基于全能量比较的城市供暖方式能源利用率评价

马坤茹,李联友,支 志

(1.河北科技大学建筑工程学院,河北石家庄 050018;2.河北建筑工程学院城建系,河北张家口075024;3.保定供热有限责任公司,河北保定 071051)

基于全能量比较的城市供暖方式能源利用率评价

马坤茹1,李联友2,支 志3

(1.河北科技大学建筑工程学院,河北石家庄 050018;2.河北建筑工程学院城建系,河北张家口075024;3.保定供热有限责任公司,河北保定 071051)

城市供暖方式按与电力生产的关系分为热电联产式、热电分产式和电热式。在比较供暖方式的能源利用率时,传统的热电分摊方法存有争议。为此,提出新的热电分摊方法,其研究的对象是各种采暖方式加相关供电方式组成的全能量供暖模式。此方法首先确定各种供暖方式所匹配的相关供电方式,并根据热电联产供暖模式的热电比确定各供暖模式的基准目标热电比;其次从城市整体利益的角度,确定各种供暖方式的全周期组成;再搜集每种供暖模式各环节的效率性能数据,

计算出相对终端用能的全能量效率来进行比较。

城市供暖方式;全能量;热电联产;热电比

在进行热电分产供热方式与热电联产供热方式比较时,通常有2种方法。一种方法是将热电联产分解成供热、供电,再将联产分解后的供热与分产供热进行比较,这是目前最常用的方法,但这种方法在热电联产应怎样“分解”的问题上存在争议[1]。另一种方法是将分产供热加纯发电厂供电进行组合,再将这种组合与热电联产方式进行比较,即“组合”的方法,这种方法避免了因对热电联产进行人为“分解”带来的偏差[2]。

毛鸿禧在满足终端用能条件下,全面考察从一次能源到终端用能的整个过程的一次能源种类、能源转换、能耗、环境污染、社会工程量的消耗以及经济效益等因素,提出最大能源利用价值模型[3]。

笔者以城市整体为对象,确定各种供暖方式的全周期组成,利用“组合”的方法[4],从节能角度对供暖模式一次能源利用率进行量化分析。

1 供暖方式

城市采暖工程项目有多种方案可供选择,这里选择7种常见供暖方式作为评价的对象(见表1)。

表1 主要供暖方式Tab.1 Main heating modes

2 全能量利用率评价方法

2.1 满足需求上可比的要求

采暖工程的实施一般只能选择其中的一个方案而不会同时接受其他方案,即将可供选择的多种方案视为互斥方案,对互斥方案的评价要求具有功能上的可比性。

不同能源技术方案相互进行比较,必须首先具备满足需求上可比原则。表1所列7种供暖方式中,有2种是联产方式,能够提供热能和电能两方面的需求;而其他供暖方式只能提供供暖单方面需求。从原理上,可以把综合利用方案划分成几个单独的方案,把综合利用方案全部成本进行分摊,然后按单一产品进行比较,然而热电联产成本分摊有多种方法,分摊结果也各不相同,哪种方法最合理一直是一个有争议的问题。为了符合产品品种可比条件并避开“分摊”的问题,就要把热电联产方案同单纯为了满足供暖的锅炉房和单纯为了满足供电的凝汽式电站2个分产方案组成的联合方案(简称供暖模式)进行比较;为了符合产品产量可比条件,各方案满足用户的热电量必须相等,对效率比较而言,各方案满足终端用户的热电比例即“目标热电比”必须相等。因为供暖模式比较中有热电联产模式的介入,笔者才选用全能量比较的方案进行分析评价;而且因为燃天然气联产模式比燃煤联产模式的热电比性能优,即燃天然气联产模式热化发电率相对高,根据比较目标从优原则,笔者选用燃天然气联产模式热电比作为相互比较的“目标热电比”。满足相同“目标热电比”是进行各供暖模式全能量比较的核心条件。

2.2 满足影响范围可比的要求

满足需求上可比的同时还要满足影响范围的可比原则。评价城市供暖方案的优劣应以城市的整体效益进行评价,为此,将供暖系统的分析对象扩展为从上游的能源供应(供煤、供气、供电)、经热源生产和热网输送、直至最终热用户的全过程,把供暖方式效率评价限定在与整个城市有直接关系的“全周期”范围内。

综上所述,将供暖方式全能量比较方案的对象、指标和条件进行汇总(见表2)。

表2 全能量比较方案的对象、指标和条件Tab.2 Object,indexes and condition of overall energy evaluation

3 计算实例及评价分析

笔者选择保定市作为案例城市,搜集每种供暖模式各环节的效率性能数据,计算并比较各种供暖模式全能量效率。

3.1 供暖模式各环节效率选取及全周期效率计算

首先将供暖模式中的供暖方式及相关供电方式划分为城市热电源效率、小型区域热电源效率(含交换站)、户式热源效率、城市网传输效率、庭院网传输效率(包括庭院网、不均匀热损失等)、户式热源效率等环节效率。

中国各种供能设施能源转换、输送的性能标准还不完善,而且其实际性能亦随地域和时段等因素而变化,所以目前对效率等基础数据的取值只能在工程实践中搜集、汇总,确有半准确、半经验性。根据近几年对保定市各种供暖模式各环节效率的跟踪调查,数据主要来自保定供热公司、保定市燃气公司等单位运行经验统计。对各环节效率赋值列表并计算全周期效率(见表3)。

全周期效率计算:

其中ηi表示供能方式各环节效率。

比如:燃煤集中锅炉房供暖的全周期效率=80%(城市热源效率)×95%(城市网效率)×99%(交换站效率)×92%(庭院网效率)×88%(均匀性热效率)=60.9%。

3.2 目标热电比的计算

表3中计算出了各种供暖模式供热、电两种产品的全周期热效率,以此可计算出“目标热电比”。满足需求上可比的“目标热电比”是指需求侧热电比。燃天然气热电联产需求侧供热量为热电联产消耗的一次能源量乘以供暖全周期效率;需求侧供电量为热电联产消耗的一次能源量乘以供电全周期效率。因此,燃天然气热电联产需求侧的热电比为供暖全周期效率与供电全周期效率之比,即33.7∶38.8=1∶1.15。同理,燃煤热电联产满足需求侧热电比为38.1∶23.8=1∶0.63。燃天然气热电联产总效率和供电比例均高于燃煤热电联产,前者性能优于后者,所以在进行供暖模式全能量比较时,选定燃天然气热电联产热电比作为基准,也就是说相关采暖的用户终端需求全能量热电比为1∶1.15,以此作为各种供暖模式进行“全能量比较”时的目标热电比。

模式4中热电联产每供1个单位的终端用热量,需匹配纯凝发电机组供1.15-0.63=0.52个单位的终端供电量;其他模式每供1个单位的终端用热量,需匹配纯凝发电机组供1.15个单位的终端供电量。对应的全能量均为2.15个单位。

表3 供暖模式各环节效率取值及全周期效率计算Tab.3 Efficiency value and w hole cycle efficiency of each link of heating modes

3.3 各种供暖模式全能量效率计算

根据能源利用效率的基本定义,可推出完成热电比1∶1.15的终端用能目标各种供暖方式的全能量总效率计算式[6～8]。

1)分产式供暖模式全能量总效率计算:

2)燃煤热电联产式供暖模式全能量总效率计算:

3)燃天然气热电联产全能量总效率计算:

4)全能量总效率计算举例:

模式1(燃煤集中锅炉房)全能量总效率=2.15/(1/0.609+1.15/0.352)=43.8%。

模式4(燃煤集中热电联产)全能量总效率=2.15/(1.63/(0.381+0.238)+0.52/0.352)=52.3%。

模式5(燃天然气热电联产)全能量总效率=33.7%+38.8%=72.5%。

将全部计算结果列表见表4。

3.4 案例定量计算结果与定性解释的一致性分析

通过全能量效率的定量计算比较可得,“燃天然气热电联产供热”模式的全能量一次能源利用率最高,对案例城市各种供暖方式从优到劣排序,并进一步定性分析原因如下。

模式5:天然气燃烧效率高,联产效率、热电比性能优,分布式供能输送效率居中;

模式4:燃煤联产效率高,热电比性能、供能输送效率低;

模式3:天然气燃烧效率高,但没有联产的优势,热能输送效率高;

模式7:纯凝机组发电的热效率低,水源热泵制热系数高,能源输送效率居中;

模式2:天然气燃烧效率高,但没有联产和热泵的优势,供能输送效率居中;

表4 全能量供暖模式总效率Tab.4 To tal efficiency of heating mode based on overall energy

模式1:煤的燃烧效率低,没有联产的优势,且供能输送效率也低;

模式6:纯凝机组发电的热效率远远低于锅炉供暖,用电直接供暖最不合适。

定性分析进一步说明了案例城市基于全能量比较的城市供暖方式能源利用率评价结果的合理性。

4 结 语

理论分析和案例计算详细介绍了基于全能量比较的城市供暖方式能源利用率评价方法。此方法首先将“目标热电比”作为各种供暖方式的统一目标,避免了通常单一比较供热效率因对热电联产进行人为“分解”带来的偏差,真正保证了不同能源技术方案相互进行比较必须首先具备满足需求上可比原则;其次,从城市整体利益的角度,确定各种供暖方式的全周期组成,满足影响范围的可比原则,是一种更科学、更实用的城市供暖方式能源利用率评价方法。

[1] 周少祥,胡三高,童 轶.热电联产供热成本与热价研究[A].供热新技术学术交流会论文集[C].大连:中国电机工程学会热电专业委员会,1998.

[2] 韩学廷,郁 刚.热电冷联产与热电联产加电制冷能耗比较分析[J].暖通空调(Heating Ventilating and Air Conditioning),2005,35(8):129-131.

[3] 毛鸿禧.全能量产供分析——最大利用价格模型[A].供热新技术学术交流会论文集[C].大连:中国电机工程学会热电专业委员会,1998.

[4] 支 志.保定市供暖模式全能量评价与决策研究[D].北京:清华大学,2006.

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[6] 严俊杰,黄锦涛,张 凯,等.发电厂热力系统及设备[M].西安:西安交通大学出版社,2003.

[7] 崔明辉,赵全胜.“并联环路压力损失相等”用于供暖系统水力计算的适用性分析[J].河北科技大学学报(Journal of Hebei University of Science and Technology),2005,26(4):334-336.

[8] 孙玉钗.人-服装-环境系统热湿舒适性的理论研究[J].河北科技大学学报(Journal of Hebei University of Science and Technology),2003,24(4):61-66.

Evaluation on energy utilization efficiency of city heating modes based on overall energy

M A Kun-ru1,L ILian-you2,ZH IZhi3
(1.College of A rchitecture Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;2.Department of U rban Construction,Hebei Institute of A rchitecture and Civil Engineering,Zhangjiakou Hebei075024,China;3.Baoding Heating Limited Liability Company,Baoding Hebei 071051,China)

City heating modes can be divided into three types based on its relation and power p roduction:cogeneration,separate generation of heat power and electrothermal.Traditional heat electricity share method has been disputed in evaluation on energy utilization efficiency of city heating modes.The new heat electricity sharemethod is put fo rward,w hose research object is overall energy heating mode based on various heating modes and related power supp ly modes.Themethod firstly determines the power supply mode suited to a certain heatingmode,and then the target benchmark heat-to-electricity ratio according to the heating mode heat-to-electricity ratio of cogeneration.Secondly,it determines the overall cycle components of various heating modes w ith regard to the w hole p rofitsof cities.Finally,the performance dataof each section of various heating modesare collected and the overall energy efficiencies relative to terminal energy consump tion are calculated fo r comparison.

city heating mode;overall energy;cogeneration;thermoelectric ratio

TK11

A

1008-1542(2010)01-0062-05

2009-06-03;

2009-09-28;责任编辑:冯 民

马坤茹(1968-),女,河北保定人,高级工程师,硕士,主要从事能源及用热计量等方面的研究。