電能替代供冷供熱技術與燃氣分布式能源的技術經濟性對比分析

(國網武漢供電公司，湖北 武漢 430074)

我國正處于工業化、城鎮化加速發展階段，居民和非居民供熱、供冷需求持續快速增長。電能替代供冷供熱技術涵蓋電采暖、電鍋爐、熱泵、蓄冷蓄熱等，具有清潔高效、自動化程度高等優點，且可利用蓄能設備削峰填谷，調節電力供應。燃氣分布式能源可同時進行冷、熱、電的供應，具有能源利用率高、供電可靠性高、網損小、環境污染小等優點。

電能替代供冷供熱技術和燃氣分布式能源是國家十三五期間著重推廣的兩大方向，現對電能替代供冷供熱技術和燃氣分布式能源的市場規模、能效模型、經濟性指標、臨界價格等進行對比分析，以方便用戶根據自身需求來選擇恰當的供冷供熱技術。

1 燃氣分布式能源、電能替代供冷供熱技術能效模型對比和技術經濟性指標設定

1.1 能效模型對比

電能替代供冷供熱項目采用蓄熱電鍋爐、蓄冷機組、熱泵、電采暖等技術，根據項目負荷需求、技術可行性、投資強度，進行自由組合(見圖1)。多采用蓄能裝置，取代分散燃煤鍋爐、燃油鍋爐供能方式[1]。

燃氣分布式能源項目根據負荷需求，多采用“燃氣內燃機+煙氣熱水型余熱直燃機+溴化鋰機組+燃氣鍋爐”等設備進行組合(見圖2)。運行模式有煙氣、熱水及補燃型，燃氣發電機組約500 ℃的煙氣和98 ℃的高溫冷卻水進入煙氣熱水型余熱直燃機，作為直燃機的熱源直接供冷供熱，當煙氣和熱水量不足，以及負荷出現高峰時，采用天然氣補燃或加入調峰設備[2]。

圖1 電能替代供冷供熱技術原理圖

1.2 技術經濟對比指標設定

技術經濟對比指標見表1所示。

2 技術經濟性對比分析

選取某機場實際運行的燃氣分布式能源項目，與電能替代供冷、供熱技術進行對比分析。能源站設計總規模為27 098 kW制冷量，17 821 kW制熱量和2×1 600 kW發電規模。采用以燃氣冷、熱、電聯供為核心的多聯供能源供應系統，為15.4萬m2新建T2航站樓供熱并承擔部分電力供應。從三個維度進行對比分析:①電能替代供熱技術比較；②電能替代供冷技術比較，遴選出經濟效益較好的電能替代技術進行組合；③與燃氣分布式能源同時供冷供熱進行比較。

圖2 燃氣分布式能源站技術原理圖

表1 電能替代供冷供熱技術與燃氣分布式能源技術經濟對比指標

2.1 電能替代供熱技術比較

根據某機場能源站的供熱情況，進行電能替代供熱技術“直熱電鍋爐、蓄熱(水)電鍋爐、蓄熱(水)熱泵、蓄熱(固體)熱泵、蓄熱(固體)電鍋爐、空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵、電采暖”的對比分析(見表2)。

參數涵蓋設備容量、制熱能力、COP、投資單價、投資單價、年運行時間、一次性投資、電力設備業擴費用、年用電量、平米耗電量、電力價格、年運行費用、供熱收益、投資回收年限。計算情況如圖3、圖4所示[3]。

表2 電能替代供冷、供熱技術比較

圖3 電能替代供熱技術指標對比1

圖4 電能替代供熱技術指標對比2

根據計算結果，設備容量較小的是水源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵；投資單價、一次性投資、業擴費用較低的是直熱電鍋爐、電采暖、蓄熱(水)電鍋爐；年用電量較少的是水源熱泵、地源熱泵、固體蓄熱熱泵；運行費用較低的是固體蓄熱熱泵、水源熱泵、蓄熱(水)熱泵。投資回收年限較低的是蓄熱(固體)熱泵、蓄熱(水)熱泵、蓄熱(固體)電鍋爐。電采暖在電價為0.6元時，無法回收成本，如果按照北京補貼電價0.3元時，投資回收期為1.9年。電能替代供熱技術排序為蓄熱(固體)熱泵、蓄熱(水)熱泵、蓄熱(固體)電鍋爐、水源熱泵。

2.2 電能替代制冷技術比較

根據某機場能源站的供冷情況，進行電能替代供冷技術“蓄冷(水蓄)、蓄冷(冰蓄)、空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵”的對比分析。計算情況如圖5、圖6所示。

根據計算結果分析可得，設備容量較小的是水源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵；投資單價、一次性投資、業擴費用較低的是蓄冷(水蓄)、空氣源熱泵、水源熱泵；年用電量較少的是水源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵；運行費用較低的是蓄冷(水蓄)、蓄冷(冰蓄)、水源熱泵；投資回收年限較低的是蓄冷(水蓄)、水源熱泵、空氣源熱泵。電能替代供冷技術排序為蓄冷(水蓄)、水源熱泵、空氣源熱泵。

圖5 電能替代供冷技術指標對比一

圖6 電能替代供冷技術指標對比二

2.3 電能替代供冷供熱技術與燃氣分布式能源的比較

經過供熱、制冷技術的比較，遴選出來供熱技術有蓄熱(固體)熱泵、蓄熱(水)熱泵、蓄熱(固體)電鍋爐、水源熱泵。制冷技術有蓄冷(水蓄)、水源熱泵、空氣源熱泵。與燃氣分布式能源同時供冷、供熱技術進行比較[4]。計算結果如圖7、圖8所示。

根據計算結果分析可得，設備容量較小的是水源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵；投資單價、一次性投資、業擴費用較低的是蓄冷蓄熱(熱泵)、空氣源熱泵、水源熱泵；年用電量較少的是蓄冷蓄熱(熱泵)、水源熱泵、地源熱泵；運行費用較低的是蓄冷蓄熱(熱泵)、蓄熱電鍋爐+蓄冷熱泵、蓄冷熱泵+電采暖。投資回收年限較低的是蓄冷蓄熱(熱泵)2.1年，水源熱泵3.3年，空氣源熱泵為4.3年，地源熱泵5.5年，蓄冷熱泵+電采暖(電價按照0.3元設定)6.1年，燃氣分布式能源為6.22年。電能替代供冷、供熱技術排序為蓄冷蓄熱(熱泵)、水源熱泵、空氣源熱泵、地源熱泵、蓄冷熱泵+電采暖。

圖7 電能替代供冷供熱技術供冷供熱技術與燃氣分布式能源的指標對比1

圖8 電能替代供冷供熱技術供冷供熱技術與燃氣分布式能源的指標對比2

2.4 以燃氣分布式能源投資回收期為約束的臨界電價分析

按照燃氣分布式能源的投資回收年限6.2年，設定天然氣價格為2.6～4.1元，測算蓄冷蓄熱(熱泵)、空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵、蓄熱電鍋爐+蓄冷熱泵、蓄冷熱泵+電采暖的臨界電價[5]，計算結果如圖9、圖10所示。

以燃氣分布式能源的投資回收期6.22年為約束值，設定商業平均價格為1.1元/(kW·h)，谷時電價為0.35元/(kW·h)，天然氣價格為3.5元/m3，進行利潤空間的計算，結果如下。

當有峰谷電價政策時，6個方案都存在利潤空間，利潤空間較好的有蓄冷蓄熱(熱泵)1.018元/(kW·h)，利潤比例74.4%，水源熱泵0.781元/(kW·h)，利潤比例41.5%，蓄冷熱泵+電采暖0.345元/(kW·h)，利潤比例49.7%。

圖9 以燃氣分布式能源投資回收期為約束的臨界電價

圖10 以投資回收期為約束的燃氣分布式能源與電能替代供冷供熱技術運行價格比較

如果沒有峰谷電價，蓄冷蓄熱(熱泵)、空氣源熱泵、水源熱泵經濟性較好。蓄熱電鍋爐+蓄冷熱泵、蓄冷熱泵+電采暖臨界電價分別為0.6元/(kW·h)、0.7元/(kW·h)，無法回收成本，商業電價無法滿足，居民電價可以考慮。

3 結 論

選取燃氣分布式能源與電能替代供冷、供熱技術進行對比分析，首先分別對電能替代供熱、供冷技術比較，遴選出經濟效益較好的電能替代技術進行組合，然后與燃氣分布式能源同時供冷供熱進行比較，結論如下。

(1)供熱和制冷情況下，經過對比分析可得，電能替代供熱技術排序為蓄熱(固體)熱泵、蓄熱(水)熱泵、蓄熱(固體)電鍋爐、水源熱泵。電能替代供冷技術排序為蓄冷(水蓄)、水源熱泵、空氣源熱泵。同時供熱和制冷情況下，與燃氣分布式能源相比，電能替代供冷、供熱技術排序為蓄冷蓄熱(熱泵)、水源熱泵、空氣源熱泵、地源熱泵、蓄冷熱泵+電采暖。

(2)當有峰谷電價政策時，6個方案都存在利潤空間，利潤空間較好的有蓄冷蓄熱(熱泵)，水源熱泵，蓄冷熱泵+電采暖；沒有峰谷電價政策，蓄冷蓄熱(熱泵)、空氣源熱泵、水源熱泵經濟性較好。蓄熱電鍋爐+蓄冷熱泵、蓄冷熱泵+電采暖臨界電價分別為0.6、0.7元/(kW·h)，無法回收成本，商業電價無法滿足，居民電價可以考慮。

(3)燃氣分布式能源更適合具有一定規模，冷熱需求較大的用戶，燃氣管道已鋪設的地區。電能替代供冷供熱技術更具有靈活性，可適應各種規模的用戶，對于電力供應穩定性要求較高，燃氣分布式能源與電能替代技術比較時，兩者的設備單位投資都會隨著規模的擴大而降低，兩者主要的經濟性影響主要受制于設備的運行時間和運行時天然氣、電力的價格。