基于綠色低碳的嚴(yán)寒地區(qū)住宅多源互補(bǔ)供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析*

徐正香，董傳點(diǎn)，薛冰川，江健健，劉杰

1.青島市生態(tài)環(huán)境局市北分局；2.青島理工大學(xué)；3.青島市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心

城鎮(zhèn)住宅小區(qū)是城鎮(zhèn)供熱的主要對(duì)象，在熱網(wǎng)尚未覆蓋的獨(dú)立小區(qū)應(yīng)積極尋找合適的清潔能源供暖系統(tǒng)。聶海寧等[1]介紹了清潔能源多能互補(bǔ)供熱技術(shù)，分析了優(yōu)勢(shì)和效益。王天寧等[2]人從經(jīng)濟(jì)角度對(duì)集熱器進(jìn)行優(yōu)化，確立目標(biāo)函數(shù)，確定長春地區(qū)1000m2的建筑物采用的最佳集熱器面積為173m2。呂中一等[3]針對(duì)實(shí)際項(xiàng)目，監(jiān)測運(yùn)行工況，在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了耦合系統(tǒng)的模擬分析。郭琪，郭健翔等[4]人提出了太陽能與空氣源熱泵的耦合系統(tǒng)，并且建立了耦合供熱系統(tǒng)的瞬態(tài)計(jì)算模型。郭琪等[5]構(gòu)建了北方寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村獨(dú)立民居的多源互補(bǔ)系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)在不同條件下的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。辛禾[6]構(gòu)建了多目標(biāo)調(diào)度模型及求解算法，提出了多種優(yōu)化模型，建立了多能互補(bǔ)的清潔能源系統(tǒng)效益評(píng)價(jià)體系。羨曉東等[7]針對(duì)新建小區(qū)進(jìn)行了多能互補(bǔ)的應(yīng)用分析，優(yōu)化其運(yùn)行情況，進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益分析。馬晨鈺等[8]對(duì)典型的城鎮(zhèn)居民建筑設(shè)計(jì)了多能互補(bǔ)的供熱系統(tǒng)，分析各個(gè)系統(tǒng)，分析其控制策略，進(jìn)行適用性分析、氣候分區(qū)適用性和經(jīng)濟(jì)性分析。劉子雄等[9]對(duì)北方各個(gè)地區(qū)不同情景下的供暖情況進(jìn)行分析，得到清潔能源供暖的可行性方案和環(huán)境效益。根據(jù)前人對(duì)多源互補(bǔ)的研究，本文采用費(fèi)用年值優(yōu)化方法，得出在嚴(yán)寒地區(qū)不同因素影響下，多源互補(bǔ)的方案選擇和經(jīng)濟(jì)效益分析。

一、嚴(yán)寒地區(qū)城鎮(zhèn)住宅小區(qū)供熱系統(tǒng)構(gòu)建及運(yùn)行模式

在嚴(yán)寒A、B區(qū)供暖季極為寒冷，空氣源熱泵性能衰減嚴(yán)重，不宜使用，因此嚴(yán)寒A、B區(qū)的獨(dú)立住宅小區(qū)適宜采用以太陽能集熱系統(tǒng)與地源熱泵為主的聯(lián)合供暖系統(tǒng)，系統(tǒng)圖如圖1。太陽能、土壤源熱泵作為低運(yùn)行能耗的清潔能源，在外界條件適宜時(shí)應(yīng)優(yōu)先運(yùn)行。供暖期間，白天供熱水箱出口水溫能達(dá)到直接供暖需求時(shí)，直接使用太陽能集熱系統(tǒng)進(jìn)行供暖；當(dāng)水溫達(dá)不到供暖需求時(shí)，開啟熱泵系統(tǒng)有耦合供暖。在夜間谷電期間，利用熱泵系統(tǒng)在供暖的同時(shí)進(jìn)行蓄熱，在白天優(yōu)先使用夜間蓄熱量以減少運(yùn)行費(fèi)用。在極端寒冷天氣時(shí)，利用燃?xì)忮仩t及電鍋爐調(diào)峰以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在非供暖季，通過太陽能集熱系統(tǒng)通過地埋管進(jìn)行跨季節(jié)性蓄熱，以保證土壤熱平衡。

圖1 嚴(yán)寒地區(qū)城鎮(zhèn)獨(dú)立住宅小區(qū)供熱系統(tǒng)

二、費(fèi)用年值優(yōu)化方法

對(duì)于具體典型建筑，在分析其動(dòng)態(tài)負(fù)荷的基礎(chǔ)上結(jié)合各熱源設(shè)備的具體特點(diǎn)，構(gòu)建多源互補(bǔ)供熱模型，在保證供熱溫度的前提下，分析不同熱源配比的運(yùn)行特點(diǎn)。針對(duì)不同熱源的供熱特性，分別采用不同的控制模式和不同的多熱源配比對(duì)其供熱過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，得出供熱期間運(yùn)行能耗并計(jì)算出運(yùn)行費(fèi)用。考慮資金的時(shí)間價(jià)值，利用費(fèi)用年值法，將各可再生能源供熱系統(tǒng)初投資費(fèi)用折算到單位年。通過比較年費(fèi)用年值來選取最優(yōu)控制模式下的最優(yōu)配比。投資年值根據(jù)以下公式計(jì)算

其中A為投資年值，P為總投資，i為貸款利率，n為設(shè)備壽命。

式中Ac為費(fèi)用年值；Ai為投資年值；Oc為運(yùn)行費(fèi)用；Aei為設(shè)備及自控投資折算年值；Acon為安裝建設(shè)投資折算年值；Ef為運(yùn)行電費(fèi)；Omc為維護(hù)管理費(fèi)用；利用費(fèi)用年值法，將各可再生能源供熱系統(tǒng)初投資費(fèi)用折算到單位年。通過比較費(fèi)用年值來選取最優(yōu)控制模式下的最優(yōu)配比。

三、不同造價(jià)、電價(jià)水平、貸款利率、經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼下的情景分析

（一）太陽能集熱器造價(jià)的影響

太陽能系統(tǒng)的選用可以大大降低運(yùn)行成本，而且綠色安全高效環(huán)保。但是僅使用太陽能集熱器供熱，初投資水平較高，從費(fèi)用年值上考慮缺少優(yōu)勢(shì)，需要考慮以補(bǔ)貼來促進(jìn)太陽能的應(yīng)用。所以在研究中設(shè)置了不同的太陽能集熱器虛擬價(jià)格，分析不同系統(tǒng)太陽能集熱器價(jià)格對(duì)費(fèi)用年值的影響。以某地區(qū)現(xiàn)有居住建筑為例，在居民分時(shí)電價(jià)政策下的費(fèi)用年值情況，在TRNSYS平臺(tái)上搭建土壤源熱泵+太陽能+電輔耦合供熱系統(tǒng)并進(jìn)行模擬計(jì)算，分析該系統(tǒng)在耦合供熱過程中，太陽能集熱器造價(jià)對(duì)費(fèi)用年值的影響變化趨勢(shì)及供熱系統(tǒng)的最優(yōu)匹配方案，如表1、圖2所示。

圖2 集熱器價(jià)格對(duì)系統(tǒng)費(fèi)用年值的變化趨勢(shì)

表1 不同集熱器價(jià)格下土壤源+太陽能+電輔供熱系統(tǒng)的最優(yōu)匹配方案

從中可知，太陽能集熱器價(jià)格的變化對(duì)于最優(yōu)化的方案存在一定影響，隨著太陽能集熱器價(jià)格的升高，當(dāng)達(dá)到800—1000元/㎡時(shí)，土壤源熱泵+太陽能的初投資過高；當(dāng)太陽能集熱器的價(jià)格降低時(shí)，系統(tǒng)的費(fèi)用年值降低，有利于土壤源熱泵供暖容量的提升，使得土壤源熱泵的低運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)更加明顯，從而降低系統(tǒng)的費(fèi)用年值。

（二）電價(jià)變化的影響

在土壤源熱泵+太陽能+電輔耦合供熱系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用對(duì)費(fèi)用年值產(chǎn)生重要的影響。

以城鎮(zhèn)住宅小區(qū)現(xiàn)有建筑為研究對(duì)象，以現(xiàn)有居民分時(shí)電價(jià)為參考并在此基礎(chǔ)上研究電價(jià)政策變化的影響。在居民分時(shí)電價(jià)政策條件下，當(dāng)?shù)凸入妰r(jià)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)直接影響供暖系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。谷電電價(jià)的降低會(huì)更加有利于初投資小的熱源設(shè)備的占比，影響最優(yōu)化方案的選擇，如表2所示為不同谷電電價(jià)政策下，最優(yōu)化方案匹配表和最優(yōu)費(fèi)用年值隨電價(jià)變化的費(fèi)用年值變化圖。

表2 不同電價(jià)政策水平下土壤源熱泵+太陽能+電輔供熱系統(tǒng)最優(yōu)系統(tǒng)方案

由表2可知，谷電電價(jià)在0.15元 /kWh、0.25元 /kWh、0.32元/kWh變化時(shí)，供熱系統(tǒng)最優(yōu)配比方案并未發(fā)生變化，谷電電價(jià)在0.1元/kWh左右的情況下，其系統(tǒng)的費(fèi)用年值才可基本與哈爾濱地區(qū)的集中供熱的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)，但該系統(tǒng)在哈爾濱地區(qū)的應(yīng)用受到土壤源熱泵地埋管占地面積及太陽能集熱器安裝用空間的限制，因此應(yīng)結(jié)合其他熱源聯(lián)合應(yīng)用。

（三）貸款利率的影響

貸款利率可以影響清潔能源供熱系統(tǒng)投資年金，進(jìn)而影響系統(tǒng)的費(fèi)用年值，較低的利率可以吸引投資，促進(jìn)互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。下面以某一建筑為研究對(duì)象，在居民分時(shí)電價(jià)政策條件下，當(dāng)貸款利率發(fā)生變化時(shí)，分析其對(duì)不同系統(tǒng)的最優(yōu)匹配方案和費(fèi)用年值造成的影響。

由表3可知，在不同貸款利率的情況下，熱源的最優(yōu)配比情況發(fā)生變化，其中，隨著貸款利率的升高，初投資較高的土壤源熱泵容量不斷變小。由圖3可知，隨著貸款利率的降低，多熱源耦合供熱系統(tǒng)的費(fèi)用年值不斷降低。

圖3 不同貸款利率水平下，土壤源+太陽能+電輔系統(tǒng)費(fèi)用年值

表3 不同貸款利率水平下，土壤源+太陽能+電輔最優(yōu)系統(tǒng)方案

（四）經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼的影響

以哈爾濱地區(qū)為例，該地區(qū)對(duì)于使用清潔能源替代燃煤小鍋爐的改造政府將給予補(bǔ)貼建設(shè)資金總額的1/3，并且在用電政策方面，居民供熱可以使用居民用電價(jià)格，谷時(shí)段延長為10個(gè)小時(shí)，價(jià)格為0.2898元/kWh。因此，采用太陽能和地源熱泵供暖系統(tǒng)，在其系統(tǒng)配比為太陽能集熱器面積12126m2，地源熱泵容量為5500kW，蓄水箱體積為600m3時(shí)，投資年金為189.63元/m2，運(yùn)營年金為16.23元/m2，費(fèi)用年值為37.05元/m2，采用居民分時(shí)電價(jià)，若收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為40元/m2時(shí)，即使不存在政府資金補(bǔ)貼，使用年限15年的內(nèi)部收益率達(dá)到了10.61%。

四、結(jié)論

（1）在哈爾濱等嚴(yán)寒地區(qū)進(jìn)行供熱時(shí)，優(yōu)先使用土壤源熱泵、太陽能、生物質(zhì)等作為多源互補(bǔ)供暖熱源，選用土壤源熱泵+太陽能+電輔或土壤源熱泵+生物質(zhì)鍋爐+太陽能+電輔耦合供熱系統(tǒng)進(jìn)行供熱。

（2）太陽能集熱器價(jià)格的變化對(duì)于最優(yōu)化的方案存在一定影響，隨著太陽能集熱器價(jià)格的升高，當(dāng)達(dá)到800—1000元/㎡時(shí)，土壤源熱泵+太陽能的初投資過高，當(dāng)太陽能集熱器的價(jià)格降低時(shí)，系統(tǒng)的費(fèi)用年值降低，有利于土壤源熱泵供暖容量的提升，使得土壤源熱泵的低運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

（3）哈爾濱地區(qū)在集熱器價(jià)格為150元/㎡或電價(jià)水平在0.55/0.01（元/kWh）或貸款利率約在3.1%的情況下，其最優(yōu)費(fèi)用年值即可與當(dāng)?shù)氐募泄┡召M(fèi)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)。

（4）多源互補(bǔ)供熱系統(tǒng)相比于其他燃煤、燃?xì)饧半婂仩t等能源供熱系統(tǒng)相比，在一定的設(shè)備投資、電價(jià)政策及貸款利率的條件下，其費(fèi)用年值相對(duì)較低并有較大的環(huán)境效益，具有一定的推廣及應(yīng)用意義。