居住建筑供热系统节能技术措施探析

蒋大为

（北京城建五建设集团有限公司 北京 100029）

在碳中和的时代背景下，节能减排成为新的时代主题。当前，我国北方地区存在“过量供热”、供热系统能耗较高等问题，这无疑是对能源的浪费及对环境的破坏。我国是依靠燃煤作为集中供热系统的主要能量来源，《2020—2026年中共供热供暖行业市场运营态势及投资前景分析报告》指出，我国煤炭年开采量和已探明总量相比，储采比不到50年，因此，实施节能改造迫在眉睫。

1 建筑供热系统采暖热源

1.1 燃煤锅炉

顾名思义，燃煤锅炉是以燃煤作为基本燃料的锅炉，煤炭在炉膛燃烧时将热量转化成水蒸气或者热水的形态，并以水蒸气或热水作为媒介实现热量传输。根据其用途不同，可以划分为提供开水的燃煤开水锅炉、提供蒸汽的燃煤蒸汽锅炉、实现蒸煮食物或干燥空间的燃煤导热油锅炉和以热水为媒介实现采暖和洗浴功能的燃煤热水锅炉。北方地区老旧城区的集中供热系统中使用的主要热源为20t/h以下的燃煤热水锅炉，其热量损耗率约25%～60%。为提升热量转换效率，新建城区多采用20t/h以上的燃煤热水锅炉，热量损耗率降至15%～25%。近年来，因燃煤锅炉污染环境而要求以其他热源进行替换的声音层出不穷。事实上，我国对于燃煤锅炉中排出的粉尘、硫氮氧化物等污染物已经形成了完善的净化技术，经过净化后的烟气并不会对大气环境造成损害。燃煤锅炉相较其他热源拥有较高的热量转化率，目前还是北方地区集中供热系统的主要选择之一［1］。

1.2 燃煤热电联产

燃煤热电联产占据了我国集中供热系统的大半份额，是北方地区最常用的集中供热方式。燃煤热电联产最大的优势是提升热转换率，利用“好处归热法”进行计算，截至2017年，我国发电平均煤耗为309g/（kW·h），以此数值计算燃煤热电联产电厂的冬季发电燃煤量，与实际冬季消耗燃煤量做比较，以多消耗的燃煤量作为与其输出热量匹配的需求量，经过比较，采用燃煤热电联产方式进行的集中供暖的热量转化率可以达到130%～200%，在燃煤热电联产的方式下，燃煤作为单次输入能源，能够在单位投入下获得最高的热量，在我国以燃煤为主要能源的基本国情下最为符合北方地区集中供热需求。也是凭借这一技术，有效缩短了与欧美发达国家的差距。在社会的不断进步下，燃煤热电联产电厂近年来也有了新的发展趋势。例如：北京、沈阳等一些发展较早的城市，由于发展较快，城市管网容量、热源容量已无法承载居民需求，只能通过不断增加热水锅炉以保障供热；内蒙古乌海等新兴城市，由于城市扩张等规划，建设了大量的热电联产电厂，导致所输出能耗远大于实际需求，使得节能减排成为空谈。

1.3 燃气锅炉和天然气热电联产

燃气锅炉以燃气作为热能供给，因其较高的热能转化率（可达到85%～90%）和燃烧过程并不释放有害物质等优势在全球范围内都得到了大力推广。但是，燃气锅炉和天然气热电联产在我国并不具备全面覆盖的条件，原因在于我国现阶段仍以煤炭作为主要能量来源，天然气总量仅占燃煤总量的7%。因此，在能源规划与利用方面，应该充分权衡燃煤与燃气的应用方式与领域，让燃煤与燃气都能发挥最大价值。当前，我国使用燃煤发电的效率较燃气发电效率低10%，也就是说，转化相同热量的情况下，天然气热电联产方式将会产生更多的电量，因此，燃气热电联产更适于发电。为实现最大限度地节约能源，采用燃煤供热、燃气供电的模式进行能源配置更为合理、高效［2］。

1.4 各类热泵

为实现可持续发展，我国不断在探索不同途径的热量获取方式，使用各类热泵从海水、地热、工业废热等低品位热能中实现能量转化是当前使用较广的一种方式。采用各类热泵进行采暖的本质是电能与热能之间的能量传输与转换，其核心还是在于以能源消耗产生电量，以电量作为动力转换热量的置换过程。不同热泵系统的能效比值可以作为衡量其供热效果的依据，即消耗1kW·h电量可产生热量的数值。统计电量消耗时，应综合热泵压缩机耗电与循环水泵耗电。当前，我国采用燃煤为主要动力来源进行发电，其净发电效率为35%，运输至使用端会损耗约3%，也就是说末端折合转化率为32%。而依靠燃煤锅炉实施热量转化可将燃煤能量的85%转化为热量。经计算得出，只有热泵系统的能效比值为2.65 时，其耗能产热与燃煤锅炉相当。当前，我国北方地区冬季采用地源热泵、水源热泵等系统进行采暖时，平均能效比值在2.5～3，这就对热泵系统在设计和运行管理方面提高了要求。特别是对于东北、内蒙古和新疆北部等严寒地区，地下温度不足以提供热能，能效比指也能难超过2.65，因此，对于这些地区来说，各类热泵系统并不适用于集中供热。

2 当前北方建筑供热机制存在的问题

2.1 二次管网的资产所有者与管理维护者的矛盾

房屋开发商以投资建设或缴纳“并网费”的方式实现对于小区内二次管网的所有权。但在实际使用中，房屋开发商并不具备对于集中供热系统二次管网的日常管理、调节维护等权限，而是由热力公司实施管理维护。房屋开发商在集中供热投入中的最基本原则为，在保障供热的前提下，减少资本投入，以获取很多的利益；而热力公司则需要以供热效果作为衡量日常工作的准则，丰厚的资本投入将更加有效地保障集中供热顺畅稳定。这便造成了以房屋开发商为代表的二次管网的资产所有者与以热力公司为代表的管理维护者间在日常运营时的矛盾。

2.2 二次管网管理调节与热力公司管理调节的矛盾

在保障供热需求的前提下，供热公司会以节能委员长对集中供热主网实施提升热源运行效率、减少购热量等调节措施。而二次管网的服务对象为居民，其管理调节的重点在于消除供热线路故障，保障居民家中正常供热。负责二次管网管理调节的工作人员并不具备与热力公司负责人员立场一致的节能减排目标与付诸行动的动力，而实现节约能耗在很大程度上要依靠二次网内和楼内的有效调节［3］。

2.3 热力公司经营机制与热改按量计费的矛盾

当前，热力公司通常采用按面积收费和按热量计量收费两种模式，其节能调节措施主要区别在于：按面积收费时，在保障室内温度的前提下，压缩供热量；按热量计量收费则以获取经济收益为目标，尽可能多额向用户提供热量。因热量计量可以从终端控制热量供应，因此，供热改革要求取暖费用收取由按面积收取向按热量计量收取过渡。但为保障室内温度与遵从经济规律，往往是保温好、耗热量少的建筑先实行按照热量计量；保温差、耗热量多的建筑则继续按照面积收费，这必然造成热力公司亏损。

3 北方地区集中供热系统节能改造问题及趋势

3.1 热计量和供热收费改革

2000年，我国开始全面推行供热收费改革，为了节约能耗、避免过量供热，对集中供热系统实施热计量，通过输出热量控制，可以使采暖能耗降至目前的70%～80%。热计量还可以将集中供热进一步量化，以统一的标准进行一定范围内的比对，倡导供热系统形成节约、节能的良好氛围，推广围护结构保温等建筑节能技术，以实施节能技术后节省的经济投入支付建筑节能改造的支出。“暗补改明补”政策的实施推动了热计量和供热收费改革进一步向前发展，通过管网改造，以住宅私有化为基，实现分户收缴供热费。尽管通过收费方式加强了全民节能的紧迫性，但是分户安装的热表并不具备调控室内温度的功能，且按计量收取供热费存在重重困难，因此，“过量供热”问题并没有得到很好的解决。由此可见，以户为单位实施热量管控操作难度较大，若以物业管理主体层面与热力公司对接，则会有效提升能效管控的可操作性。以热力站为结算终端，热表设置于各建筑热入口处，由热力站实施热力分配与费用收缴。物业服务主体作为一切住宅建筑与非住宅建筑的管理者，充分了解每栋建筑的热力使用情况，并根据需求实施热力站配予的热量分配，做到既保障室内温度需求，又避免多余热量消耗［4］。

3.2 热源由煤炭转为天然气

在碳中和的时代背景下，节能减排成为时代主题。介于煤炭不可再生的自然属性，我国一直致力于探究储量丰富、不会造成环境压力的新型取代能源。天然气因其丰富的储量、有效改善烧煤引起的大气环境恶化问题等优势成为建设低碳城市的不二选择。相关研究表明，我国预测天然气地质总储存量达38 万亿m³，约占世界天然气总储存量的2%。在碳中和背景下，提升天然气这一清洁能源的利用率意义非凡。以北京为例，燃煤作为重要的供暖源，在PM2.5排放榜上位列第二，贡献占比22.4%，仅次于PM2.5贡献率达到31.1%的机动车。2012年开始，北京启动“煤改气”，更换原来的燃煤供暖锅炉，改为天然气和非化石能源供暖，2015年的目标是实现核心区无煤化、城六区基本无燃煤锅炉。改造后，供热厂基本不排放二氧化硫和粉尘，氮氧化物的排放也大大降低，减排的效果还是非常明显的。但是，对于天然气的应用不能一味地仿照燃煤集中供热，而应根据其特点作出相应的调试，较为突出的是分布式天然气多联供集中供热项目，因其高效环保提供热能，成为现阶段各地实施的绿色能源应用新尝试。例如，国家电投集团天然气多联供能源项目中，主要供热方式依旧为热电联产集中供热，有所不同的是，它采取了可再生的天然气等清洁能源作为辅助，积极开发建设工况智能寻优系统，提升智慧能源项目经济性，挖掘智慧能源价值，通过电、热负荷智能预测，提升生产计划、燃料采购、供能服务经营的效率和智能化水平，在节约能源的同时，保障了充足的供热能力，提升了居民的生活环境品质。在煤炭在向天然气转化的过程中，还应当考虑初始成本能够与天然气燃烧的长期财务收益相平衡，天然气省去了运输、处理等劳动和维护密集型过程，从而可以达到有效减少运营成本的目的［5］。

3.3 挖掘热电联产系统潜力

前文提到热电联产能够有效提升能源的热转化率，实际上，这并不是热电联产全部功效，热电联产电厂在非采暖期中提升发电效率方面还具有很大的发展空间。非采暖期供热系统不工作，为保障单纯发电工作效率，热电联产电厂热电机组的单机容量通常以20万kW、30万kW为主。而这一功率的发电设备在冬季供热系统工作时会存在非常大的安全隐患，这就对汽轮机的低压缸通过流量提出了一定的要求，有一部分整体需要在低压缸的作用下进入冷凝器遇冷后，经由冷却塔或空冷岛排出系统外，这部分流量约占总流量20%～30%，排出的这些热量无疑是对能源的浪费，若能够加以利用，是提升能源转化效率的又一捷径。当前的主要做法是在“吸收式换热”的基础上，对进入冷凝器的热量增加新的转换流程，以实现热量的收集与再利用，达到帮助机组提升30%～50%供热能力的良好效果。例如，大同第一热电厂投资1 亿元对两台13.5 万kW 的冷风机组实施了改造，供热面积在原来370万㎡的基础上增加了180万㎡，且在保障发电量与燃煤量的前提下，输出热量增加了50%，大幅提升了能源利用率［6］。

3.4 发挥工业生产余热价值

集中供热系统消耗能量仅占全国总能耗中很少的一部分，而能源消耗的巨头当属工业生产，工业余热可支撑部分集中供暖系统中的热源供给。以钢铁、建材为主的工业生产，其能源热转化的利用率在30%～70%之间，剩余排出的热量称之为工业余热，这些工业余热都可以进行再利用。其中，高于200℃的工业余热可以用来发电，但是绝大部分30～80℃的工业余热往往经由冷却塔蒸发。实际上，这部分热量在北方寒冷的采暖季中恰好可以作为供暖系统的热源，从而减少燃煤、燃气等其他能源的消耗。若以20km 为工业余热供暖服务半径，则除却北京、天津等特大型城市外，约有75%的北方城市可以由工业余热或燃煤电厂余热补给集中供暖热源。工业余热利用设备的常见换热方式为“气—气”“气—水”“气—汽”3种换热方式，换热器选型可选管壳式、板式，也可选用热管换热器。由于热管具有独特的高效传热优势，近年来，热管换热器在工业窑炉余热利用工程中已经得到广泛应用。采取工业余热作为供热热源的关键环节在于如何解决利用低成本长途输送低品位热量、如何高效采集工业余热等问题。针对这些问题，内蒙古赤峰等地开展了采用工业余热实现集中供暖的示范工程，其建设前期投资与建设常规的燃煤锅炉供热热源相同，但建成后不再需要消耗常规能源，大大降低了运行费，在经济上具有很大优势，是具有巨大节能减排效果和经济优势的供热热源方式［7］。

4 结语

在碳中和的时代背景下，压缩能耗是全国乃至全世界的共同目标。一直以来，北方地区冬季采暖能耗，不管对环境还是对经济，都存在不小的负担。本文通过梳理北方地区集中供热系统采暖目前使用的燃煤锅炉、燃煤热电联产、燃气锅炉和天然气热电联产、各类热泵等热源方式，指出集中供热机制中存在的二次管网资产所有者与管理维护者、微管网管理调节与热力公司管理调节、热力公司经营机制与热改按量计费、热源高效调节与热网调节利益等4 个方面存在的矛盾，归纳出北方地区集中供热系统中热计量和供热收费改革、热源由煤炭转为天然气、挖局热电联产系统潜力、发挥工业生余热价值等节能改造发展趋势，以期为推进北方地区既有建筑集中供热系统节能改造提供理论依据与实践指导。