基于绿色低碳的严寒地区住宅多源互补供热系统经济性分析*

2022-04-15徐正香董传点薛冰川江健健刘杰

区域治理 2022年18期

徐正香，董传点，薛冰川，江健健，刘杰

1.青岛市生态环境局市北分局；2.青岛理工大学；3.青岛市农业技术推广中心

城镇住宅小区是城镇供热的主要对象，在热网尚未覆盖的独立小区应积极寻找合适的清洁能源供暖系统。聂海宁等[1]介绍了清洁能源多能互补供热技术，分析了优势和效益。王天宁等[2]人从经济角度对集热器进行优化，确立目标函数，确定长春地区1000m2的建筑物采用的最佳集热器面积为173m2。吕中一等[3]针对实际项目，监测运行工况，在实验研究的基础上，进行了耦合系统的模拟分析。郭琪，郭健翔等[4]人提出了太阳能与空气源热泵的耦合系统，并且建立了耦合供热系统的瞬态计算模型。郭琪等[5]构建了北方寒冷和严寒地区农村独立民居的多源互补系统，研究了系统在不同条件下的经济和环境效益。辛禾[6]构建了多目标调度模型及求解算法，提出了多种优化模型，建立了多能互补的清洁能源系统效益评价体系。羡晓东等[7]针对新建小区进行了多能互补的应用分析，优化其运行情况，进行了经济和环境效益分析。马晨钰等[8]对典型的城镇居民建筑设计了多能互补的供热系统，分析各个系统，分析其控制策略，进行适用性分析、气候分区适用性和经济性分析。刘子雄等[9]对北方各个地区不同情景下的供暖情况进行分析，得到清洁能源供暖的可行性方案和环境效益。根据前人对多源互补的研究，本文采用费用年值优化方法，得出在严寒地区不同因素影响下，多源互补的方案选择和经济效益分析。

一、严寒地区城镇住宅小区供热系统构建及运行模式

在严寒A、B区供暖季极为寒冷，空气源热泵性能衰减严重，不宜使用，因此严寒A、B区的独立住宅小区适宜采用以太阳能集热系统与地源热泵为主的联合供暖系统，系统图如图1。太阳能、土壤源热泵作为低运行能耗的清洁能源，在外界条件适宜时应优先运行。供暖期间，白天供热水箱出口水温能达到直接供暖需求时，直接使用太阳能集热系统进行供暖；当水温达不到供暖需求时，开启热泵系统有耦合供暖。在夜间谷电期间，利用热泵系统在供暖的同时进行蓄热，在白天优先使用夜间蓄热量以减少运行费用。在极端寒冷天气时，利用燃气锅炉及电锅炉调峰以保证系统的稳定运行。在非供暖季，通过太阳能集热系统通过地埋管进行跨季节性蓄热，以保证土壤热平衡。

图1 严寒地区城镇独立住宅小区供热系统

二、费用年值优化方法

对于具体典型建筑，在分析其动态负荷的基础上结合各热源设备的具体特点，构建多源互补供热模型，在保证供热温度的前提下，分析不同热源配比的运行特点。针对不同热源的供热特性，分别采用不同的控制模式和不同的多热源配比对其供热过程进行动态模拟，得出供热期间运行能耗并计算出运行费用。考虑资金的时间价值，利用费用年值法，将各可再生能源供热系统初投资费用折算到单位年。通过比较年费用年值来选取最优控制模式下的最优配比。投资年值根据以下公式计算

其中A为投资年值，P为总投资，i为贷款利率，n为设备寿命。

式中Ac为费用年值；Ai为投资年值；Oc为运行费用；Aei为设备及自控投资折算年值；Acon为安装建设投资折算年值；Ef为运行电费；Omc为维护管理费用；利用费用年值法，将各可再生能源供热系统初投资费用折算到单位年。通过比较费用年值来选取最优控制模式下的最优配比。

三、不同造价、电价水平、贷款利率、经济补贴下的情景分析

（一）太阳能集热器造价的影响

太阳能系统的选用可以大大降低运行成本，而且绿色安全高效环保。但是仅使用太阳能集热器供热，初投资水平较高，从费用年值上考虑缺少优势，需要考虑以补贴来促进太阳能的应用。所以在研究中设置了不同的太阳能集热器虚拟价格，分析不同系统太阳能集热器价格对费用年值的影响。以某地区现有居住建筑为例，在居民分时电价政策下的费用年值情况，在TRNSYS平台上搭建土壤源热泵+太阳能+电辅耦合供热系统并进行模拟计算，分析该系统在耦合供热过程中，太阳能集热器造价对费用年值的影响变化趋势及供热系统的最优匹配方案，如表1、图2所示。

图2 集热器价格对系统费用年值的变化趋势

表1 不同集热器价格下土壤源+太阳能+电辅供热系统的最优匹配方案

从中可知，太阳能集热器价格的变化对于最优化的方案存在一定影响，随着太阳能集热器价格的升高，当达到800—1000元/㎡时，土壤源热泵+太阳能的初投资过高；当太阳能集热器的价格降低时，系统的费用年值降低，有利于土壤源热泵供暖容量的提升，使得土壤源热泵的低运行费用的优势更加明显，从而降低系统的费用年值。

（二）电价变化的影响

在土壤源热泵+太阳能+电辅耦合供热系统运行过程中，系统的运行费用对费用年值产生重要的影响。

以城镇住宅小区现有建筑为研究对象，以现有居民分时电价为参考并在此基础上研究电价政策变化的影响。在居民分时电价政策条件下，当低谷电价发生变化时，会直接影响供暖系统的运行费用。谷电电价的降低会更加有利于初投资小的热源设备的占比，影响最优化方案的选择，如表2所示为不同谷电电价政策下，最优化方案匹配表和最优费用年值随电价变化的费用年值变化图。

表2 不同电价政策水平下土壤源热泵+太阳能+电辅供热系统最优系统方案

由表2可知，谷电电价在0.15元 /kWh、0.25元 /kWh、0.32元/kWh变化时，供热系统最优配比方案并未发生变化，谷电电价在0.1元/kWh左右的情况下，其系统的费用年值才可基本与哈尔滨地区的集中供热的收费标准相当，但该系统在哈尔滨地区的应用受到土壤源热泵地埋管占地面积及太阳能集热器安装用空间的限制，因此应结合其他热源联合应用。

（三）贷款利率的影响

贷款利率可以影响清洁能源供热系统投资年金，进而影响系统的费用年值，较低的利率可以吸引投资，促进互补供热系统的推广与应用。下面以某一建筑为研究对象，在居民分时电价政策条件下，当贷款利率发生变化时，分析其对不同系统的最优匹配方案和费用年值造成的影响。

由表3可知，在不同贷款利率的情况下，热源的最优配比情况发生变化，其中，随着贷款利率的升高，初投资较高的土壤源热泵容量不断变小。由图3可知，随着贷款利率的降低，多热源耦合供热系统的费用年值不断降低。

图3 不同贷款利率水平下，土壤源+太阳能+电辅系统费用年值

表3 不同贷款利率水平下，土壤源+太阳能+电辅最优系统方案

（四）经济补贴的影响

以哈尔滨地区为例，该地区对于使用清洁能源替代燃煤小锅炉的改造政府将给予补贴建设资金总额的1/3，并且在用电政策方面，居民供热可以使用居民用电价格，谷时段延长为10个小时，价格为0.2898元/kWh。因此，采用太阳能和地源热泵供暖系统，在其系统配比为太阳能集热器面积12126m2，地源热泵容量为5500kW，蓄水箱体积为600m3时，投资年金为189.63元/m2，运营年金为16.23元/m2，费用年值为37.05元/m2，采用居民分时电价，若收费标准为40元/m2时，即使不存在政府资金补贴，使用年限15年的内部收益率达到了10.61%。