城鎮(zhèn)供熱模式的優(yōu)化選擇

李聯(lián)友 朱鑫予

(1.河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 張家口 075000; 2.張家口市市政公用熱力有限責(zé)任公司，河北 張家口 075000)

0 前 言

為了滿足環(huán)境保護(hù)、建筑節(jié)能和采暖制度改革等方面的要求，城鎮(zhèn)能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)日趨多元化，采暖供熱方式也一改傳統(tǒng)區(qū)域燃煤鍋爐房一統(tǒng)天下的局面，形式越來(lái)越多.各種采暖方式的差別很大，燃料或能源不同，多種多樣的供熱設(shè)備，熱系統(tǒng)規(guī)模由大到小，由集中到分散.多樣化的供熱方式，使人們面臨越來(lái)越多的選擇.但同時(shí)，如何評(píng)價(jià)和選擇如此眾多，特點(diǎn)不一的采暖方式也成為目前亟待解決的問(wèn)題.

供熱系統(tǒng)模式的比較和選擇是一項(xiàng)較為復(fù)雜的問(wèn)題，涉及很多方面的因素.不同的供暖模式有各自的特殊性和適用范圍，能源結(jié)構(gòu)、燃料價(jià)格、能耗大小、初投資和運(yùn)行費(fèi)用等都相差很大，同時(shí)不同的燃料和燃燒方式對(duì)環(huán)境的影響也各不相同.另外，氣候條件、管理水平和政策因素對(duì)其影響十分顯著.對(duì)各地區(qū)大量的實(shí)際調(diào)研與測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，綜合全面的考慮每種供熱系統(tǒng)模式的各自特點(diǎn)，進(jìn)行具體的分析和論證，對(duì)每種供熱模式均給出定性的適用性和定量的能耗水平、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響.每種供熱模式都有其適用性和局限性，能耗水平包括耗熱量、能量轉(zhuǎn)換效率EEC和折算標(biāo)煤耗量，經(jīng)濟(jì)性包括初投資和運(yùn)行費(fèi)，環(huán)境影響包括直接污染物排放和間接污染物排放.

1 供熱系統(tǒng)類(lèi)型

供熱系統(tǒng)的本質(zhì)功能是要實(shí)現(xiàn)熱量從燃料(或熱媒)到建筑物內(nèi)的傳遞，以抵償采暖季中建筑物通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和冷風(fēng)滲透等造成的熱量散失，保持室內(nèi)適宜的溫度.一般的，供熱系統(tǒng)是由熱媒制備(熱源)、輸配系統(tǒng)、熱媒利用(散熱設(shè)備)三個(gè)主要環(huán)節(jié)組成的整體.不同的供熱方式三者的相互位置和組合形式是不同的.首先根據(jù)供熱系統(tǒng)規(guī)模和熱源位置的不同，依照能量傳遞的關(guān)系，按照供熱的范圍上將供熱系統(tǒng)分為城市熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱、城市區(qū)域集中供熱、分散式小區(qū)供熱、戶內(nèi)獨(dú)立供熱等四種類(lèi)型.

1.1 城市熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱

一般情況線是針對(duì)大中型城市的一種供熱模式.主要熱源包括燃煤、燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)等集中供熱.其主要組成部分有抽凝式和背壓式汽輪機(jī)、城市高中溫?zé)崃芫W(wǎng)、一級(jí)外管網(wǎng)、主要換熱站、二級(jí)外管網(wǎng)和末端散熱設(shè)備.其中整個(gè)系統(tǒng)中存在著一個(gè)或多個(gè)分布式換熱站，用戶末端存在著多種散熱設(shè)備.城市集中供熱的主要特點(diǎn)是供熱規(guī)模巨大，以大中型城市為供熱對(duì)象，存在大型集中熱源和兩級(jí)熱力管網(wǎng)，熱電聯(lián)產(chǎn)具有節(jié)約能源，改善環(huán)境，提高供熱質(zhì)量，增加電力供汽等綜合效益等特點(diǎn).

1.2 城市區(qū)域集中供熱

主要是指大型區(qū)域熱源為主要熱源的供熱方式.區(qū)域熱源主要包括大型燃煤、燃?xì)忮仩t房和大型燃油鍋爐房，部分地區(qū)還包括電熱鍋爐房、地源熱泵、太陽(yáng)能熱泵等供熱形式.其主要的組成部分有大中型集中熱源、大中型換熱站、一、二級(jí)室外管網(wǎng)和終端散熱設(shè)備.終端散熱設(shè)備主要為各種類(lèi)型的散熱器和熱風(fēng)采暖設(shè)備，由于目前許多城市都陸續(xù)開(kāi)始使用分戶計(jì)量系統(tǒng)，因此很多地區(qū)加大了供需矛盾，很難實(shí)現(xiàn)供和需的動(dòng)態(tài)平衡.城市區(qū)域集中供熱的突出優(yōu)點(diǎn)是其換熱效率高，其鍋爐運(yùn)行效率一般都能達(dá)到80%以上，可有效的減少各種污染氣體的排放，有效的保護(hù)了環(huán)境.

1.3 分散式獨(dú)立建筑供熱

主要是指針對(duì)各種公共建筑內(nèi)獨(dú)立存在的供熱方式.分散式獨(dú)立建筑供熱的形式主要有各種中小型燃?xì)狻⑷加湾仩t、電熱鍋爐、地源熱泵、污染源熱泵和溴化鋰直燃機(jī)等設(shè)備.其主要的組成部分有建筑物獨(dú)立熱源、換熱站、管網(wǎng)和終端散熱設(shè)備.終端散熱設(shè)備主要為各種類(lèi)型散熱器、熱水輻射地板和熱風(fēng)采暖.分散射獨(dú)立建筑供熱的主要特點(diǎn)是供熱規(guī)模限于建筑物內(nèi)，以公共建筑物為供熱對(duì)象，避免了消耗在管網(wǎng)的大量能耗，就有機(jī)動(dòng)靈活的運(yùn)行特點(diǎn)，目前逐漸應(yīng)用到各大酒店、飯店、高級(jí)寫(xiě)字樓等公共建筑上.

1.4 戶內(nèi)獨(dú)立供熱

主要是針對(duì)小區(qū)住宅建筑，將熱源放置在住戶家中的供熱方式.目前戶內(nèi)獨(dú)立熱源主要包括燃?xì)獗趻鞝t、電熱壁掛爐、地源熱泵和空氣源熱泵等供熱形式.還有一些末端散熱設(shè)備本身就是熱源的散熱方式，如電熱膜、電熱纜、電暖器和相變蓄能電暖器等.其主要的供熱組成包括有戶內(nèi)熱源和終端散熱設(shè)備.終端散熱設(shè)備主要為各類(lèi)散熱器、低溫地板輻射采暖和熱風(fēng)設(shè)備.戶內(nèi)供熱的主要特點(diǎn)是供熱系統(tǒng)存在于住戶內(nèi)，用戶可以根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)使用，便于分戶計(jì)量，但一般換熱效率不如集中供熱效率高.

2 供熱模式的選擇

在對(duì)城鎮(zhèn)供熱方式的優(yōu)化選擇時(shí)，可綜合考慮以上的供熱方式類(lèi)型，不同的供熱方式由不同的供熱環(huán)節(jié)和不同的環(huán)節(jié)組合.一般的，供熱系統(tǒng)主要由三個(gè)主要環(huán)節(jié)構(gòu)成，熱源、管網(wǎng)、末端.供熱方式的規(guī)模越大，組成環(huán)節(jié)越多.

供熱方式是一個(gè)完整的系統(tǒng)概念，對(duì)某種供熱方式的完整描述應(yīng)包括系統(tǒng)規(guī)模，燃料和轉(zhuǎn)換方式以及末端形式.系統(tǒng)規(guī)模定義了供熱方式應(yīng)包含的供熱環(huán)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模確定了，熱量輸配環(huán)節(jié)也隨之確定，例如區(qū)域供熱一定包含室外、室內(nèi)管網(wǎng).集中供熱、燃?xì)獠膳⒌匕遢椛洳膳日f(shuō)法，僅是供熱分類(lèi)，均不是供熱方式的完整定義.完整嚴(yán)格且相互具有可比性的供熱方式的定義應(yīng)包括系統(tǒng)規(guī)模，燃料和轉(zhuǎn)換方式和末端形式，所以現(xiàn)行的各種供熱方式均可根據(jù)能量傳遞的流程，通過(guò)不同供熱環(huán)節(jié)的組合得到完整的描述.例如：

燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)——城市熱力管網(wǎng)——換熱站——室外管網(wǎng)——室內(nèi)管網(wǎng)——散熱器(城市熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱)

燃?xì)忮仩t房——室外管網(wǎng)——室內(nèi)管網(wǎng)——帶調(diào)溫散熱器(熱計(jì)量的區(qū)域集中供熱)

換熱站——室外管網(wǎng)——室內(nèi)管網(wǎng)——熱水輻射地板(區(qū)域集中供熱)

水源熱泵——室內(nèi)管網(wǎng)——風(fēng)機(jī)盤(pán)管(與空調(diào)結(jié)合的建筑獨(dú)立供熱)

熱泵+蓄熱——室內(nèi)管網(wǎng)——散熱器(建筑獨(dú)立供熱)

燃?xì)獗趻鞝t——熱水輻射地板(戶內(nèi)獨(dú)立供熱)

土壤源熱泵——風(fēng)機(jī)盤(pán)管(與空調(diào)結(jié)合的戶內(nèi)供熱，適于別墅等低密度建筑)

相變蓄能電暖器(戶內(nèi)獨(dú)立供熱)

每種供熱方式由不同的環(huán)節(jié)組成，每個(gè)供熱環(huán)節(jié)也有各自的特點(diǎn).將每個(gè)供熱環(huán)節(jié)從適用性、能耗、經(jīng)濟(jì)性和污染排放四個(gè)方面進(jìn)行全面的分析，給出各項(xiàng)的定性說(shuō)明和定量指標(biāo).當(dāng)考察某一供熱方式時(shí)，可按照供熱方式熱量傳遞過(guò)程選取供熱環(huán)節(jié)，將每個(gè)環(huán)節(jié)的能耗、經(jīng)濟(jì)性和污染排放進(jìn)行疊加，并參考每個(gè)環(huán)節(jié)的適用條件，即可得到該供熱方式的總的適用性、能耗、經(jīng)濟(jì)性和污染排放指標(biāo).

每種供熱方式的適用性是由其自身的特點(diǎn)決定的，其能耗，經(jīng)濟(jì)性和污染排放指標(biāo)不僅和供熱方式有關(guān)，還與很多外部條件有關(guān)，例如，能耗水平就與氣候調(diào)節(jié)和保溫水平有極大的關(guān)系，而經(jīng)濟(jì)性又與當(dāng)?shù)氐奈飪r(jià)水平關(guān)系密切.所以，對(duì)應(yīng)于不同的條件，通過(guò)分析計(jì)算可以得出每種供熱方式適用性、能耗、經(jīng)濟(jì)性和污染排放四個(gè)方面的數(shù)據(jù).

不同的地區(qū)，由于氣候條件的不同，建筑物的基礎(chǔ)能耗差別就很大；各種限制條件也不同，如市政基礎(chǔ)設(shè)施是否完善，是否有地下水可開(kāi)采，是否有分時(shí)電價(jià)政策，以及當(dāng)?shù)厝剂虾腿斯さ鹊膬r(jià)格水平均對(duì)供熱方式的各項(xiàng)指標(biāo)產(chǎn)生影響，所以不存在一種普遍適用的最佳供熱方式.對(duì)應(yīng)于不同地區(qū)和不同情況，適宜的供熱方式是不同的.

供熱方式的優(yōu)劣比較和恰當(dāng)選擇還取決于不同的決策者依據(jù)，這很難用一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)統(tǒng)一，例如，對(duì)于北京，上海等大城市，決策的主要依據(jù)是環(huán)境影響，在滿足環(huán)境要求的基礎(chǔ)上，選擇能耗低，較為經(jīng)濟(jì)的供熱方式；而對(duì)于西部等不發(fā)達(dá)地區(qū)，考慮到老百姓的承受能力，決策的主要依據(jù)是供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，并兼顧環(huán)境影響.

在對(duì)城市能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分調(diào)研的的基礎(chǔ)上，得出各種可能用到的供熱模式的適用范圍和各種經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，這些指標(biāo)包括水文地質(zhì)、環(huán)境氣象、建筑類(lèi)型、道路交通等數(shù)據(jù)，對(duì)各種可能用到的城市供熱模式進(jìn)行分析論證后，得出不同地區(qū)各種供熱模式在相同評(píng)價(jià)指標(biāo)下的參數(shù)比較.最終，決策者根據(jù)這些指標(biāo)，結(jié)合本地區(qū)實(shí)際條件和決策時(shí)設(shè)置的權(quán)重指標(biāo)，再結(jié)合整個(gè)城市的能源供應(yīng)狀況和能源價(jià)格因素，給出實(shí)際情況下的最為優(yōu)化與適宜的供熱模式，調(diào)整優(yōu)化整個(gè)城市的供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如果考慮到今后國(guó)家的能源政策的改變，適當(dāng)增加可再生能源如太陽(yáng)能、生物質(zhì)能以及地?zé)崮艿刃履茉丛诔鞘泄崮Ｊ降谋壤蛇M(jìn)一步增強(qiáng)整個(gè)城市的可持續(xù)發(fā)展能力.

3 結(jié) 語(yǔ)

隨我國(guó)建筑能耗的不斷增加，如何有效的規(guī)劃能源在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益和能源利用率最佳，對(duì)指導(dǎo)采暖空調(diào)等建筑能耗系統(tǒng)建設(shè)有重要意義.目前我國(guó)電的綜合供應(yīng)效率在31%左右，大力發(fā)展直接電力采暖，一次能源利用率低于30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃煤鍋爐的50%～60%，雖然直接污染減輕，但總污染物排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在城市中直接燃煤采暖，造成嚴(yán)重的間接污染，對(duì)國(guó)家總的大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境非常有害.如何處理直接污染和間接污染的問(wèn)題，就是如何處理局部與整體利益的問(wèn)題，從可持續(xù)發(fā)展的角度上來(lái)看，應(yīng)該控制直接電采暖，發(fā)展熱泵等高效的電采暖方式.另一方面，僅強(qiáng)調(diào)總排放量，在城市內(nèi)建過(guò)多的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠，發(fā)電使燃料消耗量大大增加，從而增加了城市的總的排放量.這樣盡管多產(chǎn)生出電力，但增加了在城市的排放量，影響了城市大氣環(huán)境.因此在直接排放與間接排放二者間需綜合分析平衡，在當(dāng)?shù)丨h(huán)境容量容許的條件下發(fā)展高效的熱電聯(lián)產(chǎn)方式.因此熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方式無(wú)論從能源利用效率還是經(jīng)濟(jì)性方面都是最佳的供熱方式，應(yīng)支持保護(hù)和完善.同時(shí)不同的燃料類(lèi)型應(yīng)有不同的供熱型式，燃煤對(duì)應(yīng)的最佳供熱方式為熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱；燃?xì)鈱?duì)應(yīng)的合理的供熱方式是分散供熱，包括建筑獨(dú)立式或戶內(nèi)獨(dú)立式供熱；而電能在我國(guó)不能簡(jiǎn)單的看作清潔能源，其對(duì)應(yīng)的最佳供熱方式是熱泵供熱，所以嚴(yán)格禁止各種直接電熱供熱，推廣和發(fā)展熱泵供熱技術(shù)，并適當(dāng)提倡蓄熱式電暖器解決電力峰谷差問(wèn)題.總之，不同的外部條件對(duì)應(yīng)著不同的最佳供熱方式，氣候條件，價(jià)格體系，基礎(chǔ)設(shè)施等外部條件很大程度上影響著供熱系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析.