基于年度費用法的地熱供熱方案優化方案

在間接使用熱交換系統中，供暖的全球優化方案受到各種因素的影響和制約。作為一個完整的優化設計，我們不僅要考慮系統的加熱性能，還要考慮經濟性。同時，我們還考慮了長期利益（經濟效益和社會效益）和使用壽命。但是要做到完全綜合以上幾個要素,在實際工程設計中是很難做到的。所謂優化設計,實際上是一個篩選過程。以不同的目標優化函數可得到不同的優化結果,因此,優化又是相對的。所以在選擇最優供暖方案時,應當深入了解各因素之間的相互關系。我們認為,采用年度費用法選擇供熱方案的是較適宜的。下面就總體供暖方案確定的原則和選擇做具體的分析說明。1影響全球供暖方案各個方面的關系1.1室外計算溫度和采暖期天數供暖參數包括:室內計算溫度、室外計算溫度、供暖期天數、各建筑類型的供暖熱指標、供暖面積等。室內計算溫度對散熱設備的設計選型有影響,室內設計溫度越高,散熱設備的投資越大,從而影響整個系統的初投資。室外計算溫度和供暖期天數對采暖質量、用戶的舒適性有影響。各建筑物類型的熱指標和供暖面積直接影響用戶所需供熱量的大小,而用戶所需熱量的變化促使整個供暖方案隨之變化。當采暖面積增加,或建筑物對供熱量大小有特殊要求時,用戶所需供熱量增加,整個系統的初投資、運行成本都會增加。1.2采暖設計指標地熱供暖系統運行工況包括:地熱水流量、地熱水排放溫度、地熱井口溫度、循環水流量、循環回水溫度、終端散熱器入口溫度等。以上各數值對系統供熱量和設備選擇均有影響。其中最重要的參數是地熱排放溫度,它既與地熱供熱方案的技術性有關,又與供暖方案的經濟性有關。由于地熱供暖系統是開口系統,即地熱水供暖降溫后被排放或回灌,使得地熱水中的熱量未被充分利用。因此地熱供暖利用率的高低,與地熱水排放溫度有關,排水溫度越低則利用率越高。在供暖設計中,要利用的地熱水溫降越大,排水溫度就越低,換熱器和散熱器的投資越高。與此同時,由于利用溫降大,干管輸水量減小,管徑減小,可能會影響到運行成本的變化。1.3系統初投資的影響需要進行設計與選擇的設備包括:換熱器、散熱器、調峰設備等。設備的合理選擇對系統的初投資有很大影響,同時也影響著系統的運行成本。另外,對調峰設備的選擇還涉及到地熱供熱系統的環境效益。1.4經濟參數的影響供熱方案中的經濟參數包括:水費、電費、人員費、地熱資源費、燃料費、設備折舊費等。這些參數將決定系統運行成本的高低。1.5供熱成本分析熱價是反映供熱收益的一個重要參數。根據經驗分析,最佳采暖設計溫差和地熱利用率均隨熱價升高而增長。然而,由于受到我國現行采暖付費體制的約束,采暖熱價并沒有真正反映出供熱成本,主要反映在室內采暖投資計入建筑投資項目,而熱價僅考慮熱源和室外管網的成本和稅利等。如對于中、低溫地熱供暖系統而言,循環側的進、出口溫度均低于標準設計溫差,考慮到供暖質量,在標準設計的基礎上,需要適當增加室內散熱器面積。但是由于該項費用已包括在建筑投資項目中,無形中影響到補充投資的積極性。1.6供熱期的制定改變采暖期的供暖天數,可以說是提高地熱利用率的一種手段。從某種角度上說,所謂延長供暖期,就是延長供暖天數。以往,我國供暖期的制定是以室外氣溫不高于5℃的歷史平均延續天數為基準,天津地區約127天。這使采暖期的初、末階段有一段時間不能保證室內溫度處于舒適溫度。目前天津已將供暖期調整為131天。考慮到低溫地熱采暖運行費低,以及天津市對于市區環境保護、提高空氣質量標準等一系列長遠規劃,為人們實現延長采暖期的愿望創造了條件。2供暖方案的要求對于地熱井的開發和利用,用戶可以提出現有或預計的采暖建筑類型和面積,并通過計算機程序自動進行優化選擇供暖方案。由于地熱井水溫和最大開采流量是固定的,因此改變地熱水排放溫度會影響地熱供熱量的大小。另外,供暖系統是否需要改變地熱開采量以適應采暖設計要求或是否增加調峰設備作為補充熱源也需要進行相應的設計和優化,因而可能會產生不同的供暖方案。選擇供暖方案的三點要求:(1)地熱供暖負荷能基本滿足用戶所需熱負荷,在程序設計中設供暖負荷與所需負荷的差值不超過5%。以此來判斷是否需要附加其他熱源作為補充熱源,或是否需要調整其他參數以保證熱量均衡。(2)地熱供暖方案要滿足技術要求。由于地熱采暖的特點,用常規設計參數進行地熱供暖工程設計可能會限制挖掘地熱供熱的潛力。因此,在遵循科學方法并以其為依據的基礎上,考慮地熱供暖本身的特點,最大限度地降低排放水溫,提高地熱利用率,是地熱采暖系統技術性的關鍵。(3)地熱供熱方案還要滿足經濟指標的要求。如果以高投入、低效益為要點,盡管從技術上再突出高科技,在當今市場經濟發展下,也不具備成熟的應用條件和時機。因此,采用統一的年度費用法,對供暖方案進行經濟分析時,應結合我國國情全面分析方案的可行性。3在一定范圍內確保最優方案的確定總體供暖方案的確定可以根據供暖的要求來確定。在上述討論的供暖方案中三個要求不是并行的,而是有先后順序的。首先應滿足采暖熱負荷的要求,然后是技術上可行性的評價,最后考慮經濟和社會效益。當然,社會效益中應包含環境效益和節能。所以在研究過程中,先找出滿足熱量和技術要求的各種方案,然后計算出它們的年度費用值,并得到一個年度費用最低的方案。然后與其它方案中年度費用很接近該最低值且更具有環境效益(地熱水排放溫度較低)、節約能源的方案比較,如果年度費用比值在一定范圍內(3%左右),則應確定此方案為最優方案,而不一定采用年度費用最小的方案。目前,無論是采用何種能源形式供熱,均存在能耗不一的問題。從存在差別這個現象看,說明節能潛力的巨大,另外也說明,應用新技術來改進和完善供熱系統,保證供熱質量,把高質量商品供給用戶,通過減少能耗來降低成本和提高經濟效益,其節能效果會更為明顯。但是,如果不重視設備改造、運行合理化和管理科學化,不僅會造成能源消耗居高不下、地熱利用率偏低,以及環境污染的嚴重后果,而且由于供熱質量低,造成熱費收繳困難,也會影響經濟效益。采用上述原則和方法可以得到經濟上合理,技術上先進的供熱方案。上述原則和方法在地熱利用開發的研究過程中也很有啟示作用。目前,天津大學地熱研究培訓中心已研制出一套“地熱供暖系統優化設計”的計算軟件,經專家組驗收,其完整性和適應性在國內地熱界應為首創。內容包括地熱供暖熱負荷的計算及調峰比例的合理分配;優化設計供熱系統的運行工況;井口配套設備的選型、配置、價格及生產廠家;每一特例的尾水綜合利用項目的評價及地熱利用率的計算。在經濟效益評價中包括:系統總投資,年度費用、運行成本及單位面積成本等。