文_孫干 北京節(jié)能環(huán)保中心
2020年9月,中國(guó)在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)提出2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和目標(biāo)。碳排放問(wèn)題的根源是化石能源的大量使用,治本之策是轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式,加快推進(jìn)可再生能源替代,實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。北京市燃?xì)忮仩t房供熱占全市城市供熱面積的69.2%,在新的形勢(shì)下,為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”,應(yīng)加快供熱方式轉(zhuǎn)型,大力推廣熱泵系統(tǒng)替代燃?xì)忮仩t供熱。本文對(duì)燃?xì)忮仩t、地源熱泵等六種供熱方式的熱效率、碳排放量進(jìn)行定量對(duì)比分析,并綜合測(cè)算各供熱方式的經(jīng)濟(jì)性,提出熱泵替代燃?xì)忮仩t的建議。
北京冬季供熱主要以天然氣為主,天然氣供熱方式包括熱電聯(lián)產(chǎn)供熱、燃?xì)忮仩t供熱和燃?xì)獗趻鞝t供熱。截至2020年底,城鎮(zhèn)地區(qū)供熱面積共計(jì)8.95億m2,其中熱電聯(lián)產(chǎn)供熱面積23660萬(wàn)m2,燃?xì)夤幔ê趻鞝t)供熱面積61474萬(wàn)m2。天然氣供熱較為清潔,但燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生4.28kgCO2/Nm3排放,全市燃?xì)忮仩t供熱碳排放總量達(dá)2033萬(wàn)t,占全市碳排放總量的16%。
北京市可再生能源供熱近幾年快速發(fā)展,主要包括空氣源熱泵、地源熱泵、再生水熱泵和中深層地?zé)岬裙岱绞剑渲谐擎?zhèn)地區(qū)可再生能源供熱面積達(dá)到3500萬(wàn)m2,農(nóng)村地區(qū)88萬(wàn)戶實(shí)施了煤改電,主要為空氣源熱泵和地源熱泵。熱泵是一種利用空氣能或地?zé)崮茏鳛槔錈嵩?,進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖制冷空調(diào)系統(tǒng),熱泵供熱比電鍋爐供熱節(jié)能高效,沒(méi)有污染物,排放更加環(huán)保。
天然氣鍋爐房供熱系統(tǒng)熱效率包括燃?xì)忮仩t熱效率和熱網(wǎng)管道輸送熱效率?!豆I(yè)鍋爐能效限定值及能效等級(jí)》(GB 24500-2020)規(guī)定,1級(jí)能效等級(jí)的燃?xì)忮仩t熱效率不低于96%,2級(jí)能效等級(jí)的燃?xì)忮仩t熱效率不低于94%?!冻擎?zhèn)供熱系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50627-2010)規(guī)定,室外供熱管網(wǎng)輸送效率取值0.95,綜合計(jì)算,燃?xì)忮仩t房供熱系統(tǒng)整體熱效率不小于89.3%。
天然氣壁掛爐供熱系統(tǒng)熱效率主要為燃?xì)獠膳癄t熱效率,《家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t能效限定值及能效等級(jí)》(GB20665-2015)規(guī)定:1級(jí)能效等級(jí)的燃?xì)獠膳癄t熱效率不低于95%,2級(jí)能效等級(jí)的燃?xì)獠膳癄t熱效率不低于85%,節(jié)能評(píng)價(jià)值要求能效等級(jí)達(dá)到2級(jí)。
《二氧化碳排放核算和報(bào)告要求 熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)》(DB11/T1784-020)規(guī)定,天然氣的二氧化碳排放系數(shù)為4.28kgCO2/Nm3。北京地區(qū)采暖季燃?xì)忮仩t供熱耗氣量約9Nm3/m2左右,計(jì)算得出二氧化碳排放量為38.5kgCO2/(a·m2)。
經(jīng)濟(jì)性分析主要考慮供熱系統(tǒng)初投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和燃料費(fèi)用。初投資采用費(fèi)用年值法進(jìn)行年化分?jǐn)偅\(yùn)行維護(hù)費(fèi)用按照初投資的4%選取。由于天然氣壁掛爐是用戶自采暖設(shè)備,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用忽略不計(jì)。燃料費(fèi)用根據(jù)供熱規(guī)模及天然氣氣價(jià)確定,由于建筑面積和圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同,建筑熱負(fù)荷相差大,燃?xì)忮仩t供熱耗氣量也相差較大,耗氣量在7~11Nm3/m2范圍之間。
北京市2020年11月15日~2021年3月15日采暖季天然氣供暖價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)為城六區(qū)2.78元/m3,其他區(qū)域2.54元/m3,居民戶壁掛爐采暖用氣價(jià)格第一檔為2.61元/m3,非居民戶壁掛爐采暖用氣價(jià)格第一檔為2.63元/m3,北京市居民供暖天然氣鍋爐補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為7.67元/m2,天然氣分戶采暖(即天然氣壁掛爐)居民采暖用氣補(bǔ)貼為0.73元/m3。按平均耗氣量9Nm3/(a·m2)進(jìn)行計(jì)算,天然氣供熱運(yùn)行成本在28.41~31.67元/m2之間,天然氣供熱經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果如表1所示。
表1 天然氣供熱系統(tǒng)熱效率
熱泵熱效率是熱泵系統(tǒng)制熱量與制熱時(shí)輸入功率的比值,是衡量熱泵系統(tǒng)能效水平的重要指標(biāo)。熱泵系統(tǒng)的效率除了受熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵自身效率的影響外,不同氣候特征、土壤熱物性、建筑負(fù)荷特性的差異也會(huì)對(duì)熱泵效率產(chǎn)生很大影響。根據(jù)北京實(shí)際工程項(xiàng)目監(jiān)測(cè)情況,空氣源熱泵系統(tǒng)熱效率2.0左右、地源熱泵系統(tǒng)熱效率3.0左右、再生水源熱泵系統(tǒng)熱效率3.5左右、中深層地?zé)嵯到y(tǒng)熱效率5.0左右。
《二氧化碳排放核算和報(bào)告要求熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)》(DB11/T1784-2020)規(guī)定,電網(wǎng)供電排放因子為0.604tCO2/MWh,如按單位面積采暖季熱負(fù)荷100kWh/m2計(jì)算,空氣源熱泵碳排放量為30.2kgCO2/m2,地源熱泵碳排放量為20.1kgCO2/m2,再生水源熱泵碳排放量為17.3kgCO2/m2,中深層地?zé)崽寂欧帕繛?2.1kgCO2/m2。與天然氣供熱相比,分別減少碳排放21.6%、47.8%、55.1%、68.6%。如采用綠色電力+熱泵的供熱模式,則實(shí)現(xiàn)零碳排放。
熱泵供熱系統(tǒng)年綜合運(yùn)行成本由系統(tǒng)年初始投資、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和采暖年電費(fèi)三部分組成,初投資采用費(fèi)用年值法進(jìn)行年化分?jǐn)?,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用取初投資的4%。
北京市居民自供暖用電價(jià)格0.48元/kWh,工商業(yè)供暖電價(jià)1.0元/kWh。北京市對(duì)地源熱泵及再生水源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目給予30%的資金支持,對(duì)中深層地?zé)峁┡到y(tǒng)給予50%資金支持。熱泵系統(tǒng)供熱經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果如表2所示。
表2 熱泵系統(tǒng)供熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果
對(duì)六種方式的其他區(qū)域居民供熱進(jìn)行綜合對(duì)比分析,熱泵供熱系統(tǒng)投資成本較高,空氣源熱泵運(yùn)行費(fèi)用高于燃?xì)忮仩t,其他熱泵運(yùn)行費(fèi)用均低于燃?xì)忮仩t。熱泵供熱綜合運(yùn)行成本均高于燃?xì)夤幔词瓜硎苷哐a(bǔ)貼,其成本仍比燃?xì)夤岢杀靖摺岜霉崽寂欧帕烤陀谌細(xì)忮仩t,環(huán)境效益明顯。具體對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
表3 不同供熱方式的熱效率、碳排放及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析
通過(guò)對(duì)同一供熱基準(zhǔn)下各種供熱方式的系統(tǒng)熱效率、二氧化碳排放量以及經(jīng)濟(jì)性分析,可以得出如下結(jié)果:
①天然氣供熱碳排放量為38.5kgCO2/(a·m2),熱泵供熱比天然氣供熱碳排放量可下降21.6%~68.6%,熱泵供熱減碳效果顯著,環(huán)境效益顯著。
②熱泵供熱的初投資和綜合運(yùn)行成本均高于天然氣供熱,空氣源熱泵運(yùn)行成本超過(guò)居民供暖30元/m2的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),居民采用空氣源熱泵采暖,需給予優(yōu)惠電價(jià)或補(bǔ)貼資金支持。
③中深層地?zé)峁崮苄Ц撸C合運(yùn)行成本低,適用范圍廣,市場(chǎng)潛力大,應(yīng)大力推廣中深層地?zé)峁┡?/p>