锅炉采暖方式的选择

锅炉采暖方式的选择

1相对过剩、峰谷差近年来，我国大气污染日益严重，人们呼吁环境保护、清洁天空的声音越来越大。北方冬天城市污染的重要来源是燃煤锅炉产生的有害粉尘和气体。与此同时,许多地区电力出现了相对过剩、电力峰谷差不断拉大的现象。因此,在环保要求高的城市采暖供热中,燃煤锅炉房或燃煤炉灶将严格限制使用,取而代之的几种可能的采暖形式主要有集中供热的电锅炉、大型电动热泵和燃气锅炉房以及分散在用户房间内的家用燃气炉、电暖器等(见图1)。同时,为减小电力网发电的峰谷差,也可考虑在供热系统中设置蓄热装置,使得在满足采暖要求的同时,对电力负荷起到削峰填谷的作用。为此,本文将对上述采暖系统形式的应用作初步的分析与探讨。2加热和回热系统的能耗和经济性2.1采暖系统可调节系数传统采暖系统消耗的能量是燃料,而电动采暖系统所消耗的能量是电能。为更全面分析各采暖系统效率,采用一次能耗率作为所耗能评价指标。一次能耗率即单位供热量所消耗的一次能源量。图2为采暖系统在单位供热量与相应的一次能量之间的能量平衡图。其中η为采暖系统供热效率,即供热量与输入能耗之比。对于热泵系统,η为热泵性能系数与系统管道效率之积,对于锅炉供热系统,η为锅炉采暖系统的热效率与系统管道效率之积,对于热电厂,η为热电厂供热量与燃料量之比;ηe为热电厂的发电效率。实际上,一个采暖季的采暖能耗不仅取决于单位供热量采暖系统的一次能耗,还取决于采暖系统的运行时间。对于家用采暖装置,如家用热泵、家用燃气炉和电暖器等,由于系统调节灵活,启停方便,根据需要随时调整供热工况,可在房间有人时供热,而在无人时采暖设备停止运行,从而减小最大采暖负荷时间数,降低单位采暖面积的供热能耗。对于传统的集中供热系统,如锅炉房或热电联产,由于运行调节惯性大,设备启停不便,一般房间内不单独进行供热量调节,系统在整个采暖季不间断供热,最大采暖负荷小时数大,造成单位采暖面积能耗的增加。引入采暖系统可调节系数λ的概念,定义为采暖系统实际最大采暖负荷小时数与整个采暖季不间断采暖的最大负荷小时数之比。对于家用采暖装置,可调节系数一般为0.5~0.8,本文取为0.65,对于集中供热系统,可调节系数一般为1。系统一次能耗率表示单位供热容量的采暖系统单位时间能耗,它反映出在考虑可调节系数后采暖系统的能源利用效率。图3给出各系统的一次能耗率,其中有关参数的取值见表1。可以看出,设置蓄热器的电锅炉采暖一次能耗最大,电锅炉由于没有蓄热损失而一次能耗次之,考虑到可调节系数,电暖器的一次能耗小于以上两种采暖系统。热电联产系统的能耗最小。家用燃气炉和家用热泵虽然能耗明显高于热电联产系统,但由于可调节系数的影响,其一次能耗率与热电联产系统相近。2.2u3000电价采暖供热系统的经济性可从单位供热容量年运行成本加以评价,年运行成本C由初投资的折旧和运行费组成。为使问题更加简明,在运行费中仅考虑能耗费。在经济分析中,采暖系统消费和产生单位电量的价值在不同时刻是不同的。图4给出了我国某电网小时级电价典型日分布。初投资取值如表1所示,其中热源投资对于集中供热系统包括设备和土建两部分。由图5可以看出,电炉采暖的年运行费远高于其它系统,而热电联产的经济性则是所有采暖系统中最好的。其它采暖形式之间的经济性差别不十分明显。对于具体的采暖系统,系统初投资和效率与表1中的值会有所不同,各地的能源价格的制定也存在差别,因此,除了热电联产经济性明显偏好、电炉采暖的经济性明显偏差外,其它采暖系统经济性应根据具体情况加以分析和评价。3不同供暖系统的应用分析3.1传统供暖加热系统传统的采暖供热系统主要有锅炉采暖系统和热电联产集中供热系统。3.1.1燃煤锅炉的应用包括以锅炉房为热源的集中供热系统和分散在各用户房间的家用炉灶。按燃料分又有燃煤锅炉和燃油、气锅炉(燃油、气锅炉房和家用壁挂气炉)等。燃煤锅炉——包括燃煤锅炉房和家用小煤炉。家用小煤炉由于投资小、燃料价低而在小城镇的分散住宅使用较多,燃煤锅炉房则主要应用于一个小区的独立供热或承担大型区域供热系统的尖峰负荷。燃煤锅炉运行成本低,在我国城镇采暖中使用最为普遍。但是,由于能源转换效率很低,对大气的污染在所有采暖系统中是严重的,因此这种采暖形式在环保要求高的城市,应严格加以控制。燃油、气锅炉——包括应用于小区或单个楼宇采暖的集中式燃油、气锅炉供热系统和以壁挂气炉等形式设置在房间内的家用燃气炉等。由于天然气等是清洁燃料,这种采暖系统的环境污染远小于燃煤系统。另外,燃油、气锅炉运行调节灵活,尤其家用以壁挂气炉,可根据人们的作息情况随时做启停和供热量调整,从而减少了系统运行的最大采暖负荷小时数,节省了燃料量和运行费。但是,当考虑到天然气管网的追加投资,燃气锅炉采暖系统的初投资会明显增高。在运行费方面,由于油、气等燃料价格昂贵,系统的一次能耗也较高(如图3)。因此,燃油、气锅炉采暖系统,尤其是集中式燃油、气锅炉供热的推广和应用,应在深入的技术经济分析基础上慎重进行。3.1.2热电联产的经济性以热电厂为热源的区域供热系统,常见形式是热电厂中汽轮机的抽汽或背压排汽通过热交换器将热量传递给热水,并通过热网输送到各采暖用户。热电厂将高品位的热能用于发电,低品位的热能用于供热,因而能源转换效率高。如果有关参数取值如表1,对于相同的最大采暖负荷小时数,在所有采暖形式中,热电联产一次能耗是最低的。这使得热电联产系统的环境污染也很小。同时,在电力短缺时,热电厂在供热的同时发电上网,相当于减少了电力系统相应投资。从整体上看,热电联产具有很好的经济性(如图5)。因此,在保证全年充足热负荷的前提下,应鼓励热电联产的建设和现有热电厂的运行。3.2展示式供暖系统3.2.1采暖器的经济性和使用成本电锅炉——属于集中式的电采暖系统,多用于一幢楼宇或建筑密集的商业小区供热。与传统集中供热方式一样,在该系统中,热水被电锅炉加热后由热力管道输送至各用户房间。由图5可知,电锅炉系统的运行成本明显高于其它采暖系统。而且电锅炉采暖系统单位供热量的一次能耗在所有采暖形式中是最高的。因此,即使是在电力富裕的时期,电锅炉采暖的使用也应严格限制。因为电力过剩往往是短期性的,随着经济的发展,这种过剩将会消失。何况电锅炉能源转换效率极低,大量使用是不符合我国可持续发展的能源政策的。电暖器——一般设置在用户房间内,主要形式有电热微晶玻璃辐射取暖器、电热石英管取暖器、电热油汀等普通电暖器和具有蓄热功能的相变蓄热电暖器等。由于省去传统采暖系统中的热力管道和散热器,一般电暖器的投资明显较低。而且电转换为热后可直接用于采暖,转换效率为100%,避免了电锅炉采暖中因中间介质(热水)而造成的热损失。在运行方面,这种采暖装置调节灵活,使用方便,用户可根据需要对采暖装置的启停随时控制,因而可减少采暖季装置运行时间,进而可减少采暖运行费。因此,电暖器的经济性要好于电锅炉采暖系统,见图5。同时,家用电暖器不需象集中供热那样要有专门人员对采暖系统进行管理、运行和维护,也没有集中供热中所存在的计量收费难题。而且电暖器不会对使用地区产生污染。但是,电暖器存在着单位供热量一次能耗大的缺点(见图3),运行成本也高于一般的采暖系统。由于房间电路容量较小,因而当采暖负荷较大时,存在用户电路改造问题。在采暖效果上,电暖器采暖的舒适感不如传统的水暖散热器。所以,电暖器的使用应根据用户实际情况加以选择,不宜盲目推广。3.2.2热泵采暖与空调系统的比较包括大型电动热泵和家用电动热泵。大型热泵可使用于一幢楼宇的采暖或作为区域供热的热源。对于大型热泵,可在热源处设置蓄热器。家用热泵可设置在各房间内,夏季作为空调冷源,冬季作为采暖热源,启停调节灵活方便。电动热泵能源转换效率明显高于电炉,使得运行费也低于电炉。对于家用电动热泵,用户可根据需要自行调节热泵的启停,因而可进一步节省运行费用。对于夏季同时需要空调的地方,如商业建筑,热泵系统可同时满足全年的冷热负荷,因而,热泵系统用于采暖的投资会明显降低,可认为是热泵相对于空调系统所追加的投资(本文取为200元/kW)。因此,兼用制冷的热泵系统与纯采暖相比年运行费要明显降低。另外,热泵系统具备电热炉所拥有的不对使用地产生大气污染、安装运行简便以及占用面积小等优点。与燃气锅炉相比,热泵采暖在经济和能耗方面并不占有明显优势,但从国家角度看,作为发电主要能源的煤要比天然气丰富得多、廉价得多,因而,电动热泵的应用比燃气锅炉更适合我国的国情。目前普遍存在的电力过剩也会给电动热泵的发展起到推动作用。但是,电动热泵系统的不足之处是设备运行性能易受环境条件的限制。风冷热泵对气候的要求较高,一般不适于冬季气温寒冷的城市采暖供热。水源热泵在需要同时制热制冷的场合使用较为有利,在有清洁的江河湖水的地方也可使用。由此看来,在环境保护要求高的地方,如果外界条件许可,可以鼓励使用热泵采暖。如果拥有可利用水源,可优先考虑使用水源热泵,当气候条件合适时,可采用风冷热泵。3.3.3对系统投资的影响电力方面最突出的问题是峰谷差的不断拉大。如果电采暖系统仅在电力低谷期运行,则会削减电力负荷的峰谷差,有利于电力网的安全稳定运行。对于电采暖系统来讲,可使用便宜的谷价电能,使运行成本大幅度降低。而要实现电采暖系统电力低谷运行,则需要利用蓄热装置。我国蓄热的应用较少,主要集中在余热或废热利用等方面。蓄热装置的作用表现为平衡供热量和热负荷之间的关系、减小设备容量和提高系统效率等方面。因此,在采暖热负荷一定的情况下,改变不同时间电采暖系统供热量的大小,在电力低谷期多用电供热,电力高峰期少用电或不用电供热,供热量与热负荷之间的平衡可通过蓄热装置实现,从而达到减小电力峰谷差的目的。热水蓄热装置——由于采用蓄热,从整体的角度看,电动采暖系统起到了对电网的削峰填谷作用,从局部上讲,由于消耗的是低价电能,采暖系统的运行成本会大幅度降低。但是,采暖设备的投资也会相应增加,因为热源容量与无蓄热时相比增大了,同时又增加了蓄能设备。从能耗方面看,由于蓄能损失,与无蓄热相比,系统的能耗增加了。对于热泵系统,由于提高制取热量的温度,热泵性能系数显著降低,同样增大了系统能耗。而电炉采暖系统可采用有压和无压两种蓄热装置,而且由于蓄热介质为水,电炉应以电锅炉的形式加以应用。设热水蓄热效率为85%,一天中电力峰谷各占12小时,由此,表2给出了采用蓄热装置后采暖系统的有关指标。可以看出,从电力削峰填谷方面讲,增设蓄热器后的电炉采暖系统所起的作用最为显著。从蓄热器容积看,有压热水蓄热的容积明显小于无压热水蓄热,但有压热水蓄热器属于压力容器,存在安全问题。增设蓄热装置后,采暖系统的初投资将会增加,包括蓄热装置的投资和采暖系统本身因蓄热而增加的投资等。这部分附加投资的大小与蓄热装置的型式、体积、位置以及系统运行方式等有关,图6给出了随着这部分附加投资的增加,电锅炉和热泵采暖系统的年运行成本的变化情况。对于电动热泵,只有当单位供热量系统附加投资小于1500元/kW(热)时,采暖系统经济性才会比无蓄热时好。一般情况下系统附加投资小于该值。但如果蓄热器空间占用费昂贵,例如设置在市区黄金地段内,则可能使系统的蓄热附加投资骤增,导致蓄热不能提高整体系统的经济性。对于电锅炉,只要单位供热量蓄热附加投资小于4900元/kW(热),采暖系统经济性就会比无蓄热时好,通常系统蓄热附加投资不会大于此值。因此,对于电动热泵采暖,是否增设蓄热装置,应根据具体情况加以分析论证后决定。而电锅炉采暖增设蓄热装置的效果是很明显的。蓄热电暖器——在电动采暖中,可以通过热水蓄热实现电力的削峰填谷。但是由于蓄热器的容积很大,只能用于集中式的电动供热系统,若与家用电暖器结合,将会占用房间较大空间,这是不现实的。为此,一种电暖器与相变蓄热相结合的采暖装置—相变蓄热电暖器被提出来。相变材料蓄热能力大,蓄热效率高,而作为热源的电加热器成本较低,因而可以克服以上热水蓄热的不足。由表2看出,这种采暖装置的蓄热容积仅为无压热水蓄热器的约八分之一,是有压热水蓄热器的约三分之一。同时,其初投资也相对较小。另外,相变蓄热电暖器调节灵活,设置在采暖房间内,即开即用,放热功率可由风扇或者风门控制,因而可减小最大采暖负荷小时数。由图5可以看出,这种采暖装置具有很好的经济性,好于电炉和燃气锅炉采暖。同时,这种电暖器可以减小电力峰谷差,对于电网安全高效运行具有积极意义。因此,相变蓄热电暖器是一种具有良好发展前景的新型采暖系统。由于相变蓄热电暖器的耗电功率高,当房间采暖负荷较大时,存在用户电路改造问题。4