許鵬遠(yuǎn)

(東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130021)

隨著可再生清潔能源風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)多元化的供暖方式也越來(lái)越多地引起人們的關(guān)注。風(fēng)電場(chǎng)升壓站均位于距城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)的地區(qū)，遠(yuǎn)離城市集中熱源，需要獨(dú)立的區(qū)域供熱。近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目在我國(guó)能源發(fā)電中所占的比例正逐年提高，風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)的供暖方式也越來(lái)越受到關(guān)注。位于我國(guó)三北地區(qū)已建成的風(fēng)電場(chǎng)升壓站中，絕大多數(shù)采用電加熱供暖，運(yùn)行期間升壓站中電加熱供暖的站用電負(fù)荷偏高，導(dǎo)致廠(chǎng)用電率高和站用變壓器容量大，從而增加了投資和運(yùn)行成本。

隨著節(jié)能減排目標(biāo)和風(fēng)電場(chǎng)管理運(yùn)行自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)升壓站內(nèi)的供暖方案也提出了新的要求，在保證環(huán)保和建筑物供暖要求的前提下，降低供暖系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用即成為系統(tǒng)優(yōu)化的主要目的。本文主要從經(jīng)濟(jì)性角度，對(duì)幾種常用的供暖方式進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)供暖方案的選擇提供參考依據(jù)。

1 升壓站供暖方式

風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)主要包括生產(chǎn)生活綜合樓、配電裝置室、水泵房及庫(kù)房等需要供暖的建筑物。

目前升壓站常用的供暖熱源設(shè)備有:燃煤(油)鍋爐、地源熱泵、電加熱等。其中燃煤(油)鍋爐是很成熟的供暖熱源形式，其運(yùn)行費(fèi)用較低，但由于其產(chǎn)生的煤灰或煙氣中硫化物和氮氧化物對(duì)大氣污染較大，不符合國(guó)家綠色環(huán)保工程和風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目節(jié)能減排的發(fā)展宗旨，且燃煤(油)鍋爐供暖系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低，新建工程中已很少采用，因此，不以燃煤(油)鍋爐作為風(fēng)電場(chǎng)升壓站供暖的熱源進(jìn)行方案比選。

地源熱泵是一種利用淺層地?zé)豳Y源既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)設(shè)備。熱泵技術(shù)是利用制冷劑的相變過(guò)程從低溫物質(zhì)中吸收熱量釋放給高溫物質(zhì)，完成熱量的轉(zhuǎn)移過(guò)程，因此熱泵機(jī)組可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的供熱與制冷。地能分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和夏季作為熱泵制冷的冷源，即在冬季，當(dāng)機(jī)組在制熱模式時(shí)，從淺層地能中吸收熱量，通過(guò)壓縮機(jī)和熱交換器將熱量集中，并以較高的溫度釋放到室內(nèi)。在夏季，當(dāng)機(jī)組在制冷模式時(shí)，從淺層地層中提取冷量，通過(guò)壓縮機(jī)和熱交換器將冷量集中，送入室內(nèi)，同時(shí)將室內(nèi)的熱量排放到地下，達(dá)到制冷的目的［1］。地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。后兩者水源熱泵系統(tǒng)對(duì)工程所在地的水文地質(zhì)條件要求較高，受地下水資源的限制;而地埋管地源熱泵系統(tǒng)的地域應(yīng)用范圍廣，基本不受地下水文條件和政策的限制，不污染地下水，升壓站的站前區(qū)和綠化草坪等地下土層均可以作為地埋管場(chǎng)地，地埋管地源熱泵系統(tǒng)適用于大多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)的供暖空調(diào)應(yīng)用，所以采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行方案比選分析。

電加熱供暖主要是指電鍋爐、電暖器和低溫輻射電熱供暖。電熱鍋爐熱水供暖系統(tǒng)和電暖器供暖都是供暖系統(tǒng)中常用的供暖方式，不做過(guò)多介紹。低溫輻射電熱供暖是近幾年新興的供暖方式，分為發(fā)熱電纜和電熱膜。發(fā)熱電纜和電熱膜長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易老化，最大弊端是維修困難，如果發(fā)熱元件損壞，維修則要破壞裝修面層，因此在使用上有局限，目前只在少數(shù)建筑中采用。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)項(xiàng)目的調(diào)研，電加熱供暖普遍具有安裝方便、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以通過(guò)溫控設(shè)備實(shí)現(xiàn)每個(gè)房間溫度的獨(dú)立控制，便于分時(shí)段獨(dú)立運(yùn)行，但運(yùn)行電能耗高。地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)，運(yùn)行期間用電能耗較低，但由于巖土類(lèi)型和熱物性參數(shù)復(fù)雜，鉆孔和地埋管換熱器數(shù)量多，導(dǎo)致初投資費(fèi)用偏高。隨著熱源設(shè)備和配套設(shè)施生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，上述幾種供暖方式在技術(shù)應(yīng)用方面都可以滿(mǎn)足升壓站內(nèi)供暖的使用要求。

2 不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

地源熱泵系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)冬季供熱與夏季制冷的雙重功能，為了準(zhǔn)確全面地在冬冷夏熱地區(qū)進(jìn)行升壓站供暖方案的比選，根據(jù)建筑物的供暖空調(diào)要求，將電加熱供暖等只能在冬季提供熱源的供暖方式與夏季單冷空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行組合分析。

2.1 供暖空調(diào)的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

按常規(guī)風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模和布置方案，選取吉林省某400 MW風(fēng)電場(chǎng)的升壓站作為供暖方案比選的研究案例。該風(fēng)電場(chǎng)位于吉林省通榆縣瞻榆鎮(zhèn)境內(nèi)，所在地的年平均氣溫5.3℃，176天日平均溫度不大于5℃。升壓站內(nèi)需要供暖的建筑物有2座，生產(chǎn)生活綜合樓為二層建筑，建筑面積為2300 m2;水泵房及庫(kù)房為單層建筑，建筑面積為380 m2，建筑總面積2680 m2。按冬季供暖和夏季空調(diào)2個(gè)階段的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)［2］，供暖時(shí)間176天，空調(diào)利用時(shí)間1080 h，供暖熱負(fù)荷合計(jì)240 kW，空調(diào)冷負(fù)荷合計(jì)253 kW。繼電保護(hù)室和配電裝置室等電氣設(shè)備運(yùn)行的房間內(nèi)，不得布置有壓力水管的散熱器和空調(diào)等設(shè)備，故不計(jì)入本方案比選的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)。

2.2 費(fèi)用年值計(jì)算

費(fèi)用年值法因概念明確，計(jì)算方法通用簡(jiǎn)便，在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。費(fèi)用年值法就是對(duì)參與比較的各個(gè)方案的初投資和運(yùn)行費(fèi)用這2項(xiàng)性質(zhì)不同的費(fèi)用，利用投資效果系數(shù)這個(gè)折算比率，將初投資折算成與運(yùn)行費(fèi)用類(lèi)似的費(fèi)用，然后與運(yùn)行費(fèi)用相加，算出一個(gè)費(fèi)用年值，從而取費(fèi)用年值最小的技術(shù)方案作為最佳方案。采用費(fèi)用年值法進(jìn)行設(shè)備投資方案的經(jīng)濟(jì)比較，將設(shè)備初投資等額分?jǐn)偟皆O(shè)備使用年限中。費(fèi)用年值法的計(jì)算公式為［3］:

式中:CI為按動(dòng)態(tài)法計(jì)算的費(fèi)用年值;C0為設(shè)備初期投資;i為標(biāo)準(zhǔn)年利率，取8%;C為設(shè)備每年的運(yùn)行費(fèi)用(包括電費(fèi)、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)等);n為設(shè)備的使用壽命年限。

由于要比較的各種方案其初投資所包括的項(xiàng)目很多，設(shè)備本體、輔助設(shè)備、供暖空調(diào)設(shè)備等的使用年限各不相同，折算到每年的費(fèi)用也不相同。對(duì)比方案中，雖然設(shè)備使用壽命不同，但采用費(fèi)用年值的計(jì)算方法，不論各方案的使用壽命為多少年，只要將各方案的現(xiàn)金流量都折算成年值，無(wú)論使用壽命相同或不同，都可以在共同的時(shí)段“年度”內(nèi)進(jìn)行比較，給方案評(píng)價(jià)帶來(lái)了很大方便。對(duì)比費(fèi)用年值計(jì)算結(jié)果的高低，從成本的角度進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，從而判斷不同方案的優(yōu)劣。該升壓站各供暖空調(diào)制冷的費(fèi)用年值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。電鍋爐和電暖器按冬季供暖每天運(yùn)行16 h計(jì)算;地源熱泵按冬季制熱每天運(yùn)行16 h，夏季制冷每天運(yùn)行12 h計(jì)算;分體空調(diào)按夏季制冷每天運(yùn)行8 h計(jì)算。方案分析時(shí)根據(jù)熱源設(shè)備的不同，進(jìn)行冬季供暖與夏季空調(diào)的年度方案組合。

表1 供暖及制冷方式的投資統(tǒng)計(jì)

2.3 差額投資回收期計(jì)算

差額投資回收期是指在不計(jì)利息的條件下，用投資額大的方案比投資額小的方案所節(jié)約的經(jīng)營(yíng)成本，來(lái)回收其差額投資所需的期限。

差額投資回收期的計(jì)算公式為:

式中:N為逐年回收投資增加所需要的年限;K1為投資額小方案的初投資費(fèi)用;K2為投資額大方案的初投資費(fèi)用;C1為投資額小方案的運(yùn)行費(fèi)用(包括電費(fèi)、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)等);C2為投資額大方案的運(yùn)行費(fèi)用。

通過(guò)表1對(duì)3種組合方案進(jìn)行了分析，組合方案1為電鍋爐供暖+分體空調(diào)制冷方式，組合方案2為地源熱泵供暖、制冷方式，組合方案3為電暖器供暖+分體空調(diào)制冷方式。組合方案2地源熱泵的費(fèi)用年值最低，但初投資費(fèi)用最高。從工程投資差額回收期的角度進(jìn)行分析，3種組合方案的工程投資之間的差額，可通過(guò)節(jié)省的年運(yùn)行費(fèi)用來(lái)計(jì)算投資回收期，地源熱泵系統(tǒng)相對(duì)于其他2種組合方案的差額投資回收期見(jiàn)表2。

表2 地源熱泵系統(tǒng)的差額投資回收期

2.4 典型工程的經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果

針對(duì)表1的數(shù)據(jù)分析可見(jiàn)，升壓站內(nèi)冬季供暖和夏季空調(diào)的方案進(jìn)行組合，電鍋爐與分體空調(diào)的方案費(fèi)用年值最高，合計(jì)為70萬(wàn)元/年;電暖器與分體空調(diào)的方案次之，合計(jì)為59萬(wàn)元/年;地源熱泵系統(tǒng)的供暖空調(diào)方案費(fèi)用年值最低，為45萬(wàn)元/年。

該升壓站的供暖方案中，地源熱泵系統(tǒng)的初始工程投資最高，相比其它方案所高出的工程投資部分，可以通過(guò)節(jié)省的年運(yùn)行費(fèi)用來(lái)收回，收回期限僅為2.2 ～3.6 年。

3 結(jié)論及建議

從費(fèi)用年值的角度進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，地源熱泵系統(tǒng)為費(fèi)用年值最低的方案，在目前的能源價(jià)格下有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。在我國(guó)北方風(fēng)電場(chǎng)的升壓站中，需要同時(shí)解決冬季供熱和夏季制冷，應(yīng)優(yōu)先采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)。但在無(wú)人值守或少人值班的智能化升壓站中，建筑物少且以電氣設(shè)備運(yùn)行房間為主，宜采用冬季用電暖器和夏季用分體分調(diào)的方案。

節(jié)能和環(huán)保已成為當(dāng)今世界工程項(xiàng)目所必須努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源項(xiàng)目的日益增多，升壓站內(nèi)建筑供暖空調(diào)的能源消耗也越來(lái)越多，地源熱泵供熱空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用和推廣，是節(jié)能環(huán)保的有效手段。

［1］陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第2版)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］GB 50736—2012，民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］劉長(zhǎng)濱.建筑工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.