基于多因素約束下的低溫余熱供暖資源潛力研究

馮超，徐志強(qiáng)，蔣習(xí)梅，王健夫

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.國瑞沃德(北京)低碳經(jīng)濟(jì)技術(shù)中心，北京 100053

近年來，我國北方地區(qū)冬季供暖需求日益增高[1]，帶動(dòng)著用于供暖的煤炭消費(fèi)量快速增長，由此帶來的嚴(yán)重污染已成為冬季霧霾的主要成因之一[2]。為了應(yīng)對冬季供暖的嚴(yán)重環(huán)境問題，我國大力推進(jìn)清潔供暖，其中低溫余熱是重要的清潔供暖技術(shù)途徑之一。

我國工業(yè)低溫余熱資源極為豐富[3]，目前可利用的低溫余熱資源高達(dá)510×106t標(biāo)準(zhǔn)煤[4]。但由于低溫余熱的特殊性及供暖系統(tǒng)的復(fù)雜性，導(dǎo)致低溫余熱在與供暖負(fù)荷進(jìn)行匹配時(shí)，會(huì)受到時(shí)間、空間、溫度、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等多種因素的影響[5]。因此，在如此龐大的低溫余熱資源中，有多少能夠?yàn)榫用裉峁╅L期、有效、穩(wěn)定的供暖，還有待進(jìn)一步深入研究。

為此，本文擬在對影響低溫余熱供暖的主要因素進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研、專家調(diào)研、情景分析等方法，對可用于供暖的低溫余熱資源潛力進(jìn)行研究，以期為余熱供暖提供較為科學(xué)的支撐。

1 低溫余熱供暖的主要影響因素

目前，低溫余熱供暖的影響因素主要包括時(shí)空的匹配、建筑節(jié)能技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和余熱溫度等(表1)。

表1 影響余熱供暖資源可利用性的主要因素

1.1 時(shí)間因素

1.1.1 供暖的季節(jié)性對低溫余熱利用的影響

低溫余熱資源產(chǎn)生于工業(yè)企業(yè)全年的生產(chǎn)過程，而供暖具有明顯的季節(jié)性，只會(huì)在冬季有需求，且隨著所處地理位置的不同，供暖季的長短也有所不同。京津冀地區(qū)的年供暖季一般在4個(gè)月左右，而東北地區(qū)的供暖季要長達(dá)5—6個(gè)月，這導(dǎo)致工業(yè)企業(yè)在供暖季外產(chǎn)生的余熱資源無法用于冬季供暖。

假設(shè)第j個(gè)省份的年供暖天數(shù)為xj，則

(1)

式中，n表示年份；i表示省份(1，2，…，m)；j表示產(chǎn)業(yè)(1，2，…，k)；Qnij表示第n年中第i個(gè)省份中第j個(gè)產(chǎn)業(yè)的低溫余熱資源量；Qnij季節(jié)表示第n年中第j個(gè)省份在考慮季節(jié)因素的情況下，可用于供暖的余熱資源量。

將考慮季節(jié)性的影響因素設(shè)定為δ1，則第j個(gè)省份的影響因素為

(2)

1.1.2 熱源與實(shí)際負(fù)荷在短時(shí)序列中不匹配的影響

居民供暖是關(guān)系民生的大事。一方面，對熱源的穩(wěn)定性要求較高，但余熱供熱過程中會(huì)因?yàn)橐归g、節(jié)假日、生產(chǎn)調(diào)度、檢修等因素導(dǎo)致停產(chǎn)帶來短時(shí)序列的供熱不穩(wěn)定；另一方面，因氣溫變化、居民生活習(xí)慣等會(huì)要求供熱系統(tǒng)具有一定的調(diào)峰能力，但余熱供熱過程受生產(chǎn)情況的制約，難以進(jìn)行峰谷調(diào)節(jié)。

(1) 夜間停產(chǎn)的影響。居民的生活習(xí)慣一般為白天外出工作，夜晚回家休息，因此用戶的采暖負(fù)荷高峰在晚間，而大部分工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)過程一般為白天，夜間會(huì)減產(chǎn)或停工，供熱熱源高峰在白天，這導(dǎo)致采暖負(fù)荷與部分供暖熱源在時(shí)間上較難匹配。

(2) 小長假的影響。春節(jié)是我國的傳統(tǒng)節(jié)假日，春節(jié)期間部分生產(chǎn)企業(yè)會(huì)停工停產(chǎn)，導(dǎo)致期間余熱熱源會(huì)有一定的減少，同時(shí)一年一度的春節(jié)返鄉(xiāng)潮，會(huì)使得大量的居民由日常生活的大中型城市返回到家鄉(xiāng)的中小城市，從而導(dǎo)致家鄉(xiāng)的采暖負(fù)荷大幅增加。這種情形下，大城市的余熱資源和供暖負(fù)荷會(huì)同時(shí)下降，較易調(diào)節(jié)，而中小城市采用余熱供暖的情況則會(huì)受到一定的影響。

(3) 停工檢修。企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備停工檢修時(shí)，會(huì)導(dǎo)致供熱熱源的減少。

(4) 生產(chǎn)調(diào)度。企業(yè)在訂單減少或效益不好時(shí)，不會(huì)滿負(fù)荷生產(chǎn)，會(huì)調(diào)整生產(chǎn)進(jìn)度，導(dǎo)致開工率較低、熱源下降，對余熱熱源的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

本研究將生產(chǎn)波動(dòng)性帶來的短時(shí)影響因素設(shè)定為δ2。

1.2 空間因素

1.2.1 南北集中供暖分界帶來的地域性影響

目前，我國以新中國成立初期設(shè)定的南北供暖分界線來劃定北方和南方的集中供暖政策。南方地區(qū)并不進(jìn)行集中供暖，而余熱資源中有一半左右分布在南方地區(qū)。

1.2.2 余熱熱源與采暖負(fù)荷之間的距離影響

工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)區(qū)域一般在遠(yuǎn)郊區(qū)，而采暖負(fù)荷主要集中在城市的中心居民區(qū)，這導(dǎo)致很多余熱熱源與采暖負(fù)荷在空間上的匹配度不高，對余熱供暖的利用潛力產(chǎn)生了一定的影響。本研究將供熱距離的影響因素設(shè)定為δ3。

1.3 產(chǎn)業(yè)因素

電力、鋼鐵、水泥、化工等行業(yè)是余熱的主要來源，未來余熱資源的總體利用潛力與各行業(yè)的發(fā)展形勢密切相關(guān)。要研究未來一段時(shí)間內(nèi)工業(yè)低溫余熱資源的潛力，還需要對各行業(yè)的發(fā)展形勢進(jìn)行定量的分析。本研究將產(chǎn)業(yè)變化的影響因子設(shè)定為δ4。

假設(shè)第j個(gè)省份第i產(chǎn)業(yè)在第n年相比于基準(zhǔn)年的產(chǎn)量變化為δ4nij，則

Qnij產(chǎn)業(yè)=δ4nijQnij

(3)

式中，Qnij產(chǎn)業(yè)表示第n年中第j個(gè)省份的第i個(gè)產(chǎn)業(yè)在考慮產(chǎn)業(yè)變化因素的情況下，可用于供暖的余熱資源量。

1.4 建筑節(jié)能因素

近年來，隨著我國建筑節(jié)能技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及北方采暖地區(qū)既有居住建筑節(jié)能改造工作的大力推進(jìn)，北方城鎮(zhèn)采暖能耗強(qiáng)度也在不斷下降，2001—2016年，我國北方城鎮(zhèn)采暖面積從5.0×109m2增長到13.6×109m2，增長了172%；北方城鎮(zhèn)采暖能耗從115×106t標(biāo)準(zhǔn)煤增長到191×106t標(biāo)準(zhǔn)煤，僅增長了66 %；北方城鎮(zhèn)采暖能耗強(qiáng)度從23 kg(標(biāo)準(zhǔn)煤)/m2下降到14 kg(標(biāo)準(zhǔn)煤)/m2 [1]。因此，在計(jì)算過程中，還需要考慮建筑節(jié)能因素。

1.5 余熱溫度因素

按照《GB 50736—2012 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中的規(guī)定，散熱器集中供暖系統(tǒng)的供水/回水宜按熱媒溫度為75 ℃/50 ℃或85 ℃/60 ℃連續(xù)供暖進(jìn)行設(shè)計(jì)。部分歐洲國家開始朝著降低供暖系統(tǒng)熱媒溫度的方向發(fā)展，但采用的溫度一般在60 ℃左右。也就是說，進(jìn)行集中供暖的供水溫度一般要在60 ℃以上，我國的集中供暖系統(tǒng)一般在70 ℃以上。但低溫余熱中，還存在大量60 ℃以下的熱源，這些熱源可以利用熱泵升溫或用蒸汽進(jìn)行提溫的方式參與到集中供暖，但在利用方式和經(jīng)濟(jì)性上與60 ℃以上的熱源還有很大的區(qū)別，這也導(dǎo)致部分企業(yè)在利用余熱進(jìn)行供暖的過程中，將60 ℃以下的余熱放棄。因此，余熱溫度的高低，對余熱供暖有著很大的影響。

2 基于多因素約束下的余熱供暖可利用資源評(píng)估計(jì)算模型

假設(shè)第n年可用于供暖的最大余熱資源量為Qn，第n年利用余熱的最大供暖面積潛力為Fn，則有

(4)

將式(2)代入式(4)可得

(5)

(6)

式中，εj表示第j個(gè)省份的建筑物單位面積年均耗熱量，kg(標(biāo)準(zhǔn)煤)/m2。

εj由第j個(gè)省份的建筑物耗熱量指標(biāo)計(jì)算得出

(7)

式中，σj表示第j個(gè)省份的建筑物耗熱量指標(biāo)，W/m2；hj表示每天供熱小時(shí)數(shù)，本研究按照每天24 h持續(xù)供暖進(jìn)行計(jì)算；xj表示第j個(gè)省份的年供暖天數(shù)；φ為1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量值，取為29.306 MJ。

3 情景設(shè)定及數(shù)據(jù)來源

3.1 余熱溫度

適用于供暖的各工業(yè)行業(yè)余熱來源、溫度及在其低溫余熱可開發(fā)利用總量中的比重見表2，數(shù)據(jù)來源于對鋼鐵、石油化工、建材、有色金屬、電力等行業(yè)相關(guān)專家的走訪和調(diào)研。

表2 適用于供暖的各工業(yè)行業(yè)余熱來源及溫度

3.2 北方各地供暖期

《JGJ 26—2010 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，給出了北方主要城市的氣候區(qū)屬、氣象參數(shù)、耗熱量指標(biāo)等各項(xiàng)供暖參數(shù)的推薦值[7]。本研究將其中各省份主要城市的平均供暖期天數(shù)作為北方各地的供暖期，具體情景設(shè)定見表3。

表3 北方各地供暖期情景設(shè)定

3.3 企業(yè)生產(chǎn)

因夜間、節(jié)假日、生產(chǎn)調(diào)度檢修等因素導(dǎo)致停產(chǎn)帶來短時(shí)序列的供熱不穩(wěn)定，是由工業(yè)余熱熱源本身的性質(zhì)所決定的。工業(yè)余熱源于生產(chǎn)企業(yè)，一方面，對于生產(chǎn)不穩(wěn)定的工業(yè)企業(yè)，余熱供應(yīng)受到隨機(jī)因素影響較大；另一方面，生產(chǎn)較為穩(wěn)定的工業(yè)企業(yè)，余熱供應(yīng)量較穩(wěn)定，但卻無法滿足實(shí)際負(fù)荷變化的客觀需求。因此，單一的工業(yè)余熱熱源無法滿足高質(zhì)量供熱的要求[8]。

工業(yè)余熱熱源在進(jìn)行供暖的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要考慮兩個(gè)因素：一是需要配置一定的調(diào)峰熱源，作為峰谷的調(diào)節(jié)、停產(chǎn)或大規(guī)模減產(chǎn)時(shí)的供熱安全保障等；二是工業(yè)余熱一般情況下不要采用一個(gè)熱源對應(yīng)一個(gè)熱網(wǎng)的服務(wù)模式，應(yīng)進(jìn)行一定區(qū)域的聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，采用多個(gè)熱源對應(yīng)一個(gè)熱網(wǎng)的服務(wù)模式。在此情況下，每個(gè)熱源可以對應(yīng)在“供熱”和“非供熱”兩種工況，由整個(gè)熱網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，接入的熱源越多，整個(gè)系統(tǒng)的容錯(cuò)率越高，穩(wěn)定性也就越好。

在進(jìn)行余熱資源的估算中，本研究采用方豪等人的平均供熱量的假設(shè)情景[8]。假設(shè)工廠滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，余熱總量最大值為q；由于自身生產(chǎn)規(guī)律與設(shè)備的輪換作息安排帶來余熱量的波動(dòng)，正常生產(chǎn)時(shí)的余熱總量最小值為q/2，則

將考慮生產(chǎn)波動(dòng)性帶來短時(shí)影響因素設(shè)定為δ2=0.75。

3.4 產(chǎn)業(yè)發(fā)展

本研究中對鋼鐵、水泥等相關(guān)高耗能產(chǎn)業(yè)發(fā)展情景設(shè)定的數(shù)據(jù)，源于國家發(fā)改委能源研究所、美國洛基山研究所、美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和美國能源基金會(huì)共同研究的《重塑能源：中國(綜合卷)》[9]及行業(yè)專家判定?；鹆Πl(fā)電裝機(jī)容量的情景設(shè)定數(shù)據(jù)源于國家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所、國家可再生能源中心的《中國2050高比例可再生能源發(fā)展情景暨路徑研究》[10]中的相關(guān)研究結(jié)果。具體情景設(shè)定見表4。

表4 產(chǎn)業(yè)發(fā)展情景設(shè)定

3.5 供暖距離

余熱供暖的熱源與負(fù)荷在空間上的匹配主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，在具有熱源的地區(qū)，熱源與周圍的負(fù)荷距離較遠(yuǎn)，很多地區(qū)的供暖距離要在10 km以上；另一方面，由于當(dāng)前大多數(shù)工業(yè)園區(qū)在地域上的集中性，很多工業(yè)余熱熱源集中的地區(qū)，熱源資源量會(huì)超過周圍半徑30～50 km范圍內(nèi)的采暖負(fù)荷需求，如要實(shí)現(xiàn)余熱資源的最大化利用，需要進(jìn)行跨區(qū)域的超長距離供暖。

從實(shí)際調(diào)研情況來看，除電廠外的各類工業(yè)企業(yè)(如鋼鐵、水泥、有色、石化)，在廠區(qū)建設(shè)過程中均已考慮了交通運(yùn)輸、距離城市生活區(qū)的距離等因素，一般情況下各大生產(chǎn)企業(yè)距離周邊的城市在50 km以內(nèi)，大部分企業(yè)在30 km以內(nèi)。以鋼鐵企業(yè)較為集中的唐山市為例，周邊的鋼鐵企業(yè)基本都在市中心周邊半徑21.5 km以內(nèi)[11]。對于部分城市余熱資源富足而供暖、供熱需求較小的情況，可以與周邊余熱資源匱乏但供暖熱需求較大的城市進(jìn)行余熱資源利用的統(tǒng)籌規(guī)劃，探討全局規(guī)劃、多城市聯(lián)網(wǎng)供暖的可行性[12]。

針對電廠，鑒于在建設(shè)過程中考慮安全性、噪聲等因素，部分大型電廠距離城市供暖負(fù)荷中心的距離較遠(yuǎn)。相關(guān)研究顯示，北方大多數(shù)地區(qū)的電力企業(yè)的余熱，在150 km半徑內(nèi)可實(shí)現(xiàn)熱源與實(shí)際負(fù)荷的基本匹配[12]，從長距離供暖的技術(shù)可行性來看，隨著技術(shù)的進(jìn)步，我國實(shí)現(xiàn)的最遠(yuǎn)供暖距離不斷突破。在20世紀(jì)80年代初，北京石景山熱電廠就實(shí)現(xiàn)了向城區(qū)進(jìn)行20 km的供暖[13]，目前20 km左右的長距離供暖技術(shù)已非常成熟。21世紀(jì)初，三里河熱電廠向北京通州進(jìn)行的跨區(qū)域供暖距離達(dá)到30 km[14]。此后，供暖距離不斷增加，山西古交—太原熱網(wǎng)在地理?xiàng)l件極為復(fù)雜的情況下實(shí)現(xiàn)了40 km左右的長距離供暖[15]。山東濟(jì)南正在實(shí)施“外熱入濟(jì)”工程，引入周邊聊城、鄒平等地的余熱為濟(jì)南進(jìn)行供暖，規(guī)劃最遠(yuǎn)距離達(dá)到80 km左右，2015年供暖季實(shí)現(xiàn)全長約30 km的章丘余熱長輸管網(wǎng)“西送”至東部城區(qū)[16]；設(shè)計(jì)長輸管道達(dá)63 km的茌平熱源入濟(jì)南管網(wǎng)正在建設(shè)[17]；全長73 km的鄒平余(廢)熱入濟(jì)南長距離輸送供熱管網(wǎng)也已開始設(shè)計(jì)招標(biāo)[18]。

清華大學(xué)研制的吸收式熱泵技術(shù)，可以利用大溫差供熱，增加供熱距離[19]。從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)性來看，實(shí)現(xiàn)長距離供熱是可行的。

目前，山西古交—太原37.8 km熱網(wǎng)輸送管道的成本約為11.7元/GJ；河北西柏坡27 km長輸管道的成本約為6.9元/GJ；山東茌平67 km長輸管道的成本約為15.6元/GJ[12]。

綜上所述，電力企業(yè)距離城市的供暖負(fù)荷中心一般都在150 km以內(nèi)，以目前的技術(shù)水平，可實(shí)現(xiàn)安全可靠、經(jīng)濟(jì)性良好的余熱長距離輸送供暖。鋼鐵、水泥、有色、石化等企業(yè)，一般距離城市的供暖負(fù)荷中心在50 km以內(nèi)，熱源與供暖負(fù)荷在距離上均可實(shí)現(xiàn)較為良好的匹配。

3.6 建筑節(jié)能

本研究根據(jù)《JGJ 26—2010 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[7]中給出的北方主要城市的耗熱量指標(biāo)推薦值，取省份的平均值作為各省份的建筑物耗熱量指標(biāo)，具體情景設(shè)定見表5。

表5 北方各地建筑物耗熱量指標(biāo)Tab.5 Heat consumption index of buildings in north China

4 計(jì)算結(jié)果與討論

將上述情景代入式(5)和式(6)，計(jì)算得出不同情景下余熱供暖的可利用資源量以及可供暖面積潛力(表6，表7)。

表6 余熱供暖的可利用資源量

表7 余熱供暖面積潛力

Tab.7 Potential of waste heat heating109m2

年份201720202030溫度≥80 ℃2.823.333.05<80 ℃8.128.828.65總量10.9412.1411.70

2017年，北方地區(qū)低溫余熱資源共計(jì) 280×106t標(biāo)準(zhǔn)煤[4]，本研究的計(jì)算結(jié)果顯示，其中可用于供暖的低溫余熱資源約為62.26×106t標(biāo)準(zhǔn)煤，約為北方地區(qū)低溫余熱資源總量的22.2%，可供北方地區(qū)冬季取暖面積約為10.94×109m2。其中，80 ℃以上的低溫余熱資源量約為15.70× 106t標(biāo)準(zhǔn)煤，約占可用于供暖的低溫余熱資源總量的25.2%，可供冬季取暖面積約為2.82×109m2；80 ℃以下的低溫余熱資源量約為46.57×106t標(biāo)準(zhǔn)煤，約占74.8%，可供冬季取暖面積約為8.12×109m2。

從長期來看，產(chǎn)業(yè)發(fā)展是影響余熱資源量變化的主要因素。隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化建設(shè)的逐步完成，鋼鐵產(chǎn)量和水泥產(chǎn)量已基本達(dá)到峰值，未來有可能呈現(xiàn)出逐步下降的趨勢，相應(yīng)行業(yè)的余熱資源量將會(huì)有所減少。但其他產(chǎn)業(yè)中，石油加工方面，未來我國汽油、煤油等油品的需求量還將持續(xù)增加，導(dǎo)致石油加工量還將持續(xù)增長，這將帶動(dòng)原油加工業(yè)的余熱資源量還將持續(xù)增長。各類化工產(chǎn)品中，從目前國內(nèi)的需求看，多數(shù)化工產(chǎn)品產(chǎn)量已接近或達(dá)到飽和水平，到2020年有可能達(dá)到峰值，之后將有所下降。從長期看，化工行業(yè)的余熱資源量也將有所下降。有色金屬行業(yè)中，銅等產(chǎn)品目前已接近甚至達(dá)到需求峰值水平，有望在2020—2025年達(dá)到峰值，之后產(chǎn)量緩慢下降。從長期看，有色金屬行業(yè)的余熱資源量也將有所下降。電力行業(yè)中，目前雖然我國電力裝機(jī)容量很大，但人均水平還很低，未來對電力的需求還將持續(xù)快速增長，不過隨著可再生能源的快速發(fā)展，未來可再生能源有望成為滿足電力需求增量的主力，火力發(fā)電(包括煤電、燃?xì)獍l(fā)電和油電)有可能在2020—2030年間達(dá)到峰值。

綜合各產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢可以看出，在2020—2030年間，低溫余熱供暖的可利用資源潛力將達(dá)到峰值，隨后將有所下降。2020年和2030年可用于供暖的低溫余熱資源量將分別為68.98×106t標(biāo)準(zhǔn)煤和66.49×106t標(biāo)準(zhǔn)煤，可供取暖面積分別約為12.14×109m2和11.70×109m2。

5 主要結(jié)論

基于情景分析法，本研究對多因素制約下的低溫余熱供暖資源潛力、可供暖面積潛力進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

(1) 我國低溫余熱資源豐富，但用于供暖還受到眾多因素的影響，目前影響低溫余熱供暖的主要因素包括余熱的熱源溫度、熱源與采暖負(fù)荷之間距離、熱源與實(shí)際負(fù)荷在短時(shí)序列中的匹配情況、季節(jié)、南北供暖的差異性、建筑節(jié)能的推進(jìn)等。

(2) 2017年，北方地區(qū)可用于供暖的低溫余熱資源約為62.26×106t標(biāo)準(zhǔn)煤，約為北方地區(qū)低溫余熱資源總量的22.2%，可供北方地區(qū)冬季取暖面積約為10.94×109m2。其中，80 ℃以上的低溫余熱資源量約為15.70×106t標(biāo)準(zhǔn)煤，約占可用于供暖的低溫余熱資源總量的25.2%，可供冬季取暖面積約為2.82×109m2；80 ℃以下的低溫余熱資源量約為46.57×106t標(biāo)準(zhǔn)煤，約占74.8%，可供冬季取暖面積約為8.12×109m2。

(3) 在2020—2030年間，北方地區(qū)低溫余熱供暖的可利用資源潛力將達(dá)到峰值，隨后將有所下降。2020年和2030年可用于供暖的低溫余熱資源量將分別為68.98×106t標(biāo)準(zhǔn)煤和66.49×106t標(biāo)準(zhǔn)煤，可供取暖面積分別約為12.14×109m2和11.70×109m2。