采暖供热系统的应用浅析

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[关键词]工业设计  

    摘要:随着环保要求的提高和电力峰谷差的拉大,燃煤锅炉采暖受到严格限制,而其他采暖形式,如燃气采暖、电动采暖和蓄热的应用,开始受到关注。本文对热电联产、燃气锅炉、电炉、电动热泵以及蓄热的应用前景做初步的分析与探讨。
关键词: 采暖 蓄热 应用 
一、引言
  近年来,我国大气污染日益严重,人们要求保护环境、净化天空的呼声日益增高,而北方冬季城市空气污染的重要来源是采暖燃煤锅炉所排放的粉尘和有害气体。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。例如,东北电网系统的最大峰谷差已是最大负荷的37%,而华北电网已达峰负荷的40%[1]。为解决电力系统的这种供需矛盾,电力系统用户侧和发电侧均采取了一定措施。在发电方面,一大批初投资巨大的抽水蓄能电站、运行费昂贵的燃油燃气尖峰电站相继建成并投入调峰运行,甚至一些高参数的大型火电厂也以被迫降低发电效率为代价而参与电力调峰。同时,电力系统也加强了用户侧管理。例如,采取分时电价,鼓励用户在电力低谷时多用电,在电力高峰时少用电。 
  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。 
二、采暖供热系统能耗和经济性
1. 能耗
  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。因此,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。
表1采暖系统有关参数的取值 对于锅炉采暖系统,单位供热量b为:
  对于热电联产系统,1/η份的燃料在提供1份热量的同时,又发出ηe/η份电量。如果这些电由电力系统中其他电厂产生,则需耗费的燃料量为为电力系统发电效率。于是,单位供热量热电联产系统的一次能耗为:   对于电动采暖系统,所耗电能由电力系统提供,于是:
  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。对于北京地区,不间断供热的最大采暖负荷小时数h可取为2000。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至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。于是,考虑到可调节系数的采暖系统一次能耗率为:   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. 经济性
  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。小时级的单位电能生产和消费的价值可由电能价值当量衡量和反映[2]。电力负荷高峰期和低谷期电能价值当量是不同。图4给出了我国某电网小时级电能价值当量典型日分布。
  对于热电联产系统,年运行成本由下式获得:   其中,k为热电联产系统初投资,元/kw(热);r为折旧率;f为燃料费;e为热电厂发电的电能价值当量,元/kw.h。
  而燃气锅炉采暖系统,年运行成本由下式计算:
  对于电动采暖系统,年运行成本可计算为:  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,电能价值当量取值如图4。图5给出各采暖系统的年运行费。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。
三、各采暖系统应用分析
1. 传统采暖供热系统
  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。
  1) 锅炉采暖
  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,尤其是北京的使用,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。目前,天然气的进京,环保意识的加强,使得燃气锅炉在北京的应用和推广成为可能。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),使得燃油、气锅炉的运行费昂贵。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。
  2) 热电联产供热系统
  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。
2. 电动采暖系统
  1) 电炉采暖
  ● 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没Х考洹S赏?可知,电锅炉系统的运行成本明显高于其他采暖系统。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。因此电锅炉采暖的使用应严格限制,即使是在电力富裕的时期。因为电力过剩往往使短期性的,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受费难题。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。
  2) 电动热泵
  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,在外界输入能量W(电能、热能)的情况下,机组从低温环境中吸收热量Q1,并将这部分低位热量提升为高位热量Q2(Q2=W+Q1)而加以利用。如果机组的性能系数(COP)为2,则消耗1个单位的能量可获得2个单位的热量,所以单位供热量一次能耗明显低于电炉采暖系统(见图3),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。
  由于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,热泵采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。
  以上对热泵的分析中对性能系数的取值较低,适合于风冷热泵。而水源热泵在制热时从水中吸取低位热能,其性能系数一般要高于风冷热泵,因而运行成本将会更低。 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。电动热泵采暖供热系统已在世界许多地方得到应用,尤其在北欧、美国和日本等地区的使用更为广泛。例如,瑞典许多地区使用了以地下水为热源的热泵供热系统。
  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、廉价的多,因而从这一角度看,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。随着气温的降低,热泵的出力反而减小,因而往往需要辅助加热装置,如图6所示。一般环境温度在-5℃以下后,热泵的工作状态明显恶化,在一定的温湿度条件下会在空气侧换热器翅片管的表面结霜。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。目前,电动热泵作为采暖的一种方式已开始得到应用,如北京的建国门饭店、建行西单分理处等均采用风冷电动热泵采暖。但是,热泵采暖在北方的推广,仍需在技术和运行经验等方面作进一步的研究和实践工作。
3)利用蓄热(TES)的电动采暖系统
  电动采暖系统的应用和推广,应以电力相对富裕为前提。实际上,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。从经济上看可使用便宜的谷价电能,使电采暖系统运行成本的大幅度降低。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。
  蓄热型式按蓄存介质的不同有直接蓄存和间接蓄存两种。间接蓄存采用某种中间介质作为蓄存介质来蓄热。这种蓄热方式的蓄热温度较高,如岩和油组成的蓄存介质蓄热温度达304℃,而用一种熔化的硝酸盐作为蓄热介质蓄热温度可达566℃[3],但间接储存方式的投资大,而采暖空调所用热量温度相对较低,故不宜采取这种蓄热方式。
  直接蓄热可将待蓄存的热水或蒸汽直接储存在蓄热容器内。直接蓄热又可分为无压蓄热和有压蓄热。无压蓄热方式最高蓄热温度可达95℃,且投资低。有压蓄热方式是将蒸汽或高温热水直接存蓄在球状或圆柱形压力容器内,蓄热温度最高可达200℃。但有压蓄热方式投资大,相当于无压方式的2至5倍[4]。
  ● 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。 表2 各蓄热采暖系统有关指标的对比(采暖面积:1万m2,采暖指标:35w/m2)四、结论
  在大气污染日益严重、电网峰谷不断拉大的形势下,城市采暖供热应选择合理的形式和运行方式,在保证供热效果的同时,为环保和电力作出贡献,实现整体效益的最大发挥。
  在所有采暖供热形式中,传统的燃煤锅炉采暖虽然运行成本低,但会造成大量粉尘和有害气体的排放,对大气的污染最为严重,因而应严格限制在市区的使用。
  电炉采暖能源转换效率低,耗电量大,经济性最差。所以应严格控制使用。但是电暖器启停调节灵活,可减少最大采暖负荷小时数,在使用区对环境不产生污染,因而对于采暖需求时间短的用户,可以考虑选择采用电暖器。电锅炉系统能耗和经济性等方面都明显不如其他采暖系统,不宜鼓励使用。
  以热电厂为热源的区域供热系统有明显的经济优势。当充分保证热电厂全年拥有足够热负荷的前提下,应优先考虑热电联产供热系统的使用。
  燃气锅炉虽然是解决环境污染问题的一种采暖途径,但运行成本高,燃气管道的建设会增加系统初投资。因此,燃气锅炉的使用应慎重进行。
  热泵应作为解决环境污染问题的有效途径,鼓励在气候条件或水源条件允许的地区加以使用。热泵的使用在多数地区刚刚起步,应在试点工程积累运行经验后再加以推广应用。
  电动采暖装置增加蓄热装置后,可对电网起到削峰添谷的作用,但会导致采暖系统的初投资、能耗和占地面积增加等问题。在电力峰谷差不断拉大的今天,蓄热在电动采暖中的应用应该引起充分重视。
参考文献
  [1]汪训昌 蓄冷空调移峰填谷及节电 中国能源 1996.11
  [2]Mao-Song Yen Time-of-day electricity Pricing Using Optimal Mix of Generation system CIRED'93,Bermingham,May,1993.
  [3]G.培克曼等著 蓄热技术及其应用 机械工业出版社
  [4]S. HORII et al., Optimal Planning of Gas Turbine Cogeneration Plants Based on Mixed-integer linear Programming. International Journal of Energy Research Vol. 11. 1987
  [5] 张寅平等 相变蓄能电暖器专利申请书 申请中 清华大学热能系暖通空调实验室附录 相变蓄热电暖器的原理
  相变蓄热电暖器的原理如下图所示,相变蓄热电暖器包括温控、时控的双重控制开关、电加热装置、换热容器、密闭在其中的相变材料和保温隔热外套组成。其特征在于时控开关内固化了时控程序,使电加热器只能在某一时间段内(电网负荷低谷段)接通。当电加热装置接通电源后,相变材料开始升温融化。当相变材料完全融化时,温控开关使加热装置停止工作,这时热量主要由相变材料以潜热方式储存起来。在室内需要加热的时候,打开风门或开启电扇,电暖器开始对外放热,液态的相变材料逐渐凝固,同时放出凝固热。由于相变过程为近似等温过程,相变潜热较大,故即使在不通电的情况下也能近似等温放热较长时间。实际应用中,电暖器外部设置隔热套,能达到很好的保温效果。隔热套保证所蓄热量存在于电暖器内,需要取暖时,隔热套部分或者全部打开,换热容器向外放出热量。隔热套的形状可以做成带有进出气门的整体箱式结构,在出气口可设置排风扇,也可以不设置风扇,完全依靠自然对流和室内空气进行热交换。
Analysis on Application of Some Space Heating Systems
Abstract As the development of environment protection and increase of electricity demand unbalance in different interval of a day, some kinds of space heating systems are put to use instead of coal-fired boiler. Application of some pace heating system, such as combined heating and cooling, gas-fied boiler, electric heating system, electric driven heat pump and thermal storage, is analyzed in this paper.
Keywords: Space heating Thermal storage Application

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