河水源熱泵與蓄熱電鍋爐聯(lián)合供暖系統(tǒng)研究

王 維，吳建澤，金盈利，李炳銳，李炳熙

(1.哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.中國船舶集團公司第703研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

隨著社會的發(fā)展，環(huán)境問題日趨嚴峻。傳統(tǒng)的燃煤供暖會導致大量的污染物排放。目前，國家發(fā)改委、各省、市均提出了加快推進電能清潔供暖的實施意見和辦法。其中的延長谷期電價時長，協(xié)商電價、以及相關(guān)補貼政策更是大大提升了用電供暖的經(jīng)濟性。

目前現(xiàn)有的電力供暖大多是采用蓄熱電鍋爐[1-2]的形式，但電鍋爐的熱效率永遠是小于1的。本課題提出將熱效率大于1的熱泵與電鍋爐相結(jié)合進行電力供暖，不僅可利用周圍環(huán)境的低品位能源，而且大大提高經(jīng)濟效益和減少排放。本文以東北某10萬m2供暖需求的小鎮(zhèn)為樣板，針對采用河水源熱泵[3-5]和蓄熱電鍋爐聯(lián)合供暖系統(tǒng)[6]進行了供暖方案設(shè)計，并對其經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化進行了研究。

1 熱泵聯(lián)合供暖方案和運行策略

由于穿過小鎮(zhèn)的河水上游有水力發(fā)電站，冬季河水水溫仍可達到6～8 ℃，存在大量的低品位能源可以利用。小鎮(zhèn)供暖季為11月至次年4月，小鎮(zhèn)供暖面積為10萬m2，每m2供熱負荷取70 W，最大供熱熱負荷為7 MW。河水流量為12 m3/s，可換熱至4 ℃，則可取熱量100～200 MW，遠高于供暖所需熱量。根據(jù)該地的氣象溫度變化和實際供暖需求，設(shè)計各月供暖熱負荷為：次年4月3.3 MW，11月與次年3月4.7 MW，12月至次年2月6.5 MW。

擬選用某品牌螺桿壓縮機與蒸汽相變蓄熱電鍋爐串聯(lián)工作。螺桿壓縮機輸入功率w=218 kW，制熱量為wh=704 kW，COP為3.21，熱泵蒸發(fā)溫度t0=-2 ℃，壓縮機指示效率ηi=0.866，冷凝溫度tK=60 ℃。受供暖水溫要求以及河水溫度限制，設(shè)置過冷度Δtg=5 ℃，過熱度Δtr=3 ℃，即t1=4 ℃，t2=60 ℃，t3=55 ℃，t4=1 ℃。蓄熱電鍋爐的輸出功率較為靈活，為降低初投資成本，根據(jù)熱負荷需求對其輸出熱功率進行自動調(diào)節(jié)，并保證最大熱負荷為7 MW，具體方案如表1所示。其中方案1為僅適用熱泵、方案6為僅使用電鍋爐。

表1 聯(lián)合供暖裝機組合方案

在運行方面，由于熱泵的運行花費較小，因此當優(yōu)先使熱泵機組滿功率運行，電鍋爐根據(jù)用熱需求靈活調(diào)節(jié)。此外，使用帶蓄熱功能的電鍋爐可以在谷電價時進行蓄熱，并在峰電和平電時進行斷電放熱，降低電鍋爐的運行費用[7-9]。該地的分時段電價為：谷電0.28元/kWh(0:00～7:00和21:00～24:00)；平電0.54元/kWh(7:00～7:30和11:30～17:00)；峰電0.79元/kWh(7:30～11:30和17:00～21:00)，蓄熱電鍋爐運行策略和電價如下圖1所示。

圖1 某地的分時段電價及蓄熱電鍋爐運行安排

2 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)上述的時段電價和蓄熱電鍋爐的運行策略，計算了額定供熱為1 MW的熱泵、蓄熱電鍋爐和普通電鍋爐在每天的用電費用，分別為3 863元/MW/天、6 720元/MW/天和12 360元/MW/天?？梢姴捎脽岜霉┡倪\行費用遠低于電鍋爐，僅為蓄熱電鍋爐運行費用的57%，而采用蓄熱電鍋爐又可降低接近45%的運行費用。在設(shè)備成本方面，水源熱泵的初投資價格約為85元/m2，蓄熱電鍋爐的初投資價格約為55元/m2[10]。

根據(jù)如表1中的運行方案，每年供暖系統(tǒng)高功率運行90天，中功率運行60天，低功率運行30天，計算運行的綜合COP，以及運行和投資成本。則各方案初投資和年運行費用計算如表2所示。綜合COP綜合的計算公式如下，其中w熱泵和w電鍋爐分別為熱泵和電鍋爐的電功率，COP熱泵=3.21，COP電鍋爐=0.98

表2 供暖系統(tǒng)年運行費用

(1)

由表2中計算結(jié)果可得，聯(lián)合供暖系統(tǒng)中隨著熱泵數(shù)量的增加、電鍋爐數(shù)量的減少，設(shè)備成本逐漸增高，但運行費用逐漸降低。

3 環(huán)境效益分析

采用電力供暖在運行過程中無排放污染，但所消耗的電能仍可折合成為標準煤量與傳統(tǒng)的燃煤供暖進行比較。

根據(jù)供暖熱負荷與供暖季時長，可計算獲得本供暖工程年累計供熱量R供暖為8.06×104GJ。該小鎮(zhèn)原為燃煤鍋爐供暖，提供這些熱量需要消耗的標煤量計算公式為

(2)

燃煤鍋爐總效率η取0.7，管網(wǎng)輸送能耗k取0.95，標煤熱值C取29 307 kJ，計算得到年耗標煤量M鍋爐為4 136 t。

相應(yīng)的采用表1中6種方案進行電力供暖時，對應(yīng)需要消耗的電能和轉(zhuǎn)換的標煤量，如表3所示。耗電量轉(zhuǎn)化為耗煤量的計算公式如下

(3)

火力發(fā)電效率及電力輸送效率ξ取0.33，管網(wǎng)輸送能耗k取0.95。每t標煤燃燒排放二氧化碳2.62 t、二氧化硫8.5 kg、氮氧化物7.4 kg、一氧化碳23 kg。采取各方案供暖所排放的除二氧化碳以外的污染物如表3所示。

表3 供暖系統(tǒng)年耗煤量和污染物排放量

由表中可以看出，聯(lián)合供暖方案中所采用的熱泵機組越多，耗電量越少，折合成的耗煤量和污染物排放量越小。其中，方案3所折合的耗煤量與燃煤供暖的耗煤量相接近。

上文分別討論了6種水源熱泵與蓄熱電鍋爐聯(lián)合供暖方案的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。6種方案的初投資費用、年運行費用和年污染物排放量如圖2所示。

圖2 聯(lián)合供暖系統(tǒng)三指標優(yōu)化

4 結(jié)論

由文中可以得到以下結(jié)論：(1)年運行費用和年污染物排放隨著聯(lián)合供暖方案中電鍋爐供熱負荷的增加而線性增加，初投資費用隨電鍋爐供熱負荷的增加而減少。(2)根據(jù)三個指標綜合判斷，方案2的8臺熱泵和1.4 MW的蓄熱電鍋爐為最優(yōu)方案，運行費用為39.6元/m2接近燃煤采暖的費用，且污染物排放相比于燃煤供暖每年可減少30 t。