基于多因素约束下的低温余热供暖资源潜力研究

冯超，徐志强，蒋习梅，王健夫

1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083；2.国瑞沃德(北京)低碳经济技术中心，北京 100053

近年来，我国北方地区冬季供暖需求日益增高[1]，带动着用于供暖的煤炭消费量快速增长，由此带来的严重污染已成为冬季雾霾的主要成因之一[2]。为了应对冬季供暖的严重环境问题，我国大力推进清洁供暖，其中低温余热是重要的清洁供暖技术途径之一。

我国工业低温余热资源极为丰富[3]，目前可利用的低温余热资源高达510×106t标准煤[4]。但由于低温余热的特殊性及供暖系统的复杂性，导致低温余热在与供暖负荷进行匹配时，会受到时间、空间、温度、产业发展等多种因素的影响[5]。因此，在如此庞大的低温余热资源中，有多少能够为居民提供长期、有效、稳定的供暖，还有待进一步深入研究。

为此，本文拟在对影响低温余热供暖的主要因素进行深入分析的基础上，结合文献调研、专家调研、情景分析等方法，对可用于供暖的低温余热资源潜力进行研究，以期为余热供暖提供较为科学的支撑。

1 低温余热供暖的主要影响因素

目前，低温余热供暖的影响因素主要包括时空的匹配、建筑节能技术进步、产业发展和余热温度等(表1)。

表1 影响余热供暖资源可利用性的主要因素

1.1 时间因素

1.1.1 供暖的季节性对低温余热利用的影响

低温余热资源产生于工业企业全年的生产过程，而供暖具有明显的季节性，只会在冬季有需求，且随着所处地理位置的不同，供暖季的长短也有所不同。京津冀地区的年供暖季一般在4个月左右，而东北地区的供暖季要长达5—6个月，这导致工业企业在供暖季外产生的余热资源无法用于冬季供暖。

假设第j个省份的年供暖天数为xj，则

(1)

式中，n表示年份；i表示省份(1，2，…，m)；j表示产业(1，2，…，k)；Qnij表示第n年中第i个省份中第j个产业的低温余热资源量；Qnij季节表示第n年中第j个省份在考虑季节因素的情况下，可用于供暖的余热资源量。

将考虑季节性的影响因素设定为δ1，则第j个省份的影响因素为

(2)

1.1.2 热源与实际负荷在短时序列中不匹配的影响

居民供暖是关系民生的大事。一方面，对热源的稳定性要求较高，但余热供热过程中会因为夜间、节假日、生产调度、检修等因素导致停产带来短时序列的供热不稳定；另一方面，因气温变化、居民生活习惯等会要求供热系统具有一定的调峰能力，但余热供热过程受生产情况的制约，难以进行峰谷调节。

(1) 夜间停产的影响。居民的生活习惯一般为白天外出工作，夜晚回家休息，因此用户的采暖负荷高峰在晚间，而大部分工业企业的生产过程一般为白天，夜间会减产或停工，供热热源高峰在白天，这导致采暖负荷与部分供暖热源在时间上较难匹配。

(2) 小长假的影响。春节是我国的传统节假日，春节期间部分生产企业会停工停产，导致期间余热热源会有一定的减少，同时一年一度的春节返乡潮，会使得大量的居民由日常生活的大中型城市返回到家乡的中小城市，从而导致家乡的采暖负荷大幅增加。这种情形下，大城市的余热资源和供暖负荷会同时下降，较易调节，而中小城市采用余热供暖的情况则会受到一定的影响。

(3) 停工检修。企业的生产设备停工检修时，会导致供热热源的减少。

(4) 生产调度。企业在订单减少或效益不好时，不会满负荷生产，会调整生产进度，导致开工率较低、热源下降，对余热热源的稳定性产生影响。

本研究将生产波动性带来的短时影响因素设定为δ2。

1.2 空间因素

1.2.1 南北集中供暖分界带来的地域性影响

目前，我国以新中国成立初期设定的南北供暖分界线来划定北方和南方的集中供暖政策。南方地区并不进行集中供暖，而余热资源中有一半左右分布在南方地区。

1.2.2 余热热源与采暖负荷之间的距离影响

工业企业的生产区域一般在远郊区，而采暖负荷主要集中在城市的中心居民区，这导致很多余热热源与采暖负荷在空间上的匹配度不高，对余热供暖的利用潜力产生了一定的影响。本研究将供热距离的影响因素设定为δ3。

1.3 产业因素

电力、钢铁、水泥、化工等行业是余热的主要来源，未来余热资源的总体利用潜力与各行业的发展形势密切相关。要研究未来一段时间内工业低温余热资源的潜力，还需要对各行业的发展形势进行定量的分析。本研究将产业变化的影响因子设定为δ4。

假设第j个省份第i产业在第n年相比于基准年的产量变化为δ4nij，则

Qnij产业=δ4nijQnij

(3)

式中，Qnij产业表示第n年中第j个省份的第i个产业在考虑产业变化因素的情况下，可用于供暖的余热资源量。

1.4 建筑节能因素

近年来，随着我国建筑节能技术的不断进步，以及北方采暖地区既有居住建筑节能改造工作的大力推进，北方城镇采暖能耗强度也在不断下降，2001—2016年，我国北方城镇采暖面积从5.0×109m2增长到13.6×109m2，增长了172%；北方城镇采暖能耗从115×106t标准煤增长到191×106t标准煤，仅增长了66 %；北方城镇采暖能耗强度从23 kg(标准煤)/m2下降到14 kg(标准煤)/m2 [1]。因此，在计算过程中，还需要考虑建筑节能因素。

1.5 余热温度因素

按照《GB 50736—2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[6]中的规定，散热器集中供暖系统的供水/回水宜按热媒温度为75 ℃/50 ℃或85 ℃/60 ℃连续供暖进行设计。部分欧洲国家开始朝着降低供暖系统热媒温度的方向发展，但采用的温度一般在60 ℃左右。也就是说，进行集中供暖的供水温度一般要在60 ℃以上，我国的集中供暖系统一般在70 ℃以上。但低温余热中，还存在大量60 ℃以下的热源，这些热源可以利用热泵升温或用蒸汽进行提温的方式参与到集中供暖，但在利用方式和经济性上与60 ℃以上的热源还有很大的区别，这也导致部分企业在利用余热进行供暖的过程中，将60 ℃以下的余热放弃。因此，余热温度的高低，对余热供暖有着很大的影响。

2 基于多因素约束下的余热供暖可利用资源评估计算模型

假设第n年可用于供暖的最大余热资源量为Qn，第n年利用余热的最大供暖面积潜力为Fn，则有

(4)

将式(2)代入式(4)可得

(5)

(6)

式中，εj表示第j个省份的建筑物单位面积年均耗热量，kg(标准煤)/m2。

εj由第j个省份的建筑物耗热量指标计算得出

(7)

式中，σj表示第j个省份的建筑物耗热量指标，W/m2；hj表示每天供热小时数，本研究按照每天24 h持续供暖进行计算；xj表示第j个省份的年供暖天数；φ为1 kg标准煤的热量值，取为29.306 MJ。

3 情景设定及数据来源

3.1 余热温度

适用于供暖的各工业行业余热来源、温度及在其低温余热可开发利用总量中的比重见表2，数据来源于对钢铁、石油化工、建材、有色金属、电力等行业相关专家的走访和调研。

表2 适用于供暖的各工业行业余热来源及温度

3.2 北方各地供暖期

《JGJ 26—2010 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中，给出了北方主要城市的气候区属、气象参数、耗热量指标等各项供暖参数的推荐值[7]。本研究将其中各省份主要城市的平均供暖期天数作为北方各地的供暖期，具体情景设定见表3。

表3 北方各地供暖期情景设定

3.3 企业生产

因夜间、节假日、生产调度检修等因素导致停产带来短时序列的供热不稳定，是由工业余热热源本身的性质所决定的。工业余热源于生产企业，一方面，对于生产不稳定的工业企业，余热供应受到随机因素影响较大；另一方面，生产较为稳定的工业企业，余热供应量较稳定，但却无法满足实际负荷变化的客观需求。因此，单一的工业余热热源无法满足高质量供热的要求[8]。

工业余热热源在进行供暖的系统设计过程中，需要考虑两个因素：一是需要配置一定的调峰热源，作为峰谷的调节、停产或大规模减产时的供热安全保障等；二是工业余热一般情况下不要采用一个热源对应一个热网的服务模式，应进行一定区域的联网服务，采用多个热源对应一个热网的服务模式。在此情况下，每个热源可以对应在“供热”和“非供热”两种工况，由整个热网进行调节，接入的热源越多，整个系统的容错率越高，稳定性也就越好。

在进行余热资源的估算中，本研究采用方豪等人的平均供热量的假设情景[8]。假设工厂满负荷生产时，余热总量最大值为q；由于自身生产规律与设备的轮换作息安排带来余热量的波动，正常生产时的余热总量最小值为q/2，则

将考虑生产波动性带来短时影响因素设定为δ2=0.75。

3.4 产业发展

本研究中对钢铁、水泥等相关高耗能产业发展情景设定的数据，源于国家发改委能源研究所、美国洛基山研究所、美国劳伦斯伯克利国家实验室和美国能源基金会共同研究的《重塑能源：中国(综合卷)》[9]及行业专家判定。火力发电装机容量的情景设定数据源于国家发展和改革委员会能源研究所、国家可再生能源中心的《中国2050高比例可再生能源发展情景暨路径研究》[10]中的相关研究结果。具体情景设定见表4。

表4 产业发展情景设定

3.5 供暖距离

余热供暖的热源与负荷在空间上的匹配主要表现在两个方面：一方面，在具有热源的地区，热源与周围的负荷距离较远，很多地区的供暖距离要在10 km以上；另一方面，由于当前大多数工业园区在地域上的集中性，很多工业余热热源集中的地区，热源资源量会超过周围半径30～50 km范围内的采暖负荷需求，如要实现余热资源的最大化利用，需要进行跨区域的超长距离供暖。

从实际调研情况来看，除电厂外的各类工业企业(如钢铁、水泥、有色、石化)，在厂区建设过程中均已考虑了交通运输、距离城市生活区的距离等因素，一般情况下各大生产企业距离周边的城市在50 km以内，大部分企业在30 km以内。以钢铁企业较为集中的唐山市为例，周边的钢铁企业基本都在市中心周边半径21.5 km以内[11]。对于部分城市余热资源富足而供暖、供热需求较小的情况，可以与周边余热资源匮乏但供暖热需求较大的城市进行余热资源利用的统筹规划，探讨全局规划、多城市联网供暖的可行性[12]。

针对电厂，鉴于在建设过程中考虑安全性、噪声等因素，部分大型电厂距离城市供暖负荷中心的距离较远。相关研究显示，北方大多数地区的电力企业的余热，在150 km半径内可实现热源与实际负荷的基本匹配[12]，从长距离供暖的技术可行性来看，随着技术的进步，我国实现的最远供暖距离不断突破。在20世纪80年代初，北京石景山热电厂就实现了向城区进行20 km的供暖[13]，目前20 km左右的长距离供暖技术已非常成熟。21世纪初，三里河热电厂向北京通州进行的跨区域供暖距离达到30 km[14]。此后，供暖距离不断增加，山西古交—太原热网在地理条件极为复杂的情况下实现了40 km左右的长距离供暖[15]。山东济南正在实施“外热入济”工程，引入周边聊城、邹平等地的余热为济南进行供暖，规划最远距离达到80 km左右，2015年供暖季实现全长约30 km的章丘余热长输管网“西送”至东部城区[16]；设计长输管道达63 km的茌平热源入济南管网正在建设[17]；全长73 km的邹平余(废)热入济南长距离输送供热管网也已开始设计招标[18]。

清华大学研制的吸收式热泵技术，可以利用大温差供热，增加供热距离[19]。从技术上和经济性来看，实现长距离供热是可行的。

目前，山西古交—太原37.8 km热网输送管道的成本约为11.7元/GJ；河北西柏坡27 km长输管道的成本约为6.9元/GJ；山东茌平67 km长输管道的成本约为15.6元/GJ[12]。

综上所述，电力企业距离城市的供暖负荷中心一般都在150 km以内，以目前的技术水平，可实现安全可靠、经济性良好的余热长距离输送供暖。钢铁、水泥、有色、石化等企业，一般距离城市的供暖负荷中心在50 km以内，热源与供暖负荷在距离上均可实现较为良好的匹配。

3.6 建筑节能

本研究根据《JGJ 26—2010 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》[7]中给出的北方主要城市的耗热量指标推荐值，取省份的平均值作为各省份的建筑物耗热量指标，具体情景设定见表5。

表5 北方各地建筑物耗热量指标Tab.5 Heat consumption index of buildings in north China

4 计算结果与讨论

将上述情景代入式(5)和式(6)，计算得出不同情景下余热供暖的可利用资源量以及可供暖面积潜力(表6，表7)。

表6 余热供暖的可利用资源量

表7 余热供暖面积潜力

Tab.7 Potential of waste heat heating109m2

年份201720202030温度≥80 ℃2.823.333.05<80 ℃8.128.828.65总量10.9412.1411.70

2017年，北方地区低温余热资源共计 280×106t标准煤[4]，本研究的计算结果显示，其中可用于供暖的低温余热资源约为62.26×106t标准煤，约为北方地区低温余热资源总量的22.2%，可供北方地区冬季取暖面积约为10.94×109m2。其中，80 ℃以上的低温余热资源量约为15.70× 106t标准煤，约占可用于供暖的低温余热资源总量的25.2%，可供冬季取暖面积约为2.82×109m2；80 ℃以下的低温余热资源量约为46.57×106t标准煤，约占74.8%，可供冬季取暖面积约为8.12×109m2。

从长期来看，产业发展是影响余热资源量变化的主要因素。随着我国工业化和城镇化建设的逐步完成，钢铁产量和水泥产量已基本达到峰值，未来有可能呈现出逐步下降的趋势，相应行业的余热资源量将会有所减少。但其他产业中，石油加工方面，未来我国汽油、煤油等油品的需求量还将持续增加，导致石油加工量还将持续增长，这将带动原油加工业的余热资源量还将持续增长。各类化工产品中，从目前国内的需求看，多数化工产品产量已接近或达到饱和水平，到2020年有可能达到峰值，之后将有所下降。从长期看，化工行业的余热资源量也将有所下降。有色金属行业中，铜等产品目前已接近甚至达到需求峰值水平，有望在2020—2025年达到峰值，之后产量缓慢下降。从长期看，有色金属行业的余热资源量也将有所下降。电力行业中，目前虽然我国电力装机容量很大，但人均水平还很低，未来对电力的需求还将持续快速增长，不过随着可再生能源的快速发展，未来可再生能源有望成为满足电力需求增量的主力，火力发电(包括煤电、燃气发电和油电)有可能在2020—2030年间达到峰值。

综合各产业的发展趋势可以看出，在2020—2030年间，低温余热供暖的可利用资源潜力将达到峰值，随后将有所下降。2020年和2030年可用于供暖的低温余热资源量将分别为68.98×106t标准煤和66.49×106t标准煤，可供取暖面积分别约为12.14×109m2和11.70×109m2。

5 主要结论

基于情景分析法，本研究对多因素制约下的低温余热供暖资源潜力、可供暖面积潜力进行了分析，主要结论如下：

(1) 我国低温余热资源丰富，但用于供暖还受到众多因素的影响，目前影响低温余热供暖的主要因素包括余热的热源温度、热源与采暖负荷之间距离、热源与实际负荷在短时序列中的匹配情况、季节、南北供暖的差异性、建筑节能的推进等。

(2) 2017年，北方地区可用于供暖的低温余热资源约为62.26×106t标准煤，约为北方地区低温余热资源总量的22.2%，可供北方地区冬季取暖面积约为10.94×109m2。其中，80 ℃以上的低温余热资源量约为15.70×106t标准煤，约占可用于供暖的低温余热资源总量的25.2%，可供冬季取暖面积约为2.82×109m2；80 ℃以下的低温余热资源量约为46.57×106t标准煤，约占74.8%，可供冬季取暖面积约为8.12×109m2。

(3) 在2020—2030年间，北方地区低温余热供暖的可利用资源潜力将达到峰值，随后将有所下降。2020年和2030年可用于供暖的低温余热资源量将分别为68.98×106t标准煤和66.49×106t标准煤，可供取暖面积分别约为12.14×109m2和11.70×109m2。