Applicability Analysis of Complementary Wind Power Heating System in Sanbei Area
程鹏月① CHENG Peng-yue；陈守杰② CHEN Shou-jie
（①河北建筑工程学院，张家口 075000；②张家口建筑勘察设计有限公司，张家口 075000）
（①Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering，Zhangjiakou 075000，China；
②Zhangjiakou Architecture Survey and Design Co.，Ltd.，Zhangjiakou 075000，China）
摘要：互补型风电供暖系统是利用低谷风电代替部分燃气供暖，达到节约资源和降低运行费用的目的，是清洁取暖背景下的创新供热模式。本文以互补型风电供暖系统为分析对象，与电锅炉直供系统和燃气供暖系统对比，分别进行了技术、经济、一次能源消耗量的分析，通过01评分法综合分析并证明了互补型风电供暖系统在风电充足的三北地区具有较强的适用性。
Abstract: Complementary wind power heating system is an innovative heating mode under the background of clean heating, which uses low-valley wind power instead of partial gas heating to save resources and reduce operating costs. In this paper, the complementary wind power heating system is taken as the analysis object, and compared with the direct heating system of electric boiler and the gas heating system, the technical, economic and energy analysis is carried out respectively. Through the comprehensive analysis of 01 score method, it is proved that the complementary wind power heating system has strong applicability in the three north areas where there is sufficient wind power.
关键词：互补型风电供暖；适用性；01评分法
Key words: complementary wind power heating；applicability；01 scoring method
中图分类号：TU832 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）21-0072-03
0 引言
目前，清洁取暖成为了“十三五”战略性新兴产业重点，因此国家推进供热体制改革，鼓励创新供热模式，加大可再生能源利用率。路燕[1]认为，在利用清洁能源供热时，要结合自身实际情况，利用其它供热方式作为补充，因地制宜，协调发展。聂海宁等[2]认为如何综合利用多种可再生能源实现清洁供热，需要更多技术创新和实践。邱国栋等[3]对太阳能、空气源热泵、太阳能辅助空气源热泵三种供暖系统进行了太阳能丰富的寒冷地区的适用性分析，得出结论是太阳能辅助空气源热泵节能性最好，空气源热泵的经济性最好。王怡[4]对不同供暖形式的燃气锅炉进行了适用性分析，指出要合理选择供暖系统形式，发挥燃气锅炉优势，降低初投资和运行成本。覃露才等[5]提出应加强供暖规划与电力规划、燃气规划的衔接，以保障供热的可靠性。王志刚[6]认为构建出时效性较高的天然气供热安全保障体系，包括供热能源结构、燃气系统改造等。王惠等[7]进行了华北地区农村清洁供暖方式研究，发现燃气供暖管网建设难度大，仅适用于已建成燃气管网的地区。京津冀农村在用天然气供暖时初投资不大，但是后期使用成本高，且面临天然气的资源短缺及使用电力的不经济问题，应该鼓励结合实际情况，使用不同的多能互补供热采暖模式[8]。
本文所述的互补型风电供暖系统是利用低谷风电供热以及蓄热，来代替部分燃气供热，不仅由于谷电价低节省了运行费用，还优化了热力资源、电力资源、天然气资源之间的能源结构。
1 适用性分析概述
1.1 适用性分析技术路线
本文首先以供热需求大的张家口市为三北地区的典型代表，需要稳定供热的某学校为例，将互补型风电供暖系统与其他两种供暖系统——电锅炉直接供暖系统和燃气供暖系统进行对比，通过01评分法对技术、经济、一次能源消耗量三个因素综合分析，得出互补型风电供暖系统的适用性。
1.2 适用性分析对象
本文以张家口市某学校为例，将互补型风电供暖系统与电锅炉直供系统和燃气供暖系统进行比较。该学校的供暖面积约为27万平方米，教学楼、图书馆、学生宿舍等建筑热负荷特性均有差异。热源为两台7MW的燃气锅炉、一台16MW电锅炉机组、一个12m×12m×6m的蓄热水箱，散热设备均为铸铁型散热器。
2 适用性因素分析
2.1 技术分析
通过对学校互补型风电供暖系统在整个供暖期的运行性能测试，根据运行情况和实测数据记录，综合评定了该系统在冬季运行性能的稳定性。
2.1.1 用热效果分析
在整个供暖期，通过分时分区对不同类型建筑物室内间温度的控制观察，各个房间内温度均保持在设计温度左右，极少数出现室内温度达不到设计要求的情况。系统的供热量与热负荷相一致，实现了分时、分温、分区、按需供热[9]。
2.1.2 管网性能分析
在整个试验运行时间段内，经过实验测试，得到实际流量与要求流量之间一直在一定范围内保持一致性，未出现水力失调现象，设备匹配性良好。锅炉运行效率一直保持在中高水平，锅炉与其进出口管道上的阀门等装置配合良好。单体建筑间也未出现水平的水力失调现象，各个管路上的循环水泵、节流装置等选型安装科学合理，符合实际情况。
2.1.3 调控性能分析
通过对风电供暖系统的的运行控制，在整个实验阶段内系统的操控简便，有序运行。控制系统可以实时反映系统运行状况，能够按照室外气象条件的变化，实时调节供热系统的热负荷大小。
2.2 经济分析
供热系统的运行费用是进行供热系统设计时考虑的一个重要因素，达到人们对室内环境的需求前提下，更少的运行费用更具有竞争力和适用性。
2.2.1 运行费用计算
供热系统的运行费用可用下式计算：
■（1）
式中：
Z——运行费用（元）；
Cd——电采暖谷电电价（元/kW·h）；
Ed——谷电耗电量（kW·h），包括电锅炉、水泵等的耗电；
Cf——电采暖峰电电价（元/kW·h）；
Ef——峰电耗电量（kW·h），包括水泵等的耗电；
Ct——天然气价格（元/m3）；
Et——天然气耗费量（m3）；
Cq——供热系统其他能源消耗量，包括耗水量（m3）；
Eq——其他形式能源当地消耗单价。
此学校为张家口地区参与四方机制的电采暖用户，协议谷电电价为0.14元/kW·h，峰电电价为0.23元/kW·h。张家口天然气均价为3.81元/m3，自来水为5.4元/m3。运用上式并通过测试验证，计算出的互补型风电供暖系统的运行费用为566.32万元。往年采用天然气供暖系统时，其中和采暖期平均温度相近的年份，采暖期运行费用为700.05万元。在该学校，相同的采暖面积，若采用相同的供暖系统，若选用电锅炉直供，运用上式计算出来的年运行费用为921.48万元。
2.2.2 运行费用对比分析
现在，将三种供热方案的运行费用进行比较。
方案A：互补型风电供暖系统
方案B：天然气供暖系统
方案C：电锅炉直接供暖系统
本文以风电供暖系统为分析对象，故以风电供热系统的运行费用作为一个基准，以分析风电供暖系统相对于其他两个常用的供暖系统运行费用的节约率。其中运行费用节约率的计算方法如下，计算结果如图1所示。
A方案运行费用节约率c=（其他供热系统运行费用-A方案运行费用）/其他供热系统运行费用
在整个供暖期，电锅炉直接供暖系统虽然采用智能控制，温控器温度控制也比较精确，但是在供暖期内，由于电锅炉全天运行，耗电量很大，所以运行费用相对较高。互补型风电供暖系统充分利用低谷电能，供热电锅炉和水箱蓄热均在低谷时段运行，利用峰谷电价差来节省运行费用。
2.3 能耗分析
我国资源日近匮乏，发展节能技术减少对能源的消耗是时代对研究者的要求，各供暖系统能耗占整个建筑能耗的比例也越来越大，因此从一次能源消耗量的角度更能简单直观的成为供暖系统选择的重要参考因素之一。
2.3.1 一次能源消耗量计算
为了方便同类比较，将三种方案各类能源消耗转换为同一标准能源消耗量。按照我国综合能耗通用计算通则，1kg标准煤的低位发热量约为29307kJ/kg（7000kcal）。其他品质能源转换为标准煤的折算系数如表1所示[10]。
一次能源消耗量按公式计算：
■（2）
式中：
E——一次能源消耗量；
En——第n种能源的消耗量，包括耗电量、耗气量、耗油量、耗蒸汽量、耗水量等；
Pn——第n种能源的转换系数，取表1值。
根据实测结果以及计算式（2），可得互补型风电供暖系统的一次能源消耗量，如表2所示。
■
2.3.2 一次能源消耗量对比分析
以研究对象方案A为基准的一次能源消耗节约率结果如图2所示。在整个供暖期内，互补型风电供暖系统相比方案B和方案C的一次能源节约率依次为0.9728%、-1.0214%。在整个供暖季，电锅炉直供系统的一次能源消耗量最大，其次是天然气供热系统，而风电供暖系统一次能源消耗量最小，一次能源消耗量依次为B＞A＞C。
由于电是高品位能源，所以电锅炉直供系统相比其他两种系统一次能源消耗量稍低，天然气供热系统的一次能源消耗量最高，由于风电供暖系统采用风电天然气互补型供热系统，所以一次能源利用率处于其他两种方案之间。
3 多因素综合分析
本文利用01评分法对风电供暖系统、电锅炉直接供暖系统和天然气供暖系统三种方案的技术、经济和能耗三个因素来进行比较，得出适用性最强的供暖系统。
3.1 01评分法
01评分法首先把各个对比因素排列成矩阵，再按各因素的重要程度，一对一地比较，重要的得1分，不重要的得0分；然后，把各因素的得分累计起来，为防止因素得分为零的情况发生，用各加1分的方法予以修正；最后用修正得分除以总修正得分即为各因素的重要程度指数[11]。
因素指数=某因素修正得分/全部因素修正得分合计
3.2 各因素权重分析
在技术方面，根据以上分析结果，A方案的风电供暖系统运行稳定，运行控制策略设计合理，供热效率保持在较高水平，相比较于B方案的天然气供暖系统重要得1分。由于C方案的电锅炉直接供暖系统全部使用电力供热，可以采用智能控制，温控器温度控制也比较精确，所以C方案相比于B方案重要得1分。比较结果如表3所示。
■
同理，根据以上分析，经济因素比较结果如表4所示。
■
在一次能源消耗量方面，比较结果如表5所示。
■
3.3 目标层因素权重综合分析
根据以上方法以及分析，分别对目标层各个因素进行对比，技术、经济、一次能源消耗量三个因素相比较。一般情况下，供热系统环境友好，运行费用较低，具有较强的适用性，所以技术因素相比于其他两种因素不重要得0分。在上述分析中，由于一次能源节约率相差不大，所以经济因素相对来说比较重要得1分。目标层比较结果见表6。
■
因此：方案A权重=0.17*0.33+0.50*0.50+0.33*0.33=0.417
方案B权重=0.17*0.17+0.50*0.33+0.33*0.17=0.25
方案C权重=0.17*0.50+0.50*0.17+0.33*0.50=0.33
通过以上分析，技术、经济、能耗三个因素对比，经济因素最为重要。而方案A在经济因素对比中相较于方案B和方案C最有优势。所以经过以上计算可得出，方案A权重为0.417最大，相比较于方案B和方案C有较强的适用性。
4 结论
利用01评分法对供热系统的技术、经济、能耗因素综合分析，可得到以下结论：
①在风电充足的三北地区，互补型风电供暖系统相比较于天然气供暖系统和电锅炉直供系统有较强的适用性。
②三种供热方式均采用清洁能源，能耗影响相比较于其他两种对比因素不是最大。但是单从一次能源消耗量来看，互补型风电供暖系统一次能源消耗量高于电锅炉直供系统，因此建议互补型风电供暖系统尽可能增加风谷电蓄热量，以减小白天天然气供热量，减小一次能源消耗量。互补型风电供暖系统在控制系统上较电锅炉直供系统稍有劣势，因此应加强运行策略研究，提高智能控制技术。
③互补型风电供热系统使用廉价的低谷电供热及蓄热，可以实现电力系统的削峰填谷，平衡国家电网安全运行，提高发变配电设备的使用率。这样既可以大幅度降低电力负荷，提高电力使用的效率，又能节约能源，实现能源的可持续发展。
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