基于碳達(dá)峰、碳中和過(guò)程的綠色低碳供熱問(wèn)題與對(duì)策

溫志杰，王永濤

(甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 730030)

1 國(guó)內(nèi)外供熱發(fā)展概況

1.1 國(guó)外

美國(guó)于1877 年建立了最早的集中供熱系統(tǒng)。進(jìn)入20 世紀(jì)，法國(guó)、加拿大、前蘇聯(lián)等國(guó)的集中供熱系統(tǒng)也一步步發(fā)展起來(lái)，并形成了一定的規(guī)模[1]。前蘇聯(lián)以熱電廠為主要的熱源發(fā)展集中供熱，其規(guī)模已經(jīng)占據(jù)世界首位。由于前蘇聯(lián)使用熱電聯(lián)產(chǎn)方式為主要集中供熱熱源，相比較以前的供熱方式，煤炭的節(jié)約量就達(dá)到了近7000 萬(wàn)t[2]，節(jié)約了煤炭資源的同時(shí)，還大大提高了能源的利用率，并且在一定程度上解決了大量燃煤導(dǎo)致的環(huán)境污染的問(wèn)題。

1.2 國(guó)內(nèi)

由于歷史格局問(wèn)題，我國(guó)城市集中供熱系統(tǒng)發(fā)展較西方國(guó)家晚得多。我國(guó)第一家煤氣熱力公司于1958 年在北京成立，且1959 年第一家城市熱電廠-北京東郊熱電廠開(kāi)始實(shí)施集中供熱[3～6]。發(fā)展速度迅猛，短短幾十年的發(fā)展，就已經(jīng)形成了一定的規(guī)模，并且在進(jìn)一步完善和加強(qiáng)。目前，我國(guó)城市集中供熱采用熱電聯(lián)產(chǎn)已經(jīng)超過(guò)50%，占比仍然在迅速增大，且伴隨著不可再生能源的大量消耗[7]。隨著國(guó)內(nèi)城市集中供熱的發(fā)展，熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱以及太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、熱泵系統(tǒng)等可再生能源供熱系統(tǒng)占比將進(jìn)一步加大，提高能源的利用率，實(shí)現(xiàn)能源的多級(jí)利用[8～10]，并且降低對(duì)環(huán)境的污染。

2 我國(guó)西北地區(qū)供熱存在的問(wèn)題

(1)由于我國(guó)幅員遼闊，冬季采暖期采暖面積巨大，能源利用率低，消耗量巨大。

(2)集中供熱過(guò)程中，資源配置不合理，鍋爐運(yùn)行過(guò)程中效率低下，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，熱效率普遍降低。

(3)集中供熱，管網(wǎng)管徑大(達(dá)到DN1400)、輸送距離遠(yuǎn)，沿程熱量損失及水力失調(diào)嚴(yán)重，由于一級(jí)網(wǎng)、二級(jí)網(wǎng)規(guī)模大，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)存在一定水量損失，需要0.01%～0.5%的補(bǔ)水量，占比雖然很小，但是總量很大[11]。

(4)無(wú)法適應(yīng)不同的消費(fèi)需求，供熱品質(zhì)不高，沒(méi)有及時(shí)有效的調(diào)控手段和計(jì)量裝置。設(shè)備技術(shù)水平發(fā)展緩慢，自動(dòng)控制能力偏低，在運(yùn)行管理方面不夠細(xì)致準(zhǔn)確。

3 供熱發(fā)展段趨勢(shì)

2010～2020年國(guó)內(nèi)原煤及天然氣的產(chǎn)量折線圖如圖1。

圖1 我國(guó)近十年內(nèi)原煤、天然氣產(chǎn)量(數(shù)據(jù)來(lái)源：國(guó)家統(tǒng)計(jì)局)

由圖1可以看出，國(guó)內(nèi)原煤和天然氣的產(chǎn)量逐年增加，煤炭的消耗量依舊沒(méi)有得到有效控制。中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

我國(guó)供熱系統(tǒng)能源的利用率僅為35%～55%[12,13]，能源利用率低，故節(jié)能減排，減少以煤炭為主的熱源，使用新能源勢(shì)在必行。目前國(guó)內(nèi)集中供熱的熱源有好幾種方式，如占比最大的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)，也是目前發(fā)展最快，城市集中供熱的主力軍，還有一些采用區(qū)域鍋爐房、熱泵、太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芤约肮I(yè)余熱等為輔助熱源來(lái)滿足供熱需求?，F(xiàn)在信息技術(shù)迅速發(fā)展的情況下，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等各種技術(shù)應(yīng)用并投入到智慧供熱中。智慧供熱技術(shù)原理：利用當(dāng)?shù)亟鼛啄暝诓膳緯r(shí)期，設(shè)備運(yùn)行以及氣候條件的綜合數(shù)據(jù)作為依照基礎(chǔ)，對(duì)采暖季數(shù)據(jù)的離散點(diǎn)以及出現(xiàn)的特殊情況進(jìn)行篩選和統(tǒng)計(jì)，做到對(duì)采暖季設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的合理假定、以此降低集中供熱的成本，在一定程度上節(jié)約了能耗。設(shè)備管理人員應(yīng)該及時(shí)根據(jù)室外天氣狀況，調(diào)整設(shè)備參數(shù)，使熱用戶室內(nèi)溫度保持恒定，提高生活品質(zhì)，不會(huì)因環(huán)境變化造成波動(dòng)[14～17]。

4 熱源的分類(lèi)

4.1 熱電聯(lián)產(chǎn)

熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)作為供熱的主力軍，主要優(yōu)點(diǎn)是可以提供長(zhǎng)期有效且穩(wěn)定的熱源，同時(shí)也可以節(jié)約能源的消耗，提高能源的利用率，實(shí)現(xiàn)能源的多級(jí)利用[18,19]，提高能源的綜合效果。

4.2 區(qū)域鍋爐房

目前還存在的一些區(qū)域鍋爐房，運(yùn)行效率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，且能源利用率低，設(shè)備管理不嚴(yán)格。

4.3 熱泵

熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低位熱能，經(jīng)過(guò)電能做功，提供可被人們所用的高位熱能的裝置，目前有很好的利用市場(chǎng)。將熱泵和換熱器結(jié)合使用，將集中供熱管網(wǎng)的回水溫度利用換熱器提取出來(lái)，然后與水源熱泵相結(jié)合，將回水溫度提高到熱網(wǎng)供水溫度，這樣可以減少熱源的能耗，降低煤炭資源消耗量，改善環(huán)境。

4.4 太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?/h3>

我國(guó)西北地區(qū)日照充足，太陽(yáng)能資源豐富。目前太陽(yáng)能利用設(shè)備局限于家用太陽(yáng)能熱水器，尤其在寒冷的冬天，其利用率更低。故太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)潛力巨大，尤其在冬季采暖供熱方向。西北地區(qū)風(fēng)能資源豐富，目前國(guó)內(nèi)采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，進(jìn)行風(fēng)能的有效利用。

4.5 工業(yè)余熱

國(guó)內(nèi)大型的鋼鐵廠余熱的利用，以及鍋爐煙氣的余熱和生活余熱，都有再回收利用的價(jià)值和潛力。

5 改善能源結(jié)構(gòu)的措施

要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，就必須從能源結(jié)構(gòu)，能源利用率，能源管理、新能源的開(kāi)發(fā)和研發(fā)新設(shè)備改進(jìn)技術(shù)等各個(gè)方面入手，努力在2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和。我國(guó)集中供熱面積逐年增加(圖2)，每年的供熱量也在相應(yīng)的增長(zhǎng)，這就不得不考慮能源的消耗和新能源的開(kāi)發(fā)來(lái)滿足目前國(guó)內(nèi)供熱市場(chǎng)的需求，以及滿足市場(chǎng)需求的同時(shí)，還要做到提高能源利用率，減小環(huán)境負(fù)擔(dān)。

圖2 我國(guó)城市集中供熱面積

5.1 熱源優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前城市集中供熱主要以熱電聯(lián)產(chǎn)為主，區(qū)域鍋爐房、熱泵等其他供熱方式為輔[20,21]。這種供熱結(jié)構(gòu)造成能源的利用率低，消耗量大，環(huán)境污染嚴(yán)重，不符合當(dāng)下節(jié)約能源，提高供熱效率，改善環(huán)境的主要方針。

(1)城市集中供熱熱源應(yīng)以主城區(qū)為單位，建立熱源(圖3)。將目前所有的熱源進(jìn)行整合、集中。以熱電聯(lián)產(chǎn)(核能供熱、垃圾焚燒供熱、地?zé)峥照{(diào)采暖供熱)為主要熱源，以太陽(yáng)能、地?zé)崮?、熱泵、工業(yè)余熱等清潔能源為輔。加大太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、熱泵及工業(yè)余熱等清潔熱源的占比，慢慢將熱源向新能源傾斜，減少熱電聯(lián)產(chǎn)的能耗，節(jié)約天然氣、煤炭資源。

圖3 熱源的分類(lèi)

(2)將各種熱源加以整合規(guī)劃，調(diào)整供熱方式，研發(fā)新技術(shù)，新設(shè)備，進(jìn)行集中供熱改革，加大管理力度，調(diào)整資源配置，根據(jù)城區(qū)熱負(fù)荷分布，優(yōu)化供熱管網(wǎng)排布，加大對(duì)整條管路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋。

(3)政府應(yīng)加強(qiáng)建立集中供熱節(jié)能的規(guī)章制度，培養(yǎng)一批專(zhuān)業(yè)人才。對(duì)我國(guó)集中供熱的現(xiàn)狀進(jìn)行摸底，測(cè)評(píng)，合理地規(guī)劃和管控，對(duì)資源進(jìn)行合理化配置。

(4)供熱公司應(yīng)加強(qiáng)每一位工作人員的節(jié)能意識(shí)，提高員工的責(zé)任心。集中培訓(xùn)員工，定期考核，不達(dá)標(biāo)者及時(shí)再培訓(xùn)或者裁撤。精細(xì)化管理，責(zé)任分工明確，定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查、維修和保養(yǎng)，保證設(shè)備能在額定工況下工作，且高效運(yùn)行。

(5)優(yōu)化集中調(diào)節(jié)的方式，從質(zhì)調(diào)節(jié)、分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)、質(zhì)量-流量調(diào)節(jié)、間歇調(diào)節(jié)和熱量調(diào)節(jié)等5 種調(diào)節(jié)方式進(jìn)行優(yōu)化[22～24]。根據(jù)室外環(huán)境變化對(duì)熱源的供熱量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，以達(dá)到熱用戶室內(nèi)的熱舒適要求。

5.2 熱網(wǎng)優(yōu)化改進(jìn)

集中供熱的熱網(wǎng)是連接熱源廠、換熱站、用戶的媒介，熱量只有通過(guò)管網(wǎng)才能輸送到熱用戶。由于集中供熱，供熱距離可達(dá)幾千米，一級(jí)管網(wǎng)、二級(jí)管網(wǎng)較長(zhǎng)，管網(wǎng)熱損失大。在早期傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，采用從熱源開(kāi)始，支狀管網(wǎng)的方式，這樣的設(shè)計(jì)方式簡(jiǎn)單，節(jié)省甲方投資，但是熱穩(wěn)定性差，供熱安全性低，一旦管網(wǎng)破裂，就會(huì)導(dǎo)致整條線路供熱癱瘓，造成巨大的損失。

(1)管網(wǎng)材料選用傳熱系數(shù)低，耐腐蝕的材料，并且保溫材料選用低傳熱系數(shù)、壽命長(zhǎng)、耐潮濕的材料，減少熱量在輸送過(guò)程中的熱損失。防止管道接口處的跑冒滴漏，造成安全隱患和熱量水量的損失。

(2)繼續(xù)研發(fā)新的管網(wǎng)材料和保溫材料，進(jìn)一步降低其傳熱系數(shù)，減少傳輸過(guò)程總的熱損，提高材料的防腐性和使用壽命。

(3)在一級(jí)網(wǎng)和二級(jí)網(wǎng)之間每隔一段距離都設(shè)置檢測(cè)裝置。改變傳統(tǒng)的枝狀管網(wǎng)設(shè)計(jì)，將管網(wǎng)設(shè)計(jì)成環(huán)狀，環(huán)狀管網(wǎng)雖然初投資高，設(shè)備施工工期長(zhǎng)，但是其管網(wǎng)的熱穩(wěn)定性好，安全可靠，可以保證熱網(wǎng)的熱平衡減少水利失調(diào)。

(4)在正常情況下，漏水量一般應(yīng)為系統(tǒng)總水容量的0.1%～0.5%[25～27]，漏水量巨大，所以系統(tǒng)需要及時(shí)補(bǔ)水。補(bǔ)水溫度低于回水溫度，必須加熱到回水溫度，這樣導(dǎo)致需要一部分額外的耗熱量。在管網(wǎng)計(jì)算負(fù)荷供熱時(shí)，會(huì)考慮管路熱損和一定的富裕度，管網(wǎng)的管徑相對(duì)取大，導(dǎo)致供熱量加大，能耗損失，管材初投資提高。應(yīng)加強(qiáng)管理，精確設(shè)計(jì)，在保證用戶端熱負(fù)荷滿足的條件下，減少能耗和材料損失。

5.3 熱用戶用熱管理

不管是熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱，還是區(qū)域鍋爐房供熱，最終的目的都是服務(wù)于熱用戶，滿足熱用戶在采暖期室內(nèi)的熱舒適，提高生活品質(zhì)。熱用戶的經(jīng)濟(jì)性、舒適性是供熱工程最基本的要求。

(1)由于城區(qū)還存在大面積的老舊小區(qū)，管網(wǎng)常出現(xiàn)跑冒滴漏的現(xiàn)象，早期的建筑設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)在的設(shè)計(jì)要求有所差異，造成集中供熱困難，以及系統(tǒng)承壓、容量等的不匹配，造成供熱負(fù)荷增大，消耗不必要的能耗。應(yīng)加以修正原來(lái)管網(wǎng)系統(tǒng)，拆除不合理的管網(wǎng)。

(2)加強(qiáng)用戶的智能監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)使用分戶計(jì)量裝置，做到不用時(shí)關(guān)閉，節(jié)省能源，合理化熱用戶的收費(fèi)機(jī)制，做到用多少，交多少費(fèi)用，摒棄以前的整個(gè)采暖季收費(fèi)的方式。

(3)現(xiàn)在采暖期供熱，室內(nèi)溫度很高，有些住戶一邊開(kāi)著窗戶，一邊繼續(xù)開(kāi)著暖氣，造成不必要的能耗，應(yīng)該加強(qiáng)居民的節(jié)能意識(shí)，提高全民道德素養(yǎng)，廣做宣傳，讓大家共同監(jiān)督節(jié)約能源。

(4)目前的散熱末端依然存在著一些問(wèn)題，散熱器、地?zé)岜P(pán)管等存在水力失調(diào)等因素，應(yīng)該繼續(xù)研發(fā)和設(shè)計(jì)更加高效的散熱器，改進(jìn)供熱末端，提高供熱末端的散熱量，給用戶提供一個(gè)更加舒適的生活和辦公的環(huán)境，提高生活品質(zhì)。

6 結(jié)論與展望

目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，集中供熱的總面積持續(xù)增加，力爭(zhēng)在2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和，就需要提高全民素養(yǎng)，節(jié)約能耗，實(shí)現(xiàn)能源的多級(jí)利用，改善自然生態(tài)環(huán)境。應(yīng)該從熱源、輸配管網(wǎng)以及熱用戶三方面做詳細(xì)的研究，進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)設(shè)備，促進(jìn)供熱設(shè)備技術(shù)的不斷升級(jí)，調(diào)整資源結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)新能源，加大新能源的占比。需加大研究新型的節(jié)能設(shè)備和供熱系統(tǒng)的力度，將智慧供熱更加精細(xì)化并與集中供熱相結(jié)合。未來(lái)，供熱能夠做到根據(jù)外界氣候的實(shí)時(shí)變化，并且結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)溫度的變化，提前調(diào)整供熱負(fù)荷，真正實(shí)現(xiàn)智慧供熱，提高室內(nèi)熱舒適，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供熱。政府機(jī)構(gòu)應(yīng)該進(jìn)一步健全供熱節(jié)能規(guī)章制度，完善設(shè)計(jì)規(guī)范，實(shí)時(shí)監(jiān)督，對(duì)資源結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理化配置，只有從本質(zhì)上了解供熱情況，才能真正解決問(wèn)題，并以此達(dá)到節(jié)能減排的目的。