉、燃气燃煤锅炉的经济性。文献［8］提出一种基于全寿命周期等年值成本的蓄热式电采暖方案经济性评估方法。文献［9］结合典型案例进行验证，测算了高温固体蓄热电锅炉、电极锅炉、水蓄热、电锅炉和相变蓄热的经济性。文献［10］从“风电-电网-电锅炉-储能”联合运行系统的成本与收益出发，建立了“源-网-荷-储”联合运行系统风电消纳经济性评估模型。文献［11］考虑供暖期风电弃风特性及其与负荷的相关性，提出了基于蓄热式电锅炉和蓄热式电锅炉-热电联产的2种风电供热组合方案。文献［12］根据“煤改电”区域用电特点，系统分析和研究了基于“煤改电”的电网运行管控体系。

本文对直热式电锅炉、蓄热式电锅炉、量子能锅炉、空气热泵的技术特点进行分析，对供暖成本进行了对比。研究表明，蓄热式电锅炉具备储热装置，可以改变采暖用户用电特性，降低采暖用电成本，但储热装置的配置与峰谷电价政策密切相关。通过设置采暖峰谷电价政策，可以引导负荷在新能源大发时段多用电，提高电网消纳能力，研究成果可以为我国北方地区清洁供暖提供参考。

1 电采暖技术特点

（1）直热式电锅炉

直热式电锅炉也称电加热锅炉、电热锅炉，根据加热方式的不同，直热电热锅炉可以分为电阻式电热锅炉与电极式电热锅炉。

电阻式锅炉采用高阻抗管形电热元件，接通电源后，管形电热元件产生高热使水成为热水或蒸汽。配电电压一般为380 V，属于低电压等级；单台锅炉功率较小，一般小于3 MW，适合小范围供热。锅炉容量与管形电热元件的数量呈正相关，并按投运数量来调节锅炉负荷。因此，电阻式锅炉的容量受到电热元件结构布置的限制。

电极式锅炉中，连接高压电源的电极直接浸没在锅炉的炉水中进行加热。调节电极在水中的深度，即可改变输入的功率。配电电压为10 kV至66 kV，属于高电压等级；单台锅炉功率较大，最高可达70 MW。启动迅速，从冷态启动到满负荷，只需要几十分钟，从热态到满负荷状态，通常情况下，只需要1 min。

（2）蓄热式电锅炉

蓄热式电锅炉采暖是以电锅炉为热源，水为热媒，利用峰谷电价差，在供电低谷时，开启电锅炉将水箱的水加热、保温、储存；在供电高峰及平时时段，关闭锅炉，用蓄热水箱的热水供热。整套系统采用电极式电锅炉与储热水箱结合的方式供暖，在低谷电价时段，电锅炉可直接向2级换热站的用户供热水，同时向储热水箱提供足够峰电时段使用的储热量；在峰电时段，电锅炉停机，由储热水箱向2级换热站的用户提供热水。该采暖系统可以在一个站点布置，也可按负荷分片区布置，既可节省管网费用，又方便分区域管理。锅炉本体体积小，设备布置紧凑，不需要烟囱和燃料堆放地，因此锅炉房可建在地下，但蓄热式电锅炉初期投资较大，整体占地较大。

（3）量子能电锅炉

量子能电锅炉采用量子液制热，量子液在电能激活的作用下进行冲击运动，进而产生能量转换，电能不断使量子液激活而发生物质变化，倍增释放能量，在加热过程中不断改变分子结构、运行速度及运行方向使其产生摩擦，实现低能耗高能量转换。其技术特点包括：①在环境温度相对较低时，量子热水机组加热可高达90℃，不受低温恶劣环境的影响，且水温可调，蒸汽温度可达130～230℃。②高碳分子发热油为有机合成，无污染、低挥发且常温不易着火，设备内水电分离，安全性高。③占地面积小，安装、使用及维护简单；运行性能稳定，运行时无噪声、零排污、不易结垢，环保性能高。

（4）空气热泵技术

空气源热泵通过逆卡诺循环原理，用较少的电能，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩变为高温热能，是一种节能高效的热泵技术。空气源热泵在运行中，蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量来蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后，压力及温度上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体，释放出热量加热末端散热设备进行供暖或提供生活用热水，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回蒸发器，之后再被蒸发，如此循环往复。其技术特点包括：①效率高，相比一般电采暖方式，节电50%以上，节能明显。②投资较高，系统相对复杂，运行时噪声较大。③环境温度低于5℃后，机组能效开始急剧衰减，普通的空气源热泵在-5℃以下几乎都不能使用；超低温空气源机组可以在-25℃的低温环境下正常制热，但此时的能效衰减至2.0以下。

2 运行成本比较

2.1 负荷特性及峰谷电价

以某医院采暖为例，采暖热负荷特性如图1所示。医院采暖热负荷峰值区间为8:00至19:00，热负荷系数取1.0；19：00至次日8:00考虑部分住院及急诊采暖需求，热负荷系数取0.4；日供暖等效时长取16 h；采暖面积取10 000 m2；热负荷指标取60 W/m2；总热负荷约600 kW；一个采暖季取210 d。

图1 医院采暖热负荷特性Fig.1 Heating load characteristics of hospital

锅炉用电量计算参考《城镇供热管网设计规范》CJJ34，电锅炉采暖系统全年总用电量计算式为

式中：W为采暖系统全年耗电量，kWh；Qh为采暖热负荷，kW；t为单日供热计算时间，取24 h；N为采暖期天数，d；Ti为室内计算温度，℃；Ta为采暖期室外平均温度，℃；To为采暖室外计算温度，℃；η为系统热效率。

本文研究中，对于蓄热式电锅炉采用图2所示的峰谷电价模式。每天用电时间分为高峰、低谷、平段3个时段。即：高峰时段为8:00—12:00、18:00—23:00；低谷时段为0:00—8:00；其余时间为平段。峰、平、谷时段电价分别为0.585 0元/kWh、0.367 2元/kWh、0.149 4元/kWh。

图2 峰谷电价模式Fig.2 Peak and valley electricity price model

2.2 电锅炉供暖成本分析

根据供热面积和最大功率，采用不同种类的电锅炉，投资估算如表1所示，其中蓄热式电锅炉的储热配置如表2所示，其储热放热特性如图3所示。

表1 电锅炉投资估算Table 1 Investment estimation of electric boiler

表2 蓄热式电锅炉储热配置Table 2 Heat storage configuration of regenerative electric boiler

图3 蓄热式电锅炉运行特性Fig.3 Operating characteristics of regenerative electricboilers

由表1可知，直热式电锅炉最大功率为632 kW，单位投资为80元/m2，总投资约为80万元；蓄热式电锅炉功率约为1 290 kW，单位投资为240元/m2，初投资约为240万元；量子能电锅炉最大功率为632 kW，单位投资为215元/m2，总投资约为215万元；空气源热泵，需配置空气源热泵功率300 kW，单位投资为250元/m2，总投资约为250万元。

由表2可以看出，蓄热式电锅炉全天等效供暖时长为16 h，电锅炉功率为2倍热负荷功率，储热装置容量需满足全天各时段供热，扣除电价低谷时段（8 h）供暖需求后，储热时长应达到约13 h（热负荷峰值运行13 h）。

各类电锅炉的运行成本如表3所示。可以看出，直热式电锅炉每年供暖用电量约为212万kWh，年运行费用约为59万元，折单位运行费用约为8.49元/（m2·月）；蓄热式电锅炉，每年供暖用电量约为217万kWh，采用低谷时段电价0.149 4元/kWh，年运行费用约为32万元，折单位运行费用约为4.63元/（m2·月）；量子能锅炉年运行费用约为59万元，折单位运行费用约为8.49元/（m2·月）；空气热泵技术，年运行费用约为28万元，折单位运行费用约为4.03元/（m2·月）；可以看出，蓄热式电锅炉和空气源热泵的供能成本较低。

表3 电锅炉运行成本Table 3 Electric boiler operating costs

3 峰谷电价模式对蓄热式电锅炉的影响

适当调整峰谷电价时段分布，可以有效提高新能源消纳能力，同时减小储热装置配置容量。参考目前的大工业峰谷电价，初步拟定电供暖峰谷电价曲线，如图4所示，蓄热式电锅炉在此电价模式下的运行特性如图5所示。

图4 峰谷电价模式2Fig.4 Peak and valley electricity price in model 2

图5 医院供暖电负荷特性（蓄热式锅炉，电价模式2）Fig.5 Hospital heating electric load characteristics（regenerative boiler,electricity price in mode 2）

蓄热式电锅炉按全谷电8 h进行储热，用电时段为10:00至18:00，即全天采暖需求总量通过蓄热式电锅炉的储热装置迁移至谷电时段。蓄热式电锅炉功率约1 290 kW，储热时长8 h，初投资约为160万元，蓄热式锅炉的储热配置和投资估算如表4、表5所示。可以看出，此电价模式下的投资与大工业峰谷电价模式相比，降低了80万元，运行成本则与大工业峰谷电价模式下完全相同。

表4 蓄热式电锅炉储热分析Table 4 Thermal storage analysis of regenerative electric boiler

表5 蓄热式电锅炉投资估算Table 5 Investment estimation of regenerative electric boiler

可以看出，调整峰谷电价时段分布后，由于自身采暖负荷时段与谷电电价时段基本一致，可以减小蓄热式电锅炉储热容量的配置，降低初投资。

4 直热式电锅炉与燃煤锅炉运行成本比较

分别测算燃煤供暖成本、直热式（电极式）电锅炉供暖成本以及与燃煤供暖成本持平时的供暖电价水平。计算结果表明，燃煤成本为600～1 100元/t，锅炉效率取50%，若每天供暖等效时长取16 h，单位供暖成本约为5.9～10.9元/（m2·月）；若每天供暖等效时长取11 h，初步测算单位供暖成本约为4.1～7.5元/（m2·月），计算结果见表6。

表6 燃煤锅炉供暖运行成本测算Table 6 Calculation of operating cost of coal-fired boiler heating

若采用直热式电锅炉供暖，每天供暖等效时长取16 h，年用电量约为211万kWh（能效系数取0.95），供暖电价为0.10～0.35元/kWh，单位供暖费用约为3.0～10.6元/（m2·月）；每天供暖等效时长取11 h，年用电量约为146万kWh，单位供暖费用约为2.1～7.3元/（m2·月），计算结果见表7。