天津中心城区煤改燃节能减排效益评估

黄瑞新

(津燃华润燃气有限公司第三销售分公司 天津300112)

天津中心城区煤改燃节能减排效益评估

黄瑞新

(津燃华润燃气有限公司第三销售分公司 天津300112)

燃煤供热是北方城市采暖的主要方式，但煤燃烧过程中污染物的排放显著加剧了冬季大气污染状况，同时也增加了碳排放。在可持续、低碳发展的背景下，因地制宜发展清洁热源形式、选择合适的供热方式是城市供热规划的主要内容之一。探讨了包括集中燃煤供热、集中燃气供热、分布式燃气供热和分布式燃气——可再生能源联合等不同供热方式的原理、技术特点及优缺点，并综合比较其低碳、环境效益，从而为天津中心城区供热热源规划提供参考。

燃气 供热 环境效益

城市供热工程是北方城市宜居发展的基础，是城市物质生产和人民生活必不可少的条件，是衡量城市吸引力及现代化程度的标志。科学合理地规划供热系统，对于提高供热保障能力、满足人民生活需求、改善大气环境、构建低碳、和谐社会具有重要意义。[1]在天津，长期以煤炭为主要热源形式的集中供热方式对大气环境质量造成了严重破坏，同时也影响城市低碳化发展进程。世界许多大城市的经验表明，改善大气污染状况的根本途径是改变燃料结构，作为清洁能源的天然气是现有发展条件下较为理想的热源形式之一。

1 热源形式

天津地处北温带半干旱半湿润季风气候区，四季分明。冬季盛行西北风，采暖季历时4个月。中心城区面积334,km2，人口396万人，290.86万户。据统计，2010年天津中心城区供热用煤量为 357万 t，占年度全市生活能源消耗总量的 47.2%,。根据《2010年天津市环境状况公报》，全年可吸入颗粒物为影响环境空气质量的首要污染物，进入采暖期后，受供热燃煤影响，煤炭燃烧的污染物排放增加，与逆温、多雾等不利气象因素相耦合，使空气污染状况进一步加重。二氧化硫污染与可吸入颗粒物交替成为影响空气质量的首要污染物。

1.2 天然气

研究表明，天然气能效比煤高 1/3，供热投资比煤低 1/3，是高品质清洁能源，采用燃气供热可提高能源利用率和经济性，减少污染，发展绿色经济。[2-3]为贯彻执行新的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，保障全市国民经济可持续发展，减少大气环境污染，改善城市居民生活环境，天津市政府从治理污染大、见效快的供热系统入手，计划在“十二五”期间将热源形式由燃煤改为燃气。根据市建交委编制的《天津市中心城区和滨海新区核心区淘汰燃煤锅炉房实施方案》，中心城区的132座锅炉房内改燃锅炉376台，供热面积9,632万m2，装机容量 7,988,MW。预测全部实施燃气供热后，中心城区天然气需求量将达20.71亿m3，减少煤用量357万t，CO2减排255.7万t。此举有助于缓解我市空气质量恶化的情况，为经济社会发展腾出更多的环境容量，同时促进城市发展低碳化转型。

1.3 可再生能源

可再生能源包括水能、风能、太阳能、地热能和海洋能等，由于受其技术发展、环境条件及冬季气候特点的局限，在天津中心城区能够成规模应用的可再生能源主要为浅层地热能，也称地温能，即地表以下一定深度范围内蕴藏在岩土体、地下水体中具有开发利用价值的热能。由于 200,m深度范围内的岩土体、地下水体温度比较恒定(14～16,℃)，与冬、夏两季室外温差较大，利用这种温差，通过热泵技术可以冬季供热，夏季制冷。经测算，天津中心城区可有效利用浅层低温能约为370,670万KW·h，可解决约3,336万m2建筑的采暖需求。

2 燃气供热方式

2.1 集中(燃气)供热

供热热源形式由燃煤改成燃气后，可直接利用原有供热管网系统和锅炉房附属设备，节省初投资。改燃前后，保持大型锅炉房原有一次热网、二次热网和换热站不变，在锅炉房用地范围内建设燃气锅炉房替代现有燃煤锅炉房，形成原址改燃，改燃示意图如图1所示。

图1 原址改燃示意图Fig.1 Schematic diagram of coal to gas transformation at original sites

天然气供热较传统燃煤供热方式有较大优势，但在天津全面发展仍有一定难度，主要为供需矛盾。

通过对扬州市连续9年的数据分析，可以发现扬州市水环境生态安全的主要警源是河道污染严重、污染治理措施差，经济社会压力大以及自然水环境条件下降。从扬州市水环境生态安全年际变化可以看出，扬州市水体水质恶化现象有所好转，但并未得到稳定控制，水环境生态安全仍处在预警状态。预测在今后相当长的时间内，提高自然水环境条件，合理统筹经济发展与水资源之间的关系，是扬州市水环境生态安全建设的重点。

2.2 分布式燃气供热

分布式燃气供热模式主要是根据用户用热需求和特点选用适合的单用户燃气采暖模式，供热设备有燃气壁挂炉、燃气直燃机、燃气热泵和商用燃气热水器等。鉴于技术可靠性和产品适用性，结合天津应用的普遍性，建议住宅用户使用燃气壁挂炉，公建用户利用燃气直燃机采暖。相较于集中供热，分布式供热适应管网热负荷的变化能力强，自动化程度高，运行调节方便、灵活，管网投资少、能耗低、利用率高。[4]但该方式污染排放分散，难以集中处理，不利于环境质量的改善和提升。

2.3 分布式燃气——可再生能源联合供热

利用浅层地温能是一种在技术和经济上都具有较大优势的供热、制冷方式。据悉，截至 2011年 3月，我国地源热泵供暖面积达1.4亿m2，80%,集中在华北、东北等地区。在北京，利用浅层地温能供暖制冷的建筑约有 3,000万 m2，沈阳则已超过6,000万m2。[5]

根据资料，天津可有效利用浅层低温能约为1,340万KW·h/km2。[6]通过计算，中心城区除道路及部分水面、河流，土地开发面积约为 277,km2，可有效利用浅层低温能约为 370,670万 KW·h，如利用燃气发电驱动热泵对其加以利用，供热面积约3,336万m2；对于燃气发电的余热可采用吸收式热泵供热，计算后约为1,334万m2，二者合计约占现状供热建筑面积的37%,。考虑到同时供热制冷，每年的资源量相当于90万t标煤。受土地面积限制，浅层地热供暖对建筑容积率有一定要求。根据住宅和公建的热负荷指标计算，如全部利用浅层地热能，中心城区容积率须在0.12左右为宜，这显然不切合实际。这就形成了以浅层地热为基础，燃气作为辅助调节手段的联合供热模式来满足供热需求。

3 环境综合效益评估

不同的热源形式和供热方式的工作原理和过程有所差异，其热效率、能耗、土地占用、低碳效应及污染排放量均不同，最终导致其应用的环境效益也有所差异。

3.1 热效率

燃煤热水锅炉热效率与规模成正比，其热效率在 40%,～ 0%，热效率不高，造成能源利用浪费。相比之下，燃气热水锅炉的热效率基本在 90%,以上，外网和换热站热损失和热媒输送动力消耗大，造成 8%,～15%,的热损失。考虑到燃气燃烧热效率以及系统输送动力及外网热损失，预计利用效率可达0%,左右。相关资料表明，分布式与集中燃气供热热效率相当，因其接近负荷中心，节省输送耗能损失，同时可以避免户间不必要的传热，热效率一般在90%,左右。分布式燃气——可再生能源联供系统按照温度对口、梯级用能的模式，在获得0%,～40%,发电效率的同时，利用发电后的余热来制热，能源综合利用效率高达 80%,以上。同时，由于天然气-浅层地热系统靠近用户侧，热能可以直接供给用户，避免了运输过程中的能量损失，节省了高品质能源。通过对天津中心城区该供热方式的分析，能源综合利用效率达 165%,。不同供热方式热效率对比如图2所示。

图2 不同供热方式热效率对比Fig.2 Comparison of heat efficiencies among different heating modes

3.2 能源消耗

据统计，天津中心城区一个采暖季的耗煤量约为357万t；根据测算，采用集中燃气供热方式用户消耗量和管网损失合计天然气消耗量约为20.7亿m3/a，折合成标煤约250万t。分户燃气供热用气量可调可控，同时输送热损失最少，成为能源节约的主要途径。分布式燃气——可再生能源联合供热方式燃气消耗量测算如下：可再生能源部分，利用燃气发电驱动热泵和吸收式热泵供热，供热面积约4,670万m2，燃气消耗量约为3.1亿m3；剩余建筑可以由分布式燃气供热方式解决，用气量约为11.7亿m3。总用气量为14.8亿m3，约合180万t标准煤。考虑到建筑节能措施对采暖能耗的降低以及其他可再生能源的利用(如太阳能、污水热能)对采暖的辅助，燃气用量能够进一步降低。

3.3 土地占用

目前，中心城区现有 132座燃煤锅炉房，占地面积约70万m2，煤场占地面积约20万m2，共占地约90万m2。运用集中燃气供热方式占地仅为现有锅炉房用地，约70万m2。分布式燃气供热不仅节省了煤场占地，同时也省去了室外锅炉房、换热站和室外热力管线的施工，几乎无需占地。分布式燃气——可再生能源联合供热方式中，浅层地热井和地埋管及设备间占地比常规燃煤供热站小，若设备间设于地下，浅层地热井结合绿地、地埋管结合桩基敷设，供热设施几乎不占用土地，适合新建区域。燃气部分亦无需占地。上述 4种供热方式的占地面积对比如图3所示。

3.4 低碳效应

天然气燃烧排放的主要气体为二氧化碳(CO2)，燃烧过程中还会有部分甲烷(CH4)。《京都议定书》提出控制的6种主要温室气体中，上述两种气体均被列入其中。从不同供热方式运行过程中的碳排放机制入手，分析不同供热方式能源需求和能源利用过程耗能及热能损失，定性衡量不同供热方式的低碳效应，详见表1。

图3 不同供热方式占地面积对比Fig.3 Comparison of floor areas among different heating modes

表1 不同供热方式的碳排放机制Tab.1 Carbon emission mechanisms for different heating modes

从定量角度，不同供热方式的热源使用量不同，运用物料衡算法定量估算不同供热方式的 CO2和 CH4排放量。相关参数选自《综合能耗计算通则 GB/T 2589—2008》和《省级温室气体清单编制指南》。计算结果见表2。

表2 不同供热方式碳排放量(单位：万t)Tab.2 Carbon emission with different heating modes(Unit：per 10,000,t)

3.5 污染排放

燃煤或燃气供热对环境的主要影响表现为其污染物排放对大气环境的破坏。煤燃烧产生二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)是形成酸雨主要因子；煤粉中的无机矿物质在煤完全燃烧后形成固态残渣和飞灰颗粒物，粒径大的粒子在经过除尘设备时被捕集下来，粒径小的可吸入颗粒物逃逸，[7]进入空气中成为雾霾形成的主导因子。天然气燃烧同样也会排放一定量的SO2、CO2。

综合比较，燃气供热方式中分布式燃气——可再生能源联合供热方式在热效率、能耗及污染排放方面均具有比较优势，同时有利于供热系统的低碳化发展。此外，分布式燃气供热由于排气小，烟囱伸出墙外强制排烟造成建筑物局部地区有害气体浓度高等安全隐患依然存在。

4 结 语

随着城市经济社会的发展，环境质量标准的提高，建议在供热热源规划中结合自身资源优势，积极选用天然气和可再生能源等热源形式。在供热方式上进一步推广分布式供热和热电冷三联供，不仅有利于节能减排，还有助于平衡电力与燃气两大能源，从而促进供热规划向低碳化转型，进一步提升城市供热系统的服务水平。■

［1］ 任淇. 对低碳城市与供热热源规划的分析研究[J]. 科技与企业，2012(7)：140.

［2］ 李先瑞，刘笑. 燃气供热的现状与展望[J]. 北京节能，2000(2)：8-11.

［3］ 董晔，李贵民. 燃气供热方式的选择[J]. 内蒙古科技与经济，2010(6)：47-48.

［4］ 王建国，杨宏斌. 燃煤供热与燃气供热分析比较[J].区域供热，2010(3)：57-60.

［5］ 佚名. 我国使用地源热泵供热未来五年将大幅度提升[J]. 资源节约与环保，2011(4)：29.

［6］ 王贵玲，蔺文静，张薇. 我国主要城市浅层地温能利用潜力评价[J]. 建筑科学，2012(10)：4-6，11.

［7］ 吕建，杨官平，李晶欣. 燃煤过程可吸入颗粒物生成及控制措施的分析[J]. 锅炉技术，2010(3)：34-38.

Benefit Evaluation on Energy Conservation and Emission Reduction for Coal to Gas Transformation in Central Urban Areas of Tianjin

HUANG Ruixin
(Third Sales Branch Company of JINRAN China Resource Gas Co.，Ltd.，Tianjin 300112，China)

In north China，coal heating is a major way of urban heating in winter．However，pollutants discharged during the heating process have significantly aggravated atmospheric contamination in the season while increasing carbon emissions．Under the background of sustainable and low-carbon development，one of the important contents of urban heat supply planning is to choose an appropriate heating mode and to develop clean heat source according to local conditions．This paper discusses the principle，technical feature and advantages and disadvantages of various heating modes，such as intensive (coal) heating，intensive (gas) heating，distributed (gas) heating and distributed (gas)-renewable energy sources．Besides，it makes a comprehensive comparison between their low-carbon degrees and environmental benefits so as to provide reference to heating source program in central urban areas of Tianjin.

gas；heat supply；environmental benefit

X823

A

1006-8945(2015)09-0087-04

2015-08-05