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城镇清洁供热是一场能源消费倒逼供给的革命

作者:郑忠海 来源:中国能源报 时间:2020-01-15 浏览:

中国储能电站网讯:供热事业事关民生冷暖,它是一项系统工程,是能源消费革命、供给革命、技术革命和体制革命的重要组成内容。需研究出一条适宜我国特色的清洁供热之路,构建清洁低碳、安全高效的现代城市供热基础设施供应体系,以实现供热的经济价值、环境价值和全社会正效益。

供热事业事关民生冷暖,北方冬季清洁取暖涉及北方城镇140亿平方米和农村地区100亿平方米的建筑供热,是建筑节能的重头戏,是北方城市治理大气污染的首要举措,也是城市能源基础设施的生命线之一。

截至目前,我国北方城镇供热已取得举世瞩目的成就。我国现已建成全世界最大规模的集中供热系统,拥有宝贵的城市热网基础设施资源,是名副其实的供热大国;形成了以热电联产为主(燃煤热电厂占比48%,燃气热电厂3%),区域锅炉房为辅(燃煤锅炉33%,燃气锅炉12%),其它方式为补充(地热、电热泵、工业余热、生物质等占比4%)的供热格局。随着供热能源的多元化,环境气候的清洁化,可以说,在“蓝天保卫战”和生态文明建设进程中,城市能源视角下的北方城镇清洁供热,已经成为重大的能源工程和环境工程。

热和电是产品,也是二次能源,而且电还是高品位能源。无论燃料直接燃烧,还是电力直接供热都属于高能低用。

热的供给侧来源和需求侧用途决定了其出路,低品位热量(一般指100℃以下余热或自然冷热源)正对口于满足取暖室内温度18℃—20℃需求。因此,热电联产、热泵、工业余热和可再生能源利用等供热系统,可实现煤炭、燃气、生物质(垃圾)、地热能、太阳能等以及热、电二次能源的多能互补、多能协同,符合吴仲华院士所提出的“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”能源高效利用原则。

由于历史条件、我国能源资源禀赋和经济等因素,燃煤热电联产和区域燃煤锅炉成为现行集中供热系统主力。我国现行热电联产存在大量非供热机组的火电厂,尤其是大型燃煤热电联产机组(300MW、600MW、1000MW),综合热效率可由纯凝电厂的30%—40%提高到60%—70%。若充分回收排空余热(湿冷机组循环水或空冷机组乏汽余热、烟气余热),既能将热效率提高到80%—90%以上,还可避免循环冷却水蒸发,消除白烟中大量雾(水蒸气),从而取得巨大的节水效益,并可达到基本符合燃气机组排放限值的超低排放指标,即烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度(基准含氧量6%)分别不超过5mg/m3、35mg/m3、50mg/m3。

就热泵而言,其可将低温热量提升为高温热量,可以利用高品位能源尤其是电力驱动,回收自然界的地源、水源和工业界的循环水等中所含的热量,将低品位热量从5℃—30℃提升至60℃—90℃用于供热。若一份电力可回收2—3份低品位热量,则系统能效COP值为3—4;考虑电厂发电效率40%,则一次能源利用率可达到120%-160%(即,40%×(3—4)——编者注)。余热回收型的热电联产在发电效率40%和供热效率50%时,可产出40%×3+50%=170%的热量,系统能效COP值甚至可达5以上。相比之下,区域锅炉燃烧供热虽然一份燃料能产生80%—90%的热量,但能耗却为热电联产的近2倍。因此,随着可再生能源发电比例增加、电力趋向低碳化,热电联产和热泵供热方式将突显出经济、清洁、高效的优势。

然而,正如中国工程院院士江亿所言,目前城市供暖的主要问题已经从二十年前的室温低、高投诉、热费上缴率低等民生问题转变为目前的室内过热、能耗高和排放高等问题,需要满足生态文明发展的新要求。

可以说,我国北方城镇清洁供热正处在挑战和机遇共存、百花齐放时期,甚至处在外部环境、内部因素共促“生死攸关”的变革时期。

首先,供给侧热源方式面临着低碳和高效变革。以燃煤为主的热电联产为例,我国多数城市热电联产比重低,排空余热利用率低,而大量火电厂又位于城市周边或者远离城市,且冬季“以热定电”的运行模式造成电网调峰困难,从而加剧“弃风弃光”现象。近些年,部分位于城市周边30—100公里的火电厂已改造为热电联产厂或正在论证实施长距离输送至城镇,与原有集中热网并网联网。燃气、电力已经实现上千公里的远距离输送,不同的是,集中供热输送温差一般为50℃,目前最大管径DN1400,经济安全的输送半径一般只有20公里,而供冷输送温差小于10℃,经济输送半径更只在1—2公里以内。随着大温差输送技术(约100℃)、大管径和余热充分利用逐渐得到应用,未来集中供热经济半径可以达到50公里甚至100公里,城市内部不用再新建热源厂,利用城市周边热电联产的火电厂、核电厂等方式即可实现城区燃煤锅炉房等替代,这也是基于现实“迫不得已”以输送为代价的供热新模式。

其次,传统集中供热模式也面临较大挑战。现有规模不一,却“千城一面”的传统城镇供热系统,由于能效低和安全性差等问题导致供热经济性差,热力公司普遍陷入行业性亏损,必须依靠政策性补贴维持运转,且因热力公司运营理念以保安全供热为先,以致热力系统从设计至运行管理各环节都可能存在先天和后天的不合理,存在基础设施投资过大和寿命过短的弊端,无法达到设计的30—50年限,供热事故呈现日益频发且影响面扩大趋势,再加上输送能力问题、水力热力不平衡、跑冒滴漏和过量供热造成热损失大,供热系统普遍具有20%以上节能空间。这就意味着现有集中供热系统面临着系统能效提升、安全升级和经济惠民的变革。

再者,需求侧低能耗建筑和低温供热系统的变革,使得分布式、分散供热方式日益具备竞争力。空气源热泵、污水源、海水源和浅层地源热泵、中深层地热(2000—3000米)、太阳能供热等由于低温侧和高温侧输送温差小(5℃—20℃),不适宜现行大规模集中供热系统,因灵活分散更适宜分布式供热乃至分散分户供热,以及低能耗建筑和低温供热系统。生物质(垃圾)热电联产也适宜作为分布式能源系统。

目前部分城市存在“煤改气”、“煤改电”集中供热系统参数不匹配,输配代价大等问题,以致将高品位能源损失在路上和输配不均衡上。进一步讲,城镇供热系统信息化、智能化水平急需提升。相比电力系统,供热系统运行管理相对粗放,缺乏实际有效监测数据,且管网基础设施多数建在地下,基本上属于数据信息的“盲区”,无法全面智能化、一体化地高效运行调度和优化控制,供热数据的质和量均需较大提升。清华大学秦冰博士指出,集中供热系统是由很多热源系统、管道、换热器、暖气片和建筑物构成的,其设计方法、系统型式、拓扑结构、运行方式和建筑物特性千差万别,它的外界环境和气象条件变化多端,是一个庞大、耦合性很强且开放的复杂系统。反过来说,供热系统日益复杂化、多元化也是信息化、智能化的契机,现有供热系统对智能化需求强烈,节能、经济效益和安全提升的空间潜力大。

最后,热力企业面临着体制革命的迫切需求。集中供热行业是涉及民生的基础性公共事业,是一种具有自然垄断特性和正外部性的准公共物品。我国北方城镇的集中供热模式结合了政府供给和市场供给,政府部门、热源厂、热力公司、采暖用户共同参与。多数城市热源、一次热网和热力站与二次管网用户为不同企业主体,普遍存在着供热收入与成本倒挂、热力企业严重依赖政策补贴和“不明朗”入网费等问题。不合理的体制机制无法引导供热系统健康发展。

科学的管理体制目的应是促进节约能源、降低供热成本、降低管理难度、合理分配利润和提高服务质量,最终促进节能减排新技术的推广应用。例如,大型热电联产集中供热系统应实施“管住中间、放开两头”体制,热力企业负责从多个热源购热,向多个用户配售热,为上游热电厂企业创造价值,为下游客户提供服务,实现冷凝、生活热水、气、电等多种能源服务,并通过能效提升、安全升级和现代化管理,以实现热力企业“打铁自身硬”的自身经济价值。

综上,我国北方城镇清洁供热不仅仅是满足采暖民生需求、改善人居环境的需要,它更是一项系统工程,本质上是一场能源消费倒逼供给的革命,是能源消费革命、供给革命、技术革命和体制革命的重要组成内容。因此,我国需研究出一条适宜自身特色的清洁供热之路,构建清洁低碳、安全高效的现代城市供热基础设施供应体系,以实现供热的经济价值、环境价值和全社会正效益。我们期待,从“供热大国”转变为“供热强国”,冬季清洁取暖的“春天”即将到来。

  (作者系清华大学建筑技术科学系博士) 

关键字:清洁供暖

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