“煤改電”推進(jìn)過程中電鍋爐和空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的比較研究

殷仁豪 盧海勇

上海電力設(shè)計院有限公司

0 引言

2017 年9 月，國家發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于北方地區(qū)清潔供暖價格政策的意見》（以下簡稱《意見》），制定了“煤改氣”、“煤改電”的具體價格支持政策。《意見》指出，對適宜“煤改氣”的地區(qū)降低清潔供暖的用氣成本，重點支持農(nóng)村“煤改氣”。此外，對“煤改電”的地區(qū)適當(dāng)擴(kuò)大峰谷時段價差，在采暖季適當(dāng)延長谷段時間。2017 年12 月，國家發(fā)改委、國家能源局等十部委發(fā)布了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021 年）》，重點推廣“煤改氣”和“煤改電”。

天然氣供應(yīng)由于存在季節(jié)性峰谷差較大的問題，造成天然氣供應(yīng)在供暖期短缺，而在非供暖期余量較大。供暖期間天然氣氣源不足是“煤改氣”推進(jìn)過程中遇到的瓶頸問題。如2017年的供暖期間，由于“煤改氣”實施量超過預(yù)期規(guī)劃，天然氣需求量暴增，導(dǎo)致北方地區(qū)出現(xiàn)了天然氣“氣荒”現(xiàn)象。為保證民生，一些地區(qū)臨時重新用上了燃煤鍋爐供暖。2019 年6 月，國家能源局綜合司為解決“煤改氣”和“煤改電”推進(jìn)過程中遇到的相關(guān)問題，發(fā)布了《關(guān)于解決“煤改氣”“煤改電”等清潔供暖推進(jìn)過程中有關(guān)問題的通知》，對“煤改氣”推進(jìn)過程中落實天然氣供應(yīng)提出了要求，也要求盡快落實“煤改電”的電價政策。

考慮到“煤改氣”推進(jìn)過程中遇到的問題，“煤改電”在環(huán)保、改造、安全穩(wěn)定、消納可再生能源發(fā)電、電力調(diào)峰方面具有優(yōu)勢，得到了更多的青睞。2018 年11 月，國家能源局發(fā)布的《關(guān)于做好2018-2019 年采暖季清潔供暖工作的通知》明確指出，鼓勵各類發(fā)電企業(yè)通過電力直接交易參與電供暖，研究探索新能源發(fā)電企業(yè)通過建設(shè)專用輸配電設(shè)施清潔供暖，逐步擴(kuò)大蓄熱式、熱泵型電供暖比重。電網(wǎng)企業(yè)要加強與各地“煤改電”的協(xié)調(diào)對接，在確保建設(shè)施工質(zhì)量安全前提下，加快配電網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)建設(shè)改造，并加強輸變電設(shè)備的運行監(jiān)測和安全保護(hù)。做好應(yīng)急預(yù)案，對可能出現(xiàn)的各類故障提前制定應(yīng)對措施，在最短時間內(nèi)恢復(fù)供暖用電。2019 年2 月，北京市發(fā)改委等8 個部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加快熱泵系統(tǒng)應(yīng)用推動清潔供暖的實施意見》，提出到2022 年，北京市新增熱泵系統(tǒng)利用面積2 000 萬m2，累計利用面積達(dá)到8 000 萬m2的發(fā)展目標(biāo)。此外，北京、天津、山東、河北、河南、陜西、山西、甘肅、寧夏、青海、新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、遼寧等15 個省區(qū)市的發(fā)改委和物價局積極響應(yīng)《關(guān)于北方地區(qū)清潔供暖價格政策的意見》，分別出臺“煤改電”采暖用電價格政策，采取階梯價格、鼓勵疊加峰谷電價等措施，切實降低居民“煤改電”用電成本，確保居民用得舒心。由此可見，在清潔供暖方面，“煤改電”項目有著巨大的市場潛力。

1 電供暖技術(shù)中的熱源形式及其特點

在電供暖技術(shù)中，主要有電鍋爐和熱泵兩種熱源形式，其中熱泵又可以分為地源熱泵、水源熱泵和空氣源熱泵。地源熱泵和水源熱泵對項目的客觀條件要求較多，普及率不及空氣源熱泵。此外，地源熱泵往往還存在冷熱不平衡問題，可以在綜合能源系統(tǒng)中承擔(dān)部分負(fù)荷，但不建議作為唯一的冷熱源。因此，本文主要對電鍋爐和空氣源熱泵兩種在“煤改電”推進(jìn)過程中普及率較高的熱源形式開展討論。

電鍋爐能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)化成熱能，轉(zhuǎn)化效率一般在97%左右，即1 kJ的電能只能轉(zhuǎn)化成0.97 kJ的熱能，一般情況下電鍋爐系統(tǒng)的COP 僅能達(dá)到0.9 左右。相對而言，空氣源熱泵可以電能做功，將原本不能直接利用的低位熱源空氣轉(zhuǎn)化成可以利用的高位熱能。空氣源熱泵系統(tǒng)的COP 一般情況下能夠達(dá)到3～5 左右，即通過消耗1 kJ 的電能可以產(chǎn)生成3～5 kJ 的熱能。從COP 上看，系統(tǒng)的COP 越高越節(jié)能。因此，空氣源熱泵比電鍋爐更加節(jié)能，實際運行費用更低。此外，空氣源熱泵除了可以冬季供暖外，夏季還可以用于制冷。因此，在“煤改電”政策的驅(qū)動下，空氣源熱泵受到了青睞[1]。

電鍋爐供暖系統(tǒng)存在COP較低、運行費用較貴的問題，電鍋爐往往與蓄熱裝置相結(jié)合一同組成供暖系統(tǒng)，在峰谷電價政策下，充分利用谷電，從而達(dá)到降低運行費用的目的。具體運行方式如下：白天不開啟電鍋爐，僅開啟水泵等電功率較低的設(shè)備，利用蓄熱設(shè)備在夜間所蓄的熱量進(jìn)行供暖；夜間開啟電鍋爐，采用谷電蓄熱、邊供邊蓄的方式利用谷電的低電價在保證夜間供熱負(fù)荷的同時將白天所需的熱量儲存起來。蓄熱裝置包括水蓄熱、固體蓄熱、低溫相變蓄熱和高溫相變蓄熱等。

2 電鍋爐和空氣源熱泵的比較

2.1 適用場景比較

根據(jù)清潔供暖的政策要求，一方面應(yīng)積極推進(jìn)電鍋爐供暖，鼓勵利用棄風(fēng)棄光和低谷電，另一方面應(yīng)因地制宜推廣使用空氣源、水源、地源熱泵供暖，發(fā)揮電能高品質(zhì)優(yōu)勢，充分利用低溫?zé)嵩礋崃?，提升電能取暖效率?/p>

對于電鍋爐而言，建議配套蓄熱設(shè)備如水蓄熱、固體蓄熱、低溫相變蓄熱和高溫相變蓄熱等，優(yōu)先考慮應(yīng)用于可再生能源消納壓力較大、棄風(fēng)棄光問題嚴(yán)重、電網(wǎng)調(diào)峰需求較大的地區(qū)。電鍋爐供暖系統(tǒng)既可以用于單體建筑供熱，也可用于區(qū)域集中供熱。

對于空氣源熱泵而言，建議用于分戶供熱或小型區(qū)域供熱，同時也可以作為集中供熱系統(tǒng)中的一環(huán)，承擔(dān)部分負(fù)荷，但不建議單獨作為熱源用于區(qū)域集中供熱。此外，對于項目所在地冬季室外氣溫也應(yīng)有所考慮，不建議用于極端低溫地區(qū)。

2.2 運行維護(hù)比較

電鍋爐的制熱性能穩(wěn)定，故障率低，不受外界環(huán)境影響，日常運維簡便，能夠充分保障用戶側(cè)的采暖需求?？諝庠礋岜玫闹茻嵝阅芎统鏊疁囟仁芡饨绛h(huán)境影響很大，室外溫度越低制熱量越低，出水溫度也越低，在極端溫度情況下故障率高。有報道指出，山西臨汾某煤礦集團(tuán)2017 年至2018年對供熱系統(tǒng)進(jìn)行了改造，采用空氣源熱泵替換原來的燃煤鍋爐，安裝了28 臺空氣源熱泵。在2018 年的實際運行過程中，日平均最低氣溫-9 ℃，最低-23.4 ℃，結(jié)果一共112 臺壓縮機(jī)燒毀56 臺，故障率達(dá)到50%。因此，空氣源熱泵的維修成本較高。

2.3 改造適應(yīng)能力比較

在“煤改電”項目中，采用電鍋爐代替燃煤鍋爐在施工階段較為簡便，在以下幾方面適應(yīng)能力強：裝機(jī)負(fù)荷可直接按原負(fù)荷考慮；供回水溫度可按原系統(tǒng)設(shè)計，不用改造供熱管網(wǎng)和采暖末端；電鍋爐可以布置在原燃煤鍋爐房。但是，“煤改電”項目由于采用了電鍋爐供暖，電負(fù)荷需求增加，可能需要對原供電系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容改造。

采用空氣源熱泵代替燃煤鍋爐時，可能會存在以下問題：空氣源熱泵要布置在室外，需尋找合適的場地，無法利用原鍋爐房；供熱管網(wǎng)可能不滿足要求需要改造；用戶側(cè)可能需要增加末端散熱設(shè)備。此外，空氣源熱泵耗電量雖然小于電鍋爐，但對于原先的燃煤鍋爐而言，電負(fù)荷需求的增加也不小，也存在對原供電系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容改造的需求。

2.4 投資和運維費用比較

每個項目都具有各自的特點，經(jīng)濟(jì)性比較的影響因素較多，不能一概而論。從定性分析的角度出發(fā)，在初始投資上，搭配蓄熱設(shè)備的電鍋爐供暖系統(tǒng)整體造價要低于空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，主要原因在于兩方面：電鍋爐設(shè)備費用低于空氣源熱泵；采用空氣源熱泵可能會引起供熱管網(wǎng)和末端設(shè)備的改造。但是，在運行費用上，空氣源熱泵的COP 高，相比于電鍋爐能夠節(jié)約的電費也更多，考慮到空氣源熱泵的故障率高于電鍋爐，應(yīng)額外考慮一筆維修費用。以某熱負(fù)荷10 MW 的項目為例，采用空氣源熱泵的供暖系統(tǒng)投資費用約為1 500 萬元，采用配套蓄熱設(shè)備的電鍋爐供暖系統(tǒng)投資費用約為800 萬元，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的投資比電鍋爐供暖系統(tǒng)的投資高出約700 萬元，但采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)相比電鍋爐供暖系統(tǒng)，每年能夠節(jié)約電費約140 萬元，投資差額部分的靜態(tài)回收期約為5年。

3 空氣源熱泵在“煤改電”項目中遇到的技術(shù)問題及解決方法

3.1 技術(shù)問題

在“煤改電”項目中，對于熱源的替換改造，有三部分需要匹配好：熱源，熱源匹配主要是指裝機(jī)負(fù)荷需要和原燃煤鍋爐的裝機(jī)負(fù)荷保持一致；供熱管網(wǎng)匹配主要是指需要校核改造后供熱管網(wǎng)中的流量和流速是否與原管網(wǎng)匹配；用戶側(cè)末端設(shè)備匹配主要是指需要校核改造后末端設(shè)備的散熱量是否與原散熱量保持一致。

在“煤改電”項目中，對于采用電鍋爐替換燃煤鍋爐而言，熱源、供熱管網(wǎng)和用戶側(cè)末端設(shè)備都能夠很好地匹配，但是對于空氣源熱泵而言，則存在以下技術(shù)問題：

1）受室外低溫環(huán)境影響導(dǎo)致的熱源不匹配問題

燃煤鍋爐和電鍋爐一般都安裝在室內(nèi)，而空氣源熱泵由于需要大量的空氣流通量，一般都布置于室外?？諝庠礋岜玫脑硎菍⒖諝庵械牡臀荒芰哭D(zhuǎn)化成可用的高溫能量，室外氣候條件的變化對空氣源熱泵的制熱性能和出水溫度影響很大。如某型號空氣源熱泵，在室外溫度為-7 ℃時，制熱量為90 kW，制熱電功率為37.5 kW，而在室外溫度為-15 ℃時，制熱量為82.8 kW，制熱電功率為41.6 kW。因此，當(dāng)室外溫度較低時，一方面建筑供暖熱負(fù)荷需求增加，另一方面空氣源熱泵的制熱量下降，造成熱源負(fù)荷不匹配[2]。此外，低溫條件下，當(dāng)室外空氣濕度較大時，機(jī)組的換熱器容易結(jié)霜，也會導(dǎo)致空氣源熱泵的制熱性能和可靠性下降，極易導(dǎo)致空氣源熱泵發(fā)生故障[3,4]。因此，除特制的低溫型空氣源熱泵外，一般不建議在-15 ℃以下的低溫環(huán)境中使用。

2）系統(tǒng)供回水溫差小導(dǎo)致的供熱管網(wǎng)不匹配問題

對于一部分改造項目，原燃煤鍋爐供暖系統(tǒng)的供回水由于溫差較大，而空氣源熱泵供回水溫差較小，對于原供熱管網(wǎng)而言容易出現(xiàn)不匹配問題，如水泵不匹配問題是空氣源熱泵設(shè)計過程中常見的問題之一[5]。例如，某“煤改電”項目，采用空氣源熱泵代替燃煤鍋爐，由于原先采用燃煤鍋爐時設(shè)計供回水溫差為25 ℃，如果采用空氣源熱泵直供，其供回水只有5 ℃的溫差。在供熱量相同的情況下，供回水溫差只有原來的五分之一，熱源替代后會導(dǎo)致管網(wǎng)流量增加5 倍。經(jīng)過對原供熱管網(wǎng)復(fù)核后，發(fā)現(xiàn)原供暖循環(huán)水泵的流量不滿足改造后的要求。此外，原供熱管網(wǎng)的管徑也不滿足改造后的流速要求。

3）供水溫度低導(dǎo)致的用戶側(cè)末端設(shè)備散熱量不匹配問題

燃煤鍋爐供暖系統(tǒng)的供水溫度較高，在一些項目中可以達(dá)到90～95 ℃，末端采用散熱器進(jìn)行供暖，而空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的供水溫度較低，一般在55～60 ℃。在“煤改電”項目中的熱源替代改造后，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的出水溫度由于較低，利用原散熱器采暖時，散熱能力明顯下降，采暖效果大打折扣。例如，當(dāng)采用燃煤鍋爐時散熱器的進(jìn)出水溫度為95/70 ℃，當(dāng)采用空氣源熱泵時散熱器的進(jìn)出水溫度為55/50 ℃，末端采暖采用每片標(biāo)準(zhǔn)散熱量為129 W的鑄鐵四柱760暖氣片，在不對末端散熱器進(jìn)行改造的情況下，以冬季室內(nèi)計算溫度22 ℃計，采用空氣源熱泵的散熱效果只有燃煤鍋爐的50.4%。

3.2 解決方法

對于空氣源熱泵在“煤改電”項目中遇到的上述技術(shù)問題，目前通常采用以下方法進(jìn)行優(yōu)化。

1）熱源不匹配問題

針對熱源不匹配問題目前主要采用兩種方法：在空氣源熱泵設(shè)備選型時增加一些裝機(jī)容量以滿足極端溫度條件下的采暖熱負(fù)荷需求；在空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中增加輔助電加熱設(shè)備，在極端溫度條件下開啟輔助電加熱以滿足用戶的采暖熱負(fù)荷需求。例如，在空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中增加帶有輔助電加熱的中間水箱或在系統(tǒng)中增加電鍋爐在極端溫度條件下承擔(dān)部分負(fù)荷。

2）供熱管網(wǎng)不匹配問題

供熱管網(wǎng)的流量和流速不匹配問題可以從兩個方面解決：可以對供熱管網(wǎng)進(jìn)行改造，采用滿足改造后供暖要求的供暖循環(huán)水泵及管道；可以通過增加保溫水箱的方法，由保溫水箱向用戶側(cè)供暖，通過保溫水箱保證供回水溫差與原供熱系統(tǒng)一致。

3）末端散熱量不匹配問題

對于末端散熱量不匹配的問題可以通過以下兩種方法解決：在空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中增加輔助電加熱設(shè)備，對空氣源熱泵的出水溫度進(jìn)一步抬高，從而在不改造末端采暖設(shè)備的情況下保證散熱效果與原先一致；對末端散熱設(shè)備進(jìn)行改造，例如，對于采用散熱器的供暖系統(tǒng)，可以考慮增加散熱器數(shù)量以保證制熱效果。此外，也可以考慮采用其他末端形式如地暖代替散熱器。

3.3 空氣源熱泵在改造過程中應(yīng)注意的其他問題

由于空氣的熱容量較小，空氣源熱泵為了獲取足夠的熱量，需要較大的空氣流通量。因此，空氣源熱泵所配的風(fēng)機(jī)容量往往較大，這導(dǎo)致了空氣源熱泵在運行過程中噪聲較大，如果布置在居民區(qū)，還需要配套降噪裝置。在一些分散式“煤改電”項目中，考慮到空氣源熱泵重量較重，如果需要將空氣源熱泵布置于屋頂，應(yīng)對屋頂?shù)暮奢d進(jìn)行仔細(xì)復(fù)核。對于集中供暖系統(tǒng)而言，目前市面上的空氣源熱泵單機(jī)制熱量不高，當(dāng)供暖系統(tǒng)裝機(jī)容量較大時，需要采用的空氣源熱泵數(shù)量較多，集中布置時需要注意避免各個設(shè)備之間的互相影響。此外，在室外溫度較低時，空氣源熱泵除了制熱效果下降外，COP也會隨之下降，在嚴(yán)寒地區(qū)COP可能只有2.4左右，耗電量會因此增加[6,7]。

4 結(jié)論和建議

在“煤改電”項目中，電鍋爐具有運行穩(wěn)定、熱源改造適應(yīng)性強等方面的特點，建議配套蓄熱設(shè)備如水蓄熱、固體蓄熱、低溫相變蓄熱和高溫相變蓄熱等，優(yōu)先考慮應(yīng)用于可再生能源消納壓力較大、棄風(fēng)棄光問題嚴(yán)重、電網(wǎng)調(diào)峰需求較大的地區(qū)，但采用電鍋爐供暖系統(tǒng)可能存在供電系統(tǒng)擴(kuò)容改造的問題。

考慮到空氣源熱泵的優(yōu)點在于COP高，耗電量少，運行費用低，建議用于分戶供熱或小型區(qū)域供熱，同時也可以作為集中供熱系統(tǒng)中的一環(huán)，承擔(dān)部分負(fù)荷，但不建議單獨作為熱源用于區(qū)域集中供熱。此外，如果項目所在地冬季平均氣溫較低，不僅會導(dǎo)致空氣源熱泵的COP降低、制熱效果達(dá)不到預(yù)期，還有可能影響機(jī)組壽命。在“煤改電”項目中，需要注意空氣源熱泵還可能存在與原系統(tǒng)不匹配的問題。

綜上所述，對于電供暖技術(shù)的集中供暖而言，應(yīng)以電蓄熱鍋爐系統(tǒng)為主，輔以熱泵系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性及良好的采暖效果。對于分散式供暖而言，采用COP 較高的熱泵機(jī)組能夠節(jié)省運行費用。