齊洪波

(黑龍江省節(jié)能技術服務中心，哈爾濱 150001)

清潔能源供熱與傳統(tǒng)能源供熱的研究

齊洪波

(黑龍江省節(jié)能技術服務中心，哈爾濱 150001)

隨著城市能源供應結(jié)構的調(diào)整, 資源環(huán)境約束日趨強化，節(jié)能減排工作面臨著嚴峻的形勢。文中對北方某市采用清潔能源供熱與傳統(tǒng)燃煤供熱進行研究，通過各種供熱方式能耗與環(huán)保相關數(shù)據(jù)進行技術對比分析，為優(yōu)化城市供熱熱源選擇、降低建筑供熱能耗提供參考價值。

清潔能源；燃煤供熱；供熱熱源

0 引 言

“十二五”時期，我國發(fā)展仍處于可以大有作為的重要戰(zhàn)略機遇期。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程加快和消費結(jié)構持續(xù)升級，我國能源需求呈剛性增長，受國內(nèi)資源保障能力和環(huán)境容量制約以及全球性能源安全和應對氣候變化影響，節(jié)能減排面臨的形勢依然十分嚴峻。北方某市是以燃煤為主的城市采暖能源結(jié)構,造成了極大的環(huán)境污染，冬季污染嚴重。分析采取何種能源、相應的何種利用方式作為主要的采暖能源和方式,顯得極為重要。如何針對一個具體的現(xiàn)實情況選取最適合的供熱方式，就成為一個既重要又亟需解決的問題。

1 供熱方式介紹

目前，隨著城鎮(zhèn)化采暖制度的改變、建筑節(jié)能和居住環(huán)境熱舒適度要求不斷提高，出現(xiàn)了多種多樣的住宅采暖方式，供熱行業(yè)中的熱源也已經(jīng)從過去較為單一的形式發(fā)展為多種熱源形式并存，如熱電聯(lián)產(chǎn)、區(qū)域鍋爐房、燃油鍋爐房、燃氣鍋爐房、地源熱泵、水源熱泵等。因此城市供熱行業(yè)正在不斷開發(fā)可利用的熱源，尋求以環(huán)保和節(jié)能為主要特征的綠色建筑及相應的供暖系統(tǒng)。另一方面，隨著我國對環(huán)境保護的重視，以煤為主要燃料的供熱方式受到了挑戰(zhàn)。目前人們在積極尋找以清潔能源代替煤炭，這樣可以減少污染物的排放量，達到國家要求的環(huán)境標準[1]。

1.1 以煤炭為燃料的熱源

以煤炭為燃料的供熱方式是某市目前主要的供熱方式。主要分為區(qū)域鍋爐房集中供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)和分散小鍋爐供熱三種形式。

(1)區(qū)域鍋爐房集中供熱

城市集中供熱是由集中熱源所產(chǎn)生的蒸汽、熱水通過管網(wǎng)供給一個城市或部分地區(qū)生產(chǎn)和生活使用的供熱方式，它由熱源、熱網(wǎng)、熱用戶三個部分組成[2]。熱源是集中供熱鍋爐房、區(qū)域鍋爐房(工業(yè)區(qū)域鍋爐房一般采用蒸汽鍋爐，民用區(qū)域鍋爐房一般采用熱水鍋爐)，以煤為燃料；熱網(wǎng)分為熱水管網(wǎng)和蒸汽管網(wǎng)，由輸熱干線、配熱干線和支線組成。供熱管網(wǎng)的連接方式有直接連接、間接連接兩種。城市集中供熱是城市基礎設施之一，能夠提到能源利用率，區(qū)域鍋爐房大型供熱鍋爐的熱效率可達75%，具有節(jié)約能源、減少污染、有利生產(chǎn)、方便生活的綜合經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。

(2)熱電聯(lián)產(chǎn)

熱電聯(lián)產(chǎn)是一種建立在能量梯級利用概念基礎上，將制熱(包括供暖和供熱水)及發(fā)電過程一體化的總能系統(tǒng)。其最大的特點就是對不同品質(zhì)的能量進行梯級利用，溫度比較高的、具有較大可用能的熱能用來被發(fā)電，而溫度比較低的低品位熱能則被用來供熱。其原理是由于煤燃燒形成的高溫煙氣不能直接做功，需要經(jīng)鍋爐將熱量傳給蒸汽，由高溫高壓蒸汽帶動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，做功后的低品位的汽輪機抽汽或背壓排汽用于供熱。集中供熱熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐運行效率較高，可達85%以上。

(3)分散小鍋爐供熱

分散小鍋爐的額定蒸發(fā)量小，運行效率低，僅為55%左右，且多數(shù)除塵器設備陳舊，不能脫硫，煙囪高度不夠，導致煙氣不能達標排放，是當前被逐步淘汰掉的供熱方式之一。

1.2 以天然氣為燃料的熱源

以天然氣為燃料的供熱方式有燃氣鍋爐、燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)和燃氣熱泵。

(1)燃氣鍋爐

對于燃氣鍋爐，天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量直接用于供暖，是最簡單的一種供熱方式。這種供暖方式包括家用燃氣爐、中小型燃氣鍋爐和區(qū)域大型燃氣鍋爐。后兩者皆是集中供熱系統(tǒng)，尤其是區(qū)域燃氣鍋爐，需要通過熱網(wǎng)向大面積的用戶供熱。由于熱源更為集中，供熱系統(tǒng)運行工況更加穩(wěn)定，鍋爐運行效率更高，同時大型鍋爐更有條件采用先進的低氮燃燒技術，環(huán)境污染更小，在一些已有的"煤改氣"區(qū)域供熱系統(tǒng)中可根據(jù)具體情況慎重應用。

(2)燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)

鍋爐加供熱汽輪機是我國最常見的熱電聯(lián)產(chǎn)形式。天然氣在鍋爐中燃燒后將熱量傳給蒸汽，由高溫高壓蒸汽帶動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，做功后的低品位的汽輪機抽汽或背壓排汽用于供熱。目前燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一般只在煤改氣的熱電聯(lián)產(chǎn)中得以應用，而在新建熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中很少采用。

(3)燃氣熱泵

燃氣熱泵是由燃氣驅(qū)動，利用環(huán)境熱量供熱的裝置。燃氣熱泵供熱量是燃氣熱量與環(huán)境熱量之和，因此它的效率高于燃氣鍋爐。攜帶熱量的環(huán)境介質(zhì)可以是周圍空氣、江河湖海的水，地熱以及其他余熱介質(zhì)等。根據(jù)工作原理的不同，可以分為燃氣壓縮式熱泵和燃氣吸收式熱泵兩種。

1.3 以熱泵為熱源

熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置。顧名思義，熱泵也就是像泵那樣，可以把不能直接利用的低位熱能(如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽能、工業(yè)廢熱等)轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，從而達到節(jié)約部分高位能(如煤、燃氣、油、電能等)的目的。按低品位熱源分，熱泵可以分為空氣熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵、太陽能熱泵、污水源熱泵和工業(yè)余熱熱泵等。熱泵采用逆卡諾循環(huán)原理，由壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器四大部件組成。

1.4 以電熱地膜為熱源

電熱地膜供暖系統(tǒng)以電熱地膜為發(fā)熱體，通電后觸發(fā)自身熱量產(chǎn)生遠紅外線，將熱量以遠紅外線的形式輻射空間。它產(chǎn)生的紅外線首先加熱房間四壁、地板，然后通過物體將熱量傳給空間。輻射供暖時室內(nèi)溫度比較均勻，它的輻射并不全是以熱傳導輻射，而釋放的遠紅外線通過密實物體的吸收，實現(xiàn)了良好的蓄熱，避免對人體產(chǎn)生冷輻射，符合人體最佳熱狀態(tài)。

電熱地膜供暖系統(tǒng)由電熱地膜、T型電纜、溫度傳感器、電源線、溫控器等組成，是目前唯一能夠被安裝在混凝土水泥砂漿層內(nèi)的電熱膜采暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有不耗水、節(jié)能、節(jié)地、省材、環(huán)保、與建筑物同壽命、任意開關調(diào)節(jié)、分戶計量、經(jīng)濟運行等特點，系統(tǒng)運行符合低碳經(jīng)濟發(fā)展要求[3]。

2 采暖熱負荷

北方某市每年實際供熱時間為當年10月末至下一年4月末，采暖期為183天。根據(jù)《民用建筑節(jié)能設計標準》，采暖室外計算溫度為-26 ℃，采暖期平均溫度-10.5 ℃。據(jù)統(tǒng)計，節(jié)能建筑物約占總建筑面積的56%，其中65%為住宅，35%為公用建筑。根據(jù)各建筑物所占的比例和相應的熱指標進行加權平均得出綜合采暖熱指標為54 W/m2。計算熱負荷見表1。

表1 設計熱負荷

利用統(tǒng)計公式計算不同室外氣溫tw下的延續(xù)時間H，繪制采暖熱負荷延續(xù)曲線，如圖1所示。

圖1 采暖熱負荷延續(xù)曲線

3 各種供熱方式比較

3.1 燃煤供熱

集中供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)熱源、大型熱水鍋爐熱源，區(qū)域熱水鍋爐房，分散供熱鍋爐房等是目前城市城區(qū)主要的采暖供熱方式，其年平均供熱標煤耗率計算公式如下：(以下計算均以1 m2為計算單元)。

br=34.12/ηglηgd

式中：br為年平均供熱標煤耗率，kgce/ GJ;ηgl為鍋爐運行平均效率，%;ηgd為管道效率，取98%。

燃煤供熱鍋爐主要能源消耗為原煤、電、水，由于水作為耗能工質(zhì)占總能源消耗比例很小，暫不作計算。燃煤供熱鍋爐單位吉焦耗電，與供電電源，供電網(wǎng)損等有關。燃煤供熱各類熱源供熱綜合標煤耗率計算見表2。

表2 各類熱源供熱綜合標煤耗率表

3.2 燃氣供熱

燃氣供熱主要包括燃氣鍋爐和直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組。

(1)燃氣鍋爐供熱耗氣率計算公式如下：

BH=1/qnetηglηgd

式中：BH為供單位吉焦熱耗氣率，Nm3/GJ;qnet為油田天然氣收到基發(fā)熱值，kJ/Nm3;ηgl為鍋爐運行平均效率，取91%;ηgd為管道效率，取98%。

選取天然氣折標煤系數(shù)為1.305 8 kgce/Nm3,單位吉焦耗電4.5 kWh/GJ，供電標煤耗率0.335 kgce/kWh來計算燃氣鍋爐綜合供熱標煤耗率。

(2)直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組供熱耗氣率用下式計算：

BHz=bhz/Q0

式中:BHz為供單位吉焦熱耗氣率，Nm3/GJ;bhz為機組制熱時燃料消耗量，Nm3/h;Q0為機組制熱量，MW。

通過研究國內(nèi)其他省市同類機組運行情況，機組供熱耗氣率和耗電量等技術指標有一定幅度的波動，選取直燃機機組制熱量1.4793 MW,消耗天然氣164 Nm3/h，機組各類機泵實際運行功率87.9 kW，供單位吉焦熱耗電量16.50 kWh/GJ作為本次供熱方式比較中直燃機的典型數(shù)據(jù)。

3.3 熱泵供熱

衡量熱泵系統(tǒng)熱力經(jīng)濟性采用制熱性能系數(shù)COP這個指標，計算公式如下：

COP=Φh/PeΦ

式中：Φh為熱泵系統(tǒng)制熱量，kW；Pe為熱泵系統(tǒng)壓縮機功率，kW。

熱泵系統(tǒng)機組制熱供熱電耗率計算公式如下：

3.4 電供熱

電熱地膜系統(tǒng)制熱供熱電耗率計算公式如下：

按照全年每平方米綜合建筑耗熱量計算燃料消耗，根據(jù)各類供熱方式計算相應電耗。各類供熱方式能耗計算結(jié)果與廢棄物計算結(jié)果見表3、表4。

表3 各類供熱方式能耗對比表

表4 各類供熱方式廢棄物排放表

注：表中熱泵、電熱膜為電廠對應排放數(shù)據(jù)

通過計算研究僅考慮熱源，燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)依然是各種供熱方式中單位能耗較低的。在環(huán)保條件允許的條件下，應堅持燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱。大型燃煤鍋爐房有利于管理和污染處理，因此燃煤鍋爐房供熱應與熱電聯(lián)產(chǎn)項目合理配合，且用于調(diào)峰建設為宜。

燃用天然氣鍋爐的熱效率普遍較高，單位能耗較低，但天然氣的成本很高，還需要有天然氣資源作保障；直接電供熱消耗高品位的電能，單位能耗較高(折算到一次能源利用率)，雖然能源階梯利用不盡合理，但考慮到行為節(jié)能，用戶末端可進行很好的調(diào)節(jié)，所以在實際的應用中能源的消耗量會有降低趨勢。因此，鑒于當?shù)丨h(huán)境、電力調(diào)峰等因素要求電力供熱，電熱地膜技術也得到了相應的應用。熱泵技術供熱是各種供熱方式中能耗最低的，在距可利用的地表(下)水源、污水源較近的區(qū)域，應優(yōu)先利用熱泵技術供熱。

4 結(jié)束語

供熱方式的比較和選擇是一項復雜的工作，涉及多方面的因素。不同的供熱方式有各自的特點和適用性，當從不同的角度來評價不同的供熱方式時，一般來說是不具有可比性的，很難用單一的指標對其進行評價。

通過各種供熱方式能效和環(huán)保相關數(shù)據(jù)對比分析，建議某市近期供熱熱源應采用大容量供熱鍋爐熱源替代分散小鍋爐熱源，估算年節(jié)約標煤33.711萬噸，年可減少煙塵排放15 009 t,減少CO2排放量967 510 t。大型供暖熱源替代分散小鍋爐的供熱方式將有利于促進節(jié)能減排，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展，加快資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會建設，更加有效地保障和改善民生。

[1] 方 琦,王曉東,李 鴻.節(jié)能減排背景下天津市供熱熱源的研究[S].

[2] 黃 文,管昌生.城市集中供熱研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].國外建材科技,2004,25(5).

[3] 尹金玲,王文新,滿首元.電熱地膜供暖系統(tǒng)在呼倫貝爾旅游建中的應用[J].呼倫貝爾學院學報，2010,18(6).

Study on Clean Energy Heating and Traditional Energy for Heating

QI Hong-bo

(Energy Conservation Service Centre of Heilongjiang Province, Harbin 150001, China)

With the development of city energy supply structure adjustment, the increasing resource and environmental constraints，energy saving and emission reduction work is still faced with severe situation. This paper studies on clean energy heating and traditional coal-fired heating in the northern city. It compares the energy consumption and environmental protection of various technical data through some heating modes, for the purpose of optimizing the city heat source selection, to provide a reference value to reduce building heating energy consumption.

Clean energy; Coal-fired heating; Heating source

2014-11-13

2015-01-11

齊洪波(1983-)，女，工程師，2008年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，研究生學歷，主要從事能源技術研究工作、工程咨詢等工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.02.011

TK229.6

B

1009-3230(2015)02-0038-05