多種清潔能源互補使用的必要性及展望

邢美澤 陳 旭 耿新奇

（沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168）

清潔能源轉(zhuǎn)型指使用更清潔的替代品取代不清潔的化石燃料，脫碳進(jìn)程的步伐可能取決于清潔能源技術(shù)的發(fā)展速度。目前，清潔能源包括太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能等，單一的能源無法滿足建筑物的所有用能需求，多能互補系統(tǒng)應(yīng)運而生。

1 清潔能源的使用

1.1 清潔能源的概念

清潔能源可能是不產(chǎn)生污染的能源，能源本身是干凈的；或者通過技術(shù)手段達(dá)到能源的清潔開發(fā)和利用[1]。

1.2 清潔供能的主要技術(shù)

清潔能源供能分類如圖1所示。

圖1 清潔能源供能分類

（1）空氣源熱泵。

空氣源熱泵具有統(tǒng)一的冷熱源，無須單獨設(shè)置制冷室、鍋爐房，機(jī)組放置位置較隨意，施工方便，安裝簡單；無冷卻水循環(huán)能量消耗和冷卻水系統(tǒng)功耗；機(jī)組不需要鍋爐燃料，無須除塵和煙氣排放，安全可靠無污染；無須備用機(jī)組，運行過程中由電腦自動控制，系統(tǒng)運行自動化，使輸出功率與工作環(huán)境相適應(yīng)。但是系統(tǒng)熱泵的能效系數(shù)（COP）隨著室外溫度的降低而降低，北方室外氣溫較低，冬季熱泵機(jī)組制熱不足，需要設(shè)置輔助加熱器。

（2）水源熱泵。

水源熱泵的冷熱源是地球水體，可利用水體包括地下水、河流、湖泊以及海洋，可使用范圍廣、可再生；水源熱泵運行效率高、費用低、節(jié)能效果好、系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠；系統(tǒng)無須燃燒，無排煙及廢棄物，可建造在居民區(qū)附近，環(huán)保效益顯著；熱泵系統(tǒng)一機(jī)多用，可制熱和制冷。水源熱泵使用時應(yīng)要結(jié)合當(dāng)?shù)卣?，滿足水源溫度和清潔度要求，水源無法做到100%回灌可能造成水資源浪費或水源污染。

（3）太陽能。

太陽能使用不受地域限制，可以直接開發(fā)利用，易于采集，是最清潔的能源之一。太陽光是分散的，到達(dá)地球表面的太陽輻射量非常大，但能量通量密度很低；受地域、天氣、季節(jié)、海拔等因素的影響，太陽能極不穩(wěn)定，大規(guī)模應(yīng)用具有難度；有些太陽能利用裝置效率低，成本高；使用時應(yīng)參考當(dāng)?shù)仃柟庹丈?，有時需要增加輔助熱源。

（4）固體電蓄熱。

固體電蓄熱技術(shù)將低谷時段的電能轉(zhuǎn)換在固體蓄熱材料中，占地面積小、熱效率高；蓄熱溫度高，可以設(shè)置溫度；技術(shù)的操作指令簡單，安全系數(shù)高；能夠充分利用峰谷電價，移峰填谷，平衡電網(wǎng)，在一定限度上避免能源浪費。

（5）生物質(zhì)能。

生物質(zhì)能分布廣泛，總量豐富；生物質(zhì)的硫、氮含量低，燃燒過程中生成的SOx、NOx較少；存在形式多樣化，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。但生物質(zhì)能的產(chǎn)業(yè)化程度和發(fā)展規(guī)模不高；國家采用了許多補貼手段，但是產(chǎn)業(yè)門檻較高，成本價格難以控制。

2 提高能源利用靈活性的方法

2.1 使用單一清潔能源面臨的挑戰(zhàn)

熱泵系統(tǒng)利用電網(wǎng)電力和低品位熱源，為建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)[2]。不同天氣條件下，熱泵系統(tǒng)的能量消耗低于傳統(tǒng)的供能系統(tǒng)，在減少NOx、CO2、SO2等環(huán)境空氣污染物方面具有間接盈利能力。僅選擇1種熱泵為建筑供能時，長期運行會對機(jī)組或環(huán)境造成一定限度的損害?？諝庠礋岜玫闹茻嵝适苁彝鉁囟鹊挠绊?，室外溫度較低時，熱泵系統(tǒng)的COP值急劇下降，影響供暖效果；地源熱泵的地?zé)釢摿υ陂L期的連續(xù)運行和不平衡負(fù)荷中會受到損害，以供暖或供冷為主的地區(qū)，常年的取熱、放熱不均勻會導(dǎo)致地面溫度或水源溫度下降，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)COP值降低。

太陽能是方便的可再生能源，以多種形式被使用，如電能和熱能。太陽能發(fā)電在離網(wǎng)應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢，太陽能熱水器以其結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、收集效率高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[3]。為大型建筑供能時，太陽能自身的不穩(wěn)定性導(dǎo)致供能系統(tǒng)不穩(wěn)定，使得太陽能無法單獨用于建筑供能，需要輔助熱源，如燃?xì)馊紵鳌㈦娂訜岬取?/p>

低谷電蓄熱系統(tǒng)分為水蓄熱和固體蓄熱，可以合理轉(zhuǎn)移峰值能耗，穩(wěn)定峰谷負(fù)荷，提高系統(tǒng)運行效率，在運行過程中幾乎無污染物排放，能夠降低熱用戶供暖成本，為熱用戶穩(wěn)定地提供能量。低谷電蓄熱技術(shù)的推廣使用受電價和電力交易方式的限制，初投資和運行成本較高[4]，大規(guī)模使用不夠經(jīng)濟(jì)，基本作為輔助熱源為建筑供能。

生物質(zhì)能是世界第四大能源，分布廣泛，適用于區(qū)域供熱，生物質(zhì)能的使用必須建立在地區(qū)生物質(zhì)燃料豐富的基礎(chǔ)上，部分地區(qū)生物質(zhì)燃料收集困難，燃料成本高，不能或不足以作為建筑的唯一熱源。

2.2 多能源互補的優(yōu)勢

很多清潔能源逐漸走進(jìn)居民的日常生活，可單一能源系統(tǒng)在長時間運行中，供能效果無法達(dá)到預(yù)期設(shè)想。為了提高能源利用的靈活性，建立穩(wěn)定的供能系統(tǒng)，采用多種清潔能源互補使用的方法，使用多種清潔能源，減少一次能源消耗和二氧化碳排放，克服單一能源系統(tǒng)的相關(guān)挑戰(zhàn)，為建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施提供高效、穩(wěn)定、可靠和成本效益高的供能方式。

3 多能互補系統(tǒng)的應(yīng)用實例及分析

3.1 多能互補系統(tǒng)應(yīng)用實例

遼寧大廈位于沈陽市，是多功能型四星級商務(wù)酒店，對能源的需求為夏季制冷、冬季制熱、全年生活熱水供應(yīng)。改造前遼寧大廈擁有4臺蒸汽鍋爐，3臺溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組[5]。能源改造后，建筑供能由地下水源熱泵、太陽能、低谷電蓄熱組成的多能互補系統(tǒng)提供。供暖季，空調(diào)系統(tǒng)熱源采用水源熱泵系統(tǒng)和低谷電蓄熱系統(tǒng)聯(lián)合供暖，確?？照{(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運行；生活熱水的制備熱源以水源熱泵為主，以蓄熱水箱的溫度是否達(dá)到設(shè)定值作為切換條件，無法滿足加熱需求時啟用低谷電蓄熱系統(tǒng)。供冷季，空調(diào)系統(tǒng)冷源為水源熱泵機(jī)組；生活熱水的制備熱源以太陽能為主，太陽能蓄熱水箱溫度不足時切換為水源熱泵系統(tǒng)，供冷季停用低谷電蓄熱系統(tǒng)。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，與原燃煤鍋爐系統(tǒng)相比，改造系統(tǒng)每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1977t，年運行費用節(jié)省約340萬元，SO2排放量每年減少39.54t，NOy排放量約74.14t，碳粉塵排放量19.77t，CO2排放量4883t[6]。

湖北武漢某賓館屬于高級接待中心，能源需求為夏季制冷、冬季制熱，全年生活熱水供應(yīng)。改造前酒店擁有3臺開利冷水機(jī)組和2臺2 t燃?xì)庹婵諢崴仩t[7]。能源改造后，建筑供能為空氣源熱泵和湖水源熱泵耦合的供能系統(tǒng)提供。結(jié)合實際情況，運行策略以空氣源熱泵為主，湖水源熱泵為輔，最大限度地保障建筑用能系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)運行一年，空調(diào)系統(tǒng)能夠達(dá)到舒適性空調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約555.3 t，總費用減少了約103.3萬元，每年能減少煙塵排放5.8 t，SO2排放13 t，氮氧化物2.8 t，CO排放17.6 t，CO2排放1 538.3 t[7]。

3.2 多能互補系統(tǒng)應(yīng)用分析

自然界中不可再生能源的耗用量快速遞增，存儲量越來越低，不可再生能源大量消耗帶來的環(huán)境污染問題和生態(tài)破壞問題也愈發(fā)嚴(yán)重，綠色、可持續(xù)性發(fā)展已成為世界能源發(fā)展的主題內(nèi)容。清潔能源在我國能源體系中的地位穩(wěn)步上升，發(fā)展清潔能源將成為我國清潔能源發(fā)展的必然趨勢[8]，尋找合適的建筑供能系統(tǒng)，提高能源利用率。根據(jù)能源特點和建筑的實際情況選擇多種清潔能源互補方法，為建筑節(jié)能提供新的方法和新思路。

太陽能在空間供暖中的應(yīng)用受地理位置、天氣等問題的限制，供能效果不理想；地下水源熱泵的長時間單獨運行可能導(dǎo)致地區(qū)地下水溫下降；沈陽地區(qū)冬季熱負(fù)荷大，供暖季存在用能高峰期，低谷電蓄熱系統(tǒng)作為輔助熱源可以保障系統(tǒng)有條不紊運行，太陽能、地下水源熱泵和低谷電蓄熱技術(shù)組成的多能互補系統(tǒng)，為建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施提供高效、穩(wěn)定、可靠和成本效益高的能源供應(yīng)。

遼寧大廈針對建筑實際情況，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀毁Y源和清潔能源政策形成多能互補系統(tǒng)，加強能源系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)和集成優(yōu)化，促進(jìn)了多種能源的協(xié)調(diào)發(fā)展，大幅提高了供能系統(tǒng)效率，減少了工作人員的人數(shù)和勞動強度，在節(jié)能、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境保護(hù)方面均取得了顯著成效。

武漢某賓館具有良好的湖水源熱泵使用條件，空氣源熱泵在冬季單獨運行會受到室外溫度的影響，制熱效率會隨著室外溫度的降低而下降，利用空氣源熱泵和湖水源熱泵組成互補系統(tǒng)，可以最大化利用能源。

多種清潔能源互補使用，能夠充分利用各自特點，進(jìn)行優(yōu)化組合，達(dá)到集成優(yōu)化的目的，與單一能源系統(tǒng)相比，使用互補能源可以同時調(diào)度以滿足能源需求，進(jìn)一步提高區(qū)域能源供應(yīng)的可靠性和靈活性，響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，更好地推動我國多能源互補相關(guān)先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)程，為可再生能源技術(shù)進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

兩個項目實例證明多能互補系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效、穩(wěn)定的供能方式，打破了只能使用單一能源的固性思維，實現(xiàn)能源利用最大化。多能互補系統(tǒng)可以因地制宜地組合應(yīng)用多種能源，緩解能源供需矛盾，使用可再生能源促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)。多種能源互補使用，能夠充分發(fā)揮能源各自優(yōu)勢，揚長避短，促進(jìn)清潔能源快速發(fā)展，打開節(jié)能新局面。

多能互補系統(tǒng)的應(yīng)用中，控制對象由單一變?yōu)槎鄻?，將面臨一系列挑戰(zhàn)。在多能互補建設(shè)過程中，應(yīng)不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，確保系統(tǒng)安全、可靠、高質(zhì)量運行，對各供能單元進(jìn)行合理設(shè)計，找到最佳運行策略，提高清潔化能源利用，有效地解決能源調(diào)度問題，為環(huán)境和消費者建立雙贏關(guān)系，為社會帶來實質(zhì)性好處，助力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)。