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清洁供暖:解决我国社会主要矛盾的一个实践
 
  来源:中国建设报     2017-11-16
 
 

江 亿

党的十九大指出:我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。 当前北方开展的清洁供暖重大工程的提出,正是源于对这一矛盾的深刻认识。

随着我国城镇化的飞速进展,北方城市建筑冬季供暖也有了显著改善。城市供暖的主要问题已经从20年前的室温低、高投诉、热费上缴率低等民生问题,转变成为目前室内过热、高能耗和降低污染物排放等面向生态文明发展的新要求。

而目前人口众多的北方农村,冬季室内供暖却逐渐显现出多方面问题:尽管户均耗煤量已超过城市居民水平,但冬季室内温度大多在10℃~16℃之间,不足以满足室内舒适性的基本要求;大量分散的散煤低效燃烧导致冬季室内外空气质量恶化,并且还成为形成冬季北方大面积PM2.5的主要污染源之一。

据统计,尽管“京津冀”地区农村供暖散煤燃烧仅占当时这一地区燃煤总量的不到25%,但其排放的粉尘和氮氧化合物却占这一地区由于燃煤排放的粉尘和氮氧化合物总量的60%以上。

在农村实现清洁供暖,已成为广大农民对美好生活的重要诉求。改变农村的供暖方式,改善农村冬季室内外空气质量,是涉及“农村生活方式革命”的重大任务。

●由此,清洁供暖重大工程的主要目的是:

一、全面满足北方地区城乡建筑冬季供暖的要求,满足人民对美好生活的追求;

二、大幅度降低冬季供暖燃烧形成的PM2.5相关污染物的排放,从而降低北方冬季雾霾程度;

三、降低北方地区由于冬季城乡供暖导致的化石能源消耗总量和碳排放总量。

此外,随着我国产业结构的深度调整,工业用电在电力消费总量中的比例逐年降低,用电负荷侧的峰谷变化和不可调控性日益严重;而随着我国风电、光电的飞速发展,不确定性可再生电源在电源总量中的比例逐渐加大。这两个因素叠加,就使得由于北方电网缺少足够灵活的电源而出现大量的弃风弃光现象。2015年我国平均弃风率已达20%,其中甘肃、新疆、吉林等地区弃风率超过30%。这些弃风现象都集中发生在冬季,与供热期间大量燃煤电厂转为热电联产运行方式、丧失了对电力的调峰能力密切相关。

既然弃风现象与冬季供热相关,如何在清洁供暖的同时解决这一矛盾,实现热电协同,优化电、热、燃气构成的能源系统的运行,也成为清洁供暖工程中的又一任务。

■ 直接电热是“高能低用”

一些部门针对上述问题提出的解决方案,是大力发展直接电热型热源方式,在城市发展大型电热锅炉和巨型蓄热水罐,在农村发展蓄热式电暖气。利用这些电热装置在电力负荷低谷期把多余的电力转换为热量,不仅为当时的供热需求提供热源,还储存热量满足电力负荷高峰期供热的需求。这样做,从局部看确实避免了使用燃煤燃气锅炉供热的污染物排放,又通过蓄热解决了电力供给侧和需求侧不同步的矛盾,似乎是实现清洁供暖的有效途径。

但是,通过直接电热方式把电转换为热,是典型的“高能低用”。

我国目前70%的电力还是由燃煤火力发电产生,热电转换效率不足40%。这就表明约60%的能源在这两次转换中白白浪费掉。

有些人认为电热方式使用的是风电、光电,而非火电,这样做可以避免弃风、弃光,是可再生能源的有效利用。这种提法并不成立。当我们使用所谓的风电、光电生成热量的同时,同一电网上还有大量的燃煤火电厂在发电。怎么可以认为这些电热锅炉消耗的电,就不是这些燃煤电厂所产生呢?如果此时电力富裕,为什么不能停掉部分燃煤电厂,用风电替代火电,从而减少燃煤消耗、减少污染物和碳的排放?因此,只要有燃煤电厂在发电,同一时刻的电热锅炉或电直热装置就应该认为是在使用煤电,是效率低、高排放的产热方式。

■ 我国已有成熟的热电转换技术

那么应该怎样高效地把电力转换为热量呢?目前至少有如下的成熟技术可供选择:

●一、热电联产

与单纯的燃煤燃气电厂相比,输入等量燃料,热电联产运行输出的电力仅减少20%~30%,却可以在发电的同时得到几倍于所减少的发电量的热量。如果把输出的热量与减少的发电量之比,定义为等效COP(制热能效比),则标准的抽凝式热电联产无论燃煤电厂还是燃气蒸汽联合循环的燃气电厂,其COP都可以达到5到6。同时,燃煤电厂的总热效率可达到80%以上,燃气蒸汽联合循环电厂的总效率也可达到75%以上。近年来提出的“吸收式循环”新流程(2012年获得国家发明二等奖),燃煤热电联产的等效COP可达到7.5,总的热效率达到93%,燃气蒸汽联合循环的热电联产的等效COP也可以接近7,总的热效率达到88%。当采用多种烟气潜热深度回收技术时,其总的热效率按照低位热值计算,还可以再提高10~14个百分点。这应该是目前其它的热电转换方式都很难获得的高效率。因此可以认为热电联产是能量利用效率最高的电-热转换方式。

●二、地源热泵

在地下埋管,通过埋管中的循环水与地下的砂石、黏土换热,提取地层中的热量,再通过热泵提升热量的品位,以满足建筑供热需求。对于埋深为100米左右的地下埋管,换热后的循环水一般在10℃到15℃之间,热泵的电―热转换效率为3到4。近年来我国西北地区研发成功2000米到3000米深的地下埋管热泵系统,循环水出水温度可以达到20℃到30℃,从而其电-热转换效率可达4到5。

●三、空气源热泵

从室外空气中获取热量,再通过热泵提取其热量品位,以满足建筑供暖需求。当室外空气温度在0℃左右时,这种方式可以实现的电-热转换效率COP可达到3。由于这种方式很少受条件限制,所以在长江流域地区一直是最合适的建筑供暖热源。

近年来我国在此方向的技术进步迅速,通过新的压缩机技术、变频技术和新的系统形式,已经把空气源热泵的适用范围扩展到-20℃的低温环境。在-20℃下,几种空气源热泵的COP已经可以达到2,制热量也可达到标称工况的70%以上。这就使得空气源热泵在绝大多数地区都可以作为高效的电-热转换方式,为建筑提供供暖热量。中国的空气源热泵技术目前处于国际领先地位。

●四、低品位余热和生物质

除了高效的电-热转换方式外,利用工业生产过程排出的低品位余热供热,也是清洁供暖的重要热源。我国目前钢铁、有色、化工、炼油、建材五大高能耗产业在北方冬季排放的热量足以承担北方城镇一半以上建筑冬季供暖的需求。如果仅利用其70%,也可以每年节约供暖用能1亿吨标准煤。目前在唐山迁西、内蒙古赤峰都有成功的工业余热供暖示范工程,每个工程供暖建筑面积都超过300万平方米。

再有,就是利用生物质能,直接燃烧供热或制取生物质燃气作为供热热源。这在生物质资源丰富的内蒙古、东北等地区也有很多成功案例。

■ 根据建筑特点选择适宜的技术方案

以上列举了清洁供暖的多种热源方式,怎样选择和组合上述方式,才能实现清洁和经济的供暖,并且实现热电协同、缓解目前冬季的弃风弃光现象呢?这又取决于被供暖建筑的密集程度。可简单地把北方地区分为高密集度的城镇建筑和低密集度的乡村建筑两类。

●高密集度城镇建筑供暖技术方案的选择

我国北方地区中等以上城市都已建成较完善的集中供热管网,其80%以上的建筑都可以与城市集中供热管网连接。这就使得这些地区可以充分利用目前的热电厂资源,通过热电联产改造,为建筑提供热量。

由于目前的热电联产电厂是“以热定电”的运行模式,冬季就不再为电网做电力调峰,从而导致前文所述的大量弃风弃光现象。但目前已经提出有效的解决方案,对热电联产电厂做“热电协同”改造,增加巨型蓄热装置、改变取热工艺流程,就可以使其在保障供热的同时,电力输出也可以在40%到100%范围内灵活调节。这就使热电联产电厂同时还可以是电网的灵活电源。因此,针对目前我国北方电网缺少灵活电源的现状,应大规模开展燃煤电厂的热电协同改造。

此外,热电联产电厂输出的热力与电力之比,往往都低于其所在区域需求侧最大的热力与电力之比,这就导致在严寒期用电低谷的时段,热电联产热量不足而电力过剩,供给侧和需求侧的热电比出现严重不匹配。正是由于这一原因,尽管热电联产是能源转换效率最高的方式,在很多制造业比例较低的消费型城市还不能用热电联产方式为城市提供全部供暖热量,必须辅助以其它的热源形式,以使供给侧和需求侧之间热电比匹配。为此,需要在这些城市发展一定数量的热泵供热,从而增加需求侧的用电量,并减少对热电联产热源热量的需求。

对于北京来说,合理的匹配应该是热泵提供三分之一建筑的供暖,热电联产提供其余三分之二建筑的热源。这才是整体上一次能源消耗量最少、各种污染物排放最少的整个北京冬季建筑供暖的热源方案。

●低密集度农村建筑供暖技术方案的选择

对于建筑密集度较低的北方广大农村,集中供热管网的投资高、运行效率低,因此应发展分散的供热方式。

除了个别利用工业余热和生物质能的供热外,最现实的、高效的和可操作的方式就是分散的空气源热泵方式,这也是北京郊区经过多次反复后,最终作为清洁供暖方式而大量推广的主导方式。

目前在农村推广的空气源热泵供暖,有每户一套的空气源热泵热水系统和每室一台的空气源热泵热风机两种方式。前者用热泵制取热水,再通过热水经过房间散热器循环实现供暖。由于房屋巨大的热惯性,这种方式从全停开始启动时需要十余个小时的加热过程才能达到供暖温度,这样就要求系统长期连续运行;而热泵热风机因为是直接向房间送热风,启动后仅十余分钟就可达到要求的供暖效果,所以适合于间歇供暖。当前我国多数农村居民的居住特点,是老人和儿童常年在家居住,全家人在周末和假期团聚。每户多个房间平时只用一两间,团聚时才全部使用。因此可否高效地实现间歇供暖,成为选择农村清洁供暖方式的关键。北京郊区近年来的实践表明,采用一室一台的空气源热泵热风方式,每个冬季每平方米农舍耗电量为20到40kWh/㎡,而采用一户一套的空气源热泵热水方式,每个冬季每平方米农舍耗电量为40到60kWh/㎡。热泵热风机的初投资每户在1万元左右,热泵热水机的初投资每户在2万元左右。

此外,热泵热风机还可以按照“需求侧响应”方式运行,在电力部门的统一协调下,通过互联网技术统一调度,在保证供暖需求的前提下,参与电力调峰。当电力负荷处于峰值期间,电力调度可以通过分片地停止一部分热泵热风机来消减用电负荷,由于建筑的热惯性,连续停止热风机3个小时,房间温度最多下降2℃,不会对供暖有太大影响;而在电力负荷处于低谷期间,又可以分片地运行一部分热泵热风机来增加电力负载。连续运行3小时热风机,最多也只能使房间温度上升2℃,也不会对室内舒适性带来太大的影响。

在农村大规模采用这种方式运行,可以使安装在农村的巨量的空气源热泵成为巨量的电力峰谷差调节装置。这种调节装置可在实现农村清洁供暖、改善农村居民生活状况的同时,为破解电力系统的难题、缓解弃风弃光现象找到一条新的途径。由于参与电力削峰填谷,农民也可以获得低价电费的回报,这就又为减轻清洁供暖改造的经济压力,找到一条新的出路。