基于全能量比較的城市供暖方式能源利用率評價

馬坤茹,李聯(lián)友,支 志

(1.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.河北建筑工程學(xué)院城建系,河北張家口075024;3.保定供熱有限責(zé)任公司,河北保定 071051)

基于全能量比較的城市供暖方式能源利用率評價

馬坤茹1,李聯(lián)友2,支 志3

(1.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.河北建筑工程學(xué)院城建系,河北張家口075024;3.保定供熱有限責(zé)任公司,河北保定 071051)

城市供暖方式按與電力生產(chǎn)的關(guān)系分為熱電聯(lián)產(chǎn)式、熱電分產(chǎn)式和電熱式。在比較供暖方式的能源利用率時,傳統(tǒng)的熱電分?jǐn)偡椒ù嬗袪幾h。為此,提出新的熱電分?jǐn)偡椒?其研究的對象是各種采暖方式加相關(guān)供電方式組成的全能量供暖模式。此方法首先確定各種供暖方式所匹配的相關(guān)供電方式,并根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)供暖模式的熱電比確定各供暖模式的基準(zhǔn)目標(biāo)熱電比;其次從城市整體利益的角度,確定各種供暖方式的全周期組成;再搜集每種供暖模式各環(huán)節(jié)的效率性能數(shù)據(jù),

計算出相對終端用能的全能量效率來進行比較。

城市供暖方式;全能量;熱電聯(lián)產(chǎn);熱電比

在進行熱電分產(chǎn)供熱方式與熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方式比較時,通常有2種方法。一種方法是將熱電聯(lián)產(chǎn)分解成供熱、供電,再將聯(lián)產(chǎn)分解后的供熱與分產(chǎn)供熱進行比較,這是目前最常用的方法,但這種方法在熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)怎樣“分解”的問題上存在爭議[1]。另一種方法是將分產(chǎn)供熱加純發(fā)電廠供電進行組合,再將這種組合與熱電聯(lián)產(chǎn)方式進行比較,即“組合”的方法,這種方法避免了因?qū)犭娐?lián)產(chǎn)進行人為“分解”帶來的偏差[2]。

毛鴻禧在滿足終端用能條件下,全面考察從一次能源到終端用能的整個過程的一次能源種類、能源轉(zhuǎn)換、能耗、環(huán)境污染、社會工程量的消耗以及經(jīng)濟效益等因素,提出最大能源利用價值模型[3]。

筆者以城市整體為對象,確定各種供暖方式的全周期組成,利用“組合”的方法[4],從節(jié)能角度對供暖模式一次能源利用率進行量化分析。

1 供暖方式

城市采暖工程項目有多種方案可供選擇,這里選擇7種常見供暖方式作為評價的對象(見表1)。

表1 主要供暖方式Tab.1 Main heating modes

2 全能量利用率評價方法

2.1 滿足需求上可比的要求

采暖工程的實施一般只能選擇其中的一個方案而不會同時接受其他方案,即將可供選擇的多種方案視為互斥方案,對互斥方案的評價要求具有功能上的可比性。

不同能源技術(shù)方案相互進行比較,必須首先具備滿足需求上可比原則。表1所列7種供暖方式中,有2種是聯(lián)產(chǎn)方式,能夠提供熱能和電能兩方面的需求;而其他供暖方式只能提供供暖單方面需求。從原理上,可以把綜合利用方案劃分成幾個單獨的方案,把綜合利用方案全部成本進行分?jǐn)?然后按單一產(chǎn)品進行比較,然而熱電聯(lián)產(chǎn)成本分?jǐn)傆卸喾N方法,分?jǐn)偨Y(jié)果也各不相同,哪種方法最合理一直是一個有爭議的問題。為了符合產(chǎn)品品種可比條件并避開“分?jǐn)偂钡膯栴},就要把熱電聯(lián)產(chǎn)方案同單純?yōu)榱藵M足供暖的鍋爐房和單純?yōu)榱藵M足供電的凝汽式電站2個分產(chǎn)方案組成的聯(lián)合方案(簡稱供暖模式)進行比較;為了符合產(chǎn)品產(chǎn)量可比條件,各方案滿足用戶的熱電量必須相等,對效率比較而言,各方案滿足終端用戶的熱電比例即“目標(biāo)熱電比”必須相等。因為供暖模式比較中有熱電聯(lián)產(chǎn)模式的介入,筆者才選用全能量比較的方案進行分析評價;而且因為燃天然氣聯(lián)產(chǎn)模式比燃煤聯(lián)產(chǎn)模式的熱電比性能優(yōu),即燃天然氣聯(lián)產(chǎn)模式熱化發(fā)電率相對高,根據(jù)比較目標(biāo)從優(yōu)原則,筆者選用燃天然氣聯(lián)產(chǎn)模式熱電比作為相互比較的“目標(biāo)熱電比”。滿足相同“目標(biāo)熱電比”是進行各供暖模式全能量比較的核心條件。

2.2 滿足影響范圍可比的要求

滿足需求上可比的同時還要滿足影響范圍的可比原則。評價城市供暖方案的優(yōu)劣應(yīng)以城市的整體效益進行評價,為此,將供暖系統(tǒng)的分析對象擴展為從上游的能源供應(yīng)(供煤、供氣、供電)、經(jīng)熱源生產(chǎn)和熱網(wǎng)輸送、直至最終熱用戶的全過程,把供暖方式效率評價限定在與整個城市有直接關(guān)系的“全周期”范圍內(nèi)。

綜上所述,將供暖方式全能量比較方案的對象、指標(biāo)和條件進行匯總(見表2)。

表2 全能量比較方案的對象、指標(biāo)和條件Tab.2 Object,indexes and condition of overall energy evaluation

3 計算實例及評價分析

筆者選擇保定市作為案例城市,搜集每種供暖模式各環(huán)節(jié)的效率性能數(shù)據(jù),計算并比較各種供暖模式全能量效率。

3.1 供暖模式各環(huán)節(jié)效率選取及全周期效率計算

首先將供暖模式中的供暖方式及相關(guān)供電方式劃分為城市熱電源效率、小型區(qū)域熱電源效率(含交換站)、戶式熱源效率、城市網(wǎng)傳輸效率、庭院網(wǎng)傳輸效率(包括庭院網(wǎng)、不均勻熱損失等)、戶式熱源效率等環(huán)節(jié)效率。

中國各種供能設(shè)施能源轉(zhuǎn)換、輸送的性能標(biāo)準(zhǔn)還不完善,而且其實際性能亦隨地域和時段等因素而變化,所以目前對效率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的取值只能在工程實踐中搜集、匯總,確有半準(zhǔn)確、半經(jīng)驗性。根據(jù)近幾年對保定市各種供暖模式各環(huán)節(jié)效率的跟蹤調(diào)查,數(shù)據(jù)主要來自保定供熱公司、保定市燃氣公司等單位運行經(jīng)驗統(tǒng)計。對各環(huán)節(jié)效率賦值列表并計算全周期效率(見表3)。

全周期效率計算:

其中ηi表示供能方式各環(huán)節(jié)效率。

比如:燃煤集中鍋爐房供暖的全周期效率=80%(城市熱源效率)×95%(城市網(wǎng)效率)×99%(交換站效率)×92%(庭院網(wǎng)效率)×88%(均勻性熱效率)=60.9%。

3.2 目標(biāo)熱電比的計算

表3中計算出了各種供暖模式供熱、電兩種產(chǎn)品的全周期熱效率,以此可計算出“目標(biāo)熱電比”。滿足需求上可比的“目標(biāo)熱電比”是指需求側(cè)熱電比。燃天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)需求側(cè)供熱量為熱電聯(lián)產(chǎn)消耗的一次能源量乘以供暖全周期效率;需求側(cè)供電量為熱電聯(lián)產(chǎn)消耗的一次能源量乘以供電全周期效率。因此,燃天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)需求側(cè)的熱電比為供暖全周期效率與供電全周期效率之比,即33.7∶38.8=1∶1.15。同理,燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)滿足需求側(cè)熱電比為38.1∶23.8=1∶0.63。燃天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)總效率和供電比例均高于燃煤熱電聯(lián)產(chǎn),前者性能優(yōu)于后者,所以在進行供暖模式全能量比較時,選定燃天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)熱電比作為基準(zhǔn),也就是說相關(guān)采暖的用戶終端需求全能量熱電比為1∶1.15,以此作為各種供暖模式進行“全能量比較”時的目標(biāo)熱電比。

模式4中熱電聯(lián)產(chǎn)每供1個單位的終端用熱量,需匹配純凝發(fā)電機組供1.15-0.63=0.52個單位的終端供電量;其他模式每供1個單位的終端用熱量,需匹配純凝發(fā)電機組供1.15個單位的終端供電量。對應(yīng)的全能量均為2.15個單位。

表3 供暖模式各環(huán)節(jié)效率取值及全周期效率計算Tab.3 Efficiency value and w hole cycle efficiency of each link of heating modes

3.3 各種供暖模式全能量效率計算

根據(jù)能源利用效率的基本定義,可推出完成熱電比1∶1.15的終端用能目標(biāo)各種供暖方式的全能量總效率計算式[6～8]。

1)分產(chǎn)式供暖模式全能量總效率計算:

2)燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)式供暖模式全能量總效率計算:

3)燃天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)全能量總效率計算:

4)全能量總效率計算舉例:

模式1(燃煤集中鍋爐房)全能量總效率=2.15/(1/0.609+1.15/0.352)=43.8%。

模式4(燃煤集中熱電聯(lián)產(chǎn))全能量總效率=2.15/(1.63/(0.381+0.238)+0.52/0.352)=52.3%。

模式5(燃天然氣熱電聯(lián)產(chǎn))全能量總效率=33.7%+38.8%=72.5%。

將全部計算結(jié)果列表見表4。

3.4 案例定量計算結(jié)果與定性解釋的一致性分析

通過全能量效率的定量計算比較可得,“燃天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)供熱”模式的全能量一次能源利用率最高,對案例城市各種供暖方式從優(yōu)到劣排序,并進一步定性分析原因如下。

模式5:天然氣燃燒效率高,聯(lián)產(chǎn)效率、熱電比性能優(yōu),分布式供能輸送效率居中;

模式4:燃煤聯(lián)產(chǎn)效率高,熱電比性能、供能輸送效率低;

模式3:天然氣燃燒效率高,但沒有聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)勢,熱能輸送效率高;

模式7:純凝機組發(fā)電的熱效率低,水源熱泵制熱系數(shù)高,能源輸送效率居中;

模式2:天然氣燃燒效率高,但沒有聯(lián)產(chǎn)和熱泵的優(yōu)勢,供能輸送效率居中;

表4 全能量供暖模式總效率Tab.4 To tal efficiency of heating mode based on overall energy

模式1:煤的燃燒效率低,沒有聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)勢,且供能輸送效率也低;

模式6:純凝機組發(fā)電的熱效率遠遠低于鍋爐供暖,用電直接供暖最不合適。

定性分析進一步說明了案例城市基于全能量比較的城市供暖方式能源利用率評價結(jié)果的合理性。

4 結(jié) 語

理論分析和案例計算詳細介紹了基于全能量比較的城市供暖方式能源利用率評價方法。此方法首先將“目標(biāo)熱電比”作為各種供暖方式的統(tǒng)一目標(biāo),避免了通常單一比較供熱效率因?qū)犭娐?lián)產(chǎn)進行人為“分解”帶來的偏差,真正保證了不同能源技術(shù)方案相互進行比較必須首先具備滿足需求上可比原則;其次,從城市整體利益的角度,確定各種供暖方式的全周期組成,滿足影響范圍的可比原則,是一種更科學(xué)、更實用的城市供暖方式能源利用率評價方法。

[1] 周少祥,胡三高,童 軼.熱電聯(lián)產(chǎn)供熱成本與熱價研究[A].供熱新技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集[C].大連:中國電機工程學(xué)會熱電專業(yè)委員會,1998.

[2] 韓學(xué)廷,郁 剛.熱電冷聯(lián)產(chǎn)與熱電聯(lián)產(chǎn)加電制冷能耗比較分析[J].暖通空調(diào)(Heating Ventilating and Air Conditioning),2005,35(8):129-131.

[3] 毛鴻禧.全能量產(chǎn)供分析——最大利用價格模型[A].供熱新技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集[C].大連:中國電機工程學(xué)會熱電專業(yè)委員會,1998.

[4] 支 志.保定市供暖模式全能量評價與決策研究[D].北京:清華大學(xué),2006.

[5] 北京市政府專家顧問團供熱組.北京市民用建筑供熱方式與發(fā)展研究[M].北京:清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系,2004.

[6] 嚴(yán)俊杰,黃錦濤,張 凱,等.發(fā)電廠熱力系統(tǒng)及設(shè)備[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2003.

[7] 崔明輝,趙全勝.“并聯(lián)環(huán)路壓力損失相等”用于供暖系統(tǒng)水力計算的適用性分析[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2005,26(4):334-336.

[8] 孫玉釵.人-服裝-環(huán)境系統(tǒng)熱濕舒適性的理論研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2003,24(4):61-66.

Evaluation on energy utilization efficiency of city heating modes based on overall energy

M A Kun-ru1,L ILian-you2,ZH IZhi3
(1.College of A rchitecture Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;2.Department of U rban Construction,Hebei Institute of A rchitecture and Civil Engineering,Zhangjiakou Hebei075024,China;3.Baoding Heating Limited Liability Company,Baoding Hebei 071051,China)

City heating modes can be divided into three types based on its relation and power p roduction:cogeneration,separate generation of heat power and electrothermal.Traditional heat electricity share method has been disputed in evaluation on energy utilization efficiency of city heating modes.The new heat electricity sharemethod is put fo rward,w hose research object is overall energy heating mode based on various heating modes and related power supp ly modes.Themethod firstly determines the power supply mode suited to a certain heatingmode,and then the target benchmark heat-to-electricity ratio according to the heating mode heat-to-electricity ratio of cogeneration.Secondly,it determines the overall cycle components of various heating modes w ith regard to the w hole p rofitsof cities.Finally,the performance dataof each section of various heating modesare collected and the overall energy efficiencies relative to terminal energy consump tion are calculated fo r comparison.

city heating mode;overall energy;cogeneration;thermoelectric ratio

TK11

A

1008-1542(2010)01-0062-05

2009-06-03;

2009-09-28;責(zé)任編輯:馮 民

馬坤茹(1968-),女,河北保定人,高級工程師,碩士,主要從事能源及用熱計量等方面的研究。