新疆连栋育苗温室煤改电锅炉供暖系统应用及经济效益分析

肖林刚 蒋智超 王先宏 王 瑞 马月虹

(1.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 830091，2.新疆维吾尔自治区农牧业机械产品质量监督管理站，新疆 乌鲁木齐 830054，3.阿瓦提县农业农村局，新疆 阿克苏 843200)

连栋温室被越来越多地用作花卉、苗木和蔬菜的育苗方面，相较于日光温室连栋温室5面透光，可为作物提供良好的光照且光线分布均匀，使温室能够形成一个适宜的小气候环境[1]。阿瓦提县育苗连栋温室在2019年前冬季一直都是燃煤锅炉供暖，在煤改电政策的指导下，阿瓦提县将原有育苗连栋温室的燃煤锅炉改造成了电加热锅炉，温室内的散热器和供暖管路没有改动。温室冬季用燃煤供暖从现行政策与环保要求都不是发展方向，亟待一种新的供暖模式和替代能源，温室冬季供暖煤改电是一种行之有效的方法和途径[2-3]。

1 工程实例

1.1 连栋温室物理模型的建立

试验温室始建于2012年，坐落于团结村紧邻国道312旁，温室东西4跨，单跨三尖顶，跨度9.6 m。南北向开间4 m，长36 m；檐高4 m，顶高约4.7 m；温室天面角22°，温室轴线面积1382.4 m2，温室四周浇筑50 cm、高30 cm宽的混凝土墙体，温室南面采用(4 mm+9 mm+4 mm)双层中空浮法玻璃覆盖，东、西、北面和顶部采用10 mm厚聚碳酸酯双层中空板(PC)覆盖。温室内配备内遮阳和内保温幕系统，四周紧挨墙壁和苗床底下布置热镀锌圆翼型翅片暖气管加温，该温室用作于蔬菜种苗繁育。

2 温室的热负荷计算与分析

2.1 温室的维护结构及热负荷

本试验温室的覆盖材料是双层中空玻璃和聚碳酸酯双层中空板，这类覆盖材料阻热能力较差，而温室中的作物和设备基本无蓄热能力[5]。因此，温室的热负荷可根据中华人民共和国机械行业标准JB/T 10297―2014《温室加热系统设计规范》[6]，温室的采暖热负荷计算公式Q由式(1)计算

QR=Q1+Q2+Q3

(1)

式中，QR为试验温室供热总负荷，W；Q1为通过墙体、玻璃和聚碳酸酯板等围护结构热损失，W；Q2为温室冷风滲透热损失，W；Q3为温室地面热损失，W。

Q1可由式(2)计算。

(2)

式中：Kj为温室各部分围护结构(包括墙体、玻璃和聚碳酸酯板等)的传热系数，W/(m2·℃)；Akj为温室各部分围护结构的表面面积，m2；ti为室内设计温度，℃，取15 ℃；to为室外设计温度，℃，取-22 ℃。

温室建造中常用的维护结构及覆盖材料的传热系数Kj如表1所示。

表1 常用围护结构材料传热系数

本试验温室由3部分维护覆盖材料构成，墙体维护面积为22.32 m2，聚碳酸酯中空(PC)板维护面积为1788 m2，玻璃维护面积为153.6 m2。根据计算公式(2)和(3)得出：温室的围护结构散热量为：Q1=223.1 kW；

Q2可由式(3)计算。

Q2=0.5k风速VN(ti-to)

(3)

式中：k风速表示风力因子，根据温室加热系统设计规范查表(如表2)对应的参数值为 1.00；V表示温室空气体积；N为每小时换气次数。该试验温室的空气体积为 V=5529.6 m3；N为温室密闭环境下每小时换气次数，次/h，查表(如表3)可知N取1次/h。根据计算公式(3)可知，试验温室的冷风渗透热损失Q2为 102.3 kW。

表2 风速因子(k风速)

表3 每小时换气次数N推荐

地中热损失Q3可由式(4)计算

(4)

式中：ui为第i区地面传热系数，W/(m2·k)；Ai表示第i区面积，m2。温室地面热损失的速度与地面和外围护墙体结构间的距离有关，为了便于计算，通常将温室内的地面按与外围护结构的距离划分成3个区域如表4，最后按各自的传热系数和面积算出热损失之和，便得到Q3。根据公式(4)及参考《温室加热系统设计规范》，可得本试验温室的地面传热损失热负荷Q3为 296.4W。

表4 地面传热系数

2.2 温室热负荷分析

连栋温室热负荷是一个复杂的系统工程，尤其是温室中有蓄热体(植物，蓄水池和配套装备等)，本文为了便于计算没有考虑的到温室中蓄热体吸热与放热问题。有学者在进行温室能耗计算时，将白天温室获得太阳辐射热计算入温室的热负荷中[7-8]，这对温室供热设计非常不利，温室的最大热负荷在黎明时分，极端天气(连阴天、降雪天)时温室也无法获得太阳辐射热，在进行温室供热能耗计算时不应当考虑太阳的辐射热。综上所述，试验温室总的采暖热负荷Q1、Q2、Q3之和为：325.7 kW，温室单位面积散热量为：235.6 W/m2。

3 电锅炉系统的初步设计

试验温室于2019年入冬前进行煤改电锅炉升级方案，2018年的供暖期还在使用燃煤锅炉，锅炉类型为燃煤立式常压热水锅炉(如图1)，发热量为0.42 mw，即420 kW。该温室理论计算采暖负荷为325.7 kW即0.33 mW，改造前燃煤锅炉发热量选型匹配较为合理，符合理论计算要求且热量略有盈余。日运行时数为17 h左右，仅在最冷月份1月当温度降至-19 ℃以下时的半个月左右的时间里为全时运行，即日运行时数为24 h。

图1 传统燃煤立式锅炉

该温室园区为了响应阿瓦提县政府倡导的“蓝天计划”，在2019年将燃煤锅炉替换为电锅炉，改善了以往燃煤锅炉运行时排放大量的烟尘，废气和噪音等污染，更换后的电锅炉运行时零排放、无烟尘、无废气和噪音等污染，环保安全[9]。

3.1 改造技术方案

电锅炉与以往化石能源燃烧锅炉不同，是将电能转化为热量或加热介质转换热能的装置，一般由锅炉本体，蓄热水箱，终端散热系统构成，按发热装置结构可分为电阻式加热和电磁式加热锅炉[10]。本案例选用的是电阻式加热方式。电阻式锅炉具有结构紧凑、体积较小、整体重量轻、无需吊装器械即可安装，锅炉自带电脑系统可自动控温，对厂房要求不高，本项目中原有燃煤锅炉拆卸工作量大，由于改造资金有限，故在改造中燃煤锅炉没有拆除，将体积较小的电锅炉一块放置在了锅炉房，如图2。

图2 电阻式锅炉

结合温室热负荷理论计算和之前燃煤锅炉的发热量，本次改造后的电锅炉热容量选为360kW，锅炉额度工作压力 0 MPa。电锅炉的电脑控制系统电压为220 V，导热电阻电压为380 V，100～360 kW可调，鉴于锅炉功率较小，本方案选用一台锅炉，电源线路采用带 N 线和 PE线的25 mm2五股铜芯线电缆。为了安全起见，配电柜必须做接地设计，采用TN-S处理，电缆N线采用重复接地，电锅炉配电柜和水泵及其它电气设备的金属外壳和电线线槽穿线管等均做接地处理，接地电阻不应小于4 Ω。

3.2 经济效益分析

本工程案例是将发热量为0.42 mW的燃煤锅炉改造为360 kW的电阻式发热电锅炉，这里主要针对两种不同性能的锅炉运行成本进行分析。

(1)购置和安装成本。

对比两种锅炉的初始投资成本，该成本包括锅炉主体成本、环保投资成本、安装成本，锅炉房的成本按配套锅炉所要求新建厂房造价为主(表5)。

表5 两种锅炉初始成本投资

厂房投资在此以新建厂房为准，电锅炉厂房较小，没有烟囱，高度要求也较低，360 kW的厂房面积一般10 m2即可，高度大约3.5 m；燃煤锅炉0.42 mw的锅炉房厂房一般要3间房屋，即锅炉房，除尘脱硫间，电器控制水处理间兼值班室，厂房面积约28 m2，高度5.5 m，锅炉房周围(200 m内)有建筑物时，其烟囱高度应超出建筑物高度3 m以上[11]。另外燃煤锅炉房还需配置燃煤堆放场地和炉渣场地，约120 m2，可见燃煤锅炉占用厂房面积较大，配套场地要求面积也较大，对于土地资源紧张的区域不太适宜燃煤锅炉装备的使用，由表5可知，总体初始成本燃煤锅炉是电阻式锅炉的1.71倍，差别最大的投资为厂房投资，相差1.67倍。

(2)运行和维护性能分析。

燃煤锅炉和电阻发热式锅炉因其结构不同，制热形式不同，其运行和维护也有很大的差别，各自的使用性能如表6。

表6 两种锅炉维护性能表

从表6的对比分析中可以看出，无论是在使用的便利性还是在维护保养的工作量上，以及在后期的回收利用上，电锅炉都明显的优于燃煤锅炉。

(3)运行成本分析。

2种不同类型的锅炉除前期一次性投入差别很大，在运行期间产生的费用也不尽相同，通过对2019年采暖季电锅炉的运行成本和2018年燃煤锅炉的运行成本统计对比如表7。

表7 两种锅炉运行费用表

通过对本项目方案改造升级可以看出，采用电锅炉一次性投入低，运行成本也不高，燃煤锅炉运行成本主要取决于当地的燃煤价格，各地的电价都差不多，在低谷时还能享受到政府的补贴价，煤炭价格却波动很大，同时燃煤锅炉的运行人员费也远远大于电锅炉的运行人员费，就表7的对比可以看出，燃煤锅炉的供暖季运行费用是电锅炉的2.8倍。

4 结语

“煤改电”工作已是全国各个县市的重点环保工作之一，在市政供暖及大型企业中推广较为顺利，而设施农业及小微企业中因资金问题，推广较为缓慢，为促进“煤改电”替代工作的顺利推进，本文以0.42 mW的燃煤锅炉作为试验对象，研究了相近负荷的电锅炉改造方案，并对两种锅炉的改造成本和运行经济效益进行计算，为相关用户的煤改电工作提供了参考依据。