李 勇，張 旭

（國網(wǎng)浙江綜合能源服務(wù)有限公司，杭州 310014）

0 引言

近年來，隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的深入推進(jìn)，能源資源消耗持續(xù)增加，大氣污染防治形勢日益嚴(yán)峻。為貫徹落實國家大氣污染防治行動計劃相關(guān)文件的要求，加快推進(jìn)高污染燃料禁燃區(qū)建設(shè)和淘汰改造非禁燃區(qū)分散燃煤鍋（窯）爐，減少燃煤污染，各地都出臺了相關(guān)政策，對燃煤鍋爐淘汰等提出了相應(yīng)要求[1-2]。

當(dāng)前，我國電煤比重與電氣化水平偏低，大量的散燒煤與燃油消費是造成嚴(yán)重霧霾的主要因素之一。電能具有清潔、高效、安全、便捷等優(yōu)勢，目前各類電鍋爐、電窯爐等電器設(shè)備基本可以取代傳統(tǒng)燃煤鍋爐、燃煤窯爐[3-4]。

國家電網(wǎng)有限公司2013年已提出“電能替代”戰(zhàn)略，倡導(dǎo)“以電代煤、以電代油、電從遠(yuǎn)方來”的能源消費新理念，實施電能替代對于推動能源消費革命、落實國家能源戰(zhàn)略、促進(jìn)能源清潔化發(fā)展意義重大。2016年5月，國家發(fā)改委等八部委出臺了《關(guān)于推進(jìn)電能替代的指導(dǎo)意見》，對電能替代工作提出了明確要求和指導(dǎo)[5-6]。

目前，各類學(xué)校中燃煤（油）鍋爐使用較為普遍，存在著污染嚴(yán)重、能源利用率低等問題，而學(xué)校對于安全、環(huán)保等要求較高，同時學(xué)校電價較低，因此在學(xué)校開展電能替代具有諸多先天優(yōu)勢[7-8]。

1 學(xué)校用能現(xiàn)狀

目前，不同地區(qū)、不同類型學(xué)校用能情況各不相同。按照用能設(shè)備劃分，主要有照明燈具、空調(diào)、機(jī)房、鍋爐等。根據(jù)能源種類劃分，主要有電力、煤炭、燃油、天然氣等。電力主要供學(xué)校照明、空調(diào)、機(jī)房等場所應(yīng)用，煤炭主要為煤鍋爐提供燃料，一般用于廚房食物加工、熱水制取等場合，部分學(xué)校鍋爐為燃油鍋爐或燃?xì)忮仩t。學(xué)校電能替代應(yīng)用主要是對燃煤（油）設(shè)備進(jìn)行替代，主要包括鍋爐、炊具等，在實現(xiàn)能源方式轉(zhuǎn)變的同時，保證廚房食物加工、熱水制取等應(yīng)用不受影響[5]。

目前學(xué)校燃煤（油）鍋爐供熱存在以下問題：

（1）運行效率低。學(xué)校食堂鍋爐容量不大，自動控制水平低，燃燒設(shè)備和輔機(jī)陳舊老化，污染物超標(biāo)排放嚴(yán)重，效率低下。

（2）高品質(zhì)能源低品質(zhì)利用。通常學(xué)校鍋爐產(chǎn)汽壓力都在0.5~1.25 MPa，參數(shù)較高，而食堂、開水房、浴室中對蒸汽參數(shù)要求較低，食堂蒸飯和餐具消毒需要的用熱對蒸汽壓力的要求一般小于0.2 MPa，占學(xué)?？傆脽崃?5%以上的浴室用熱，其能級要求更低，一般在50℃以下。因此，傳統(tǒng)小容量燃煤（油）鍋爐供汽、供熱方式是高品質(zhì)能源低品質(zhì)利用的典型，是對高品質(zhì)能量的嚴(yán)重浪費。

（3）蒸汽輸送和換熱過程熱損失較大。從鍋爐房到用戶端（用熱設(shè)施端）都有一定的距離，需要通過管道進(jìn)行輸送，近則幾百米，遠(yuǎn)則上千米。長距離的蒸汽輸送，在一般保溫措施下的熱損失相當(dāng)可觀。

（4）配置不合理。大多數(shù)學(xué)校在裝設(shè)燃煤鍋爐時并未進(jìn)行合理設(shè)計，普遍存在“大馬拉小車”等現(xiàn)象，造成運行費用較高。

2 中小學(xué)校常用電能替代技術(shù)與設(shè)備

2.1 電鍋爐

電鍋爐也稱電加熱鍋爐、電熱鍋爐，它是以電力為能源并將其轉(zhuǎn)化成為熱能，向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機(jī)熱載體的鍋爐設(shè)備?？筛鶕?jù)輸出不同分為電熱水鍋爐和電蒸汽鍋爐。電鍋爐效率較高，環(huán)保、無污染、溫度控制準(zhǔn)確，可以完全用來替代煤鍋爐、燃油鍋爐。

特別是小型電蒸汽鍋爐，也稱為電蒸汽發(fā)生器，如圖1所示。其中容積在30 L以下的不需要強(qiáng)制報檢，使用靈活方便，可以根據(jù)需要分散就近布置，減少了管道損失，同時也可以根據(jù)需要靈活控制開關(guān)臺數(shù)，用于取代學(xué)校傳統(tǒng)燃油、燃煤鍋爐，主要在蒸飯、蒸菜、消毒等需要蒸汽的場合使用。

圖1 電蒸汽發(fā)生器

2.2 電磁灶

電炊具主要有電熱式與電磁式2種加熱方式，電熱式主要采用電阻絲發(fā)熱進(jìn)行加熱，電磁式利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行加熱，電磁灶通過加熱線圈中通入交變電流，線圈周圍便產(chǎn)生交變磁場，交變磁場的磁力線大部分通過金屬鍋體，在鍋底中產(chǎn)生大量渦流，從而產(chǎn)生烹飪所需的熱。

電磁灶主要產(chǎn)品有電磁蒸飯車、電磁蒸包爐、電磁煲湯爐以及各類電磁炒灶等，如圖2所示。與傳統(tǒng)的灶具相比，具有安全環(huán)保、效率高等特點，可以完全取代傳統(tǒng)灶具。蒸飯車（如圖3所示）類主要用于蒸飯、蒸菜等，甚至可以代替鍋爐，炒灶類主要替代原有燃油灶、燃?xì)庠睢?/p>

圖2 電磁炒灶

圖3 電磁蒸飯車

以加熱10 L水為例，自來水平均溫度按照20℃計算，加熱至100℃，不同灶具對比見表1。

表1 不同類型灶具對比

2.3 熱泵

熱泵就是靠電能拖動，迫使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。熱泵可以把不能直接利用的低品位熱能（空氣、土壤、井水、河水、太陽能、工業(yè)廢水等）轉(zhuǎn)換為可以利用的熱能，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。根據(jù)熱源的不同，熱泵分為空氣源熱泵、地源熱泵、水源熱泵等。

地源熱泵和水源熱泵整體上熱源更加穩(wěn)定，效率更高，運行成本較低，不過其初始投資稍高，對使用場所的土地、水源等有要求。空氣源熱泵整體上使用較為方便，隨著技術(shù)進(jìn)步，其在低溫狀態(tài)下也可以工作，目前已有在-25℃下工作的報道，特別適合南方地區(qū)熱水制取使用。對于學(xué)校應(yīng)用，主要用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍋爐，制取洗澡熱水。

以制取1 t熱水為例，自來水平均溫度按照20℃計，加熱至55℃，不同熱水設(shè)備能耗對比如表2所示。

表2 不同熱水制取設(shè)備對比

3 基于負(fù)荷分解的學(xué)校廚房電能替代方案設(shè)計

3.1 常規(guī)電能替代方案[9-10]

中小學(xué)校廚房蒸汽一般用來給食物加熱，產(chǎn)生蒸汽設(shè)備傳統(tǒng)上為燃煤（油）鍋爐，常規(guī)電能替代方案為用電鍋爐直接替換原有燃煤（油）鍋爐，基本滿足式（1）條件：式中：Ws為設(shè)計的電鍋爐蒸噸；Ws為原有燃煤（油）鍋爐蒸噸。

計算其運行成本：

式中：S為運行費用；F為電功率與蒸汽折算系數(shù)，一般取720；TY為電鍋爐運行時間；J為電價。

改造后的鍋爐噸位與改造前相同，采用這種改造方案，一般能夠滿足要求，從調(diào)研中可以看到，很多學(xué)校采用此種改造方案，但是其浪費較大。以1 000人學(xué)校原有1 t/h燃煤鍋爐為例，原來燃料費用一年約10萬元，人工成本約5萬元，合計15萬元，采用1 t/h電鍋爐改造，功率720 kW，年運行200天，每天滿功率運行約3 h，電價按照0.538元/kWh，年運行費用合計23萬元，改造成本僅鍋爐就需要15~20萬元，如果考慮配套變壓器增容，費用更多，投資與運行成本較高，這也是限制電能替代開展的一個關(guān)鍵因素[11-12]。

3.2 基于負(fù)荷分解的電能替代優(yōu)化方案

為實現(xiàn)電能替代改造目的，同時最大化減少運費開支，需要從實際用能設(shè)備出發(fā)，對負(fù)荷進(jìn)行分析，基于負(fù)荷分解進(jìn)行方案設(shè)計。

通過對中小學(xué)校食堂用能設(shè)備進(jìn)行調(diào)研分析，其主要包括煲湯類、蒸飯類、蒸包類，計算不同類型設(shè)備對應(yīng)的蒸汽用量：

式中：Pd為設(shè)備對應(yīng)的電功率；N為中小學(xué)校人數(shù)；Dd為設(shè)備對應(yīng)食物的單人分量；C為加熱食物的比熱，可按照水的比熱計算；Δt為加熱實物的溫差；G為考慮到損失等的修正系數(shù)；K為度電與熱量折算系數(shù)，一般取860；T為食物加熱時間；Wd為設(shè)備對應(yīng)的蒸噸數(shù)。

該方案基于實際用能設(shè)備負(fù)荷分析，采用分布式方式配置設(shè)備，能量損失較小，運行成本低，但是其投資稍高，所用設(shè)備較多，為了平衡投資與運行成本關(guān)系，可進(jìn)行修正，改為集中式配置。根據(jù)用能情況，考慮設(shè)備同時率，所配置鍋爐應(yīng)滿足一個用能周期蒸汽需量最大值：

式中：Wd（t）為用能周期中不同用能設(shè)備蒸汽需求量。

該方案相對于分布式用能設(shè)備配置其初期投資較低，但是仍然需要一定管路，并考慮到設(shè)備冗余，其運行成本將會提升，但是一般也小于原有鍋爐。

4 典型學(xué)校電能替代設(shè)計與應(yīng)用

以一所1 000人就餐的中學(xué)為例，其原來采用燃煤（油）鍋爐對食堂及澡堂進(jìn)行蒸汽供應(yīng)，滿足日常煲湯、蒸飯、蒸包等使用；使用燃油灶進(jìn)行菜肴烹制。根據(jù)實際用能場景，結(jié)合常用電能替代技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行方案設(shè)計及應(yīng)用。

4.1 食堂蒸汽供應(yīng)

食堂蒸汽主要用來蒸飯、煲湯、蒸包，根據(jù)實際調(diào)研及分析，其用能類型及相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 食堂蒸汽使用類型及相關(guān)參數(shù)

將相關(guān)參數(shù)帶入公式（3）可以得到配置相應(yīng)電磁設(shè)備所需電功率，如表4所示。

表4 蒸汽類電磁設(shè)備所需功率

根據(jù)相應(yīng)產(chǎn)品規(guī)格書，并考慮到實際應(yīng)用便捷性問題，一般配置如表5所示。

表5 食堂蒸汽類電磁設(shè)備實際配置

該方案投資較高，但是運行成本較低，適合對初期投資不太敏感單位，對于想減少初期投資，可以根據(jù)公式（5）進(jìn)行分析計算。根據(jù)實際調(diào)研，學(xué)校一般在煲湯與蒸飯，煲湯與蒸包時可能存在同時用情況，前者所需最小電功率為87.8 kW，后者所需電功率為68.8 kW，根據(jù)公式（4）計算，所需最小蒸汽噸數(shù)為0.122 t/h，根據(jù)電鍋爐產(chǎn)品規(guī)格，配置0.15 t/h電鍋爐即可滿足要求。

4.2 食堂菜肴烹制

對于使用煤炭、柴火、燃油、燃?xì)獾冗M(jìn)行菜肴烹制的食堂，可以使用電磁炒灶進(jìn)行替代，采用電磁灶后能夠完全滿足使用要求，可以參照蒸汽設(shè)備選型進(jìn)行設(shè)計，其相關(guān)參數(shù)如表6所示。

表6 食堂烹制設(shè)計相關(guān)參數(shù)

根據(jù)公式（3）可以得到滿足烹飪要求所需配置電功率為104.2 kW，根據(jù)產(chǎn)品手冊，考慮到使用便捷性，一般配置如表7所示。

表7 食堂烹制類電磁設(shè)備實際配置

4.3 洗澡熱水制備

對于學(xué)校澡堂用熱水，其溫度一般在40℃左右，傳統(tǒng)方式是使用燃煤鍋爐產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過管道輸送到水箱，與冷水混合進(jìn)而產(chǎn)生熱水，是典型的高品位能量低品位利用，造成了能源浪費。采用電加熱方式雖然較清潔，但電能消耗大，熱效率不高，采用空氣源熱泵，可以以較高的效率產(chǎn)生所需熱水，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

正常情況下供應(yīng)1 000人洗澡，共需40℃熱水30 t，熱泵系統(tǒng)提供熱水為55℃，根據(jù)公式（3）可以得到所需熱量為700 kWh，熱泵系統(tǒng)COP（制熱能效比）一般取3.5，按照每天10 h工作時間計算，配置熱泵的輸入電功率不小于20 kW即可[13]。

4.4 經(jīng)濟(jì)性分析

對于1 000人學(xué)校，常規(guī)使用1 t/h左右燃煤或燃油鍋爐供食堂蒸汽使用，使用成本包括能源費用及人工成本，由于能源利用率較低，年運行費用較高，可以采用電鍋爐、電炊具等電氣設(shè)備進(jìn)行改造，根據(jù)所選設(shè)備其投資及運行成本如表8所示。

5 學(xué)校電能替代推廣應(yīng)用建議

隨著安全、環(huán)保等要求不斷提高，大部分學(xué)校都面臨著燃煤（油）鍋爐改造等電能替代需求，從改造推廣實踐出發(fā)，對學(xué)校電能替代推廣應(yīng)用建議提出以下建議[14-15]：

表8 食堂不同用能設(shè)備對比

（1）加大政策支持力度。

目前，各級政府已出臺了電能替代的優(yōu)惠政策，不同地區(qū)之間政策優(yōu)惠度差別較大，有的進(jìn)行設(shè)備補(bǔ)貼，有的進(jìn)行運行費用補(bǔ)貼，各類財政補(bǔ)貼積極有效推動了學(xué)校電能替代推廣應(yīng)用。應(yīng)進(jìn)一步加大政策宣傳、財政支持力度，建立長效機(jī)制，促進(jìn)學(xué)校電能替代應(yīng)用。

（2）供電企業(yè)做好電網(wǎng)配套建設(shè)。

實施電能替代，一般會較大增加用電負(fù)荷，根據(jù)實際調(diào)研情況，大部分學(xué)校實施電能替代時都面臨變壓器容量不夠的問題，同時如果較多單位開展電能替代，也會對線路供電能力等提出相應(yīng)要求，電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)做好配套電網(wǎng)建設(shè)。

（3）合理設(shè)計技術(shù)方案。

目前，許多學(xué)校燃煤（油）鍋爐存在著“大馬拉小車”等設(shè)計不合理現(xiàn)象，進(jìn)行電能替代方案設(shè)計時，不能僅僅按照標(biāo)稱蒸噸進(jìn)行電鍋爐改造，應(yīng)根據(jù)實際用能設(shè)備情況、現(xiàn)場管道情況、原有設(shè)備運行情況等進(jìn)行合理方案設(shè)計，以達(dá)到投資、運行費用最優(yōu)。

（4）創(chuàng)新商業(yè)模式。

學(xué)校電能替代主要是進(jìn)行用能設(shè)備更換，需要一定投資費用，對初投資有困難的學(xué)校，可以采用合同能源、設(shè)備租賃、能源費用托管等商業(yè)模式進(jìn)行電能替代推廣。

6 結(jié)論

分析學(xué)校用能現(xiàn)狀、學(xué)校電能替代主要設(shè)備的特點及應(yīng)用場合，針對常規(guī)電能替代設(shè)計方案造成的投資及運行成本過高問題，提出分布式與集中式電能替代方案，提升能源利用效率，在滿足原有用能基礎(chǔ)上盡可能減少初期投資與運行成本。利用本文研究成果已在臺州、寧波等地多所學(xué)校開展了煤鍋爐與傳統(tǒng)灶具電能替代改造，結(jié)果表明效果良好，受到學(xué)校歡迎，推動了學(xué)校電能替代改造開展。