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    北方农村冬季清洁采暖方式的技术应用及经济效益分析
    时间:2019-01-16 来源:互联网
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    目前,北京、天津、河北、山西、山东、河南等多个北方省市,以煤改电和煤改气作为主要技术路径,正在积极开展煤改清洁能源工作。空气能、新万博manbetx官网登录、生物质能、地热能与余热作为常见的供暖用可再生能源,以其较低的运行成本优势得到了越来越多的重视。

    不同清洁能源应用分析

    一、燃气

    燃气往往受到管网限制,只有部分城郊农村可以应用。在农村地区敷设燃气管网受到成本和安全性限制,往往采用液化气或压缩气的方式,通过罐装或在村庄设置小型供气站的供能。山西、内蒙等地区煤层气丰富,正在尝试将煤层气提纯或与天然气掺混后作为清洁供暖主要能源加以应用。

    燃气供暖主要通过燃气锅炉集中供暖、燃气壁挂炉+散热器或地面辐射装置供暖,分布式燃气热电联产等多种方式实现。燃气供暖技术传统成熟,产业支撑和市场化能力较强,用户接受程度高,在城市煤改清洁能源工程中应用最为广泛,但其应用受到供气管网和气源可靠性影响,越来越严格的低氮排放要求也对其在农村地区的应用前景蒙上了阴影。

    二、电力

    市政电力用于供暖也受到电网容量限制,尤其在电网比较薄弱的农村地区,要实施煤改电项目往往都需要进行电网的升级改造。部分企业提出将农村光伏扶贫项目发出的电用来供暖由于发电量较小,成本太高,与光热利用相比能效较低等原因是不适宜的。在部分弃风弃光比例较高的农村地区,可考虑利用这部分电力直接供暖。

    电力供暖分为电直热和电蓄热两种方式。

    常见的电直热方式有直热式电暖器、发热电缆、电热膜、碳晶、热轨、碳纤维等,以户式系统为主。电直热升温快,控制方便,施工简单,但是运行费用最高,一般不建议采用,在部分局部或间歇供暖的场合可以有选择地加以应用。

    电蓄热是指带蓄热装置的电供暖系统,常见的电蓄热方式有蓄热电暖器、蓄热电锅炉、电锅炉+水蓄热、电锅炉+相变蓄热等,既可以用于户式系统,也可用于集中供暖,其中蓄热电暖器是目前煤改电推广的主要设备之一。电蓄热系统利用夜间谷电将全天耗热量生产出来,可充分利用峰谷电价,有效降低运行费用;但系统对电力增容的要求更高,一般为电直热系统的2-3倍,系统初投资较高,必须要有优惠的峰谷电价加以匹配才能实施,还需要有良好的放热控制措施才能达到理想效果。

    三、空气源热泵

    空气源热泵供暖系统是目前煤改电项目中应用最广的技术,它利用逆卡诺循环原理,通过输入电力从低品位的空气中提取热能,输送给供暖装置使用。空气源热泵可分为热风型和热水型。热风型热泵一般分室设置,室内机直接置于房间内,控制灵活方便,利于主动节能,没有防冻需求,但农户对室内机噪音和热风供暖的接受性还需要进一步评估;热水型热泵一般和常规热水供暖系统配套,一户一系统,末端散热方式与原土暖气相同,农户易于接受,但不易实现分室调节,长期不住室内系统有防冻要求。目前以北京为代表的煤改电项目中热水型热泵占了绝大多数。

    与电直接转化为热相比,空气源热泵能效高,一份电力可产生多份热量,对电网增容要求相对要低很多,在既有农村建筑中更易于实施。但是,空气源热泵也存在低温环境下性能下降的问题、结霜融霜、室外机噪音等问题需要解决,在严寒和高湿度地区应用还有待进一步验证。

    相关专家对15个北京空气源热泵供暖项目进行了整个供暖季的监测,系统季节cop最低1.64,最高2.99;末端采用地面辐射的由于供水温度低,cop相对较高;由于暖冬和大马拉小车现象普遍,变频压缩机表现明显由于定频压缩机;有无缓冲水箱对系统能效影响不大,系统谷电时段耗电量占整个电耗的40%-50%。

    四、地热能

    地热能供暖可以分为中高温地热直接供暖和浅层地源热泵供暖两种方式。

    中高温地热直接供暖直接利用地热资源供暖,仅需输配系统能耗,系统能效高;但其应用范围和规模受地热资源限制,采用地热井成井成本较高,采用取水换热方式回灌有一定难度,存在地热田被污染的风险;采用地下直接换热方式对管材承压要求高,换热效率低,换热面积大,初投资昂贵。

    浅层地源热泵供暖与空气源热泵类似,都具有能效高,一份电力可产生多份热量,对电网增容要求不高的特点,由于浅层地源热泵以浅层地热能作为热源,其性能较稳定,受环境温度变化影响小。浅层地源热泵供暖系统一般可分为地下水、地表水和地埋管地源热泵三种形式,其中地下水地源热泵受水资源保护约束,很难取得许可;地表水在冬季温度较低,易于解冻,较少使用;地埋管地源热泵系统投资一般较高,在单纯供暖时需要注意地下土壤的热平衡问题和地埋管的打孔场地问题。

    五、生物质能

    生物质直接低效燃烧取暖的方式已逐渐被淘汰,有希望得到大量推广应用的是生物质固体成型燃料高效燃烧供暖、沼气燃烧供暖和村镇微型生物质热电联产供暖。生物质固体成型燃料高效燃烧供暖技术相燃烧供暖对简单,能够实现分散资源的分散利用,易于市场化和产业化,但生物质原材料收储运相对困难,固体燃料容易被掺假,混入垃圾煤炭等非环保材料,在某些区域受到环保部门抵制。此外,生物质固体燃料热值相对较低,价格较高,对后期供暖费用也会产生负面影响。

    沼气技术在我国农村地区已推广多年,具有较好的应用基础。但是沼气存在热值低,需要专门燃具,在供暖季低温下产气量下降,原材料收储运较难,沼液沼渣处理和沼气池清淤等专业服务欠缺等问题,严重阻碍了该项技术的推广应用。

    村镇微型生物质热电联产在丹麦等西方发达国际得到了很好的应用,成为当地区域供暖常规热源的有益补充,国内也有试点示范。但是生物质燃料的收储运困难,发电上网受政策性影响较大,热-电供应相互影响,随着人工和燃料价格上涨,持续盈利面临挑战。

    六、新万博manbetx官网登录

    新万博manbetx官网登录热利用在我国具有悠久的历史和很好的应用研究基础,新万博manbetx官网登录供暖作为新万博manbetx官网登录热利用领域中的一个重要方向,一直受到众多的关注。新万博manbetx官网登录供暖可以分为被动式供暖和主动式供暖两种,根据热媒不同主动式供暖又可分为新万博manbetx官网登录热水供暖和新万博manbetx官网登录空气供暖两种类型。实施新万博manbetx官网登录供暖一般需要建筑满足节能设计标准,最好主被动系统结合使用。

    新万博manbetx官网登录被动式供暖最典型的应用就是被动太阳房,从上个世纪八十年代开始就在北方地区得到了大量应用,有效地改善了广大北方农村室内热环境。被动太阳房增投资不高,效果明显,但主要起改善作用,要确保室内舒适需要与其他辅助能源和主动系统配合使用。此外,被动太阳房还需对集热、蓄热、热分配和防过热进行综合设计,在保障供暖季舒适的同时避免非供暖季过热问题。

    新万博manbetx官网登录热水供暖系统是在新万博manbetx官网登录生活热水系统基础上发展起来的,集热技术成熟,产业和市场支撑较好,可分户或几种实施,也可与季节蓄热结合区域供暖。但是由于集热器暴露在室外,需要考虑防冻措施,在非供暖季系统闲置时还需要考虑防过热措施。在严寒或单纯供暖导致地下土壤过冷的项目中,也可与地埋管热泵系统复合应用,利用新万博manbetx官网登录在非供暖季为地下补热,实现新万博manbetx官网登录全年度的综合应用。

    新万博manbetx官网登录空气供暖系统是近年来针对单层、闲置易冻农房发展起来的,它以空气为工作介质,价格便宜,简单可靠,不存在冬季冻结问题和非供暖季过热问题,在非供暖季还可强化室内通风,改善室内环境。但是以空气作为工作介质,集热效率相对较低,存在空气流道积尘的隐患,对蓄热体的要求也更高。

    七、余热

    余热供暖是指利用工业低品位余热进行供暖的方式。由于热源成本较低,余热供暖在技术和经济上均具有较好的可行性。但是余热供暖最重要的是要有稳定的余热源,而余热资源与生产工艺紧密相关,连续性与稳定性一般较差;此外余热源离用热点一般距离较大,需要远距离输送热媒,需要进行技术经济分析以确定其可行性。

    常用清洁供暖技术经济分析

    为给出定量的清洁供暖费用比较,空气能源网以北京地区为例,将目前煤改电项目中最常用的空气源热泵供暖系统和蓄热电暖器与传统的燃煤炉供暖和燃气壁挂炉供暖进行了简单经济分析。

    首先,本文根据国家标准GB/T51161-2016《民用建筑能耗标准》表6.3.1,按照节能50%标准选取北京市供暖能耗为72.22kWh/(m².a)作为比较基准。以热值为6000大卡每公斤的优质燃煤计,北京市每吨燃煤单价补贴后约800元,采用高效燃煤炉效率60%,燃煤水暖炉每产生1kwh热量的价格约为0.19元,热费约72.22*0.19=13.72元/(m².a);以北京市天然气热值39.8MJ /立方米,价格2.3元/立方米,燃气壁挂炉效率按一级炉94%计算,燃气壁挂炉每产生1kwh热量的价格约为0.22元,热费约72.22×0.22=15.89元/(m²·a)。

    对空气源热泵供暖系统,以居民用电电价0.4883元/kWh,不考虑谷电优惠,要达到燃气壁挂炉同样水平空气源热泵供暖季平均能效比不能低于2.22;要达到燃煤水暖炉同样水平空气源热泵供暖季平均能效比不能低于2.57。如果考虑北京市煤改电优惠谷电0.1元/kWh的优惠政策,平电电价0.4883元/kWh,谷电时段运行耗电量占总耗电量50%,要达到燃气壁挂炉同样水平空气源热泵供暖季平均能效比不能低于1.34;要达到燃煤水暖炉同样水平空气源热泵供暖季平均能效比不能低于1.55。从以上计算可以看到,采用空气源热泵如果不考虑系统和电网初投资折旧,仅仅看运行费用是完全可以接受的。

    对蓄热电暖器,考虑北京市煤改电优惠谷电电价0.1元/kWh,平电电价0.4883元/kWh,谷电时段运行耗电量占总耗电量50%,要达到燃气壁挂炉同样水平谷电占总耗电量比例(即蓄热率)不能小于69.1%;要达到燃煤水暖炉同样水平谷电占总耗电量比例煤改电优惠不能小于76.8%。目前,根据行标JG/T 236-2008《电采暖散热器》要求,蓄热率应不小于75%,合格产品运行费用基本可与燃煤水暖炉相当。

    当然,在这里,空气能源网主要以北京市数据作为参考,其让燃煤价格略高,谷电补贴后价格较低,都对分析结果有影响。如有需要,可参照本文思路,针对当地情况进行详细分析。


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