京津冀地區(qū)天然氣和熱泵替代燃煤供暖研究

王春蘭,許 誠(chéng),徐 鋼,白 璞

?

京津冀地區(qū)天然氣和熱泵替代燃煤供暖研究

王春蘭,許 誠(chéng)*,徐 鋼,白 璞

(華北電力大學(xué)熱電生產(chǎn)過(guò)程污染物控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

針對(duì)京津冀地區(qū)實(shí)施天然氣和電能驅(qū)動(dòng)空氣源熱泵(簡(jiǎn)稱:熱泵)替代燃煤(散燒煤和鍋爐煤)供暖系統(tǒng)的一次能源效率、污染物減排量及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算.結(jié)果表明:對(duì)于京津冀地區(qū),采用天然氣和熱泵替代燃煤供暖可使一次能源效率分別上升31%和44%;天然氣和熱泵供暖都可大幅降低污染物排放,天然氣供暖可使煙塵、SO2和NO分別減排7.46,33.26,8.06萬(wàn)t;熱泵供暖則分別減排7.48,33.21,9.36萬(wàn)t;熱泵供暖的初投資高于天然氣供暖,但其年燃料費(fèi)用遠(yuǎn)低于天然氣供暖;此外,基于煙塵、SO2、NO3種污染物減排總量,計(jì)算得出天然氣供暖改造的單位污染物減排成本較熱泵供暖改造高14.2元/kg,綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn),熱泵供暖更具優(yōu)勢(shì).

散燒煤；鍋爐煤；天然氣供暖；熱泵供暖；污染物

近年來(lái),我國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程加快,空氣質(zhì)量出現(xiàn)惡化趨勢(shì),尤其是供暖期間霧霾頻發(fā),引起社會(huì)廣泛關(guān)注.統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)京津冀地區(qū)2015年P(guān)M2.5年均濃度達(dá)77μg/m3,超過(guò)我國(guó)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)1.2倍[1],而供暖季1、2和12月份的月均濃度更是高達(dá)115,96,143μg/m3,遠(yuǎn)高于平均濃度[2].因此,京津冀地區(qū)供暖季污染物減排和清潔能源供暖的協(xié)同治理和發(fā)展刻不容緩.

研究表明,空氣質(zhì)量的惡化與供暖季燃煤量的增加具有一定關(guān)系[3-5].目前我國(guó)燃煤供暖方式主要有熱電聯(lián)產(chǎn),燃煤鍋爐房及散燒煤供暖.燃煤電廠目前執(zhí)行嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn),污染物排放較低[6-7].對(duì)于燃煤供暖鍋爐,目前已提高了其污染物排放標(biāo)準(zhǔn),但受限于規(guī)模及運(yùn)行技術(shù),該標(biāo)準(zhǔn)仍低于燃煤電廠,因而其污染物排放較高.散燒煤因其便利性,是北方農(nóng)村供暖的主要形式,而絕大多數(shù)散燒煤沒有采取除塵、脫硫、脫硝等環(huán)保措施,污染物排放極高,對(duì)大氣污染具有一定貢獻(xiàn)[4,8].針對(duì)此,我國(guó)目前出臺(tái)了“煤改氣”及“電能替代”等政策,用于減少燃煤的使用量,控制污染物的排放.

鑒于此,越來(lái)越多的學(xué)者開始關(guān)注燃煤的污染物排放情況及評(píng)估清潔能源供暖形式的節(jié)能減排效果.通過(guò)對(duì)北京地區(qū)2000~2012年的散燒煤污染物建立排放清單,顯示散燒煤排放的PM10, SO2, NO和CO分別占北京排放的總污染物的11.6%、27.5%、2.8%和7.3%[9].天然氣替代燃煤集中供暖對(duì)CO2、顆粒物、SO2和NO都有較明顯的減排效果,通過(guò)對(duì)2010年15個(gè)重點(diǎn)城市進(jìn)行計(jì)算,采用天然氣集中供暖可減少CO2、顆粒物、SO2和NO排放量2190.7,734.2,40.2,22.6萬(wàn)t[10].相關(guān)研究顯示采用熱泵替代集中供暖可實(shí)現(xiàn)我國(guó)43%的CO2減排[11].

目前的研究給出了散燒煤、電煤、天然氣等的污染物排放情況,然而其多側(cè)重于電煤、散燒煤及天然氣的各種主要污染物排放的單獨(dú)研究,所獲得的污染物數(shù)據(jù)大多采用不同基準(zhǔn),難以定量的比較其污染物排放情況;同時(shí)在同一基準(zhǔn)下,對(duì)天然氣和電能替代燃煤供暖系統(tǒng)的污染物減排效果、熱力性能及經(jīng)濟(jì)性也缺乏定量的對(duì)比研究.

基于此,以京津冀地區(qū)為研究對(duì)象,對(duì)單位供熱量下的散燒煤、鍋爐煤、空氣源熱泵、天然氣自采暖(壁掛爐)、燃?xì)忮仩t等多種供暖方式的污染物排放情況進(jìn)行了定量對(duì)比分析;對(duì)京津冀地區(qū)原鍋爐煤和散燒煤供暖系統(tǒng)、壁掛爐和天然氣供暖鍋爐系統(tǒng)(方案一)、電能驅(qū)動(dòng)空氣源熱泵(簡(jiǎn)稱:熱泵)供暖系統(tǒng)(方案二)這3種的一次能源利用效率、污染物排放情況及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析.

1 京津冀地區(qū)供暖方式

1.1 供暖現(xiàn)狀

對(duì)于京津冀地區(qū),目前供暖能源主要以煤炭和天然氣為主,其主要通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)、鍋爐房集中供暖,或壁掛爐和散燒煤分散供暖,圖1給出了供暖能源及其利用示意.其輸出側(cè)的電力來(lái)自熱電聯(lián)產(chǎn).

圖1 供暖能源及其利用示意

在現(xiàn)有的能源輸入中,天然氣燃燒較為清潔,污染物排放低,而散燒煤和鍋爐煤的能源利用效率低,且污染物排放高,對(duì)環(huán)境污染造成極大貢獻(xiàn).京津冀地區(qū)2015年散燒煤和鍋爐煤使用情況如表1所示[12].

表1 京津冀2015年散燒煤和鍋爐煤消耗量(104t)

由表1可以看出,京津冀地區(qū)仍有大量的散燒煤和鍋爐煤,尤其是河北地區(qū).若能從能源中心消除或減少散燒煤及供暖鍋爐房供暖,可有效改善居民的供暖環(huán)境,同時(shí)緩解大氣污染狀況.

1.2 方案一:天然氣替代燃煤供暖系統(tǒng)

基于上述現(xiàn)狀及現(xiàn)有“煤改氣”政策, 選取供暖改造方案一:天然氣替代燃煤供暖系統(tǒng),即在原能源中心的基礎(chǔ)上保持輸出側(cè)的熱量和電量不變,利用天然氣壁掛爐替代散燒煤供暖部分,燃?xì)忮仩t替代燃煤鍋爐供暖部分.改造后方案一的供暖能源及其利用示意如圖2所示.

方案一具有以下顯著特點(diǎn):

(1)能源利用效率高:天然氣燃燒效率高,其中壁掛爐供暖效率達(dá)85%[13]左右,燃?xì)夤┡仩t約達(dá)90%[10],遠(yuǎn)高于散燒煤(約40%[14-15])和燃煤供暖鍋爐供暖效率(約70%[16]).

(2)污染物排放低:天然氣主要成分為CH4,其S、N等元素含量遠(yuǎn)低于燃煤,相應(yīng)的污染物排放低于燃煤.同時(shí)天然氣燃燒較為充分,幾乎不產(chǎn)生CO,可提高居民采暖安全.

(3)燃?xì)赓M(fèi)用較高:基于我國(guó)能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和天然氣運(yùn)輸存儲(chǔ)成本高等特點(diǎn),天然氣的價(jià)格遠(yuǎn)高于煤炭,采用天然氣供暖會(huì)增加居民的供暖費(fèi)用.

圖2 方案一的供暖能源及其利用示意

1.3 方案二:熱泵替代燃煤供暖系統(tǒng)

在不增加天然氣的情況下,通過(guò)改變?nèi)济豪眯问?提出方案二熱泵替代燃煤(散燒煤和鍋爐煤)供暖系統(tǒng), 根據(jù)采暖用戶的分布特點(diǎn),采用熱泵站替代原燃煤鍋爐供暖部分,熱泵替代散燒煤供暖部分.此外,為科學(xué)的展示供暖方案二的污染物減排效果及公平合理的與方案一作對(duì)比,熱泵新增的電能取自京津冀本地的燃煤電廠,同時(shí)為保證輸出側(cè)熱量和電量不變,額外的電煤來(lái)自原用于散燒和鍋爐房供暖的燃煤.圖3給出了改造后方案二的供暖能源及其利用示意.

方案二具有以下特點(diǎn):

(1)能源利用效率高:熱泵能夠回收環(huán)境中的熱量用于供暖,因此具有較高的一次能源利用效率.對(duì)于京津冀地區(qū),空氣源熱泵性能系數(shù)(COP)約為2~3[17-18],大型燃煤電站供電效率約為0.38~ 0.4[11,19],輸配電效率為0.93~0.94[19],其供暖一次能源效率可達(dá)0.72~1.13,高于散燒煤和鍋爐房供暖效率.

(2)污染物排放極低:燃煤電站采取了高效的污染物脫除設(shè)備,其污染物排放遠(yuǎn)低于散燒煤和鍋爐房燃煤.同時(shí),CO氣體的減少能夠提高居民采暖安全.

(3)初投資較高:熱泵設(shè)備較為昂貴,因此該供暖系統(tǒng)需要較高的初投資.

圖3 方案二的供暖能源及其利用示意

2 熱力學(xué)分析

2.1 熱力學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

基于等熱值法對(duì)天然氣、熱泵替代燃煤供暖的能耗量進(jìn)行計(jì)算,表達(dá)式為:

式中:output為供暖供熱總量,億MJ;LHV為低位發(fā)熱量,MJ/kg或MJ/m3;為供暖效率,%;為燃煤量,億kg;代表天然氣消耗量,億m3;COP 為熱泵性能系數(shù);e為燃煤電站供電效率;d為輸電效率;代表散燒煤和燃煤鍋爐供暖方式;代表壁掛爐和燃?xì)忮仩t供暖方式;為電煤.

同時(shí)采用一次能源利用效率total對(duì)上述3種供暖系統(tǒng)的能源利用情況進(jìn)行評(píng)價(jià),定義為:

式中:input和output分別代表供暖系統(tǒng)總的能源輸入和輸出,億MJ.

2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)煤炭和天然氣現(xiàn)有的供暖技術(shù)和大型燃煤電站平均發(fā)電技術(shù)水平及京津冀地區(qū)氣候條件,可獲得等熱值法所需基本數(shù)值,如表2所示.

基于上述數(shù)據(jù)及等熱值法,可計(jì)算得到采用方案一和方案二的能源消耗如表3所示.

由表3可見,為消除散燒煤和鍋爐煤(4865.9萬(wàn)t),采用方案一,京津冀地區(qū)每年需分別增加天然氣29.1,54.8,150.1億m3,共增加天然氣量234.0億m3;采用方案二,京津冀地區(qū)每年分別增加電煤346.8,663.4,1788.0萬(wàn)t,總共增加2798.2萬(wàn)t.進(jìn)一步依據(jù)公式(2)計(jì)算可知,原燃煤供暖系統(tǒng)總一次能源率為58%,采用方案一和方案二的一次能源率分別增至89%和102%,相較于原燃煤系統(tǒng),方案一和二分別提高了31%和44%.

表2 等熱值法基本假設(shè)數(shù)值

表3 供暖替代煤炭和天然氣使用情況

3 污染物

3.1 污染物評(píng)估方法

為計(jì)算上述3種供暖系統(tǒng)的污染物排放總量,以單位供熱量下的污染物排放量為同一基準(zhǔn)進(jìn)行估算:

式中:為對(duì)應(yīng)供暖系統(tǒng)的各供暖方式;為供暖系統(tǒng)某污染物排放總量,億g,本文主要考慮的污染物有SO2, NO和煙塵;為供熱量,億MJ;為單位供熱量下的污染物排放量,g/MJ,由式(4)確定:

式中:M為單位供熱量下燃料的消耗量,kg/MJ 和m3/MJ,對(duì)于散燒煤,燃煤鍋爐,燃?xì)忮仩t,壁掛爐M表達(dá)式為:

式中:η為對(duì)應(yīng)供暖方式供暖效率.

對(duì)于熱泵消耗電煤M的計(jì)算方式為:

式(4)中:是污染物排放因子,g/kg,其主要選取準(zhǔn)則如下:對(duì)于散燒煤和壁掛爐,其污染物排放因子主要根據(jù)其成分計(jì)算或相關(guān)文獻(xiàn)選取;對(duì)于燃煤供暖鍋爐,燃?xì)夤┡仩t和燃煤電廠,則根據(jù)環(huán)境保護(hù)部規(guī)定的大氣污染物排放濃度限值[6,28]進(jìn)行折算.具體的計(jì)算方法如下:

(1)散燒煤

散燒煤SO2的排放因子可由下式確定[20]:

式中:為硫的燃燒效率,80%[20];為硫含量, 0.88%[15];SO2和S為SO2和S的相對(duì)分子質(zhì)量,分別為64和32.

CO的排放因子為[20]:

式中:為碳的不完全燃燒率4%[20];ar散燒煤的含碳量,57.2%;CO和C是CO和C的相對(duì)分子質(zhì)量,分別為28和12.

NO生成機(jī)理復(fù)雜[21],其主要和含氮量、燃燒溫度及燃燒氧含量等相關(guān).根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),NO的排放因子選取為3.65g/kg[20,22-24].

煙塵的生成與燃燒環(huán)境和設(shè)備等相關(guān),依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)煙塵的排放因子選取為2.17g/ kg[20,22,25-27].

(2)天然氣壁掛爐

據(jù)文獻(xiàn)天然氣壁掛爐的SO2、NO、煙塵的排放因子分別選取為0.63,1.84,0.30g/m3[10].此外,由于天然氣燃燒充分,CO的排放量忽略不計(jì).

(3)鍋爐燃?xì)?、鍋爐煤及電煤

通常,燃?xì)夤┡仩t、燃煤供暖鍋爐和燃煤火電廠的污染物排放量以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位煙氣量所含污染物為基準(zhǔn)(mg/Nm3)[6,28],因此,可將燃?xì)夤┡仩t、燃煤供暖鍋爐和燃煤火電廠的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值通過(guò)式(9)轉(zhuǎn)換為單位燃料下的排放因子:

表4 污染物排放限值[6,28]

3.2 污染物排放量

3.2.1 排放因子計(jì)算 根據(jù)上文所述計(jì)算方法,可得散燒煤、鍋爐煤、電煤、燃?xì)忮仩t及壁掛爐的污染物排放因子,如表5所示.

表5 污染物排放因子

根據(jù)表5及各種供暖方式的燃料熱值及效率,計(jì)算得到單位供熱量下各供暖方式的污染物排放量,見表6所示.對(duì)于電煤,此處計(jì)算了單位供熱量下熱泵供暖的污染物排放情況.

表6 單位供熱量下的污染物排放量

由表6可知,單位供熱量下,散燒煤和鍋爐煤的污染物排放遠(yuǎn)高于其他形式,而鍋爐燃?xì)鈩t與熱泵污染物排放相當(dāng);具體而言,在單位供暖量下,散燒煤的煙塵、SO2和NO的排放因子為0.33、1.27、0.20g/MJ,是熱泵供暖的44.9、67.2和5.3倍;此外,單位供熱量下散燒煤還排放4.81g/MJ的CO,而其他供暖方式幾乎不產(chǎn)生.熱泵供暖排放的煙塵、SO2和NO的排放因子僅為7.35′10-3, 1.89′10-2, 3.75′10-2, g/MJ,煙塵和SO2稍高于燃?xì)忮仩t,但其NO的排放量低于燃?xì)忮仩t.

3.2.2 污染物減排量 利用單位供熱量下的污染物排放因子和年供暖熱量計(jì)算可得上述3種供暖方式一個(gè)采暖季的污染物排放情況(如圖4所示).其中供暖替代方案二的污染物排放量即為新增電煤的污染物排放量.

由圖4可見,采用方案一和方案二均能大幅降低主要污染物的排放量.其中最為明顯的是SO2的減排量,方案一每年可減少33.26萬(wàn)t,較原系統(tǒng)減排95.8%,方案二可減排33.21萬(wàn)t,較原系統(tǒng)減排95.7%;方案二對(duì)NO減排更具優(yōu)勢(shì),較方案一多減排1.3萬(wàn)t.綜合對(duì)比兩種方案,方案二的污染物減排更具優(yōu)勢(shì).

圖4 3種供暖方式的污染物排放情況

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

4.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

針對(duì)采用天然氣和熱泵供暖的經(jīng)濟(jì)性,主要考慮了供暖系統(tǒng)的初投資,年運(yùn)行費(fèi)用及燃料價(jià)格/電價(jià),供暖系統(tǒng)的年綜合投資采用下式計(jì)算:

式中:和分別代表集中供暖和分散采暖;a,d和a,h分別為集中和分散供暖年綜合投資;initial是供暖系統(tǒng)初投資;I為供暖年燃料/電費(fèi);O&M為運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,取系統(tǒng)初投資的4%[31];CRF為成本回收系數(shù),與折現(xiàn)率()和供暖設(shè)備壽命()相關(guān)[31]:

對(duì)于天然氣和熱泵兩個(gè)供暖方案的初投資,采用指數(shù)估算法計(jì)算[31]:

式中:0是參考系統(tǒng)規(guī)模為S時(shí)的固定成本初投資;和分別是現(xiàn)有系統(tǒng)的規(guī)模大小和規(guī)模因子.

表7為現(xiàn)有技術(shù)水平下經(jīng)濟(jì)性計(jì)算所需基本參數(shù).

表7 經(jīng)濟(jì)技術(shù)性基本假設(shè)參數(shù)

對(duì)于原散燒煤和燃煤供暖鍋爐房,主要考慮其年燃料費(fèi)用及鍋爐房的運(yùn)行費(fèi)用,煤炭?jī)r(jià)格取600元/t.則3種方案的總經(jīng)濟(jì)技術(shù)性見表8所示.

由表8可見,采用2個(gè)方案后,其年度化綜合費(fèi)用都遠(yuǎn)高于原系統(tǒng),方案一年綜合費(fèi)用高于方案二70.9億元.采用方案二,初投資達(dá)1584.1億元,高于方案一959億元,但方案一的年料價(jià)格達(dá)570.8億元,高于熱泵供暖系統(tǒng)194.6億元.此外,根據(jù)圖4和表8中的內(nèi)容計(jì)算可得到兩個(gè)供暖方案的單位污染物的減排成本, 基于煙塵、SO2、NO3種污染物減排總量,方案一的污染物單位減排成本為67.6元/kg,方案二為53.4元/kg,低于方案一14.2元/kg.此外隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展,其初投資將降低,從而使熱泵展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì).

4.2 敏感性分析

根據(jù)4.1節(jié)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析方法和結(jié)論(表8)可知,供暖方案一的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性受天然氣價(jià)格波動(dòng)影響而有較大變化,圖5為天然氣價(jià)格波動(dòng)對(duì)供暖方案一年綜合供暖費(fèi)用的影響分析結(jié)果.

表8 總技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

注:a燃煤供暖鍋爐的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用取初投資的4%,燃煤供暖鍋爐的初投資據(jù)文獻(xiàn)[33]及指數(shù)估算法計(jì)算.

圖5 天然氣價(jià)格波動(dòng)對(duì)方案一年綜合供暖費(fèi)用的影響

由圖5分析可知,隨著天然氣價(jià)格的波動(dòng)(±15%.),其年綜合費(fèi)用將由559.9億元升至731.2億元,僅在天然氣價(jià)格降低12.4%時(shí),供暖方案一的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和方案二相當(dāng);此外,我國(guó)是“富煤、貧油、少氣”的能源國(guó)家,采用天然氣供暖,不僅燃料價(jià)格昂貴,還會(huì)影響我國(guó)的能源安全,因此,當(dāng)天然氣價(jià)格在一定的大范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),方案二依舊具有優(yōu)勢(shì).

5 結(jié)論

5.1 對(duì)原燃煤供暖系統(tǒng)采用方案一和方案二進(jìn)行供熱改造均可提高系統(tǒng)的一次能源利用率,其中方案一和二分別可提高31%和44%.

5.2 單位供熱量下,散燒煤和鍋爐煤的污染物排放遠(yuǎn)高于其他形式,燃?xì)忮仩t與熱泵污染物排放相當(dāng);具體而言,在單位供暖量下,散燒煤的煙塵、SO2和NO的排放因子為0.33,1.27,0.20g/MJ;相應(yīng)熱泵供暖污染物排放因子僅為7.35′10-3, 1.89′10-2, 3.75′10-2g/MJ; 煙塵和SO2稍高于燃?xì)忮仩t,但NO的排放量低于燃?xì)忮仩t1.53′10-2g/MJ;對(duì)于兩個(gè)替代供暖方案,都具有較高的減排效果,方案一可使煙塵,SO2和NO分別減排7.46,33.26,8.06萬(wàn)t;方案二則分別減排7.48,33.21,9.36萬(wàn)t.

5.3 采用兩個(gè)供暖方案,其年綜合費(fèi)用都遠(yuǎn)高于原系統(tǒng),且方案二低于方案一,此外,基于煙塵、SO2、NO3種污染物減排總量,方案一的單位污染物減排成本高于方案二14.2元/kg.綜合我國(guó)能源國(guó)情,熱泵供暖對(duì)我國(guó)節(jié)能減排,能源優(yōu)化更具優(yōu)勢(shì).

[1] 中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部.2015年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)[R]. 北京:中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部, 2015.

[2] 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.74城市空氣質(zhì)量狀況公報(bào)[EB/OL]. http://www.cnemc.cn/publish/106/0536/newList_1.html.

[3] 王 超,張霖琳,刀 谞,等.京津冀地區(qū)城市空氣顆粒物中多環(huán)芳烴的污染特征及來(lái)源 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(1):1-6.

[4] Cheng Xu, Chunlan Wang, Gang Xu, et al. Thermodynamic and environmental evaluation of an improved heating system using electric-driven heat pumps: A case study for Jing-Jin-Ji region in China [J]. Journal of Cleaner Production, 2017,165:36-47.

[5] 張霖琳,王 超,刀 谞,等.京津冀地區(qū)城市環(huán)境空氣顆粒物及其元素特征分析 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(12):2993-3000.

[6] GB 13223-2011 火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn) [S].

[7] 伯 鑫,王 剛,溫 柔,等.京津冀地區(qū)火電企業(yè)的大氣污染影響 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(2):364-373.

[8] 支國(guó)瑞,楊俊超,張 濤,等.我國(guó)北方農(nóng)村生活燃煤情況調(diào)查、排放估算及政策啟示[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2015,28(8):1179-1185.

[9] Xue Y, Zhou Z, Nie T, et al. Trends of multiple air pollutants emissions from residential coal combustion in Beijing and its implication on improving air quality for control measures [J]. Atmospheric Environment, 2016,142:303-312.

[10] 龐 軍,吳 健,馬 中,等.我國(guó)城市天然氣替代燃煤集中供暖的大氣污染減排效果[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(1):55-61.

[11] Chen X, Wang L, Tong L, et al. Energy saving and emission reduction of China's urban district heating [J]. Energy Policy, 2013,55:677-682.

[12] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司.中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2016 [M]. 北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2017:128-145.

[13] 董康飛,李 振,王 立.點(diǎn)蓄熱壁掛箱與燃?xì)獗趻鞝t供暖的對(duì)比討論[J]. 供熱制冷, 2014,(7):64-66.

[14] 吳愛貞,李元哲,蔡啟林.家庭兩用煤爐熱效率實(shí)驗(yàn)方法 [J]. 北京節(jié)能, 1988,(1):13-16.

[15] Cheng M, Zhi G, Tang W, et al. Air pollutant emission from the underestimated households' coal consumption source in China. [J].Science of the Total Environment, 2016,580:641-650.

[16] Xu X, You S, Zheng X, et al. A survey of district heating systems in the heating regions of northern China [J]. Energy, 2014,77: 909-925.

[17] Kelly N J, Cockroft J. Analysis of retrofit air source heat pump performance Results from detailed simulations and comparison to field trial data [J]. Energy and Buildings, 2011,43(1):239-245.

[18] Zhang D, Li J, Nan J, et al. Thermal performance prediction and analysis on the economized vapor injection air-source heat pump in cold climate region of China [J]. Sustainable Energy Technologies & Assessments, 2016,18:127-133.

[19] 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).2015年電力統(tǒng)計(jì)基本數(shù)據(jù)一覽表[EB/OL]. http://www.cec.org.cn/guihuayutongji/tongjxinxi/ niandushuju/2016-09-22/158761.html.

[20] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.排污申報(bào)登記實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2004:640.

[21] De-La-Torre U, Pereda-Ayo B, Moliner M, et al. Cu-zeolite catalysts for NOremoval by selective catalytic reduction with NH3 and coupled to NO storage/reduction monolith in diesel engine exhaust aftertreatment systems [J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2016,187:419-427.

[22] 國(guó)務(wù)院第一次全國(guó)污染源普查領(lǐng)導(dǎo)小組.第一次全國(guó)污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè) [EB/OL] http://www.docin. com/p-393983353.html.

[23] Shi Y, Xia Y F, Lu B H, et al. Emission inventory and trends of NOfor China, 2000~2020 [J]. Journal of Zhejiang University- SCIENCE A, 2014,15(6):454-464.

[24] 虞江萍,崔 萍,王五一.我國(guó)農(nóng)村生活能源中SO2、NO及TSP的排放量估算[J]. 地理研究, 2008,27(3):547-555.

[25] Chen Y, Tian C, Feng Y, et al. Measurements of emission factors of PM2.5, OC, EC, and BC for household stoves of coal combustion in China [J]. Atmospheric Environment, 2015,109: 190-196.

[26] Shen G, Xue M, Chen Y, et al. Comparison of carbonaceous particulate matter emission factors among different solid fuels burned in residential stoves [J]. Atmospheric Environment, 2014, 89:337-345.

[27] Zhi G, Chen Y, Feng Y, et al. Emission characteristics of carbonaceous particles from various residential coal-stoves in China [J]. Environmental Science & Technology, 2008,42(9): 3310-3315.

[28] GB 13271-2014 鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[29] 方品賢,江 欣,奚元福.環(huán)境統(tǒng)計(jì)手冊(cè)[M]. 四川:四川科學(xué)技術(shù)出版社, 1985:53-59.

[30] 樊泉桂,閆維平,閆順林.鍋爐原理[M]. 北京:中國(guó)電力出版社, 2008:47.

[31] Xu C, Xu G, Zhu M, et al. Thermodynamic analysis and economic evaluation of a 1000MW bituminous coal fired power plant incorporating low-temperature pre-drying (LTPD) [J]. Applied Thermal Engineering, 2015,96:613-622.

[32] 傅秦生.能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析方法 [M]. 西安:西安交通大學(xué)出版社, 2005:210-211.

[33] Wei B, Wang S, Li L. Fuzzy comprehensive evaluation of district heating systems [J]. Energy Policy, 2010,38(10):5947-5955.

[34] 徐 鋼,王春蘭,許 誠(chéng),等.京津冀地區(qū)散燒煤與電采暖大氣污染物排放評(píng)估[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2016,(12):1735-1742.

Studies on replacing coal with natural gas and heat pump for heating in Jing-Jin-Ji region.

WANG Chun-lan, XU Cheng*, XU Gang, BAI Pu

(Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)., 2017,37(11)：4363~4370

Using nature gas and air source heat pumps (ASHP) to replace the household coals and coal-fired boilers for heating was proposed in this study. The primary energy efficiencies, pollutant emission reductions and economic viability of different heating systems were calculated and analyzed based on Jing-Jin-Ji Region’s scenario. The results showed that the primary energy efficiencies of the nature gas-based and ASHP-based heating systems could be improved by 31and 44percentage points, respectively, comparing to the original coal-based heating system. The emissions of the main pollutants could be significantly reduced. Specifically, the nature gas-based heating system and ASHP-based heating system could decrease the PM, SO2and NOemissions by 74.6, 332.6, 80.6 thousand tons, and 74.8, 332.1, 93.6thousand tons, respectively. The economic performance revealed that though the initial investment costs of ASHP-based heating system were greater than that of nature gas-based heating system, the annualized fuel costs were much lower. Besides, the specific costs of the pollutant emission mitigations of the nature gas-based heating system were 14.2 Chinese Yuan/kg higher than ASHP-based heating system, meaning that the ASHP-based heating system features better comprehensive performance as compared with the nature gas-based heating system.

household coal；boiler coal；nature gas-based heating system；ASHP-based heating system；pollutants

X513

A

1000-6923(2017)11-4363-08

王春蘭(1993-),女,寧夏吳忠人,華北電力大學(xué)碩士研究生,主要研究燃煤機(jī)組節(jié)能優(yōu)化,區(qū)域污染物控制.發(fā)表論文2篇.

2017-04-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51706065,51476053);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2017MS013)

* 責(zé)任作者, 講師, xucheng@ncepu.edu.cn