电能替代供冷供热技术与燃气分布式能源的技术经济性对比分析

(国网武汉供电公司，湖北 武汉 430074)

我国正处于工业化、城镇化加速发展阶段，居民和非居民供热、供冷需求持续快速增长。电能替代供冷供热技术涵盖电采暖、电锅炉、热泵、蓄冷蓄热等，具有清洁高效、自动化程度高等优点，且可利用蓄能设备削峰填谷，调节电力供应。燃气分布式能源可同时进行冷、热、电的供应，具有能源利用率高、供电可靠性高、网损小、环境污染小等优点。

电能替代供冷供热技术和燃气分布式能源是国家十三五期间着重推广的两大方向，现对电能替代供冷供热技术和燃气分布式能源的市场规模、能效模型、经济性指标、临界价格等进行对比分析，以方便用户根据自身需求来选择恰当的供冷供热技术。

1 燃气分布式能源、电能替代供冷供热技术能效模型对比和技术经济性指标设定

1.1 能效模型对比

电能替代供冷供热项目采用蓄热电锅炉、蓄冷机组、热泵、电采暖等技术，根据项目负荷需求、技术可行性、投资强度，进行自由组合(见图1)。多采用蓄能装置，取代分散燃煤锅炉、燃油锅炉供能方式[1]。

燃气分布式能源项目根据负荷需求，多采用“燃气内燃机+烟气热水型余热直燃机+溴化锂机组+燃气锅炉”等设备进行组合(见图2)。运行模式有烟气、热水及补燃型，燃气发电机组约500 ℃的烟气和98 ℃的高温冷却水进入烟气热水型余热直燃机，作为直燃机的热源直接供冷供热，当烟气和热水量不足，以及负荷出现高峰时，采用天然气补燃或加入调峰设备[2]。

图1 电能替代供冷供热技术原理图

1.2 技术经济对比指标设定

技术经济对比指标见表1所示。

2 技术经济性对比分析

选取某机场实际运行的燃气分布式能源项目，与电能替代供冷、供热技术进行对比分析。能源站设计总规模为27 098 kW制冷量，17 821 kW制热量和2×1 600 kW发电规模。采用以燃气冷、热、电联供为核心的多联供能源供应系统，为15.4万m2新建T2航站楼供热并承担部分电力供应。从三个维度进行对比分析:①电能替代供热技术比较；②电能替代供冷技术比较，遴选出经济效益较好的电能替代技术进行组合；③与燃气分布式能源同时供冷供热进行比较。

图2 燃气分布式能源站技术原理图

表1 电能替代供冷供热技术与燃气分布式能源技术经济对比指标

2.1 电能替代供热技术比较

根据某机场能源站的供热情况，进行电能替代供热技术“直热电锅炉、蓄热(水)电锅炉、蓄热(水)热泵、蓄热(固体)热泵、蓄热(固体)电锅炉、空气源热泵、水源热泵、地源热泵、电采暖”的对比分析(见表2)。

参数涵盖设备容量、制热能力、COP、投资单价、投资单价、年运行时间、一次性投资、电力设备业扩费用、年用电量、平米耗电量、电力价格、年运行费用、供热收益、投资回收年限。计算情况如图3、图4所示[3]。

表2 电能替代供冷、供热技术比较

图3 电能替代供热技术指标对比1

图4 电能替代供热技术指标对比2

根据计算结果，设备容量较小的是水源热泵、地源热泵、空气源热泵；投资单价、一次性投资、业扩费用较低的是直热电锅炉、电采暖、蓄热(水)电锅炉；年用电量较少的是水源热泵、地源热泵、固体蓄热热泵；运行费用较低的是固体蓄热热泵、水源热泵、蓄热(水)热泵。投资回收年限较低的是蓄热(固体)热泵、蓄热(水)热泵、蓄热(固体)电锅炉。电采暖在电价为0.6元时，无法回收成本，如果按照北京补贴电价0.3元时，投资回收期为1.9年。电能替代供热技术排序为蓄热(固体)热泵、蓄热(水)热泵、蓄热(固体)电锅炉、水源热泵。

2.2 电能替代制冷技术比较

根据某机场能源站的供冷情况，进行电能替代供冷技术“蓄冷(水蓄)、蓄冷(冰蓄)、空气源热泵、水源热泵、地源热泵”的对比分析。计算情况如图5、图6所示。

根据计算结果分析可得，设备容量较小的是水源热泵、地源热泵、空气源热泵；投资单价、一次性投资、业扩费用较低的是蓄冷(水蓄)、空气源热泵、水源热泵；年用电量较少的是水源热泵、地源热泵、空气源热泵；运行费用较低的是蓄冷(水蓄)、蓄冷(冰蓄)、水源热泵；投资回收年限较低的是蓄冷(水蓄)、水源热泵、空气源热泵。电能替代供冷技术排序为蓄冷(水蓄)、水源热泵、空气源热泵。

图5 电能替代供冷技术指标对比一

图6 电能替代供冷技术指标对比二

2.3 电能替代供冷供热技术与燃气分布式能源的比较

经过供热、制冷技术的比较，遴选出来供热技术有蓄热(固体)热泵、蓄热(水)热泵、蓄热(固体)电锅炉、水源热泵。制冷技术有蓄冷(水蓄)、水源热泵、空气源热泵。与燃气分布式能源同时供冷、供热技术进行比较[4]。计算结果如图7、图8所示。

根据计算结果分析可得，设备容量较小的是水源热泵、地源热泵、空气源热泵；投资单价、一次性投资、业扩费用较低的是蓄冷蓄热(热泵)、空气源热泵、水源热泵；年用电量较少的是蓄冷蓄热(热泵)、水源热泵、地源热泵；运行费用较低的是蓄冷蓄热(热泵)、蓄热电锅炉+蓄冷热泵、蓄冷热泵+电采暖。投资回收年限较低的是蓄冷蓄热(热泵)2.1年，水源热泵3.3年，空气源热泵为4.3年，地源热泵5.5年，蓄冷热泵+电采暖(电价按照0.3元设定)6.1年，燃气分布式能源为6.22年。电能替代供冷、供热技术排序为蓄冷蓄热(热泵)、水源热泵、空气源热泵、地源热泵、蓄冷热泵+电采暖。

图7 电能替代供冷供热技术供冷供热技术与燃气分布式能源的指标对比1

图8 电能替代供冷供热技术供冷供热技术与燃气分布式能源的指标对比2

2.4 以燃气分布式能源投资回收期为约束的临界电价分析

按照燃气分布式能源的投资回收年限6.2年，设定天然气价格为2.6～4.1元，测算蓄冷蓄热(热泵)、空气源热泵、水源热泵、地源热泵、蓄热电锅炉+蓄冷热泵、蓄冷热泵+电采暖的临界电价[5]，计算结果如图9、图10所示。

以燃气分布式能源的投资回收期6.22年为约束值，设定商业平均价格为1.1元/(kW·h)，谷时电价为0.35元/(kW·h)，天然气价格为3.5元/m3，进行利润空间的计算，结果如下。

当有峰谷电价政策时，6个方案都存在利润空间，利润空间较好的有蓄冷蓄热(热泵)1.018元/(kW·h)，利润比例74.4%，水源热泵0.781元/(kW·h)，利润比例41.5%，蓄冷热泵+电采暖0.345元/(kW·h)，利润比例49.7%。

图9 以燃气分布式能源投资回收期为约束的临界电价

图10 以投资回收期为约束的燃气分布式能源与电能替代供冷供热技术运行价格比较

如果没有峰谷电价，蓄冷蓄热(热泵)、空气源热泵、水源热泵经济性较好。蓄热电锅炉+蓄冷热泵、蓄冷热泵+电采暖临界电价分别为0.6元/(kW·h)、0.7元/(kW·h)，无法回收成本，商业电价无法满足，居民电价可以考虑。

3 结 论

选取燃气分布式能源与电能替代供冷、供热技术进行对比分析，首先分别对电能替代供热、供冷技术比较，遴选出经济效益较好的电能替代技术进行组合，然后与燃气分布式能源同时供冷供热进行比较，结论如下。

(1)供热和制冷情况下，经过对比分析可得，电能替代供热技术排序为蓄热(固体)热泵、蓄热(水)热泵、蓄热(固体)电锅炉、水源热泵。电能替代供冷技术排序为蓄冷(水蓄)、水源热泵、空气源热泵。同时供热和制冷情况下，与燃气分布式能源相比，电能替代供冷、供热技术排序为蓄冷蓄热(热泵)、水源热泵、空气源热泵、地源热泵、蓄冷热泵+电采暖。

(2)当有峰谷电价政策时，6个方案都存在利润空间，利润空间较好的有蓄冷蓄热(热泵)，水源热泵，蓄冷热泵+电采暖；没有峰谷电价政策，蓄冷蓄热(热泵)、空气源热泵、水源热泵经济性较好。蓄热电锅炉+蓄冷热泵、蓄冷热泵+电采暖临界电价分别为0.6、0.7元/(kW·h)，无法回收成本，商业电价无法满足，居民电价可以考虑。

(3)燃气分布式能源更适合具有一定规模，冷热需求较大的用户，燃气管道已铺设的地区。电能替代供冷供热技术更具有灵活性，可适应各种规模的用户，对于电力供应稳定性要求较高，燃气分布式能源与电能替代技术比较时，两者的设备单位投资都会随着规模的扩大而降低，两者主要的经济性影响主要受制于设备的运行时间和运行时天然气、电力的价格。