新疆連棟育苗溫室煤改電鍋爐供暖系統(tǒng)應用及經(jīng)濟效益分析

肖林剛 蔣智超 王先宏 王 瑞 馬月虹

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所，烏魯木齊 830091，2.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督管理站，新疆 烏魯木齊 830054，3.阿瓦提縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，新疆 阿克蘇 843200)

連棟溫室被越來越多地用作花卉、苗木和蔬菜的育苗方面，相較于日光溫室連棟溫室5面透光，可為作物提供良好的光照且光線分布均勻，使溫室能夠形成一個適宜的小氣候環(huán)境[1]。阿瓦提縣育苗連棟溫室在2019年前冬季一直都是燃煤鍋爐供暖，在煤改電政策的指導下，阿瓦提縣將原有育苗連棟溫室的燃煤鍋爐改造成了電加熱鍋爐，溫室內(nèi)的散熱器和供暖管路沒有改動。溫室冬季用燃煤供暖從現(xiàn)行政策與環(huán)保要求都不是發(fā)展方向，亟待一種新的供暖模式和替代能源，溫室冬季供暖煤改電是一種行之有效的方法和途徑[2-3]。

1 工程實例

1.1 連棟溫室物理模型的建立

試驗溫室始建于2012年，坐落于團結村緊鄰國道312旁，溫室東西4跨，單跨三尖頂，跨度9.6 m。南北向開間4 m，長36 m；檐高4 m，頂高約4.7 m；溫室天面角22°，溫室軸線面積1382.4 m2，溫室四周澆筑50 cm、高30 cm寬的混凝土墻體，溫室南面采用(4 mm+9 mm+4 mm)雙層中空浮法玻璃覆蓋，東、西、北面和頂部采用10 mm厚聚碳酸酯雙層中空板(PC)覆蓋。溫室內(nèi)配備內(nèi)遮陽和內(nèi)保溫幕系統(tǒng)，四周緊挨墻壁和苗床底下布置熱鍍鋅圓翼型翅片暖氣管加溫，該溫室用作于蔬菜種苗繁育。

2 溫室的熱負荷計算與分析

2.1 溫室的維護結構及熱負荷

本試驗溫室的覆蓋材料是雙層中空玻璃和聚碳酸酯雙層中空板，這類覆蓋材料阻熱能力較差，而溫室中的作物和設備基本無蓄熱能力[5]。因此，溫室的熱負荷可根據(jù)中華人民共和國機械行業(yè)標準JB/T 10297―2014《溫室加熱系統(tǒng)設計規(guī)范》[6]，溫室的采暖熱負荷計算公式Q由式(1)計算

QR=Q1+Q2+Q3

(1)

式中，QR為試驗溫室供熱總負荷，W；Q1為通過墻體、玻璃和聚碳酸酯板等圍護結構熱損失，W；Q2為溫室冷風滲透熱損失，W；Q3為溫室地面熱損失，W。

Q1可由式(2)計算。

(2)

式中：Kj為溫室各部分圍護結構(包括墻體、玻璃和聚碳酸酯板等)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Akj為溫室各部分圍護結構的表面面積，m2；ti為室內(nèi)設計溫度，℃，取15 ℃；to為室外設計溫度，℃，取-22 ℃。

溫室建造中常用的維護結構及覆蓋材料的傳熱系數(shù)Kj如表1所示。

表1 常用圍護結構材料傳熱系數(shù)

本試驗溫室由3部分維護覆蓋材料構成，墻體維護面積為22.32 m2，聚碳酸酯中空(PC)板維護面積為1788 m2，玻璃維護面積為153.6 m2。根據(jù)計算公式(2)和(3)得出：溫室的圍護結構散熱量為：Q1=223.1 kW；

Q2可由式(3)計算。

Q2=0.5k風速VN(ti-to)

(3)

式中：k風速表示風力因子，根據(jù)溫室加熱系統(tǒng)設計規(guī)范查表(如表2)對應的參數(shù)值為 1.00；V表示溫室空氣體積；N為每小時換氣次數(shù)。該試驗溫室的空氣體積為 V=5529.6 m3；N為溫室密閉環(huán)境下每小時換氣次數(shù)，次/h，查表(如表3)可知N取1次/h。根據(jù)計算公式(3)可知，試驗溫室的冷風滲透熱損失Q2為 102.3 kW。

表2 風速因子(k風速)

表3 每小時換氣次數(shù)N推薦

地中熱損失Q3可由式(4)計算

(4)

式中：ui為第i區(qū)地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·k)；Ai表示第i區(qū)面積，m2。溫室地面熱損失的速度與地面和外圍護墻體結構間的距離有關，為了便于計算，通常將溫室內(nèi)的地面按與外圍護結構的距離劃分成3個區(qū)域如表4，最后按各自的傳熱系數(shù)和面積算出熱損失之和，便得到Q3。根據(jù)公式(4)及參考《溫室加熱系統(tǒng)設計規(guī)范》，可得本試驗溫室的地面?zhèn)鳠釗p失熱負荷Q3為 296.4W。

表4 地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

2.2 溫室熱負荷分析

連棟溫室熱負荷是一個復雜的系統(tǒng)工程，尤其是溫室中有蓄熱體(植物，蓄水池和配套裝備等)，本文為了便于計算沒有考慮的到溫室中蓄熱體吸熱與放熱問題。有學者在進行溫室能耗計算時，將白天溫室獲得太陽輻射熱計算入溫室的熱負荷中[7-8]，這對溫室供熱設計非常不利，溫室的最大熱負荷在黎明時分，極端天氣(連陰天、降雪天)時溫室也無法獲得太陽輻射熱，在進行溫室供熱能耗計算時不應當考慮太陽的輻射熱。綜上所述，試驗溫室總的采暖熱負荷Q1、Q2、Q3之和為：325.7 kW，溫室單位面積散熱量為：235.6 W/m2。

3 電鍋爐系統(tǒng)的初步設計

試驗溫室于2019年入冬前進行煤改電鍋爐升級方案，2018年的供暖期還在使用燃煤鍋爐，鍋爐類型為燃煤立式常壓熱水鍋爐(如圖1)，發(fā)熱量為0.42 mw，即420 kW。該溫室理論計算采暖負荷為325.7 kW即0.33 mW，改造前燃煤鍋爐發(fā)熱量選型匹配較為合理，符合理論計算要求且熱量略有盈余。日運行時數(shù)為17 h左右，僅在最冷月份1月當溫度降至-19 ℃以下時的半個月左右的時間里為全時運行，即日運行時數(shù)為24 h。

圖1 傳統(tǒng)燃煤立式鍋爐

該溫室園區(qū)為了響應阿瓦提縣政府倡導的“藍天計劃”，在2019年將燃煤鍋爐替換為電鍋爐，改善了以往燃煤鍋爐運行時排放大量的煙塵，廢氣和噪音等污染，更換后的電鍋爐運行時零排放、無煙塵、無廢氣和噪音等污染，環(huán)保安全[9]。

3.1 改造技術方案

電鍋爐與以往化石能源燃燒鍋爐不同，是將電能轉化為熱量或加熱介質(zhì)轉換熱能的裝置，一般由鍋爐本體，蓄熱水箱，終端散熱系統(tǒng)構成，按發(fā)熱裝置結構可分為電阻式加熱和電磁式加熱鍋爐[10]。本案例選用的是電阻式加熱方式。電阻式鍋爐具有結構緊湊、體積較小、整體重量輕、無需吊裝器械即可安裝，鍋爐自帶電腦系統(tǒng)可自動控溫，對廠房要求不高，本項目中原有燃煤鍋爐拆卸工作量大，由于改造資金有限，故在改造中燃煤鍋爐沒有拆除，將體積較小的電鍋爐一塊放置在了鍋爐房，如圖2。

圖2 電阻式鍋爐

結合溫室熱負荷理論計算和之前燃煤鍋爐的發(fā)熱量，本次改造后的電鍋爐熱容量選為360kW，鍋爐額度工作壓力 0 MPa。電鍋爐的電腦控制系統(tǒng)電壓為220 V，導熱電阻電壓為380 V，100～360 kW可調(diào)，鑒于鍋爐功率較小，本方案選用一臺鍋爐，電源線路采用帶 N 線和 PE線的25 mm2五股銅芯線電纜。為了安全起見，配電柜必須做接地設計，采用TN-S處理，電纜N線采用重復接地，電鍋爐配電柜和水泵及其它電氣設備的金屬外殼和電線線槽穿線管等均做接地處理，接地電阻不應小于4 Ω。

3.2 經(jīng)濟效益分析

本工程案例是將發(fā)熱量為0.42 mW的燃煤鍋爐改造為360 kW的電阻式發(fā)熱電鍋爐，這里主要針對兩種不同性能的鍋爐運行成本進行分析。

(1)購置和安裝成本。

對比兩種鍋爐的初始投資成本，該成本包括鍋爐主體成本、環(huán)保投資成本、安裝成本，鍋爐房的成本按配套鍋爐所要求新建廠房造價為主(表5)。

表5 兩種鍋爐初始成本投資

廠房投資在此以新建廠房為準，電鍋爐廠房較小，沒有煙囪，高度要求也較低，360 kW的廠房面積一般10 m2即可，高度大約3.5 m；燃煤鍋爐0.42 mw的鍋爐房廠房一般要3間房屋，即鍋爐房，除塵脫硫間，電器控制水處理間兼值班室，廠房面積約28 m2，高度5.5 m，鍋爐房周圍(200 m內(nèi))有建筑物時，其煙囪高度應超出建筑物高度3 m以上[11]。另外燃煤鍋爐房還需配置燃煤堆放場地和爐渣場地，約120 m2，可見燃煤鍋爐占用廠房面積較大，配套場地要求面積也較大，對于土地資源緊張的區(qū)域不太適宜燃煤鍋爐裝備的使用，由表5可知，總體初始成本燃煤鍋爐是電阻式鍋爐的1.71倍，差別最大的投資為廠房投資，相差1.67倍。

(2)運行和維護性能分析。

燃煤鍋爐和電阻發(fā)熱式鍋爐因其結構不同，制熱形式不同，其運行和維護也有很大的差別，各自的使用性能如表6。

表6 兩種鍋爐維護性能表

從表6的對比分析中可以看出，無論是在使用的便利性還是在維護保養(yǎng)的工作量上，以及在后期的回收利用上，電鍋爐都明顯的優(yōu)于燃煤鍋爐。

(3)運行成本分析。

2種不同類型的鍋爐除前期一次性投入差別很大，在運行期間產(chǎn)生的費用也不盡相同，通過對2019年采暖季電鍋爐的運行成本和2018年燃煤鍋爐的運行成本統(tǒng)計對比如表7。

表7 兩種鍋爐運行費用表

通過對本項目方案改造升級可以看出，采用電鍋爐一次性投入低，運行成本也不高，燃煤鍋爐運行成本主要取決于當?shù)氐娜济簝r格，各地的電價都差不多，在低谷時還能享受到政府的補貼價，煤炭價格卻波動很大，同時燃煤鍋爐的運行人員費也遠遠大于電鍋爐的運行人員費，就表7的對比可以看出，燃煤鍋爐的供暖季運行費用是電鍋爐的2.8倍。

4 結語

“煤改電”工作已是全國各個縣市的重點環(huán)保工作之一，在市政供暖及大型企業(yè)中推廣較為順利，而設施農(nóng)業(yè)及小微企業(yè)中因資金問題，推廣較為緩慢，為促進“煤改電”替代工作的順利推進，本文以0.42 mW的燃煤鍋爐作為試驗對象，研究了相近負荷的電鍋爐改造方案，并對兩種鍋爐的改造成本和運行經(jīng)濟效益進行計算，為相關用戶的煤改電工作提供了參考依據(jù)。