引言随着我国城乡供热事业的快速发展，不断涌现出各种新能源供热系统。多样化的新能源供热形式不但解决了部分供热能力的缺口，更在能源环保利用、生态可持续发展方面展现出独特的优势。目前对新能源供热形式的能耗研究多以单一指标为主，例如热泵多倾向于电量消耗及COP[1-3]、燃气多倾向于燃气量消耗及效率[4-6]，新能源供热形式的多样化导致评价指标的多样化。实际工程应用中，各新能源形式的选择比较多以成本为主[5-8]，缺乏以能耗为指标的综合评价与比较的方法。碳排放是多种能源形式消耗和复合作用的结果[9]，有必要从宏观综合能耗角度认识碳的消耗过程[10-12]。供热行业作为能耗大户，对新能源供热的综合能耗分析有重要意义[13-15]。但目前新能源能耗方面的研究多数以具体的能源形式为研究对象，注重热源内部的能量转换过程，缺少从宏观的角度开展能耗分析。本研究基于“黑盒”理论[16]开展对供热运行成本的分析，把各种新能源的供热项目归结为输入、输出两个过程，建立评价“黑盒”分析模型，从宏观和整体的角度分析能耗指标、运行成本，使生产分析形成统一的思路。结合某公司新能源运行案例，选取燃气锅炉供热、空气源热泵供热、大温差热泵供热共3种典型新能源形式，通过建模分析3种新能源形式的运行成本，为工程应用和经济评价提供指导依据。1新能源供热系统生产成本分析模型“黑盒”分析以输入、输出为分析重点，若考虑供热系统运行成本，只需要在确定的系统界线分析各种能源消耗，作为输入以及室温达标的输出值，就可以完成新能源供热系统生产成本的分析。基本的新能源供热系统如图1所示，由热源、热用户组成。其中热源可分解为产热装置、传热装置，产热装置主要作用为实现能量的转换、输出热量；传热装置通常由换热器和水泵组成，主要作用为从产热装置吸热、推动水工质循环流动。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.019.F001图1新能源供热系统以黑色虚线框为研究界线，划分热用户能耗范围，在热水循环过程中，推动水循环的电能和二次网补水都可以作为研究界线内的能量输入[17]，由热力学第一定律可知：Q2=Q1+K1W1+K2M (1)式中：Q1——产热装置向循环热水释放的热量，GJ；W1——水循环消耗的电能，kWh；M——二次网补水量，t；K1和K2——折算系数。供热过程中的基本能量输入过程如表1所示，费用修正系数如表2所示。基本转换过程的能耗分析：（1）过程2：产热装置通过热水循环将热能传递至循环热水；（2）过程3：循环热水向热用户放热。q=Q2/A (2)式中：Q2——产热装置放热量和循环热水向用户放热量，GJ；A——热用户用热面积，m2，取值为104 m2；q——单位面积耗热量，GJ/m2。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.019.T001表1基本能量输入过程过程范围输入/输出形式过程举例1热源1输入：电能、热能、燃气等组合电极锅炉、热泵、燃气锅炉等2热源2输出：热能热水3热用户1输入：热能地暖、挂暖、风机盘管散热4热用户2输出：热能漏风、散热等10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.019.T002表2费用修正系数费用修正系数数值K1/（千克标准煤/t）0.257 1K2/（吨标准煤/kWh）1.229以红色虚线框为研究界线，划分供热成本研究范围，在供热过程形成成本包括：电能成本、热能成本、燃气、水等成本。供热成本：P=P1+P2+P3+P4 (3)电能成本：P1=p1(W1+W2)(4)热能成本：P2=p2Q0 (5)燃气成本：P3=p3V0 (6)水成本：P4=p4M (7)式中：P1——电能成本，元；P2——热能成本，元；P3——燃气成本，元；P4——水成本，元。W2——热源消耗的产热电量，kWh；p1——电单价，元/kWh；Q0——热源消耗的驱动热能，GJ；p2——热单价，元/GJ；V0——热源消耗的燃气量，m³；p3——燃气单价，元/m³；p4——热源消耗的水单价，元/m³。单位面积供热生产成本：p0=P/A (8)单位面积能耗：q0=Q2/A (9)式中：p0——单位面积供热成本，元/m2；q0——单位面积能耗，GJ/m2。2典型新能源供热成本的计算选取某公司3处新能源项目作为计算案例，包括燃气锅炉供热、空气源热泵供热、大温差热泵供热各一处，水电热消耗量如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.019.T003表3某公司3处新能源项目的水电热消耗量项目名称水耗/t电耗/kWh气耗/m3耗热/GJ放热/GJ供热面积/万m2燃气锅炉146.00122 952.00319 359.0009 723.204.55空气源热泵141.9329 000 840.31003 119.961.70大温差热泵48.00452 000.00003 453.002.24各项消耗数据采用各项目计量表读取，并编制计算程序构建供热系统生产成本分析数学模型，分析过程做出假设：（1）不考虑计量表的误差；（2）不考虑热源至用户的传热过程中的热量损失，换热器无换热损失；（3）各单价为调整单价，不考虑阶梯调价。各项目供暖期间的消耗如表4所示，单耗及生产成本计算结果如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.019.T004表4各项目供暖期间的消耗参数项目名称燃气单价/（元/m³）电价/（元/kWh）水价/（元/m³）外购热/（元/GJ）燃气锅炉1.71（3.96）0.624.40—空气源热泵—0.745.13—大温差热泵—0.626.0563.2710.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.019.T005表5单耗及生产成本项目名称热耗/（GJ/m2）能耗/（GJ/m2）生产成本/（元/m2）燃气锅炉0.180.2413.69空气源热泵0.160.2212.66大温差热泵0.130.148.693对供热成本的经济性分析根据分析结果，相比单位面积热耗量，单位面积能耗数值较大，原因是能耗包含除热耗外的水耗、电耗折算，因此能耗指标有更广泛的应用范围，更能宏观地体现热的消耗过程。新能源供热因为主要消耗的能源种类不同，燃气、水、电单耗不宜做消耗对比，可考虑将单位面积供热生产成本作为对比指标，即将各种单耗折算成货币，作为统一的衡量基准。但生产成本的比较受燃气、水、电、外购热单价的影响，因此生产成本的比较可考虑结合能耗综合比较。能耗相比于单一的评价指标，更能反映出对能源的综合利用情况，更能体现出实现节能减排的理念。从供热企业降低生产成本方面看，可考虑按照调整单耗或者单价的思路降低能耗或者生产成本，进而优化系统的效益，或者在方案设计阶段按照能耗指标或者生产成本的比较进行方案筛选。实际上市政常规供热也可应用“黑盒模型”，因为大温差热泵在供暖季未投入运行，而通过板式换热器把一次网的热量传递至二次网系统，即已忽略大温差热泵的存在，完全按照市政常规供热考虑，因此该模型也适用市政供热。4结语基于“黑盒”原理的生产能耗分析，把不同形式、不同过程的能量利用过程统一为相同的输入输出过程，形成了新的宏观能量评价系统，同时使评价过程更加简单直观、使用范围更广，并具有一定的推广价值和应用价值。新系统也为当前供热供能企业构建生产经营管理系统提供一种新思路，将多维度、多参数的评价方法集约处理，极大地简化用能企业的管理过程。