CN110220238B - 一种固体电制热储热供暖机组配置方法 - Google Patents

一种固体电制热储热供暖机组配置方法 Download PDF

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Abstract

一种固体电制热储热供暖机组配置方法涉及一种用于固体电制热储热供暖机组配置方法，可实现固体储热机组的初步选型方案及在不同选型方案下的经济性配置方法。可用于新能源（风电、光伏系统）消纳、分布式点储热机组、电网调峰储热设备等固态储热系统的经济性配置及计算。本发明中储热供暖机组的选型计算主要目的是选择加热功率和蓄热量合适的蓄热机组，需要考虑的参数主要分为室内温度需求、建筑物耗热量、建筑物热指标、采暖季热负荷、储热机组加热功率与蓄热量等六个指标。

Description

一种固体电制热储热供暖机组配置方法
技术领域
本发明内容涉及一种用于固体电制热储热供暖机组配置方法，可实现固体储热机组的初步选型方案及在不同选型方案下的经济性配置方法。可用于新能源(风电、光伏系统)消纳、分布式点储热机组、电网调峰储热设备等固态储热系统的经济性配置及计算。
背景技术
当前国内热能消费主要由燃煤锅炉提供，在大量消耗一次能源的同时产生大量污染物，造成环境严重污染。采用风电、光电等清洁能源供热替代传统燃煤供热不仅能解决环境污染问题，同时也是实现电网“削峰填谷”的重要手段。固体电制热蓄热技术为最近几年发展的一项新技术，其工作原理为：电网用电低谷时期，启动电热储能转换系统，将电能转换为热能存储于蓄热材料中，热能在热负荷需求时才被释放，与其它蓄热技术相比，固体电制热储热供暖机组具有热转换效率高、储能密度大、运行成本较低、占地面积小等优点，因此具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明中储热供暖机组的选型计算主要目的是选择加热功率和蓄热量合适的蓄热机组，需要考虑的参数主要分为室内温度需求、建筑物耗热量、建筑物热指标、采暖季热负荷、储热机组加热功率与蓄热量等六个指标。对于储热机组加热功率与蓄热量室内温度的求取，遵循依据建筑物耗热量指标计算建筑物采暖季热指标，再进一步进行储热供暖机组的热负荷计算，最后推出储热机组的加热功率与蓄热量的计算方法。下面给出上述各指标的相关计算公式：
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括以下步骤：
1固体电制热储热供暖机组选型计算
1)建筑物耗热量计算
建筑物耗热量指标是在计算采暖期室外平均温度条件下，单位建筑面积在单位时间内消耗的需由室内采暖设备供给的热量；耗热量指标计算采用如下公式：
Figure GDA0002926174640000021
式中：qH为建筑采暖季物耗热量指标(W/m2)；QH为建筑物采暖季耗热量(kWh/m2)；Z为计算采暖期天数；
2)建筑物采暖季热指标计算
建筑物采暖季热指标是指单位建筑面积的供暖设计热负荷；建筑物热指标与耗热量指标可计算如下；
Figure GDA0002926174640000022
式中：qf为建筑物采暖季热指标(W/m2)；te为计算采暖期室外平均温度(℃)；tw为计算采暖期室外计算温度(℃)；tn为计算采暖期室内计算温度(℃)
3)热负荷计算
固体电制热储热供暖机组设计热负荷是依据室外温度而要求的室内温度达到相应指标，供热系统在单位时间内向建筑物供给的热量，且常采用如下公式计算：
Figure GDA0002926174640000023
式中：q0为采暖热负荷(kW)；qf为建筑物采暖面积热指标(W/m2)；F为建筑物的建筑面积(m2)；
4)储热供暖机组加热功率以及蓄热体容量的计算
(1)加热功率的计算
①日最大加热用电量计算：
Figure GDA0002926174640000024
式中：
Figure GDA0002926174640000025
为日最大加热用电量(kWh)；ηs为热输出效率；Kτ为储热供暖机组供暖制式系数；
②加热功率计算：
Figure GDA0002926174640000031
式中：Pg为储能机组供暖加热功率(kW)，kx为储能机组设备容量系数；
(2)蓄热体容量的计算
Gβ＝Pg×t1×(1-ξ1) (6)
式中：Gβ为蓄热体容量(kWh)；t1为谷电时长(h)；ξ1为谷电直供系数；
2固体电制热储热供暖机组费用计算
固体电制热储热供暖机组通过电热转换系统将蓄热单元加热到设定温度的同时还需要对外输出热量，依据电网对谷电、平电以及峰电收费标准的差异，设定合理的储热供暖机组的蓄热体容量和加热功率以及采用合适的供暖工作时段是提高供暖机组运行经济性的关键因素；因此，需要对固体电制热储热供暖机组进行经济性分析；
(1)供暖期间机组设计加热电量计算
Figure GDA0002926174640000032
式中：Q1为供暖期储热机组加热电量(kWh)；T1为室内计算平均温度(℃)；T2为供暖季平均温度(℃)；T3为供暖室外计算温度(℃)；η1为锅炉效率；
(2)供暖谷电时段电量计算
Figure GDA0002926174640000033
式中：Q2为供暖季谷电时段用电量(kWh)；λ1为谷电加热电量占比；η2为风机水泵负荷系数；
(3)供暖平电时段电量计算
Figure GDA0002926174640000034
式中：Q3为供暖季平电时段用电量(kWh)；t2为平电时长(h)
(4)供暖峰电时段电量计算
Figure GDA0002926174640000035
式中：Q4为供暖季峰电时段用电量(kWh)；t3为峰电时长(h)；
(5)其他设备运行总费用计算
Figure GDA0002926174640000041
式中：Pξ为其他设备运行(kWh)；
(6)供暖季储热供暖机组实际总用电量计算
Qz＝Q2+Q3+Q4 (12)
式中：Qz—供暖季蓄热供暖机组实际总用电量(kWh)；
(7)供暖期间蓄热机组运行费用计算：
Pτ1＝Q2×p1+Q3×p2+Q4×p3 (13)
式中：Pτ1为单季运行储热供暖机组所花费的供暖电费(元)；p1—谷电电价(元/kWh)；p2—平电电价(元/kWh)；p3—峰电电价(元/kWh)；
(8)供暖期间蓄热机组初期设备投资计算：
Pτ2＝Pg×C1+Gβ×C2 (14)
式中：Pτ2为储热供暖机组初期的设备投资金额(元)；C1为单位加热功率造价(元/kW)；C2为单位蓄热体容量造价；
3固体电制热储热供暖机组配置方法
当采用固体电制热储热供暖机组进行供暖时，与电网进行互联共分为全部采用电网谷电时段进行蓄热和采用电网谷电时段加上部分电网平电时段进行蓄热两种情况；当采用前者电网工况进行蓄热时，导致总装机容量略大，固体电制热储热供暖机组初始投资成本较高；而采用后者电网工况进行蓄热，可以减小机组的加热功率以及蓄热量，但由于采用平电时段进行供暖，导致运行费用增加；因此对固体电制热储热供暖机组的谷电利用系数进行研究是提高机组经济性的关键；
不同谷电利用系数下储热供暖机组的选型功率比(不同谷电利用系数下设备选型功率/全谷电下设备选型功率)和单季采暖总费用(初始投注资金费用+单季运行费用)决定了固体电制热储热供暖机组经济性可由以下公式计算：
Figure GDA0002926174640000042
式中：Pτ为储热供暖机组单季采暖总费用投资(元)；ξ1为谷电直供系数；P1为谷电时段电价、P2为平电时段电价。。
本发明有益效果。
本发明在明确固态电制热储热供暖机组各个指标关系的前提下，进行了蓄热供暖机组的加热功率及蓄热功率的计算方法分析。同时通过计算供暖时间段内储热机组供暖费用，并对比不同供暖方式的投资及运行费用，提高了储热供暖机组选型的正确性和经济性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1：固态储热系统工作原理图
图2：固体电制热储热供暖机组选型流程图
图3：固体电制热储热供暖机组经济性分析计算流程图
具体实施方式
本发明包括以下步骤：
1固体电制热储热供暖机组选型计算
1)建筑物耗热量计算
建筑物耗热量指标是在计算采暖期室外平均温度条件下，单位建筑面积在单位时间内消耗的需由室内采暖设备供给的热量。耗热量指标计算采用如下公式：
Figure GDA0002926174640000051
式中：qH为建筑采暖季物耗热量指标(W/m2)；QH为建筑物采暖季耗热量(kWh/m2)；Z为计算采暖期天数。
2)建筑物采暖季热指标计算
建筑物采暖季热指标是指单位建筑面积的供暖设计热负荷。建筑物热指标与耗热量指标可计算如下。
Figure GDA0002926174640000052
式中：qf为建筑物采暖季热指标(W/m2)；te为计算采暖期室外平均温度(℃)；tw为计算采暖期室外计算温度(℃)；tn为计算采暖期室内计算温度(℃)
3)热负荷计算
固体电制热储热供暖机组设计热负荷是依据室外温度而要求的室内温度达到相应指标，供热系统在单位时间内向建筑物供给的热量，且常采用如下公式计算：
Figure GDA0002926174640000061
式中：q0为采暖热负荷(kW)；qf为建筑物采暖面积热指标(W/m2)；F为建筑物的建筑面积(m2)。
4)储热供暖机组加热功率以及蓄热体容量的计算
(1)加热功率的计算
①日最大加热用电量计算：
Figure GDA0002926174640000062
式中：
Figure GDA0002926174640000063
为日最大加热用电量(kWh)；ηs为热输出效率；
②加热功率计算：
Figure GDA0002926174640000064
式中：Pg为储能机组供暖加热功率(kW)，kx为储能机组设备容量系数。
(2)蓄热体容量的计算
Gβ＝Pg×t1×(1-ξ1) (6)
式中：Gβ为蓄热体容量(kWh)；t1为谷电时长(h)；ξ1为谷电直供系数。
4固体电制热储热供暖机组费用计算
固体电制热储热供暖机组通过电热转换系统将蓄热单元加热到设定温度的同时还需要对外输出热量，依据电网对谷电、平电以及峰电收费标准的差异，设定合理的储热供暖机组的蓄热体容量和加热功率以及采用合适的供暖工作时段是提高供暖机组运行经济性的关键因素。因此，需要对固体电制热储热供暖机组进行经济性分析。
(1)供暖期间机组设计加热电量计算
Figure GDA0002926174640000071
式中：Q1为供暖期储热机组加热电量(kWh)；T1为室内计算平均温度(℃)；T2为供暖季平均温度(℃)；T3为供暖室外计算温度(℃)。
(2)供暖谷电时段电量计算
Figure GDA0002926174640000072
式中：Q2为供暖季谷电时段用电量(kWh)；λ1为谷电加热电量占比；η2为电输出效率；
(3)供暖平电时段电量计算
Figure GDA0002926174640000073
式中：Q3为供暖季平电时段用电量(kWh)；t2为平电时长(h)
(4)供暖峰电时段电量计算
Figure GDA0002926174640000074
式中：Q4为供暖季峰电时段用电量(kWh)；t3为峰电时长(h)；
(5)其他设备运行总费用计算
Figure GDA0002926174640000075
式中：Pξ为其他设备运行(kWh)；
(6)供暖季储热供暖机组实际总用电量计算
Qz＝Q2+Q3+Q4 (12)
式中：Qz—供暖季蓄热供暖机组实际总用电量(kWh)；
(7)供暖期间蓄热机组运行费用计算：
Pτ1＝Q2×p1+Q3×p2+Q4×p3 (13)
式中：Pτ1为单季运行储热供暖机组所花费的供暖电费(元)；p1—谷电电价(元/kWh)；p2—平电电价(元/kWh)；p3—峰电电价(元/kWh)。
(8)供暖期间蓄热机组初期设备投资计算：
Pτ2＝Pg×C1+Gβ×C2 (14)
式中：Pτ2为储热供暖机组初期的设备投资金额(元)；C1为单位加热功率造价(元/kW)；C2为单位蓄热体容量造价；
5固体电制热储热供暖机组配置方法
当采用固体电制热储热供暖机组进行供暖时，与电网进行互联共分为全部采用电网谷电时段进行蓄热和采用电网谷电时段加上部分电网平电时段进行蓄热两种情况。当采用前者电网工况进行蓄热时，导致总装机容量略大，固体电制热储热供暖机组初始投资成本较高；而采用后者电网工况进行蓄热，可以减小机组的加热功率以及蓄热量，但由于采用平电时段进行供暖，导致运行费用增加。因此对固体电制热储热供暖机组的谷电利用系数进行研究是提高机组经济性的关键。
不同谷电利用系数下储热供暖机组的选型功率比(不同谷电利用系数下设备选型功率/全谷电下设备选型功率)和单季采暖总费用(初始投注资金费用+单季运行费用)决定了固体电制热储热供暖机组经济性可由以下公式计算：
Figure GDA0002926174640000081
式中：Pτ为储热供暖机组单季采暖总费用投资(元)；ξ1为谷电直供系数。
本发明包括固态储热储能供暖机组选型以及储热供暖机组运行费用两个部分的相关计算，两个部分之间相互联系，共同组成整个固体储热供暖机组的经济型配置方法。在选型过程中通过从建筑物耗热量——采暖季热指标——储热供暖机组热负荷的计算思路，提出了求取储热供暖机组加热功率以及蓄热体容量的计算流程及计算方法；储热供暖机组运行中在满足蓄热功率和蓄热体容量的基础上，以求取储热供暖机组的初期运行投资和运行总费用为目的，从电网处于不同运行时段对应的电价不同的角度出发，提出了分别计算储热供暖机组工作在不同的电网运行状态下的运行费用并求和的计算流程及计算方法；蓄热体容量的计算中主要以换热器的设计计算为主，从换热器的换热功率，谷电电量占比系数为出发点，提出了总装机容量的计算流程及计算方法；储热供暖机组加热功率的计算中，从供暖制式系数和日最大用电量出发，提出了储热供暖机组加热功率的计算流程及计算方法。同时在明确储热供暖机组的总费用与谷电电量占比的基础上，提出了固体电制热储热供暖机组配置方法。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种固体电制热储热供暖机组配置方法，其特征在于包括以下步骤：
1.固体电制热储热供暖机组选型计算
1)建筑物耗热量计算
建筑物耗热量指标是在计算采暖期室外平均温度条件下，单位建筑面积在单位时间内消耗的需由室内采暖设备供给的热量，耗热量指标计算采用如下公式：
Figure FDA0002926174630000011
式中：qH为建筑采暖季物耗热量指标(W/m2)；QH为建筑物采暖季耗热量(kWh/m2)；Z为计算采暖期天数；
2)建筑物采暖季热指标计算
建筑物采暖季热指标是指单位建筑面积的供暖设计热负荷，建筑物热指标与耗热量指标可计算如下：
Figure FDA0002926174630000012
式中：qf为建筑物采暖季热指标(W/m2)；te为计算采暖期室外平均温度(℃)；tw为计算采暖期室外计算温度(℃)；tn为计算采暖期室内计算温度(℃)；
3)热负荷计算
固体电制热储热供暖机组设计热负荷是依据室外温度而要求的室内温度达到相应指标，供热系统在单位时间内向建筑物供给的热量，且常采用如下公式计算：
Figure FDA0002926174630000013
式中：q0为采暖热负荷(kW)；qf为建筑物采暖面积热指标(W/m2)；F为建筑物的建筑面积(m2)；
4)储热供暖机组加热功率以及蓄热体容量的计算
(1)加热功率的计算
①日最大加热用电量计算：
Figure FDA0002926174630000021
式中：
Figure FDA0002926174630000022
为日最大加热用电量(kWh)；ηs为热输出效率；Kτ为储热供暖机组供暖制式系数；
②加热功率计算：
Figure FDA0002926174630000023
式中：Pg为储能机组供暖加热功率(kW)，kx为储能机组设备容量系数；
(2)蓄热体容量的计算
Gβ＝Pg×t1×(1-ξ1) (6)
式中：Gβ为蓄热体容量(kWh)；t1为谷电时长(h)；ξ1为谷电直供系数；
2.固体电制热储热供暖机组费用计算
固体电制热储热供暖机组通过电热转换系统将蓄热单元加热到设定温度的同时还需要对外输出热量，依据电网对谷电、平电以及峰电收费标准的差异，设定合理的储热供暖机组的蓄热体容量和加热功率以及采用合适的供暖工作时段是提高供暖机组运行经济性的关键因素；因此，需要对固体电制热储热供暖机组进行经济性分析；
(1)供暖期间机组设计加热电量计算
Figure FDA0002926174630000024
式中：Q1为供暖期储热机组加热电量(kWh)；T1为室内计算平均温度(℃)；T2为供暖季平均温度(℃)；T3为供暖室外计算温度(℃)；η1为锅炉效率；
(2)供暖谷电时段电量计算
Figure FDA0002926174630000031
式中：Q2为供暖季谷电时段用电量(kWh)；λ1为谷电加热电量占比；η2为风机水泵负荷系数；
(3)供暖平电时段电量计算
Figure FDA0002926174630000032
式中：Q3为供暖季平电时段用电量(kWh)；t2为平电时长(h)；
(4)供暖峰电时段电量计算
Figure FDA0002926174630000033
式中：Q4为供暖季峰电时段用电量(kWh)；t3为峰电时长(h)；
(5)其他设备运行总费用计算
Figure FDA0002926174630000034
式中：Pξ为其他设备运行(kWh)；
(6)供暖季储热供暖机组实际总用电量计算
Qz＝Q2+Q3+Q4 (12)
式中：Qz—供暖季蓄热供暖机组实际总用电量(kWh)；
(7)供暖期间蓄热机组运行费用计算：
Pτ1＝Q2×p1+Q3×p2+Q4×p3 (13)
式中：Pτ1为单季运行储热供暖机组所花费的供暖电费(元)；p1—谷电电价(元/kWh)；p2—平电电价(元/kWh)；p3—峰电电价(元/kWh)；
(8)供暖期间蓄热机组初期设备投资计算：
Pτ2＝Pg×C1+Gβ×C2 (14)
式中：Pτ2为储热供暖机组初期的设备投资金额(元)；C1为单位加热功率造价(元/kW)；C2为单位蓄热体容量造价；
固体电制热储热供暖机组配置方法
当采用固体电制热储热供暖机组进行供暖时，与电网进行互联共分为全部采用电网谷电时段进行蓄热和采用电网谷电时段加上部分电网平电时段进行蓄热两种情况；当采用前者电网工况进行蓄热时，导致总装机容量略大，固体电制热储热供暖机组初始投资成本较高；而采用后者电网工况进行蓄热，可以减小机组的加热功率以及蓄热量，但由于采用平电时段进行供暖，导致运行费用增加；
不同谷电利用系数下储热供暖机组的选型功率比(不同谷电利用系数下设备选型功率/全谷电下设备选型功率)和单季采暖总费用(初始投注资金费用+单季运行费用)决定了固体电制热储热供暖机组经济性可由以下公式计算：
Figure FDA0002926174630000041
式中：Pτ为储热供暖机组单季采暖总费用投资(元)；ξ1为谷电直供系数；P1为谷电时段电价、P2为平电时段电价。
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