1、采暖供热系统的应用浅析摘要：随着环保要求的提高和电力峰谷差的拉大，燃煤锅炉采暖受到严格限制，而其他采暖形式，如燃气采暖、电动采暖和蓄热的应用，开始受到关注。本文对热电联产、燃气锅炉、电炉、电动热泵以及蓄热的应用前景做初步的分析与探讨。 关键词： 采暖 蓄热 应用 一、引言 近年来，我国大气污染日益严重，人们要求保护环境、净化天空的呼声日益增高，而北方冬季城市空气污染的重要来源是采暖燃煤锅炉所排放的粉尘和有害气体。与此同时，许多地区电力出现了相对过剩、电力峰谷差不断拉大的现象。例如，东北电网系统的最大峰谷差已是最大负荷的 37%，而华北电网已达峰负荷的 40%1。为解决电力系统的这种供需矛盾，电
2、力系统用户侧和发电侧均采取了一定措施。在发电方面，一大批初投资巨大的抽水蓄能电站、运行费昂贵的燃油燃气尖峰电站相继建成并投入调峰运行，甚至一些高参数的大型火电厂也以被迫降低发电效率为代价而参与电力调峰。同时，电力系统也加强了用户侧管理。例如，采取分时电价，鼓励用户在电力低谷时多用电，在电力高峰时少用电。 因此，在环保要求高的城市采暖供热中，燃煤锅炉房或燃煤炉灶将严格限制使用，取而代之的几种可能的采暖形式主要有集中供热的电锅炉、大型电动热泵和燃气锅炉房以及分散在用户房间内的家用燃气炉、电暖器等（见图 1） 。同时，为减小电力网发电的峰谷差，也可考虑在供热系统中设置蓄热装置，使得在满足采暖要求的同
3、时，对电力负荷起到削峰填谷的作用。为此，本文将对上述采暖系统形式的应用作初步的分析与探讨。 二、采暖供热系统能耗和经济性 1. 能耗 传统采暖系统消耗的能量是燃料，而电动采暖系统所消耗的能量是电能。因此，为更全面分析各采暖系统效率，采用一次能耗率作为所耗能评价指标。一次能耗率即单位供热量所消耗的一次能源量。图 2 为采暖系统在单位供热量与相应的一次能量之间的能量平衡图。其中 为采暖系统供热效率，即供热量与输入能耗之比。对于热泵系统， 为热泵性能系数与系统管道效率之积，对于锅炉供热系统， 为锅炉采暖系统的热效率与系统管道效率之积，对于热电厂， 为热电厂供热量与燃料量之比；e 为热电厂的发电效率。
4、 表 1 采暖系统有关参数的取值采暖初投资(元/kW 热)供热效率热源管道末端合计 传统采暖家用燃气炉灶5001002008000.90燃气锅炉房100030020015000.90热电联产300050020037000.55电炉普通电暖器500-5001.00相变蓄能电暖器2000-2001.00电锅炉100030020015000.95热泵家用热泵1200-12002.60大型热泵150030020020002.60其他参数热电联产发电效率0.20电力系统发电效率0.33天然气管网追加投资(元/kW 热)600煤价（元/kWh）0.035天然气价（元/kWh）0.141折旧率0.07对于锅
5、炉采暖系统，单位供热量 b 为：对于热电联产系统，1/ 份的燃料在提供 1 份热量的同时，又发出e/ 份电量。如果这些电由电力系统中其他电厂产生，则需耗费的燃料量为为电力系统发电效率。于是，单位供热量热电联产系统的一次能耗为： 对于电动采暖系统，所耗电能由电力系统提供，于是： 实际上，一个采暖季的采暖能耗不仅取决于单位供热量采暖系统的一次能耗，还取决于采暖系统的运行时间。对于家用采暖装置，如家用热泵、家用燃气炉和电暖器等，由于系统调节灵活，启停方便，根据需要随时调整供热工况，可在房间有人时供热，而在无人时采暖设备停止运行，从而减小最大采暖负荷时间数，降低单位采暖面积的供热能耗。对于传统的集中供
6、热系统，如锅炉房或热电联产，由于运行调节惯性大，设备启停不便，一般房间内不单独进行供热量调节，系统在整个采暖季不间断供热，最大采暖负荷小时数大，造成单位采暖面积能耗的增加。对于北京地区，不间断供热的最大采暖负荷小时数 h 可取为 2000。引入采暖系统可调节系数 的概念，定义为采暖系统实际最大采暖负荷小时数与整个采暖季不间断采暖的最大负荷小时数之比。对于家用采暖装置，可调节系数一般为 0.5 至 0.8，本文取为 0.65，对于集中供热系统，可调节系数一般为 1。于是，考虑到可调节系数的采暖系统一次能耗率为： 系统一次能耗率表示单位供热容量的采暖系统单位时间能耗，它反映出在考虑可调节系数后采暖
7、系统的能源利用效率。图 3 给出各系统的一次能耗率，其中有关参数的取值见表 1。可以看出，设置蓄热器的电锅炉采暖一次能耗最大，电锅炉由于没有蓄热损失而一次能耗次之，考虑到可调节系数，电暖器的一次能耗小于以上两种采暖系统。热电联产系统的能耗最小。家用燃气炉和家用热泵虽然能耗明显高于热电联产系统，但由于可调节系数的影响，其一次能耗率与热电联产系统相近。2. 经济性采暖供热系统的经济性可从单位供热容量年运行成本加以评价，年运行成本 C 由初投资的折旧和运行费组成。为使问题更加简明，在运行费中仅考虑能耗费。在经济分析中，采暖系统消费和产生单位电量的价值在不同时刻是不同的。小时级的单位电能生产和消费的价
8、值可由电能价值当量衡量和反映2。电力负荷高峰期和低谷期电能价值当量是不同。图 4 给出了我国某电网小时级电能价值当量典型日分布。对于热电联产系统，年运行成本由下式获得： 其中，k 为热电联产系统初投资，元/kw(热)；r 为折旧率；f 为燃料费；e 为热电厂发电的电能价值当量，元/kw.h。而燃气锅炉采暖系统，年运行成本由下式计算：对于电动采暖系统，年运行成本可计算为： 初投资取值如表 1 所示，其中热源投资对于集中供热系统包括设备和土建两部分，电能价值当量取值如图 4。图 5 给出各采暖系统的年运行费。可以看出，电炉采暖的年运行费远高于其它系统，而热电联产的经济性则是所有采暖系统中最好的。其
9、它采暖形式之间的经济性差别不十分明显。对于具体的采暖系统，系统初投资和效率与表 1 中的值会有所不同，各地的能源价格的制定也存在差别，因此，除了热电联产经济性经济性明显偏好、电炉采暖的经济性明显偏差外，其它采暖系统经济性应根据具体情况加以分析和评价。三、各采暖系统应用分析1. 传统采暖供热系统 传统的采暖供热系统主要有锅炉采暖系统和热电联产集中供热系统。1） 锅炉采暖 包括以锅炉房为热源的集中供热系统和分散在各用户房间的家用炉灶。按燃料分又有燃煤锅炉和燃油、气锅炉（燃油、气锅炉房和家用壁挂气炉）等。 燃煤锅炉 包括燃煤锅炉房和家用小煤炉。家用小煤炉由于投资小、燃料价低而在小城镇的分散住宅使用较
10、多，燃煤锅炉房则主要应用于一个小区的独立供热或承担大型区域供热系统的尖峰负荷。燃煤锅炉运行成本低，在我国城镇采暖中使用最为普遍。但是，由于能源转换效率很低，对大气的污染在所有采暖系统中是严重的，因此这种采暖形式在环保要求高的城市，尤其是北京的使用，应严格加以控制。 燃油、气锅炉 包括应用于小区或单个楼宇采暖的集中式燃油、气锅炉供热系统和以壁挂气炉等形式设置在房间内的家用燃气炉等。由于天然气等是清洁燃料，这种采暖系统的环境污染远小于燃煤系统。目前，天然气的进京，环保意识的加强，使得燃气锅炉在北京的应用和推广成为可能。另外，燃油、气锅炉运行调节灵活，尤其家用以壁挂气炉，可根据人们的作息情况随时做启
11、停和供热量调整，从而减少了系统运行的最大采暖负荷小时数，节省了燃料量和运行费。但是，当考虑到天然气管网的追加投资，燃气锅炉采暖系统的初投资会明显增高。在运行费方面，由于油、气等燃料价格昂贵，系统的一次能耗也较高（如图 3） ，使得燃油、气锅炉的运行费昂贵。因此，燃油、气锅炉采暖系统，尤其是集中式燃油、气锅炉供热的推广和应用，应在深入的技术经济分析基础上慎重进行。2） 热电联产供热系统以热电厂为热源的区域供热系统，常见形式是热电厂中汽轮机的抽汽或背压排汽通过热交换器将热量传递给热水，并通过热网输送到各采暖用户。热电厂将高品位的热能用于发电，低品位的热能用于供热，因而能源转换效率高。如果有关参数取
12、值如表 1，对于相同的最大采暖负荷小时数，在所有采暖形式中，热电联产一次能耗是最低的。这使得热电联产系统的环境污染也很小。同时，在电力短缺时，热电厂在供热的同时发电上网，相当于减少了电力系统相应投资。从整体上看，热电联产具有很好的经济性（如图 5） 。因此，在保证全年充足热负荷的前提下，应鼓励热电联产的建设和现有热电厂的运行。2. 电动采暖系统1） 电炉采暖 电锅炉 属于集中式的电采暖系统，多用于一幢楼宇或建筑密集的商业小区供热。与传统集中供热方式一样，在该系统中，热水被电锅炉加热后由热力管道输送至各用户房间。由图 5 可知，电锅炉系统的运行成本明显高于其他采暖系统。而且电锅炉采暖系统单位供热
13、量的一次能耗在所有采暖形式中是最高的。因此电锅炉采暖的使用应严格限制，即使是在电力富裕的时期。因为电力过剩往往使短期性的，随着经济的发展，这种过剩将会消失。何况电锅炉能源转换效率极低，大量使用是不符合我国可持续发展的能源政策的。 电暖器 一般设置在用户房间内，主要形式有电热微晶玻璃辐射取暖器、电热石英管取暖器、电热油汀等普通电暖器和具有蓄热功能的相变蓄热电暖器等。由于省去传统采暖系统中的热力管道和散热器，一般电暖器的投资明显较低。而且电转换为热后可直接用于采暖，转换效率为 100%，避免了电锅炉采暖中因中间介质（热水）而造成的热损失。在运行方面，这种采暖装置调节灵活，使用方便，用户可根据需要对采暖装置的启停随时控制，因而可减少采暖季装置运行时间，进而可减少采暖运行费。因此，电暖器的经济性要好于电锅炉采暖系统，见图 5。同时，家用电暖器不需象集中供热那样要有专门人员对采暖系统进行管理、运行和维护，也没有集中供热中所存在的计量受费难题。而且电暖器不会对使用地区产生污染。但是，电暖器存在着单位供热量一次能耗大的缺点（见图 3） ，运行成本也高于一般的采暖系统。由于房间电路容量较小，因而当采暖负荷较大时，存在用户电路改造问题。在采暖效果上，
