華北地區(qū)大中型城市建筑采暖方式分析.doc

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華北地區(qū)大中型城市建筑采暖方式分析 Building Heating Patterns for Large Cities in North China 江億 Jiang Yi 調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，減少燃煤造成的污染，同時(shí)滿足電力供大于需的矛盾，是華北地區(qū)大中型城市環(huán)境治理面臨的一個(gè)重大問題。建筑采暖能源約占此地區(qū)能源消耗的四分之一以上，重新研究建筑采暖策略是這些地區(qū)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整重點(diǎn)，對(duì)目前飛速發(fā)展的住宅建設(shè)也有重要的指導(dǎo)意義。本文在分析采暖現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，列出面臨的各種問題，介紹了可能的各種采暖方式，并從一次能源利用、運(yùn)行成本、初投資、適用性等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后提出不同現(xiàn)狀下新舊建筑采暖方式的建議。 一．現(xiàn)狀 1．熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱，目前華北各大中型城市均有一個(gè)或幾個(gè)熱電廠為熱源的熱網(wǎng)，北京市隨著高碑店熱電廠的并網(wǎng)和城區(qū)管網(wǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)建和改造，供熱面積可進(jìn)一步發(fā)展到六千萬平米。其它各城市熱電聯(lián)產(chǎn)為熱源的集中供熱系統(tǒng)也陸續(xù)建成和投入運(yùn)行。 2．區(qū)域鍋爐房為熱源的集中供熱，這是該地區(qū)最主要的供熱方式，燃料主要為煤，目前部分改為天然氣或燃油。 3．家庭燃煤爐，仍占較大比例，是冬季空氣的主要污染源之一。 以上三種方式為此地區(qū)85％以上建筑的采暖方式，此外還有利用地?zé)釤崴疄闊嵩吹募泄嵯到y(tǒng)，新建小區(qū)利用電熱膜方式的電采暖、一家一戶燃?xì)庑″仩t采暖、空氣熱泵和水源熱泵采暖等。 二．目前問題 1．集中供熱系統(tǒng)末端無計(jì)量和調(diào)節(jié)手段。統(tǒng)一按照供熱面積收費(fèi)。當(dāng)室內(nèi)過熱時(shí)，用戶開窗散熱而不是關(guān)暖氣。由于無調(diào)節(jié)手段，辦公室、教室夜間和假期照常供熱，住宅有人無人照常供熱。根據(jù)測算，末端增加調(diào)節(jié)手段并通過改變計(jì)量方式使此調(diào)節(jié)手段被真正利用，可使供熱能耗降低35～40％，并可以實(shí)實(shí)在在地改善需要采暖的用戶的采暖狀況，滿足不同水平的需求。然而采暖收費(fèi)方式的改革涉及大量技術(shù)、資金和政策問題。將是一個(gè)長期的任務(wù)。 2．家庭小煤爐采暖和大量的小型燃煤鍋爐區(qū)域采暖是冬季空氣的主要污染源之一。應(yīng)作為環(huán)保改造的重點(diǎn)。 3．華北電網(wǎng)峰谷差達(dá)到1：4.5，盡管總的用電負(fù)荷低于供電能力，但峰時(shí)供電仍緊張，削峰填谷和發(fā)展低負(fù)荷時(shí)段的電力負(fù)荷是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整所面臨的重要課題。 三．幾種可行的采暖方式及分析評(píng)價(jià) 1．熱電聯(lián)產(chǎn)方式 熱電聯(lián)產(chǎn)是利用燃料的高品位熱能發(fā)電后，將其低品位熱能供熱的綜合利用能源的技術(shù)。目前我國大型火力電廠的平均發(fā)電效率為33％，而熱電廠供熱時(shí)發(fā)電效率可達(dá)20％，剩下的80％熱量中的70％以上可用于供熱。一萬千焦熱量的燃料，采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式，可產(chǎn)生2000千焦電力和7000千焦熱量。而采用普通火力發(fā)電廠發(fā)電，此2000千焦電力需消耗6000千焦燃料。因此，將熱電聯(lián)產(chǎn)方式產(chǎn)出的電力按照普通電廠的發(fā)電效率扣除其燃料消耗，剩余的4000千焦燃料可產(chǎn)生7000千焦熱量。從這個(gè)意義上講,則熱電廠供熱的效率為170％，約為中小型鍋爐房供熱效率的2倍。同時(shí)熱電廠可采用先進(jìn)的脫硫裝置和消煙除塵設(shè)備，同樣產(chǎn)熱量造成的空氣污染遠(yuǎn)小于中小型鍋爐房。因此在條件允許時(shí)，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的采暖方式。熱電聯(lián)產(chǎn)的問題是：①長距離輸送，管網(wǎng)初投資高，輸送水泵電耗為所輸送熱量的2～4％，維護(hù)、管理費(fèi)用也高， ②由于末端無計(jì)量方式和調(diào)節(jié)手段，導(dǎo)致30～40％的熱量浪費(fèi)。按照前蘇聯(lián)的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果，供熱末端增加調(diào)節(jié)手段，并采用按熱量計(jì)量收費(fèi)后,可節(jié)省熱量30％以上。[2] 2．中小型區(qū)域鍋爐房集中供熱 其區(qū)域鍋爐房可以是燃煤、燃?xì)狻⑷加突螂婂仩t方式，但都需要通過區(qū)域管網(wǎng)經(jīng)過熱水循環(huán)向建筑物內(nèi)供熱。于是與熱電聯(lián)產(chǎn)方式一樣，由于末端無計(jì)量和調(diào)節(jié)手段，導(dǎo)致30～40％的熱量浪費(fèi)。熱量輸送距離短，水泵電耗為輸送熱量的1～1.5％，但其熱源效率卻遠(yuǎn)低于熱電聯(lián)產(chǎn)方式。區(qū)域燃煤鍋爐房的設(shè)置是以煤為主要燃料的解決分散到各戶設(shè)燃煤爐導(dǎo)致的煤和煤渣的運(yùn)輸與污染，煤爐的管理等一系列問題。為此犧牲了末端調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致30～40％的末端熱量浪費(fèi)，增加了1～1.5％的輸送電耗，并降低了供熱水平，但如果以電或天然氣為燃料，它們的輸送都比熱量容易，輸送成本也低，電熱或天然氣鍋爐很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理。為什么還要搞燃?xì)饣螂姷膮^(qū)域鍋爐房呢？按照目前的燃料價(jià)格，使用天然氣為燃煤的4倍，電熱為燃煤的11倍，使用這些清潔燃料除換來環(huán)境效益外，應(yīng)盡量利用其便于輸送，便于調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，通過節(jié)能盡可能地減少運(yùn)行費(fèi)的增加。 3．家用小型燃?xì)鉄崴疇t 一家一戶自成系統(tǒng)，同時(shí)解決采暖和熱水供應(yīng)問題。這一方式在歐、美已有幾十年歷史，目前為這些地區(qū)的主要采暖方式，我國之所以沒有廣泛應(yīng)用，是由于燃煤為主的歷史形成必須集中供熱的傳統(tǒng)觀念，以往居住面積狹小也限制了這種方式的采用。長期依賴住房分配制，集中供熱設(shè)備的投資，包含在市政和建筑中，而家庭燃?xì)忮仩t卻要個(gè)人出資則為另一原因。目前隨住房改革和燃料結(jié)構(gòu)改變，這三個(gè)原因都不再存在，因此在新建住宅區(qū)當(dāng)不存在熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱的條件，準(zhǔn)備使用天然氣為采暖燃料時(shí)，家用燃?xì)庑″仩t應(yīng)為首選方案。近幾年曾出現(xiàn)過幾起燃?xì)庑″仩t爆炸的事故，這屬于初期試用中的問題。引進(jìn)國外成熟技術(shù)，安全問題應(yīng)較容易和可靠的解決。小區(qū)燃?xì)忮仩t房集中供熱工程中，鍋爐房、外網(wǎng)和建筑物內(nèi)主管網(wǎng)的投資至少要30～50元/m2，與家庭燃?xì)忮仩t房投資相同。而使用家庭燃?xì)忮仩t時(shí)還可省去熱水器投資。采暖是連續(xù)負(fù)荷，瞬態(tài)負(fù)荷不高于目前家用熱水器負(fù)荷，因此不會(huì)給燃?xì)夤芫W(wǎng)帶來問題。而末端的靈活調(diào)節(jié)卻能與集中燃?xì)忮仩t相比，平均節(jié)省30～40％的燃?xì)猓瑥亩档瓦\(yùn)行成本。因此，與燃?xì)饧绣仩t房形式相比，這一方式優(yōu)越性十分明顯。 4．直接電熱 在室內(nèi)采用各種電暖氣、電熱膜等方式，盡管末端裝置熱利用率為100％，并且調(diào)節(jié)靈活，但使用高品位電能直接轉(zhuǎn)換為熱，是很大的能源浪費(fèi)。目前我國大型火力發(fā)電廠的平均熱電轉(zhuǎn)換效率為33％，在加上輸送損失，電熱采暖的效率僅為30％，遠(yuǎn)低于熱電聯(lián)產(chǎn)的170％，也低于燃煤或燃?xì)獠膳?5～90％。法國、瑞士等國采用部分電熱采暖是由于它們豐富的水利資源，發(fā)電以水電和核電為主。我國還是以火電為主，采用電熱方式，實(shí)際上要比鍋爐房直接供熱增加2倍的污染物排放量。僅從環(huán)境保護(hù)的角度看，電熱直接采暖的方式也不可取。 5．電蓄熱方式 為了解決電力負(fù)荷的峰谷差，減緩大型火電與調(diào)峰的困難，設(shè)法利用夜間低谷期電力供熱，從電力系統(tǒng)運(yùn)行的綜合平衡看，尚有一定的道理。目前有這樣幾種電蓄熱方式：①大型常壓熱水箱。每一萬平米采暖面積約需85立方米水箱，占地成本高，蓄熱損失也較大 ②高壓蓄熱水箱，可使蓄熱溫度提高到19℃，從而可使蓄熱水箱容積減少至三分之一。但所占空間仍大，并且在居住區(qū)增加這樣的高壓容器總有一些安全問題。這兩種方式最終還是以集中供熱方式向末端供熱，因此保留了集中供熱調(diào)節(jié)不靈活，供熱效率低等一系列問題。 ③采用電熱膜方式，利用建筑物本身熱濕性蓄熱。由于采暖最大負(fù)荷發(fā)生在晚間而電力負(fù)荷低谷發(fā)生在后半夜，因此這種蓄熱方式效果很差，并且為了蓄熱導(dǎo)致夜間室內(nèi)溫度過高，熱損失增加。 ④相變蓄熱電暖氣[1]。采用硅鋁合金作為相變材料，體積與通常的鑄鐵暖氣相同卻可在五小時(shí)內(nèi)蓄存一天的供熱量，真正實(shí)現(xiàn)削峰填谷，其放熱量又可隨時(shí)人為控制，不需要采暖時(shí)可隨時(shí)關(guān)閉，應(yīng)該是末端電蓄熱采暖的最佳解決方案。目前的問題是設(shè)備投資高，約150元/m2，電力峰谷價(jià)格差別小。只有由電力部門對(duì)這種采暖設(shè)備適當(dāng)補(bǔ)貼，并且使谷間電價(jià)降至0.20元/度以下，這種方式才能與個(gè)人燃?xì)忮仩t競爭。 6．電動(dòng)空氣熱泵 使用電采暖的最好方式是熱泵方式?？諝鉄岜檬鞘箍諝鈧?cè)溫度降低，將其熱量轉(zhuǎn)送至另一側(cè)的空氣或水中，使其溫度升至采暖所要求的溫度。由于此時(shí)電用來實(shí)現(xiàn)熱量從低溫向高溫的提升，因此當(dāng)外溫為0℃時(shí)，一度電可產(chǎn)生約3.5 度的熱量，效率為350％，考慮發(fā)電的熱電效率為33％，空氣熱泵的總體效率約為110％，高于直接燃煤或燃?xì)獾男?。?shí)際上現(xiàn)在的窗式和分體式空調(diào)器中相當(dāng)一部分都已具有熱泵功能，因此屬很成熟的技術(shù)。具有熱泵功能的房間空調(diào)器與單冷型房間空調(diào)器價(jià)格差異并不大，因此考慮到空調(diào)器的普及，采用熱泵并不增加投資。這種方式的問題是：①熱泵性能隨室外溫度降低而降低，當(dāng)外溫降至－5℃以下時(shí)，一般就需要輔助采暖設(shè)備。此時(shí)用電熱作為輔助手段，也遠(yuǎn)比整個(gè)冬季全部電熱效率高，模擬分析的結(jié)果表明使用輔助電采暖后，北京地區(qū)熱泵采暖電耗約為直接電熱方式的一半。 ②房間空調(diào)器的末端是熱風(fēng)而不是一般的采暖散熱器，許多人感覺不舒適，這可以通過一些措施來改進(jìn)。例如采用戶式中央空調(diào)與地板采暖結(jié)合等，但初投資要增加。 7．電動(dòng)水源熱泵 解決空氣熱泵外溫低時(shí)效率下降的最好方案就是采用深井回灌方式的水源熱泵。冬季將地下水從深井抽出，經(jīng)換熱器降溫后，再回灌到另一口深井中。換熱器得到的熱量經(jīng)熱泵提升溫度后成為采暖熱源。夏季則將地下水從深井中取出經(jīng)換熱器升溫后再回灌到另一口深井中，換熱器另一側(cè)則為空調(diào)冷卻水。這種方式實(shí)際上是在夏天將建筑物中產(chǎn)生的熱量存入地下，供冬季采暖使用。冬季將建筑物產(chǎn)生的冷量存于地下，供夏天空調(diào)用。華北地區(qū)民用建筑冬夏冷熱負(fù)荷大致相當(dāng)，因此采用此方式可保持地下的熱平衡。由于地下水抽出后經(jīng)過換熱器后又回灌至地下，屬全封閉方式，因此不使用任何水資源也不會(huì)污染地下水源。這一方式在西歐各國廣泛使用，屬環(huán)保方式。我國在70年代就有多處采用冬季深井回灌，以在夏季提供空調(diào)冷水的工程經(jīng)驗(yàn)，因此屬成熟技術(shù)；水??水熱泵的投資及技術(shù)復(fù)雜性都低于風(fēng)??水熱泵或風(fēng)??風(fēng)熱泵，應(yīng)無技術(shù)難度。由于地下水溫常年穩(wěn)定，采用這種方式整個(gè)冬季氣候條件都可實(shí)現(xiàn)一度電產(chǎn)生3.5度以上的熱量，運(yùn)行成本低于燃煤鍋爐房供熱，夏季還可使空調(diào)效率提高，降低30～40％的制冷電耗。同時(shí)此方式冬季可產(chǎn)生45℃熱水，因此仍可使用目前的采暖散熱器。采用這種方式需要的深井和泵房投資折合約60元/m2，可以每座建筑安裝集中的熱泵站，向各室提供冷水或熱水，但更好的方式是在各戶自行安裝小型水冷熱泵，解決冬季采暖和夏季空調(diào)的要求，增加的投資約為150元/m2，如果考慮空調(diào)設(shè)備投資的話，這種方式與小區(qū)燃煤鍋爐房＋各戶房間空調(diào)器投資相同，但全部為電驅(qū)動(dòng)，小區(qū)無污染。夏季空調(diào)熱量全部排入地下，小區(qū)無熱污染，一次能源效率還高于直接燃煤，因此應(yīng)該是解決華北地區(qū)城市建筑采暖空調(diào)的最佳方案。 下表給出上述北京市采用不同采暖方式一次能源、運(yùn)行費(fèi)、投資等各參數(shù)的比較： 不同的采暖方式 折合一次能源GJ/m2.年 運(yùn) 行 費(fèi) 初 投 資 分戶可調(diào) 局部條件 運(yùn)行能耗元/m2.年 管理費(fèi)元/m2.年 公共部分元/m2 建筑內(nèi)部分元/m2 熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱**** 0.32 10.6 2 60 50 難 與熱網(wǎng)相連 燃煤鍋爐房集中供熱 0.63 10.1 2 50 50 難 天然氣鍋爐房集中供熱 0.60 27.3 1 45 50 難 燃?xì)夤芫W(wǎng) 電鍋爐房集中供熱(不蓄熱) 1.71 63* 1 45 50 難 電鍋爐集中供熱、蓄熱 1.80 35** 1.5 80 50 難 家庭燃?xì)庑⌒湾仩t 0.45 18.7 0 0 110 易 燃?xì)夤芫W(wǎng) 家庭電熱膜或電暖氣 1.20 43.3 0 電網(wǎng)擴(kuò)容 40 易 家庭蓄熱式電暖氣 1.20 22.3** 0 電網(wǎng)擴(kuò)容 150 易 電動(dòng)小型空氣熱泵(帶輔助電熱) 0.66 23.8* 0 0 150*** 易 電動(dòng)水源熱泵(各家獨(dú)立) 0.40 16.5* 1 60 150*** 易 可深井回灌 電動(dòng)水源熱泵(集中式) 0.57 20.6* 1.5 110 80*** 難 可深井回灌 * 電費(fèi)按0.39元/度計(jì)算 ** 低谷電按0.20元/度計(jì)算 *** 已包括夏季空調(diào)初投資 **** 熱電聯(lián)產(chǎn)初投資僅為外網(wǎng)及換熱站，不包括電廠，運(yùn)行費(fèi)按16元/GJ，燃煤從電廠購熱價(jià)計(jì)算 注：1. 運(yùn)行能源包括輸送管網(wǎng)水泵電耗，管理費(fèi)為運(yùn)行管理人工費(fèi) 2．燃?xì)鈨r(jià)格按1.4元/m3，36MJ/m3燃值計(jì)算 從表中折合一次能源消耗量和燃料種類可看出各種方式COx排放量及對(duì)大氣的污染程度?？梢钥闯觯绻娋鶠槿济弘姀S供給的話，熱電聯(lián)產(chǎn)方式對(duì)大氣污染最低而電熱鍋爐排放量最高。運(yùn)行費(fèi)也是熱電聯(lián)產(chǎn)方式最低，因此只要條件具備，就應(yīng)大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方式，同時(shí)改革供熱計(jì)量收費(fèi)方式，增加末端調(diào)節(jié)手段，從而進(jìn)一步降低集中供熱單位能耗，增大現(xiàn)有的熱電聯(lián)產(chǎn)熱源可能供熱的面積。 四．結(jié)論 1．大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方式，這是寫入我國二十一世紀(jì)白皮書中的基本國策，應(yīng)從各方面支持和保證。只要有可能接入熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱網(wǎng)的，就應(yīng)要求接入，而不允許采用其它方式。 2．不同的燃料對(duì)應(yīng)于不同的最佳供熱方式。燃煤對(duì)應(yīng)的最佳方式為熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱，燃?xì)?、直接用電時(shí)集中供熱方式就不再適宜，而應(yīng)發(fā)展與新的燃料對(duì)應(yīng)的新方式。 3．對(duì)小區(qū)鍋爐煤改天然氣工程一定要慎重。有條件接入熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱網(wǎng)的應(yīng)盡可能接入。有條件取消集中供熱，改為家庭獨(dú)立的燃?xì)忮仩t的應(yīng)盡可能爭取。對(duì)于住戶經(jīng)濟(jì)條件普遍較好，空調(diào)安裝率較高的小區(qū)，甚至還可打深井，安裝集中換熱器利用原有供暖管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)，在各家各戶安裝分散式水源熱泵。 4．遠(yuǎn)離熱電聯(lián)產(chǎn)熱網(wǎng)的新建小區(qū)不應(yīng)該再建集中供熱系統(tǒng)，而應(yīng)采用家庭小型燃?xì)忮仩t或建深井回灌系統(tǒng)統(tǒng)一提供循環(huán)水，各家各戶安裝小型水源熱泵。 5．應(yīng)從政策上支持深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。有條件地區(qū)的新建小區(qū)和商業(yè)建筑應(yīng)盡可能優(yōu)先考慮此種方式，這對(duì)保護(hù)大氣環(huán)境，保護(hù)小區(qū)環(huán)境，擴(kuò)大用電負(fù)荷都非常適宜。將空調(diào)設(shè)備投資一同考慮的話，這種方式初投資并不高，而運(yùn)行費(fèi)用最低。 6．對(duì)于城區(qū)燃煤爐采暖的用戶，可以推廣帶有輔助熱源的空氣熱泵方式和蓄熱式電暖氣方式。由于蓄熱式電暖氣方式具有最佳的對(duì)電力負(fù)荷削峰填谷效果。因此除電價(jià)上的優(yōu)惠政策外，電力部門還應(yīng)對(duì)蓄熱式電暖氣設(shè)備給予補(bǔ)貼。 7．嚴(yán)格禁止各種電熱鍋爐集中供熱方式。對(duì)電熱膜、電暖氣等方式也應(yīng)盡量控制使用。絕不能為了目前擴(kuò)大用電負(fù)荷就推廣直接電采暖。我國電力系統(tǒng)最大問題是峰谷差，直接電采暖不會(huì)為減緩峰谷差有何幫助。大力發(fā)展熱泵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率供熱或發(fā)展相變蓄熱電暖氣解決峰谷差問題，才應(yīng)是擴(kuò)大用電負(fù)荷的合理途徑。各種熱泵系統(tǒng)雖然初投資略高，但都已包括了空調(diào)設(shè)備。幾種熱泵系統(tǒng)的投資都低于單獨(dú)的采暖系統(tǒng)加上單獨(dú)的空調(diào)系統(tǒng)，近年來我國房間空調(diào)器的擁有量一直以20％的速度遞增，目前北京市每百戶擁有空調(diào)器超過60臺(tái)。從這一背景出發(fā)全面考慮采暖和空調(diào)的要求，熱泵系統(tǒng)反而成為更經(jīng)濟(jì)的了。 參考文獻(xiàn)： [1]. 專利公報(bào)：一種相變蓄熱電取暖器，公報(bào)號(hào)：99214838.3，授權(quán)日： 2000.1.14 [2]. Eric Martinot, investments to improve the energy efficiency of evisting residential buildings in countries of the former soviet union.世界銀行出版物。 作者簡介：江億，清華同方總工，清華同方研發(fā)中心主任，清華大學(xué)教授