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京津冀农村地区区域供暖规模经济性研究

发布日期:2019-08-19    来源:建工华创    作者:匿名    浏览次数:



京津冀农村地区区域供暖规模经济性研究

 

李淑洁,郝学军

(北京建筑大学,北京 100044)

 



[ ] 随着新农村建设的逐步推进,在改变京津冀农村地区的供暖方式时,不仅要考虑对环境的保护,还要综合考虑农民的经济承受力,尽量降低改造的费用。地源热泵作为绿色环保的供冷供热设备,非常值得在京津冀农村地区推广。通过分析,使用地源热泵供暖时,在一定范围内,区域内(一台热泵机组供应)供暖户数越多,平均到每户费用越低;但考虑到由于管线过长而造成的热量损失,60户为一区域最佳。

[关键词]京津冀农村;区域供暖;经济性比较;地源热泵

 

 


0引言

    在京津冀农村地区,随着农村经济实力的不断提升,人们的生活条件得到了明显的改善,但是绝大部分农村房屋均为村民自建,缺乏科学的设计,存在着建造水平低、保温措施差、采暖设备简陋等问题,每年冬季供暖能耗占全年能耗的59%[1]。目前雾霾天数的日益增多,这与京津冀农村冬季供暖中煤的使用有密切的关系。煤,特别是散煤,目前仍是京津冀农村地区生活用能的主要来源,占全部生活能耗的55%[2]。而且农村居民使用的散煤所排放出的污染物没有经过任何处理,直接排到了大气中,烟尘总量相当于工业用煤的2.7倍[3],对环境造成了严重的污染,因此利用清洁能源代替散煤是农村发展的必然趋势。电能作为一种清洁、高效的终端能源,利用率可达90%以上,符合新农村建设中低碳、绿色的能源发展理念。地源热泵作为一种绿色环保的供冷供热设备,运行时没有任何污染,不排烟也没有废弃物,通过电能使换热器与大地进行热量交换[4-5]。通常情况下每消耗1千瓦时的电能,用户可以获得4千瓦时左右的冷量或热量,非常值得在京津冀农村地区推广[6]。有专家预测,若“煤改电”全面实行,2020年中东部地区的PM2.5排放量可比2010年降低28%[7]。   

通过调研可知,大部分农民有意愿使用清洁能源代替传统的燃煤取暖,但由于经济条件等因素的影响,对其的使用成本尤其关心,因此,降低清洁能源供热的成本是使其得到全面推广的核心要素。笔者认为,农村供暖区域(一台热泵机组供应)的大小对供热成本有很大影响,要充分利用农村的土地优势,选择恰当的区域进行供热,满足实际需求的同时达到控制成本的效果。考虑到农村地区扥特点,应重点考虑供暖的问题,所以以下的对比研究只针对冬季工况。但地源热泵在冬季可供热,夏季可供冷,由于京津冀地区属夏热冬冷地区,当机组满足冬季的负荷时,夏季负荷也可满足,如就实际情况考虑夏季的供冷问题,安装相应的末端设备即可。

1研究路线 

1.1 研究对象

根据调研结果,得到如图1所示的典型农宅平面图。南北朝向,供暖面积为80 m2,院落面积150 m2,单层建筑,层高4 m。外墙材料为20 mm水泥砂浆+370 mm实心黏土砖,屋顶为灰泥坡屋顶,门窗材料为塑钢门窗[8]。典型农宅的围护结构热工系数如表1所示。农宅所在村庄共225户,村庄有一条宽8 m的马路,东西走向,农宅依马路两侧而建。京津冀农村地区农宅常压下的冷风渗透换气次数为0.5 h-1 [9],人体适宜居住的环境温度为13-16 ℃,经调研当室内温度达到14 ℃时,能满足80%以上农民的采暖要求[10],由此本文设计室内温度计取14 ℃。基于上述参数,采用建筑能耗评估软件DeST-h模拟,得到农宅全年累计热负荷4 633.52 kW·h,采暖季热负荷指标为19.15 W/m2

图1典型农宅平面图

表1典型农宅围护结构热工系数

 

围护结构

材料及做法

传热系数/W/m2·

外墙

20 mm水泥砂浆+370 mm实心黏土砖墙
+50 mm
聚苯板外保温

0.7

外门

双层玻璃塑钢门

2.5

外窗

塑钢窗双层玻璃

2.7

屋顶

灰泥屋顶+保温层

0.8

1.2 研究路线分析

本文旨在寻找地源热泵供暖最具经济性的供暖区域,即在一个系统内通过一台地源热泵,当为多少户农户提供热源时,平均到每户的初投资和运行费用(主要指电费)最低。以225户农户为例,改变区域内的户数,通过计算,得到在不同户数区域内每户的花费,从而找到最经济的区域户数。

2 经济性对比

将传统的燃煤供暖改造为地源热泵供暖,花费主要集中在设备费用、打井费用、管道铺设费用、人工费和入户设备费用。由于本文主要进行价格比较,由此每户相同的入户设备费用不做对比研究。考虑到日后使用,增加电费项,共同进行价格对比。

2.1机组费用

由上文可知每户的采暖季热负荷指标,按供暖面积80 m2计算,每户的采暖负荷为1.532 kW。由此选择一系列的地源热泵机组,使之供应制热量范围内的采暖区域,平均每户的机组价格与区域内户数的关系图见图2。由图可知,在一定范围内,随着供暖区域内户数的增多,平均到每户的机组花费呈下降趋势,但下降速率逐渐变缓。

 

2平均每户机组价格随区域内户数变化情况

2.2打井费用

土壤源地源热泵系统按地下埋管形式可以分为水平埋管、垂直埋管和蛇形埋管。水平埋管式地源热泵在布管时一般为浅层埋管,可人工挖掘沟,初投资较低,但其占地面积较大,且换热效率受外界条件的影响较大;垂直埋管式地源热泵的初投资虽略高,但其占地面积较小,换热效率稳定且运行维护费用较低,是一般工程常采用的方式[11-13]。本研究采用垂直埋管单置U形管的方案,管材为化学性质稳定且耐腐蚀的聚乙烯管(HDPE)。

地埋管换热器与土壤的换热量计算公式如下:

                           (1)

式中:

——地埋管换热器与土壤间的传热量,      

       kW;

——地埋管地源热泵机组制热性能系数;

——地埋管地源热泵机组额定制热功率,

       kW。

将数据带入后,由式(1)可以得到每组的地埋管换热器与土壤的换热量。对于垂直单U形地埋管换热器,单位孔深的换热量范围是30~60 W/m,本文取50 W/m。钻孔深度一般为60~100 m,两孔间距离为4~6 m,本文最深钻孔深度取100 m,两孔间的距离取5 m[14]。由调研可知,钻井费用(包括PE管、回填材料和人工费)平均240元/m[3],由此得每组的钻井费用。平均每户的打井费用与区域内户数的关系图如图3。由图可知,在一定范围内,当户数小于60户时,平均到每户的打井费用与供暖区域内的户数呈上升-下降的趋势,在30户时最大;当区域内的户数在60-225户时,打井费用基本持平,数值也较小。

 

3平均每户打井费用随区域内户数变化情况

2.3 电费

    北京市对清洁能源供暖的电价有非常优惠的政策,在21:00至次日6:00享受0.3元/(kW·h)的低谷电价,且市、区两级财政部门再各补贴0.1元/(kW·h),加权计算后,文本计算中电价统一为0.3元/(kW·h)。由于供暖期内的采暖负荷并非一直是设计供暖热负荷,当计算热泵机组的耗电量时,应将供暖期折算为设计热负荷时间[15]。由李程萌等人的研究结果可知,北京地区的折算设计热负荷时间为1850.7 h[3]。由次,此可求出每台地源热泵机组的年使用电费和平均每户的电费,平均每户的电费与区域内户数的关系图如图4。由图可知,区域内的供暖户数对设备运行后平均到每户的电价稍有影响,即电价稍有波动,但波动幅度较小。当区域内用户小于60户时,电价呈增长-降低的趋势,在30户时最大;当区域内的户数在60-225户时,电费基本持平,数值也较小。

 

4每户年电费随区域内户数变化情况

2.4 管道铺设

入户前的管道价格统一为18元/m,打孔位置位于供暖区域中心线上距农户院落20 m处位置。平均每户的管道铺设费与区域内户数的关系图如图5。由图可知,在一定范围内,随着供暖区域内户数的增多,平均到每户的管道铺设费用呈上升趋势,但上升速率逐渐变缓,逐渐持平。

 

5平均每户管道铺设费用随区域内户数变化情况

2.5 投资汇总

    平均每户的总花费与区域内户数的关系图如图6。由图可知,在一定范围内,随着供暖区域内户数的增多,平均到每户的总花费呈下降趋势,但下降速率逐渐变缓。当供暖区域内的户数小于60户时,区域内的户数对平均每户花费的影响较大,即区域内集中供暖户数越多,平均每户的花费越小;但当区域内的户数在60-225户时,区域内的户数对平均每户的花费影响较小,即可根据实际情况调整供暖区域的大小,平均每户的花费差别不大。

 

6平均每户总花费随区域内户数变化关系

2.6 价格分析

以供暖规模为60户为例,有如图7的供暖改造价格分布饼状图。由图可知,总体价格主要由地源热泵设备费用、打井费用和管道铺设费用(均含人工费)组成,分别占总花费的55%、37%和8%。由此可知,机组的花费对整个费用的影响最大。

 

5价格分布

3 结论

京津冀农村地区通过地源热泵供暖时,在一定范围内,集中供暖区域内户数越多,农户平均的初投资费用和电费越低,当户数大于60户时,费用无特别明显降低,可忽略。但当系统内户数越多,供暖区域越大时,铺设的管道越长,热量损失也就越大,机组的效率随之降低。所以综合考虑经济性和节能率,区域内农户数为60户时最佳。

参考文献:

[1]        陈己宸. 北京某地区农村“煤改电”项目的成本管理研究[D].华北电力大学(北京),2017.

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[4]        武曈,刘钰莹,董喆,方莹,刘益才.地源热泵的研究与应用现状[J].制冷技术,2014,34(04):71-75.

[5]        汤志远,丁国良,胡海涛.我国地源热泵技术研究进展和产业发展探讨[J].制冷技术,2009,29(03):6-14.

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[10]     高建卫,朱能,叶建东.北京农村地区居住建筑的适用节能措施分析[J].天津大学学报(社会科学版),2009, 11(05):420-423.

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[13]     於仲义. 土壤源热泵垂直地埋管换热器传热特性研究[D].华中科技大学,2008.

[14]     马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用[M]. 北京:机械工业出版社,2014:215-216

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