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高速公路服务区煤改电采暖解决方案

时间:2019-06-27

前言


清洁供暖是国家能源生产和消费革命、生活方式革命的重要内容,实行清洁供暖是加快改善环境空气质量,打赢蓝天保卫战的重要举措。自2013年国务院发布《大气污染防治行动计划》以来,国家以及各省(市)政府出台了一系列清洁供暖补贴政策,全面整治或淘汰燃煤小锅炉、鼓励和促进供热企业以及取暖用户使用清洁能源供暖。2016年发展改革委《关于推进电能替代的指导意见》提出要使电能占终端能源消费比重达到27%。2017年环保部《京津冀及周边地区2017大气污染防治工作方案》要求在“2+26”城市全面推进冬季清洁取暖、完成小燃煤锅炉“清零”工作。按照规划,到2019年,北方地区清洁取暖率达到50%,替代散烧煤7400万吨;到2021年,北方地区清洁取暖率达到70%,替代散烧煤1.5亿吨。其中,到2021年,电供暖面积达到15亿平方米,包括分散式电供暖7亿平方米,电锅炉供暖3亿平方米,热泵供暖5亿平方米。我国主要通过清洁高效利用、清洁能源替代和减量三个技术路径实现,近几年取得了清洁采暖、治理雾霾的良好成绩,清洁取暖是大势所趋。


高速公路服务区燃煤锅炉淘汰和清洁取暖改造是交通系统节能的重要组成部分,我国北方地区高速公路网分布较广,沿线设置的服务区、停车场、管理中心等服务设施,具有地处严寒地区、数量多、面积较小、独立热力站、建筑能耗高等特点,大都采用燃煤锅炉+暖气片的采暖方式,存在着煤炭能源消耗量大、大气污染排放及炉渣废弃物排放、管理信息化手段滞后等问题。结合高速公路服务站点项目的燃煤锅炉拆除、配电扩容、维修保养、项目地气候条件、建筑特点等实际情况,通过试点项目研究和对比,为高速服务区的暖气片供暖、严寒天气稳定高效供暖摸索一些经验,对构建绿色、循环、低碳、智能的交通运输服务保障体系有着积极的意义。


一、现有采暖方式对比


随着采暖技术的发展,能源结构从化石能源向清洁能源转变、能源利用由低效到高效、能源服务由单向到智能管控的升级转变,逐步以电能替代和热泵、蓄能技术为核心,提高清洁能源和可再生能源在清洁供暖中的使用比重,形成清洁、安全、智能的新型能源消费方式。


在现有的清洁能源采暖供冷方式中,热泵采暖技术有着节能环保、能效比高、运行稳定的优势,但都存在各自的适用范围和条件:


常规的水/地源热泵是目前空调系统中能效比最高的制冷、制热方式,但项目地属于水资源匮乏地区、环保和水务部门禁止打井取水地区,水源热泵系统受到使用条件和政策的双重限制。北方地区采暖习惯多为传统的暖气片辐射方式,冬季热负荷大、夏季空调冷负荷小或者无需制冷,地埋管采暖系统易形成冷堆积,导致换热效果逐年衰减,而且对已建项目改造采用地埋管方式又占地面积大、投资高,基本不具备可行的条件。空气源热泵适用范围广,受制条件少,但在低温环境条件下,制取高温热量的能力衰减,能耗高,而且由于运行条件恶劣,造成维修费用和故障率较高。

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经过研究分析,常见的采暖方式技术经济性对比如上表所示:


为了突破单一技术运用的客观限制,通过综合技术创新和应用实践,我们提出了蓄联热泵系统,采用空气源热泵采集能量、相变蓄能调节和螺杆水水热泵提温的“双级耦合、多能互补”方式,打造“不打井、不做地埋管”的热泵蓄能复合系统,实现极端严寒天气下稳定、高效的供热效果。


二、蓄联热泵的技术原理研究


2.1技术原理


蓄联热泵系统是成熟的热泵技术和蓄能技术的交叉互联、综合利用形成的创新应用。蓄联热泵由一次侧空气源蓄能热泵、二次侧变工况水水热泵组成。通过一次侧空气源热泵或浅层地热、太阳能、其他废热余热和相变蓄能的技术耦合,实现自然界所蕴含的低品位热能的采集和储存,为二次侧水水热泵系统提供低品位热源,构建稳定、可靠、节能的采暖/供冷系统。


2.2能效比分析


蓄联热泵系统中改变空气源热泵出水工况,设备性能达到最佳,使得系统综合能效大幅提升,具体对比数据如下表所示:

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2.3技术特点


(1)高效节能:在室外温度-20℃、出水温度45℃,蓄联热泵COP比空气源热泵高20%以上。同时高度集成的智能控制达到自适应调节和精准管理,让系统更节能。

(2)低温适应性强及故障率低:室外温度-25℃可以稳定运行,空气源热泵压缩机的压缩比及排气温度降低,在环温-16℃时,实测排气温度在75℃左右,使用寿命和无故障运行时间大幅提高。

(3)出水温度高,适用范围广:出水温度达65℃可调,既适用于铸铁暖气片,也适用于地暖和风机盘管等末端。

(4)低温运行更可靠:空气源热泵压缩机运行工况按环温自适应调节,最大压缩比由28.391降至12.625,降低了44.5%,压缩机始终处在高效、稳定的运行区间运行,设备故障率降低,可靠性提升。

(5)相变蓄能“柔性”调节蓄放:发挥了相变蓄能、冷热均流和调节蓄放的功能,实现了热泵和蓄能的动态匹配,实现多能源互补、多能力互补,安全应对严寒天气。


三、河北阜平服努区清洁采暖方案应用对比


按国家大气污染防治的总体要求,使用清洁能源方式对高速公路服务区(停车区)燃煤锅炉进行全面改造,在前期低环温空气源热泵改造使用效果不理想的情况下,决定在南区采用蓄联热泵技术进行二次改造,在北区采用低环温空气源热泵,对两种技术在完全同等的条件下进行对比。为了对比研究更具客观性,南区北区的空气源热泵选用同一机型、同一品牌。


3.1基本情况


阜平西停车区位于河北保定与山西交汇的五台山山脉附近,分南北两个区,建筑多为常见的一层平房,墙体为三七墙,门窗为中空保温玻璃,建筑保温效果一般。餐厅超市人流量较大,热损耗较大,室内供暖末端采用老式铸铁暖气片。

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3.2改造方案设计


(1)气象参数


由于地处山区,现场气温比县城低2至5℃,阜平县冬季平均气温2℃,日平均最高气温7.2℃,日平均最低气温-3.2℃,一月份夜间平均气温-8℃,近十年极端最低气温在-19℃。


(2)热负荷计算及设备配置

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3.3实际供暖时间及气温情况


(1)供暖监测时间


自2018年11月1日至2019年3月21日,共计141天(截止到报告数据采集日),对室内温度、室外温度、设备耗电量、供回水温度、供水流量做了数据监测,除室内温度采用红外测温仪测试外,其余参数均为实时在线监测,获得数据通过就地存储和远程传输的2种方式做了保存,作为对比研究的依据。


(2)采暖期间气温情况


数据记录期间,室外平均气温2.2℃,日平均最高气温8.4℃,日平均最低气温-3.9℃,实测最低气温在12月28日,-15.9℃。数据分析如下图2所示:

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3.4系统供水温度


(1)南区蓄联热泵系统供水温度能达到设定值蓄联热泵系统能够供暖运行稳定,供水温度设定在60℃,运行实测温度60℃,暖气片表面温度两个取样点分别为48.2℃和49.4℃。

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(2)北区空气源热泵供水温度达不到设定值空气源热泵供水温度设置为50℃,受环境温度波动、结霜化霜、涡旋机自身条件限制等因素影响,实际供水温度最高到48℃,当外界环境温度越低,空气源热泵供水温度也随之降低。

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3.5供暖效果


(1)南区在整个供暖期内室内温度高于18℃。

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(2)北区在整个供暖期内室内温度低于18℃。

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3.6能耗情况


(1)南区采暖季用电量统计


远程监测平台统计数据显示:南区蓄联热泵耗能总量:160877kWh;平均每天耗能:1140.9kWh;每平米耗能:0.57kWh/m2.天,86kWh/m2.采暖季。监测期间耗电记录曲线如下图(监测平台截图、数据截至3月21日):

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(2)北区采暖季用电量统计


远程监测平台统计数据显示:北区空气源热泵耗能总量:84200kWh;平均每天耗能:597.2kWh;每平米耗能:0.66kWh/m2/天,110kWh/m2/采暖季。监测期间耗电记录曲线如下图(监测平台截图、数据截至3月21曰):


四、蓄联热泵运行可靠性和经济性分析

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通过阜平服务区的南区和北区分别采用空气源热泵和蓄联热泵供暖的分析对比,可以得出采暖运行数据监测期间内,蓄联热泵供暖效果明显优于空气源热泵供暖效果。为了进一步验证蓄联热泵系统在极端天气的技术经济性能,我们选取了最低气温日和低温雨雪天气日进行研究分析。


4.1最低温日运行情况分析


根据采暖数据监测期间的气温统计数据,2018年12月26日至2019年1月3日期间出现连续低温寒潮,其中12月28日当天阜平西停车区实测最低气温-15.9℃,12月31日出现了雨雪天气。12月26日-12月31日实测气温变化如下:

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在此期间,南区蓄联热泵供水温度都能达到58℃以上,供热运行正常。北区空气源热泵供水温度46℃,北区超市室内温度仅15℃。蓄联热泵系统供回水温度变化监测数据分析如下表所示。

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4.2低温雨雪天气下的运行情况分析


根据采暖数据监测期间的气温统计数据,2019年2月7日、2月13日都有中等规模的降雪,且全天气温都较低,湿度较大。2月7日实测气温变化如下:

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在此期间蓄联热泵供水温度都能达到58℃,供热运行稳定。蓄联热泵系统供回水温度变化监测数据分析如下图所示。

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4.3系统运行COP分析


根据采暖季气温最低日12月28日监测数据,包含水泵、除霜因素,蓄联热泵系统日均综合能效比为1.89,能效比COP曲线如下图。全天总供热量为3220kWh,每平米平均热负荷67W,峰值热负荷89W。

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采暖季2月19日的平均气温接近阜平地区冬季平均气温(冬季平均气温2℃,日平均最高气温7.2℃,日平均最低气温-3.2℃),该日的运行数据可以视为系统采暖季的平均运行效率。


根据采暖季气温最低日2月19日监测数据,包含水泵、除霜因素,蓄联热泵系统日均综合能效比为1.97,能效比COP曲线如下图。全天总供热量为2804kWh,每平米平均热负荷59W,峰值热负荷67W。

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五、供暖服务模式探索


通过对阜平服务区空气源热泵与蓄联热泵的采暖运行比较分析可以得出,蓄联热泵系统在整个采暖季总耗能量86kWh/m2,相比现有的典型单一空气源热泵采暖系统节能20%以上,蓄联热泵技术供热效果最接近燃煤锅炉,具有运行成本最低、能效比高、节能环保的显著特点。技术经济特点比较结果如下表:

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通过上述的技术经济分析,采用蓄联热泵系统解决暖气片、高负荷的清洁采暖改造问题,不仅有着采暖效果好、稳定可靠、能效高等特点,而且投资省、运行成本低、维护费用低,加大了盈利空间、大大缩短了投资回收期。结合国内高速公路管理的一些特点,建议采用以下几种供暖服务模式:


(1)能源托管模式


由能源服务企业进行勘察、设计和投资、采购设备实施改造,负责供暖运行维护和成本管控,并缴纳供暖运行电费,高速服务区管理单位按照约定价格每年向能源服务企业支付采暖费即可,能源服务企业通过技术优势和管理控制经验,实现采暖费和运行费用的差价最大化,以此回收投资成本、实现盈利。


(2)设备销售模式


由能源设备企业提供清洁采暖整体解决方案方案、配套生产设备,高速服务区管理单位出资购买设备和服务,并安排施工单位按设计图纸完成建设,设备企业调试运行正常后交付使用,提供操作培训、售后服务。


(3)融资租赁模式


由能源服务企业提供设备融资租赁的金融服务,承租人无需购买设备、需提供等额的担保抵押,由能源服务企业进行勘察、设计、实施改造并交付承租人。承租人自行承担运行费用,按约支付设备租赁费用。承租人可与高速服务区管理单位商议确定采暖收费标准,通过采暖费和运行成本差价实现盈利。


六、总结


高速公路服务区地处偏远、配电容量有限、气候条件恶劣,通过阜平服务区“煤改电”清洁采暖改造的对比研究和实践,进行燃煤锅炉替代、实现暖气片系统的清洁采暖改造,我们可以看出,该类型严寒地区,常规的低温空气源热泵受自身条件限制,低环温运行时能效比低、压缩比高,导致运行费用高,且不能满足末端暖气片高温供水的要求,尤其是高压缩比运行可能导致的故障率加大,给维护带来很多隐患。通过对比研究和实践,在服务区原有配电的基础上,采用蓄联热泵技术进行清洁采暖改造,实现了供水温度稳定、室内温度保证、运行能耗降低,通过清洁采暖方式的探索和实践,希望能为交通系统推进节能减排、大气污染防治起到一定的示范作用。


主要的研究实践经验总结如下:


(1)蓄联热泵技术在低温环境下具备供暖保障性


根据阜平服务区运行监测数据来看,蓄联热泵技术在严寒气温环境-16℃以及低温雨雪环境下供水温度达到58℃,满足老式暖气片供暖需求,室内温度达18℃至22℃,完全能保障供服务区建筑供暖。相比空气源热泵,在供热效果上具有明显优势。


(2)蓄联热泵技术具有高效性


蓄联热泵技术解决了极寒天气运行问题,降低了空气源热泵压缩机的压缩比及排气温度,制热时运行工况大为改善,在室外温度-10℃,出水温度45℃时,COP为2.64,比空气源热泵高13%。南区蓄联热泵单位面积的耗电量比北区空气源热泵低16%,而且室内供热温度却高于北区。


(3)蓄联热泵技术实现节能环保“零”排放、无污染


通过蓄联热泵的清洁采暖改造后,在服务区原有配电的基础上,通过热泵技术实现效果良好的供暖,服务区内采暖无任何污染物排放,无需安排锅炉工清理煤渣等,环保效果显著。