清潔采暖背景下的分散供熱方式選擇

金 意 王 欽

(1.青島能源集團(tuán)有限公司，山東 青島 266072； 2.青島市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東 青島 266022)

1 概述

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展與大眾對(duì)生活品質(zhì)追求的不斷提高，我國北方城市冬季供暖需求持續(xù)增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年—2018年我國城市供熱面積以年均9.5%的速度增長，2018年達(dá)到90.13億m2，集中供熱總量達(dá)到38.95億GJ。另一方面，為滿足霧霾治理需求，國家明確提出大力發(fā)展清潔能源供熱，全面取消散煤供熱[1]。雖然當(dāng)前城市采暖供需基本平衡，但快速增長的熱負(fù)荷需求與亟待改善的環(huán)境質(zhì)量，使供熱企業(yè)承受著前所未有的責(zé)任與壓力。因此，在當(dāng)前背景下通過制定合理的供熱方案、選擇恰當(dāng)?shù)墓岱绞綄?duì)企業(yè)來說具有重要的戰(zhàn)略性和遠(yuǎn)見性。

采用清潔能源的分散供熱因其自身技術(shù)和環(huán)保特性，使其具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢[2，3]，本文就目前較為成熟的幾種分散供熱方式結(jié)合已建項(xiàng)目進(jìn)行多方面對(duì)比，為供熱企業(yè)決策起到一定參考作用。

2 分散供熱方式選擇

2.1 上位政策分析

《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021)》明確了天然氣、電、清潔燃煤和可再生能源等清潔取暖形式；《山東省冬季清潔取暖規(guī)劃(2018—2022年)》要求濟(jì)南、青島、煙臺(tái)要率先形成天然氣與電取暖等替代散燒煤的清潔取暖基本格局；《關(guān)于嚴(yán)格控制煤炭消費(fèi)總量推進(jìn)清潔高效利用的指導(dǎo)意見》提出利用5年左右時(shí)間，爭取將山東省煤炭消費(fèi)凈壓減5 000萬t。由此可見，以往簡單地通過對(duì)現(xiàn)狀燃煤熱源擴(kuò)容的方法已難以走通，取而代之的是采用天然氣、電等清潔能源。在建設(shè)層面，面對(duì)日益緊張的城市用地，不管是原址擴(kuò)容還是異址新建都變得異常困難。此時(shí)，針對(duì)單體或小范圍建筑的分散清潔供熱成為重要選擇。

2.2 供熱方式特點(diǎn)分析

目前分散供熱較為成熟的幾種能源形式有天然氣采暖、電采暖和生物質(zhì)采暖，各類方式的特點(diǎn)見表1。

2.3 環(huán)境性分析

以顆粒物為特征的區(qū)域性復(fù)合型污染日益嚴(yán)重，大氣污染對(duì)人體健康帶來的危害已在相關(guān)研究中證實(shí)[4,5]。各類能源形式的污染物排放指標(biāo)匯總于表2[6,7]。其中，電采暖本身污染物排放為零，但電能獲取來自火力發(fā)電，實(shí)際考慮燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)的排放水平，天然氣和生物質(zhì)均為燃燒利用產(chǎn)生的排放。

表1 各類供熱方式特點(diǎn)分析

表2 不同能源形式污染排放指標(biāo) g/kg

由表2可知，電采暖方式的污染物排放量最低，其次是天然氣，最后是生物質(zhì)燃料。究其原因主要是當(dāng)前大型燃煤熱電廠均進(jìn)行了超低排放改造，使得排放物濃度大幅降低，而生物質(zhì)燃料成分較天然氣更為復(fù)雜，在相同條件下，生物質(zhì)的排放污染物濃度更高，需配合采用適當(dāng)?shù)某龎m方式[8]。因此，不同能源形式的環(huán)境友好性排序?yàn)椋弘?天然氣>生物質(zhì)。

3 工程經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 工程概況

根據(jù)近年來青島市建成并運(yùn)行的工程資料，選取燃?xì)忮仩t、燃?xì)饪諝庠礋岜谩㈦娢鬯礋岜?、電空氣源熱泵、電地源熱泵和生物質(zhì)鍋爐6種方式的工程實(shí)例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。

6種方式均采用集中供熱方式。污水源熱泵距離用戶端1.5 km，在污水廠內(nèi)采用二級(jí)換熱，其他方式均在用戶端建設(shè)；地源熱泵的機(jī)房安裝在地下室內(nèi)，埋管采用豎直埋管方式，打井深度為100 m，打孔間隔4.5 m～5.0 m。用戶類型均為居民用戶，除土壤源末端采用風(fēng)機(jī)盤管外，其余均采用暖氣片。運(yùn)行時(shí)間為一個(gè)供暖季(141 d)，供暖季內(nèi)每天24 h運(yùn)行。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性對(duì)比包括工程造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用兩方面。其中，工程造價(jià)包括設(shè)備及機(jī)組、循環(huán)水泵、管道、末端設(shè)備及其相應(yīng)的安裝費(fèi)用。運(yùn)行費(fèi)用主要考慮燃料和相關(guān)水電費(fèi)用，其他費(fèi)用由于量化困難，暫不予考慮[9]。計(jì)算數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同供熱方式經(jīng)濟(jì)分析計(jì)算表

各供熱方式單位面積對(duì)應(yīng)的造價(jià)與運(yùn)行費(fèi)用如圖1所示，顯而易見的是電污水源熱泵、電地源熱泵和燃?xì)饪諝庠礋岜玫膯挝辉靸r(jià)高于其他方式。分析認(rèn)為系統(tǒng)建設(shè)的復(fù)雜程度是導(dǎo)致造價(jià)存在較大差距的主要原因，通常燃?xì)忮仩t和生物質(zhì)鍋爐考慮鍋爐費(fèi)用，安裝較為簡便，而熱泵類的設(shè)備費(fèi)用較高，特別是電污水源熱泵還要包含修建污水池及廠內(nèi)重新布置排水管道費(fèi)用，電地源熱泵則需要考慮打井、埋管、灌漿、回填等工藝，工程量增大，建設(shè)投資隨之提高。

運(yùn)行費(fèi)用方面，以燃?xì)鉃橹鞯墓岱绞絾挝毁M(fèi)用最高，這主要是受天然氣價(jià)格的影響。生物質(zhì)鍋爐的單位費(fèi)用處于中等水平，但其經(jīng)濟(jì)使用的前提是有充足的燃料保障。熱泵較低的單位費(fèi)用歸功于其較高的能效比。因此即使是在以受電為主的東部沿海地區(qū)較高的能效比也足以彌補(bǔ)電價(jià)，這在燃?xì)饪諝庠礋岜煤腿細(xì)忮仩t的單位費(fèi)用上也得到了體現(xiàn)。

在僅考慮前期造價(jià)和年運(yùn)行費(fèi)用的情況下，以運(yùn)營期15年為例，各供熱方式全壽命期成本趨勢如圖2所示。燃?xì)夤岬目傎M(fèi)用最高，雖然電污水源熱泵和電地源熱泵的初期造價(jià)較高，但由于年運(yùn)行費(fèi)用低，在運(yùn)營期第5年后將低于燃?xì)夤岱绞?，且運(yùn)行期越長，經(jīng)濟(jì)性越明顯。生物質(zhì)鍋爐表現(xiàn)出了較好的經(jīng)濟(jì)性，而實(shí)際情況下熱源周邊可用燃料的數(shù)量和價(jià)格將對(duì)其成本起決定性作用。電空氣源熱泵在全壽命期內(nèi)總費(fèi)用最低，表現(xiàn)出的經(jīng)濟(jì)性最佳。

4 結(jié)語

1)當(dāng)前政策條件下，采用分散式清潔能源供熱是滿足城市采暖需求的重要方式。在各類能源方式中，電、天然氣和生物質(zhì)都是成熟、可行的。

2)隨著環(huán)保監(jiān)察力度的加大，大型熱電廠基本都已進(jìn)行超低排放改造，使其在環(huán)境保護(hù)方面具有明顯優(yōu)勢。生物質(zhì)因成分復(fù)雜，使其排放指標(biāo)相對(duì)其他能源形式較高。

3)結(jié)合實(shí)際工程發(fā)現(xiàn)電熱泵供熱方式具有較好的經(jīng)濟(jì)性，雖然電污水源熱泵和電地源熱泵初期造價(jià)較高，但隨著運(yùn)行期的增加，其經(jīng)濟(jì)性愈加明顯。生物質(zhì)鍋爐供熱在費(fèi)用方面也具有一定優(yōu)勢，在資源豐富地區(qū)可以推廣使用。燃?xì)夤岱绞竭\(yùn)行費(fèi)用最高，長期運(yùn)行將使供熱企業(yè)面臨不小的壓力。綜合考慮能源效率和環(huán)境保護(hù)性，在有條件的情況下應(yīng)優(yōu)先推行電熱泵方式，其他方式在有條件的情況下可作為適當(dāng)補(bǔ)充。