电锅炉与相变蓄热换热器联合供暖的经济性

陈洪哲， 朱 能， 杨 昆， 杨 珊， 马胜明

(1.金策工业综合大学 热能工程系， 朝鲜 平壤； 2.天津大学 环境科学与工程学院， 天津 300350)

1 概述

供暖期燃煤散烧是造成京津冀地区环境污染的重要原因之一[1-3]，寻找清洁高效的供暖方式成为有效解决环境问题的必要举措，煤改气、煤改电就是国家针对大气污染防治做出的重大决策[4-6]。电锅炉与相变蓄热换热器[7]相结合的联合供暖系统可在低谷电价时段实现供热与蓄热的联合运行，在电价高峰时段将储存的热量释放进行供热，充分利用了低谷电，对于风电资源丰富地区，还可降低弃风的情况。

目前，电供暖装置与相变蓄热装置联合供暖的研究主要集中在可行性分析[8]、与相变蓄热材料结合的电供暖装置研究[9]、相变蓄热装置性能[10-13]等，对电锅炉与相变蓄热换热器联合供暖的研究较少。

本文对电锅炉与相变蓄热换热器联合供暖系统(以下简称联合供暖系统)的工艺流程与经济性进行分析，在设备选型与经济性分析时不考虑用户侧设备。

2 工艺流程

联合供暖系统流程见图1。主要设备包括电锅炉、一二级换热器(板式换热器)、相变蓄热换热器、用户、阀门等。在尽量利用低谷电力的前提下，联合供暖系统运行方式可分为4种。

① 边供热边蓄热模式，阀门1、3、5、6打开，其他阀门关闭。电锅炉将低谷电能转换为热能，在供热的同时，相变蓄热换热器进行蓄热。

② 相变蓄热换热器单独供热，阀门2、3、6打开，其他阀门关闭。在电力高峰时段，利用相变蓄热换热器储存的热能供热，电锅炉不工作。

③ 电锅炉、相变蓄热换热器联合供热，阀门1、3、5、6打开，其他阀门关闭。在极端寒冷时段，由电锅炉和相变蓄热换热器联合供热。

④ 电锅炉单独供热，阀门1、5打开，其他阀门关闭。在相变蓄热换热器的蓄热量用尽及相变蓄热换热器维护保养的情况下，由电锅炉单独供热。

图1 联合供暖系统流程

3 工程实例

① 负荷分析

本文以位于张家口地区供暖面积为5×104m2的居住小区为研究对象。供暖时间151 d，为当年11月1日至次年3月31日。电锅炉、相变蓄热换热器、一二级循环泵均设置在小区热力站内。不同室外温度范围延续时间及供热量见表1。联合供暖系统运行方式见表2。在低谷电价时段，采用边蓄热边供热的运行方式。在高峰电价时段，由相变蓄热换热器单独向用户供热，电锅炉停止运行。因此，联合供暖系统消耗的电量均按低谷电价计算。分时电价见表3。

表1 不同室外温度范围延续时间及供热量

表2 联合供暖系统运行方式

表3 分时电价

② 设备选型

根据表1中的最大供热量42.28 W/m2，进行电锅炉、相变蓄热换热器、一级水泵、二级水泵的选型计算，不考虑热力站内管道散热损失。对于该居住小区，1 d所需供应的热量(向上圆整值)为51 MW·h。当联合供暖系统运行方式采取表2的运行方式时，22:00—次日8:00电锅炉供应的热量(向上圆整值)应达到22 MW·h，相变蓄热换热器蓄热量(向上圆整值)应达到30 MW·h。为满足上述要求，选取1台额定热功率为6 MW的电锅炉，选取4台额定蓄热量(单台)为8 000 kW·h的相变蓄热换热器。

一二级换热器的换热效率均按1.0考虑，水的比定压热容按4 186.8 J/(kg·K)计算，水的密度按977.8 kg/m3计算。一级换热器一级侧进、出水温度取90.0、78.5 ℃，二级侧进、出水温度取45.0、78.5 ℃。由此可计算得到，一级换热器一二级侧的设计流量，进而确定一级循环泵的选型流量为450 m3/h，二级循环泵的选型流量为160 m3/h。

4 经济性分析

4.1 设备造价及安装费

根据设备选型结果，确定电锅炉、相变蓄热换热器、一二级循环泵的设备造价，见表4。安装费为100×104元。

表4 设备造价

4.2 年收益及年支出

① 年收益

联合供暖系统的热价按张家口居民集中供暖价格29.55 元/(m2·a)计算，可计算得到年收益为147.75×104元/a。

② 年支出

电锅炉供暖期耗电量E的计算式为：

(1)

式中E——电锅炉供暖期耗电量，kW·h

ti——供暖期第i个室外温度范围的延续时间(见表1)，d

qi——供暖期第i个室外温度范围的供热量(见表1)，W/m2

A——居住小区供热面积，m2

η——电锅炉的热效率，取0.998

由表1数据、低谷电价(按表3选取)及式(1)，可计算得到电锅炉供暖期电费为89.06×104元/a。一二级循环泵供暖期单位供暖面积电费按文献[14]提供的2.03 元/m2计算，可计算得到一二级循环泵供暖期电费为10.15×104元/a。

联合供暖系统年耗水量按单位供暖面积耗水量0.2 t/m2计算，水价按3.64 元/t计算，可计算得到年水费为3.64×104元/a。用工量按每1×104m2供暖面积配置0.45 人，工资按3×104元/人计算，可计算得到年人工费为6.75×104元/a。维修费按设备造价的1.5%计算，可计算得到年维修费为3.03×104元/a。

由以上数据，可计算得到联合供暖系统年支出为112.63×104元/a。

4.3 经济性评价

本文采用净现值、动态投资回收期对联合供暖系统的经济性进行评价[15]。

净现值FNPV的计算式为：

(2)

式中FNPV——净现值，元/a

n——联合供暖系统使用寿命，a，取30 a

fin——年收益，元/a

fout——年支出，元/a

i——基准折现率，取0.08

动态投资回收期nP的表达式为：

(3)

式中np——动态投资回收期，a

将已知数据代入式(2)、(3)，利用EES软件(Engineering Equation Solver)进行求解，可计算得到，净现值为117.93×104元/a，动态投资回收期(向上圆整值)为13 a。

4.4 敏感性分析

本文主要分析低谷电价对经济性的影响。低谷电价上涨时，供暖成本增加，若热价仍保持29.55 元/(m2·a)，基准折现率保持不变，则每年的净现金流不断减少。经过计算，当其他条件不变，在使用寿命为30 a时净现值恰好为0所对应的低谷电价为0.168 元/(kW·h)，即低谷电价0.168 元/(kW·h)作为方案经济可行性的临界电价。当低谷电价高于0.168 元/(kW·h)时，应适当提高热价。

5 结论

介绍电锅炉与相变蓄热换热器联合供暖系统(以下简称联合供暖系统)的工艺流程。以位于张家口地区供暖面积为5×104m2的居住小区为研究对象，在负荷分析基础上，对联合供暖系统(仅利用低谷电力)进行设备选型。选取净现值、动态投资回收期作为评价指标，对联合供暖系统的经济性进行评价。当联合供暖系统的热价按张家口居民集中供暖价格29.55 元/(m2·a)计算，低谷电价为0.15 元/(kW·h)时，联合供暖系统的净现值为117.93×104元/a，动态投资回收期为13 a，项目经济性比较理想。当其他条件不变，在使用寿命为30 a时净现值恰好为0所对应的低谷电价为0.168 元/(kW·h)，即低谷电价0.168 元/(kW·h)作为方案经济可行性的临界电价。当低谷电价高于0.168 元/(kW·h)时，应适当提高热价。