基于内部收益率法的地热供暖热泵调峰最优比研究

1 引言

随着人们对生活环境的要求日趋严格, 国内外清洁能源利用的呼声也越发高涨。地热能以储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点, 在各行业, 尤其是在供暖行业中得到日益重视, 甚至国家十三五计划中, 也提出了积极推动水热型地热供暖的任务要求。地热资源供暖虽早有应用, 但就如何有效的应用地热资源进行供暖, 最大的获取项目的经济效益, 目前行业内还研究较少。本文通过给定的地热井的资源及钻井成本, 基于供暖项目的工程实践, 对如何给有限的地热资源配置调峰系统做了研究。研究中应用了结合地热供暖特色的经济评价模型, 通过内部收益率法, 得到了热泵调峰的最佳占比, 对调峰系统的配置具有一定指导作用。

2 地热供暖概述及基础数据

地热供暖是以深层地下热水作为热源, 通过直接或者间接式供暖系统, 将热源输送到热用户的一种供暖方式。由于地热水的资源品位不一, 实际中往往使用调峰系统对热源进行补充。地热供热系统的供暖能力由地热资源+调峰部分决定:在地热井钻井及试水结束后, 可确定地热井的产能 (水温、水量) , 结合供热基础参数, 即可确定地热水的直接供暖能力, 而通过增加热泵调峰, 可有效利用低温地热资源, 从而增加系统的总供暖能力。

本文的地热井产能参考河北地区的地热资源, 研究基础条件参照实际生产过程, 具体分类介绍如下。

2.1 热源

系统主要热源为地热井, 考虑一采一灌共2口地热井, 其中生产井产能为:水温70℃, 水量100m3/h, 2口地热井钻井成本按合计420万元计算。

调峰能源为螺杆式水源热泵, 考虑热泵cop为5, 经咨询多方热泵厂家, 热泵造价按0.4元/W计算, 同时获得热泵能效曲线如图1所示。

2.2 地热站及投资估计

地热站除热泵外的主要投资按供暖面积计算, 单位造价36元/平方米;管网投资 (不含用户端) 参照供暖面积计算, 单位造价取7元/平方米;其他费用、预备费用等按地热井及管网投资18%计。

系统用电设备主要为井泵、循环泵、补水泵、热泵、热泵循环泵以及照明等其他负荷, 其中各类泵在供暖周期中基本处于持续运转状态, 照明及其他负荷按供暖时长一半考虑。

2.3 运行费用估计

地热供暖项目运行成本主要包括电费、水费、维修费、人工及其他费用等方面, 其中电费是项目的主要运行成本。鉴于目前各地地热项目的用电电价并不统一, 有居民电价, 也有商业电价, 本文对此分别进行了分析。文中居民电价按0.5362元/k Wh计算, 商业电价按0.7元/k Wh计算。水费、人工、维修及其他费用参照一般项目情况进行计取。

税费包括增值税、营业税附加、所得税。其中, 三北地区居民供暖收入免增值税, 供暖一次性配套费增值税按11%计, 营业税附加按12%计, 所得税按照25%计算。

2.4 热用户及收费

考虑到现代楼房一般采用地板辐射采暖, 故热用户的单位热指标按40W/m2计, 用户端热循环参数为供水45℃, 回水35℃;同时, 项目暖费考虑为16元/平方米, 综合收费率按照80%计, 供暖一次性配套费按40元/平方米。

依据以上参数, 综合考虑市场上换热器的参数, 地热水直接利用后设计温度为37℃。则项目直接供暖能力计算如下:

结合市场上水源热泵参数, 可考虑地热水温度最低利用至10℃, 则热泵最高的供暖能力为, 热泵调峰可设计在0~Q (热泵max) 之间。

3 地热供暖经济评价方法

本文主要采用内部收益率法来评价项目的收益情况, 即“财务内部收益率法 (FIRR) ”, 是一种用内部收益率来评价项目投资财务效益的方法。所谓内部收益率, 即指使项目计算期内, 资金流入现值总额与资金流出现值总额相等、净现值等于0时的折现率, 即FIRR作为折现率使得下式成立:

其中:CI——现金流入量;

CO——现金流入量;

(CI-CO) t——现金流入量;

n——现金流入量;

财务内部收益率法考虑投资方案的真实报酬率水平和货币时间价值, 可有效评价项目投资收益。

此外, 文中也通过计算项目财务净现值[]来分析项目的总体收益。

4 经济效益分析

在地热井产能 (水温、水量) 一定的情况下, 系统的供暖能力 (面积) 可以通过调峰能源的增加进行增加, 从而增加供暖收入, 然而调峰能源的使用往往会增加企业的运行成本, 两者是一个相互制衡的关系。下文使用所建立的地热供暖+热泵调峰经济评价模型对供暖项目进行分析。

4.1 不采用热泵调峰

不采用热泵调峰, 即时, 则项目的最大供暖面积为9.595万平方米, 应用经济评价模型进行分析, 获得此时该地热供暖项目的主要经济评价指标参数如下:

4.2 采用热泵调峰 (居民电价)

从前述分析中, 可知热泵调峰负荷可在0~Q (热泵max) 之间。对不同调峰负荷的经济效益进行计算, 可获得项目内部收益率随调峰负荷变化而变化的情况, 如图2所示。

从图2中可以看出, 随着热泵调峰负荷的增加, 项目内部收益率呈现先增加后递减的趋势, 项目内部收益率存在极值。在调峰负荷达到800k W时, 项目的内部收益率达到最高, IRR (max) =9.729%, 此时, 调峰负荷占总负荷比例为16.5%。相应财务净现值为70.54万元。

与未使用热泵调峰相比, 在调峰负荷为1925k W时, 项目的内部收益率情况与未使用热泵调峰基本相当, 此时8.927%, 调峰负荷占总负荷比例为39.8%。此时, 财务净现值为44.1万元, 高于不使用热泵调峰系统时的财务净现值 (33.42万元) 。

从以上分析中, 可以得出以下几点结论:

在给定资源较好的区域, 可以通过适当的增加调峰负荷, 可使得供暖项目获得更高的收益;

与不使用调峰能源相比, 在不减少项目内部收益率的情况下, 可以通过适当增加调峰负荷满足更大的供暖需求, 同时还能增加企业的实际收入, 为企业创造更多的财富。

4.3 采用热泵调峰 (商业电价)

由于增加调峰负荷所增加的运行成本主要受电价影响, 此处分析了商业电价 (0.7元/k Wh) 下的最优调峰负荷情况。

在电价为0.7元/k Wh、不考虑调峰的情况下, 项目的财务内部收益率仅为7.317%, 可以明显看出项目的经济效益较居民电价时有了大幅下降。

通过计算调峰负荷在0~Q (热泵max) 之间供暖项目的经济效益, 可获得商业电价下, 项目内部收益率随调峰负荷变化的情况, 如图3所示。

从图3中可以看出, 商业电价的情况下, 该地热供暖项目的最高内部收益率仅为7.857%, 此时, 调峰负荷约为575k W, 占总负荷比为11.9%。同时, 相比不使用调峰的情况, 调峰负荷为1275k W时内部收益率为7.308%, 与之差异不大, 此时的调峰负荷比约26.4%。

居民电价与商业电价的情况对比如表2:

从上表分析可以看出, 当地热供暖项目电价提高时, 除项目经济效益将有明显下降以外, 项目的最优调峰比也有明显变化, 当电价提高时, 最佳调峰负荷比将减小;此外, 与无调峰收益等值时的调峰比也有大幅下降。

5 结语

地热供暖主要受资源条件限制, 在资源较好的地区, 人们往往认为利用地热水直接供暖相比调峰系统能更加节省成本, 对项目的收益情况更为有利。然而, 通过以上的研究分析, 可以看出有效的利用调峰方式能使得项目的效益更佳。本文应用经济评价方法, 结合实际工程建设经验, 计算了经济效益最大化时的热泵调峰比例;同时分析了不同电价对最佳调峰比的影响, 得到了电价增加将导致最优调峰比下降的结论, 对地热供暖项目的实施具备一定的指导意义。

摘要：随着地热供暖的应用越来越广泛, 地热供暖增加调峰系统的情况也越来越多。本文基于经济评价方法, 对地热+热泵调峰供暖系统进行了研究, 分析了在资源较好的情况下, 相比地热水的直接供暖方式, 有效地利用调峰系统更能提高供暖收益的这一现象。同时, 本文研究了关于地热供暖系统的热泵调峰最优比例, 并就不同电价下的热泵调峰做了对比分析研究。

关键词：地热供暖,经济评价,热泵调峰,内部收益率法