楊 林，高文學(xué)，王 艷，周偉業(yè)，徐少杰

(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司 城市燃?xì)鉄崃ρ芯吭海旖?00384;2.國家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，天津300384;3.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072)

1 概述

隨著生活水平和居住環(huán)境的改善，供熱需求逐步擴大，更要求熱源向節(jié)能清潔化方向發(fā)展。目前，北方地區(qū)煤改氣工程已進(jìn)入收尾階段，期間由于大規(guī)模用氣且天然氣儲量不足造成氣荒。為調(diào)解能源供應(yīng)與社會需求，以及節(jié)能環(huán)保與生活舒適的矛盾，配置燃?xì)獠膳療崴疇t的多能互補供熱系統(tǒng)(可提供生活熱水、供暖熱水，以下簡稱多能互補供熱系統(tǒng))逐漸成為人們探尋開發(fā)的新供熱模式。本文對多能互補供熱的現(xiàn)狀與發(fā)展進(jìn)行探討。

2 組合形式及研究進(jìn)展

多能互補供熱系統(tǒng)不僅可以保證用戶生活熱水和供暖需求，更實現(xiàn)了清潔供暖需要。供能設(shè)備包括燃?xì)獠膳療崴疇t、太陽能熱水系統(tǒng)、電驅(qū)動空氣源熱泵等，因此多能互補供熱系統(tǒng)可分為3 種:燃?xì)獠膳療崴疇t與太陽能熱水系統(tǒng)聯(lián)合供熱系統(tǒng)(以下簡稱燃?xì)馀c太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng))、燃?xì)獠膳療崴疇t與電驅(qū)動空氣源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)(以下簡稱燃?xì)馀c電能聯(lián)合供熱系統(tǒng))以及燃?xì)獠膳療崴疇t與太陽能熱水系統(tǒng)、電驅(qū)動空氣源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)(以下簡稱燃?xì)?、太陽能與電能聯(lián)合供熱系統(tǒng))。

① 燃?xì)馀c太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)

燃?xì)馀c太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)主要由燃?xì)獠膳療崴疇t、太陽能熱水系統(tǒng)、儲熱水箱、控制器等組成。近年來，燃?xì)馀c太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)的研究逐漸增多，相關(guān)技術(shù)逐步成熟，成為多能互補供熱系統(tǒng)中較為常見的組合形式。燃?xì)馀c太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)應(yīng)用智能控制技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行全自動控制，優(yōu)先利用太陽能，以燃?xì)庾鳛檩o助能源，供應(yīng)生活熱水和供暖熱水。

袁豐等人［1］以天津農(nóng)村節(jié)能居住建筑為研究對象，對方案1(空氣源熱泵與太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng))、方案2(燃?xì)馀c太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng))、方案3(燃?xì)馀c電能聯(lián)合供熱系統(tǒng))的能耗指標(biāo)、環(huán)境影響進(jìn)行評估。方案1、2 的一次能源消耗量及一次能源利用率相當(dāng)，均優(yōu)于方案3。方案2 的污染物排放最低，二氧化碳排放量分別為方案1、3 的65%、59%，二氧化硫排放量分別為方案1、3 的9%、8%，氮氧化物排放量分別為方案1、3 的26%、23%。

劉芳等人［2］對北京市某農(nóng)村住宅燃?xì)馀c太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)的熱舒適性、經(jīng)濟性及節(jié)能減排效果進(jìn)行了分析，農(nóng)村住宅室內(nèi)采用地面輻射供暖系統(tǒng)。測試期間的室內(nèi)日均溫度范圍為19.5 ～20.6℃，室內(nèi)舒適性良好。主要存在的問題是太陽能貢獻(xiàn)率偏低、燃?xì)夤芫W(wǎng)覆蓋范圍有限。

方立德等人［3］設(shè)計了燃?xì)馀c太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，通過單片機控制，測量管路各點的溫度，判別不同的工作模式，使聯(lián)合供熱系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)置的程序進(jìn)行冷熱水循環(huán)、換熱。試驗結(jié)果表明，效果達(dá)到了預(yù)期，聯(lián)合供熱可通過程序自動控制切換熱源，供水溫度達(dá)到規(guī)定的要求，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)。

② 燃?xì)馀c電能聯(lián)合供熱系統(tǒng)

燃?xì)馀c電能聯(lián)合供熱系統(tǒng)彌補了電驅(qū)動空氣源熱泵在結(jié)霜等工況下制熱效率低的缺點，保證供熱效果的同時提高能源利用效率。

王希［4］針對北京地區(qū)某多層住宅小區(qū)，采用TRNSYS 軟件建立燃?xì)馀c電能聯(lián)合供熱系統(tǒng)的仿真模型。對不同運行策略下聯(lián)合供熱系統(tǒng)的供暖期能耗進(jìn)行了仿真計算。將費用年值(綜合考慮設(shè)備投資及運行費用)作為評價指標(biāo)，對不同運行策略對應(yīng)的聯(lián)合供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性進(jìn)行比較。綜合能耗分析及經(jīng)濟性分析結(jié)果，建議聯(lián)合供熱系統(tǒng)以室外溫度-4 ℃作為電驅(qū)動空氣源熱泵的啟停溫度，電驅(qū)動空氣源熱泵按承擔(dān)50%或70%的設(shè)計負(fù)荷選型。

③ 燃?xì)?、太陽能與電能聯(lián)合供熱系統(tǒng)

燃?xì)?、太陽能和電能?lián)合供熱系統(tǒng)優(yōu)先利用太陽能、電能，以燃?xì)庾鳛檩o助能源保證用戶在極端天氣下的用熱需求，這種聯(lián)合供熱系統(tǒng)可節(jié)省運行費用，能源利用率高，但系統(tǒng)投資較高，控制較為復(fù)雜。

楊林［5］分析了燃?xì)?、太陽能和電能?lián)合供熱系統(tǒng)的工作原理，建立各種裝置的數(shù)學(xué)模型。在廣州搭建測試系統(tǒng)，驗證數(shù)學(xué)模型。與測試值相比，各種裝置運行參數(shù)的模擬值的相對偏差在±10%以內(nèi)，證明了數(shù)學(xué)模型的正確性。以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，分別以費用年值最低、綜合能效系數(shù)最高為目標(biāo)，對廣州某住宅小區(qū)某單元的燃?xì)狻⑻柲芎碗娔苈?lián)合供熱系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

3 關(guān)鍵技術(shù)

① 系統(tǒng)優(yōu)化配置

多能互補供熱系統(tǒng)由兩種及以上能源組成，當(dāng)一種能源供給不足時投入另一種能源，充分利用不同能源的特性。設(shè)備選型是多能互補供熱系統(tǒng)首先需要解決的問題，應(yīng)充分考慮氣候因素、天然氣價格、電價等對設(shè)備容量選型的影響，通過優(yōu)化能源系統(tǒng)的配置，提高系統(tǒng)的能源利用率，降低系統(tǒng)整體費用。

系統(tǒng)優(yōu)化配置技術(shù)往往以系統(tǒng)運行費用或運行能效等為目標(biāo)函數(shù)，采用數(shù)學(xué)方法優(yōu)化系統(tǒng)各裝置的容量配置，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。支曉曄等人［6］根據(jù)多項典型的燃?xì)馀c太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)工程實例，得到太陽能集熱器面積與系統(tǒng)造價間的關(guān)系，以壽命期內(nèi)最大凈收益為目標(biāo)，考慮了太陽能保證率與天然氣價格，優(yōu)化了太陽能集熱器面積。陳志煒［7］將費用年值、天然氣消耗量和二氧化碳減排量3 個目標(biāo)函數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，對燃?xì)馀c太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。楊林等人［8］采用遺傳算法并編寫相關(guān)軟件，方便快捷地計算得出建筑最優(yōu)供熱系統(tǒng)配置方案，促進(jìn)多能互補供熱系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。

② 系統(tǒng)運行與控制技術(shù)

多能互補供熱系統(tǒng)的運行與控制技術(shù)可通過協(xié)調(diào)各種熱源的差異性，降低或消除能源供應(yīng)的不穩(wěn)定性，提高能源利用率。

多能互補供熱系統(tǒng)的運行與控制技術(shù)較為復(fù)雜，需要同時考慮生活熱水、供暖熱水供應(yīng)，根據(jù)室外溫度、室內(nèi)溫度等多種參數(shù)，在滿足用戶用熱需求且系統(tǒng)運行能效較高的前提下，確定各種裝置的運行。

隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)以及人工智能或?qū)⒊蔀槎嗄芑パa供熱系統(tǒng)運行與控制技術(shù)的解決途徑之一。目前，智慧供熱技術(shù)在集中供熱系統(tǒng)中已經(jīng)得到了應(yīng)用:許廣平［9］提出集中供熱的智慧化管理與控制策略。王治學(xué)等人［10］以PLC 為核心，設(shè)計了一套無人值守?zé)崃φ局悄芸刂葡到y(tǒng)。羅雅過［11］對移動網(wǎng)絡(luò)下的智能供熱監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。

③ 系統(tǒng)性能測試與評價技術(shù)

多能互補供熱系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，性能影響因素繁多，導(dǎo)致其性能測試及評價方法較難統(tǒng)一。近年來，不少學(xué)者對多能互補供熱系統(tǒng)的性能測試與評價技術(shù)進(jìn)行了研究。

黃遜青［12］針對燃?xì)狻⑻柲芘c電能聯(lián)合供熱系統(tǒng)，分析了聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能測試條件。將電能折算為一次能源，以一次能源的單位消耗量獲得的供熱量作為能效考核指標(biāo)。李勇剛等人［13］對燃?xì)?、太陽能與電能聯(lián)合供熱系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究，提出了能效評價指標(biāo)與測試方法，并給出不同工況的測試條件。楊林等人［14］提出了一種燃?xì)馀c太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)性能測試方法和能效指標(biāo)，搭建了測試平臺并進(jìn)行晴天和陰天工況的測試。

目前，中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司正在開展北方村鎮(zhèn)清潔能源協(xié)同供熱技術(shù)的研究，內(nèi)容涵蓋基于燃?xì)獾亩嗄芑パa供熱系統(tǒng)，結(jié)合歐洲相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出適合我國國情的多能互補供熱系統(tǒng)的性能測試與評價技術(shù)［15-17］。

4 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2015 年7 月，國標(biāo)委下達(dá)《2015 年第二批國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計劃》綜合［2014］67 號，《帶輔助能源的燃?xì)獠膳療崴骶摺纷鳛橥扑]性標(biāo)準(zhǔn)制定，以促進(jìn)燃?xì)獠膳療崴疇t在住宅供熱領(lǐng)域的應(yīng)用，降低住宅供熱的能源消耗、保護環(huán)境，同時也促進(jìn)燃?xì)獠膳療崴疇t的可持續(xù)發(fā)展。目前，此標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成編制并進(jìn)行發(fā)布，處于等待實施狀態(tài)。

2016 年8 月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所發(fā)布《關(guān)于同意＜多能互補分戶供暖節(jié)能運行應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則＞立項的復(fù)函》建標(biāo)工［2016］87 號文件。指出，該導(dǎo)則將對不同氣候區(qū)、不同建筑類型多能互補供熱系統(tǒng)的設(shè)計、整體聯(lián)動控制、檢測監(jiān)控與運行調(diào)節(jié)方案進(jìn)行優(yōu)化，并通過整個壽命周期的技術(shù)性能經(jīng)濟評價，實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運行，引導(dǎo)多能源互補供熱系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用。

2017 年5 月，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會發(fā)布《關(guān)于印發(fā)＜中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會2017 年第一批產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)試點項目計劃＞的通知》建標(biāo)協(xié)字［2017］015 號，其中《多能源耦合供熱系統(tǒng)》(為中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn))被列為制定項目，該標(biāo)準(zhǔn)將規(guī)范相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)與應(yīng)用，統(tǒng)一技術(shù)要求和試驗方法，對行業(yè)的健康有序發(fā)展提供重要保障。

5 發(fā)展前景

為加快推進(jìn)多能互補供熱系統(tǒng)示范工程建設(shè)，提高能源利用效率，增加有效供給，滿足合理需求，帶動有效投資，促進(jìn)經(jīng)濟穩(wěn)定增長，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《推進(jìn)多能互補集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實施意見》發(fā)改能源［2016］1430 號，指出建成終端一體化集成供能系統(tǒng)，因地制宜實施傳統(tǒng)能源與風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿饶茉吹膮f(xié)同開發(fā)利用，優(yōu)化布局電力、燃?xì)?、熱力、供冷、供水管廊等基礎(chǔ)設(shè)施，通過天然氣熱電冷聯(lián)供等方式實現(xiàn)多能互補和協(xié)同供應(yīng)，推動能源就地清潔生產(chǎn)和就近消納，提高能源綜合利用效率。

目前，我國北方地區(qū)農(nóng)村冬季供暖系統(tǒng)的熱效率較低，污染較為嚴(yán)重。2017 年，我國提出“推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖”重要工作。5 月發(fā)布《關(guān)于開展中央財政支持北方地區(qū)冬季清潔取暖試點工作的通知》，鼓勵采用空氣熱能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源分布式、多能源互補應(yīng)用的新型供暖模式。12 月發(fā)布《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021)》，提出清潔供暖方式應(yīng)根據(jù)不同條件和地區(qū)，科學(xué)分析，精心比選，全程優(yōu)化，有序推進(jìn)，應(yīng)因地制宜選擇供暖熱源，包括可再生能源供暖(地?zé)峁┡?、生物質(zhì)能供暖、太陽能供暖)、天然氣供暖、電供暖等，提出到2021 年，北方地區(qū)清潔供暖率達(dá)到70%。

能源是社會經(jīng)濟發(fā)展的動力，傳統(tǒng)的化石能源不可再生且污染嚴(yán)重，在國家能源轉(zhuǎn)型升級和大力推廣清潔供暖政策的驅(qū)動下，多種清潔能源協(xié)調(diào)互補來提高能源利用率，是緩解能源短缺與需求增加矛盾的重要途徑。采用更加優(yōu)化的多能互補供熱系統(tǒng)，提升可再生能源供熱穩(wěn)定性和清潔能源貢獻(xiàn)率，是解決北方城郊及農(nóng)村地區(qū)清潔供暖工作的重要技術(shù)方案。因此，多能互補供熱系統(tǒng)將必然得到快速發(fā)展與應(yīng)用。

6 結(jié)語

伴隨著國家能源轉(zhuǎn)型升級、促進(jìn)清潔可再生能源消費等相關(guān)政策的發(fā)布，各種能源應(yīng)用形式不斷被提出，呈現(xiàn)“從單一能源到多能源互補”的發(fā)展勢頭。多能互補為實現(xiàn)多種能源相互補充和梯級利用，提升能源綜合利用效率，緩解能源供需矛盾提供了途徑，可適用于鄉(xiāng)村分散式供熱，特別是在煤改氣、煤改電短期內(nèi)難以覆蓋的農(nóng)村區(qū)域。

多能互補供熱技術(shù)是清潔能源發(fā)展的重要技術(shù)，是推進(jìn)我國新能源科技進(jìn)步、促進(jìn)供熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展、保障清潔供暖的內(nèi)在需求。因此，相關(guān)部門及學(xué)者應(yīng)對多能互補供熱系統(tǒng)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化等方面進(jìn)一步研究，加快完善系統(tǒng)優(yōu)化配置、運行與控制、性能測試與評價等相關(guān)技術(shù)，建立適應(yīng)我國社會經(jīng)濟發(fā)展水平的標(biāo)準(zhǔn)體系，以促進(jìn)多能互補供熱技術(shù)快速、健康、穩(wěn)定發(fā)展。