清洁能源供热与传统能源供热的研究

齐洪波

(黑龙江省节能技术服务中心，哈尔滨 150001)

清洁能源供热与传统能源供热的研究

齐洪波

(黑龙江省节能技术服务中心，哈尔滨 150001)

随着城市能源供应结构的调整, 资源环境约束日趋强化，节能减排工作面临着严峻的形势。文中对北方某市采用清洁能源供热与传统燃煤供热进行研究，通过各种供热方式能耗与环保相关数据进行技术对比分析，为优化城市供热热源选择、降低建筑供热能耗提供参考价值。

清洁能源；燃煤供热；供热热源

0 引 言

“十二五”时期，我国发展仍处于可以大有作为的重要战略机遇期。随着工业化、城镇化进程加快和消费结构持续升级，我国能源需求呈刚性增长，受国内资源保障能力和环境容量制约以及全球性能源安全和应对气候变化影响，节能减排面临的形势依然十分严峻。北方某市是以燃煤为主的城市采暖能源结构,造成了极大的环境污染，冬季污染严重。分析采取何种能源、相应的何种利用方式作为主要的采暖能源和方式,显得极为重要。如何针对一个具体的现实情况选取最适合的供热方式，就成为一个既重要又亟需解决的问题。

1 供热方式介绍

目前，随着城镇化采暖制度的改变、建筑节能和居住环境热舒适度要求不断提高，出现了多种多样的住宅采暖方式，供热行业中的热源也已经从过去较为单一的形式发展为多种热源形式并存，如热电联产、区域锅炉房、燃油锅炉房、燃气锅炉房、地源热泵、水源热泵等。因此城市供热行业正在不断开发可利用的热源，寻求以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的供暖系统。另一方面，随着我国对环境保护的重视，以煤为主要燃料的供热方式受到了挑战。目前人们在积极寻找以清洁能源代替煤炭，这样可以减少污染物的排放量，达到国家要求的环境标准[1]。

1.1 以煤炭为燃料的热源

以煤炭为燃料的供热方式是某市目前主要的供热方式。主要分为区域锅炉房集中供热、热电联产和分散小锅炉供热三种形式。

(1)区域锅炉房集中供热

城市集中供热是由集中热源所产生的蒸汽、热水通过管网供给一个城市或部分地区生产和生活使用的供热方式，它由热源、热网、热用户三个部分组成[2]。热源是集中供热锅炉房、区域锅炉房(工业区域锅炉房一般采用蒸汽锅炉，民用区域锅炉房一般采用热水锅炉)，以煤为燃料；热网分为热水管网和蒸汽管网，由输热干线、配热干线和支线组成。供热管网的连接方式有直接连接、间接连接两种。城市集中供热是城市基础设施之一，能够提到能源利用率，区域锅炉房大型供热锅炉的热效率可达75%，具有节约能源、减少污染、有利生产、方便生活的综合经济效益、环境效益和社会效益。

(2)热电联产

热电联产是一种建立在能量梯级利用概念基础上，将制热(包括供暖和供热水)及发电过程一体化的总能系统。其最大的特点就是对不同品质的能量进行梯级利用，温度比较高的、具有较大可用能的热能用来被发电，而温度比较低的低品位热能则被用来供热。其原理是由于煤燃烧形成的高温烟气不能直接做功，需要经锅炉将热量传给蒸汽，由高温高压蒸汽带动汽轮发电机组发电，做功后的低品位的汽轮机抽汽或背压排汽用于供热。集中供热热电联产锅炉运行效率较高，可达85%以上。

(3)分散小锅炉供热

分散小锅炉的额定蒸发量小，运行效率低，仅为55%左右，且多数除尘器设备陈旧，不能脱硫，烟囱高度不够，导致烟气不能达标排放，是当前被逐步淘汰掉的供热方式之一。

1.2 以天然气为燃料的热源

以天然气为燃料的供热方式有燃气锅炉、燃气热电联产和燃气热泵。

(1)燃气锅炉

对于燃气锅炉，天然气燃烧产生的热量直接用于供暖，是最简单的一种供热方式。这种供暖方式包括家用燃气炉、中小型燃气锅炉和区域大型燃气锅炉。后两者皆是集中供热系统，尤其是区域燃气锅炉，需要通过热网向大面积的用户供热。由于热源更为集中，供热系统运行工况更加稳定，锅炉运行效率更高，同时大型锅炉更有条件采用先进的低氮燃烧技术，环境污染更小，在一些已有的"煤改气"区域供热系统中可根据具体情况慎重应用。

(2)燃气热电联产

锅炉加供热汽轮机是我国最常见的热电联产形式。天然气在锅炉中燃烧后将热量传给蒸汽，由高温高压蒸汽带动汽轮发电机组发电，做功后的低品位的汽轮机抽汽或背压排汽用于供热。目前燃气热电联产系统一般只在煤改气的热电联产中得以应用，而在新建热电联产系统中很少采用。

(3)燃气热泵

燃气热泵是由燃气驱动，利用环境热量供热的装置。燃气热泵供热量是燃气热量与环境热量之和，因此它的效率高于燃气锅炉。携带热量的环境介质可以是周围空气、江河湖海的水，地热以及其他余热介质等。根据工作原理的不同，可以分为燃气压缩式热泵和燃气吸收式热泵两种。

1.3 以热泵为热源

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热能(如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等)转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能(如煤、燃气、油、电能等)的目的。按低品位热源分，热泵可以分为空气热泵、水源热泵、土壤源热泵、太阳能热泵、污水源热泵和工业余热热泵等。热泵采用逆卡诺循环原理，由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器四大部件组成。

1.4 以电热地膜为热源

电热地膜供暖系统以电热地膜为发热体，通电后触发自身热量产生远红外线，将热量以远红外线的形式辐射空间。它产生的红外线首先加热房间四壁、地板，然后通过物体将热量传给空间。辐射供暖时室内温度比较均匀，它的辐射并不全是以热传导辐射，而释放的远红外线通过密实物体的吸收，实现了良好的蓄热，避免对人体产生冷辐射，符合人体最佳热状态。

电热地膜供暖系统由电热地膜、T型电缆、温度传感器、电源线、温控器等组成，是目前唯一能够被安装在混凝土水泥砂浆层内的电热膜采暖系统。该系统具有不耗水、节能、节地、省材、环保、与建筑物同寿命、任意开关调节、分户计量、经济运行等特点，系统运行符合低碳经济发展要求[3]。

2 采暖热负荷

北方某市每年实际供热时间为当年10月末至下一年4月末，采暖期为183天。根据《民用建筑节能设计标准》，采暖室外计算温度为-26 ℃，采暖期平均温度-10.5 ℃。据统计，节能建筑物约占总建筑面积的56%，其中65%为住宅，35%为公用建筑。根据各建筑物所占的比例和相应的热指标进行加权平均得出综合采暖热指标为54 W/m2。计算热负荷见表1。

表1 设计热负荷

利用统计公式计算不同室外气温tw下的延续时间H，绘制采暖热负荷延续曲线，如图1所示。

图1 采暖热负荷延续曲线

3 各种供热方式比较

3.1 燃煤供热

集中供热的热电联产热源、大型热水锅炉热源，区域热水锅炉房，分散供热锅炉房等是目前城市城区主要的采暖供热方式，其年平均供热标煤耗率计算公式如下：(以下计算均以1 m2为计算单元)。

br=34.12/ηglηgd

式中：br为年平均供热标煤耗率，kgce/ GJ;ηgl为锅炉运行平均效率，%;ηgd为管道效率，取98%。

燃煤供热锅炉主要能源消耗为原煤、电、水，由于水作为耗能工质占总能源消耗比例很小，暂不作计算。燃煤供热锅炉单位吉焦耗电，与供电电源，供电网损等有关。燃煤供热各类热源供热综合标煤耗率计算见表2。

表2 各类热源供热综合标煤耗率表

3.2 燃气供热

燃气供热主要包括燃气锅炉和直燃型溴化锂吸收式冷热水机组。

(1)燃气锅炉供热耗气率计算公式如下：

BH=1/qnetηglηgd

式中：BH为供单位吉焦热耗气率，Nm3/GJ;qnet为油田天然气收到基发热值，kJ/Nm3;ηgl为锅炉运行平均效率，取91%;ηgd为管道效率，取98%。

选取天然气折标煤系数为1.305 8 kgce/Nm3,单位吉焦耗电4.5 kWh/GJ，供电标煤耗率0.335 kgce/kWh来计算燃气锅炉综合供热标煤耗率。

(2)直燃型溴化锂吸收式冷热水机组供热耗气率用下式计算：

BHz=bhz/Q0

式中:BHz为供单位吉焦热耗气率，Nm3/GJ;bhz为机组制热时燃料消耗量，Nm3/h;Q0为机组制热量，MW。

通过研究国内其他省市同类机组运行情况，机组供热耗气率和耗电量等技术指标有一定幅度的波动，选取直燃机机组制热量1.4793 MW,消耗天然气164 Nm3/h，机组各类机泵实际运行功率87.9 kW，供单位吉焦热耗电量16.50 kWh/GJ作为本次供热方式比较中直燃机的典型数据。

3.3 热泵供热

衡量热泵系统热力经济性采用制热性能系数COP这个指标，计算公式如下：

COP=Φh/PeΦ

式中：Φh为热泵系统制热量，kW；Pe为热泵系统压缩机功率，kW。

热泵系统机组制热供热电耗率计算公式如下：

3.4 电供热

电热地膜系统制热供热电耗率计算公式如下：

按照全年每平方米综合建筑耗热量计算燃料消耗，根据各类供热方式计算相应电耗。各类供热方式能耗计算结果与废弃物计算结果见表3、表4。

表3 各类供热方式能耗对比表

表4 各类供热方式废弃物排放表

注：表中热泵、电热膜为电厂对应排放数据

通过计算研究仅考虑热源，燃煤热电联产依然是各种供热方式中单位能耗较低的。在环保条件允许的条件下，应坚持燃煤热电联产集中供热。大型燃煤锅炉房有利于管理和污染处理，因此燃煤锅炉房供热应与热电联产项目合理配合，且用于调峰建设为宜。

燃用天然气锅炉的热效率普遍较高，单位能耗较低，但天然气的成本很高，还需要有天然气资源作保障；直接电供热消耗高品位的电能，单位能耗较高(折算到一次能源利用率)，虽然能源阶梯利用不尽合理，但考虑到行为节能，用户末端可进行很好的调节，所以在实际的应用中能源的消耗量会有降低趋势。因此，鉴于当地环境、电力调峰等因素要求电力供热，电热地膜技术也得到了相应的应用。热泵技术供热是各种供热方式中能耗最低的，在距可利用的地表(下)水源、污水源较近的区域，应优先利用热泵技术供热。

4 结束语

供热方式的比较和选择是一项复杂的工作，涉及多方面的因素。不同的供热方式有各自的特点和适用性，当从不同的角度来评价不同的供热方式时，一般来说是不具有可比性的，很难用单一的指标对其进行评价。

通过各种供热方式能效和环保相关数据对比分析，建议某市近期供热热源应采用大容量供热锅炉热源替代分散小锅炉热源，估算年节约标煤33.711万吨，年可减少烟尘排放15 009 t,减少CO2排放量967 510 t。大型供暖热源替代分散小锅炉的供热方式将有利于促进节能减排，实现循环经济与可持续发展，加快资源节约型和环境友好型社会建设，更加有效地保障和改善民生。

[1] 方 琦,王晓东,李 鸿.节能减排背景下天津市供热热源的研究[S].

[2] 黄 文,管昌生.城市集中供热研究现状及发展趋势[J].国外建材科技,2004,25(5).

[3] 尹金玲,王文新,满首元.电热地膜供暖系统在呼伦贝尔旅游建中的应用[J].呼伦贝尔学院学报，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

齐洪波(1983-)，女，工程师，2008年毕业于哈尔滨工业大学，研究生学历，主要从事能源技术研究工作、工程咨询等工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.02.011

TK229.6

B

1009-3230(2015)02-0038-05