居住建筑供熱系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)措施探析

蔣大為

（北京城建五建設(shè)集團有限公司 北京 100029）

在碳中和的時代背景下，節(jié)能減排成為新的時代主題。當(dāng)前，我國北方地區(qū)存在“過量供熱”、供熱系統(tǒng)能耗較高等問題，這無疑是對能源的浪費及對環(huán)境的破壞。我國是依靠燃煤作為集中供熱系統(tǒng)的主要能量來源，《2020—2026年中共供熱供暖行業(yè)市場運營態(tài)勢及投資前景分析報告》指出，我國煤炭年開采量和已探明總量相比，儲采比不到50年，因此，實施節(jié)能改造迫在眉睫。

1 建筑供熱系統(tǒng)采暖熱源

1.1 燃煤鍋爐

顧名思義，燃煤鍋爐是以燃煤作為基本燃料的鍋爐，煤炭在爐膛燃燒時將熱量轉(zhuǎn)化成水蒸氣或者熱水的形態(tài)，并以水蒸氣或熱水作為媒介實現(xiàn)熱量傳輸。根據(jù)其用途不同，可以劃分為提供開水的燃煤開水鍋爐、提供蒸汽的燃煤蒸汽鍋爐、實現(xiàn)蒸煮食物或干燥空間的燃煤導(dǎo)熱油鍋爐和以熱水為媒介實現(xiàn)采暖和洗浴功能的燃煤熱水鍋爐。北方地區(qū)老舊城區(qū)的集中供熱系統(tǒng)中使用的主要熱源為20t/h以下的燃煤熱水鍋爐，其熱量損耗率約25%～60%。為提升熱量轉(zhuǎn)換效率，新建城區(qū)多采用20t/h以上的燃煤熱水鍋爐，熱量損耗率降至15%～25%。近年來，因燃煤鍋爐污染環(huán)境而要求以其他熱源進(jìn)行替換的聲音層出不窮。事實上，我國對于燃煤鍋爐中排出的粉塵、硫氮氧化物等污染物已經(jīng)形成了完善的凈化技術(shù)，經(jīng)過凈化后的煙氣并不會對大氣環(huán)境造成損害。燃煤鍋爐相較其他熱源擁有較高的熱量轉(zhuǎn)化率，目前還是北方地區(qū)集中供熱系統(tǒng)的主要選擇之一［1］。

1.2 燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)

燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)占據(jù)了我國集中供熱系統(tǒng)的大半份額，是北方地區(qū)最常用的集中供熱方式。燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)最大的優(yōu)勢是提升熱轉(zhuǎn)換率，利用“好處歸熱法”進(jìn)行計算，截至2017年，我國發(fā)電平均煤耗為309g/（kW·h），以此數(shù)值計算燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的冬季發(fā)電燃煤量，與實際冬季消耗燃煤量做比較，以多消耗的燃煤量作為與其輸出熱量匹配的需求量，經(jīng)過比較，采用燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)方式進(jìn)行的集中供暖的熱量轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到130%～200%，在燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)的方式下，燃煤作為單次輸入能源，能夠在單位投入下獲得最高的熱量，在我國以燃煤為主要能源的基本國情下最為符合北方地區(qū)集中供熱需求。也是憑借這一技術(shù)，有效縮短了與歐美發(fā)達(dá)國家的差距。在社會的不斷進(jìn)步下，燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠近年來也有了新的發(fā)展趨勢。例如：北京、沈陽等一些發(fā)展較早的城市，由于發(fā)展較快，城市管網(wǎng)容量、熱源容量已無法承載居民需求，只能通過不斷增加熱水鍋爐以保障供熱；內(nèi)蒙古烏海等新興城市，由于城市擴張等規(guī)劃，建設(shè)了大量的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠，導(dǎo)致所輸出能耗遠(yuǎn)大于實際需求，使得節(jié)能減排成為空談。

1.3 燃?xì)忮仩t和天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)

燃?xì)忮仩t以燃?xì)庾鳛闊崮芄┙o，因其較高的熱能轉(zhuǎn)化率（可達(dá)到85%～90%）和燃燒過程并不釋放有害物質(zhì)等優(yōu)勢在全球范圍內(nèi)都得到了大力推廣。但是，燃?xì)忮仩t和天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)在我國并不具備全面覆蓋的條件，原因在于我國現(xiàn)階段仍以煤炭作為主要能量來源，天然氣總量僅占燃煤總量的7%。因此，在能源規(guī)劃與利用方面，應(yīng)該充分權(quán)衡燃煤與燃?xì)獾膽?yīng)用方式與領(lǐng)域，讓燃煤與燃?xì)舛寄馨l(fā)揮最大價值。當(dāng)前，我國使用燃煤發(fā)電的效率較燃?xì)獍l(fā)電效率低10%，也就是說，轉(zhuǎn)化相同熱量的情況下，天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)方式將會產(chǎn)生更多的電量，因此，燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)更適于發(fā)電。為實現(xiàn)最大限度地節(jié)約能源，采用燃煤供熱、燃?xì)夤╇姷哪Ｊ竭M(jìn)行能源配置更為合理、高效［2］。

1.4 各類熱泵

為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我國不斷在探索不同途徑的熱量獲取方式，使用各類熱泵從海水、地?zé)?、工業(yè)廢熱等低品位熱能中實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化是當(dāng)前使用較廣的一種方式。采用各類熱泵進(jìn)行采暖的本質(zhì)是電能與熱能之間的能量傳輸與轉(zhuǎn)換，其核心還是在于以能源消耗產(chǎn)生電量，以電量作為動力轉(zhuǎn)換熱量的置換過程。不同熱泵系統(tǒng)的能效比值可以作為衡量其供熱效果的依據(jù)，即消耗1kW·h電量可產(chǎn)生熱量的數(shù)值。統(tǒng)計電量消耗時，應(yīng)綜合熱泵壓縮機耗電與循環(huán)水泵耗電。當(dāng)前，我國采用燃煤為主要動力來源進(jìn)行發(fā)電，其凈發(fā)電效率為35%，運輸至使用端會損耗約3%，也就是說末端折合轉(zhuǎn)化率為32%。而依靠燃煤鍋爐實施熱量轉(zhuǎn)化可將燃煤能量的85%轉(zhuǎn)化為熱量。經(jīng)計算得出，只有熱泵系統(tǒng)的能效比值為2.65 時，其耗能產(chǎn)熱與燃煤鍋爐相當(dāng)。當(dāng)前，我國北方地區(qū)冬季采用地源熱泵、水源熱泵等系統(tǒng)進(jìn)行采暖時，平均能效比值在2.5～3，這就對熱泵系統(tǒng)在設(shè)計和運行管理方面提高了要求。特別是對于東北、內(nèi)蒙古和新疆北部等嚴(yán)寒地區(qū)，地下溫度不足以提供熱能，能效比指也能難超過2.65，因此，對于這些地區(qū)來說，各類熱泵系統(tǒng)并不適用于集中供熱。

2 當(dāng)前北方建筑供熱機制存在的問題

2.1 二次管網(wǎng)的資產(chǎn)所有者與管理維護者的矛盾

房屋開發(fā)商以投資建設(shè)或繳納“并網(wǎng)費”的方式實現(xiàn)對于小區(qū)內(nèi)二次管網(wǎng)的所有權(quán)。但在實際使用中，房屋開發(fā)商并不具備對于集中供熱系統(tǒng)二次管網(wǎng)的日常管理、調(diào)節(jié)維護等權(quán)限，而是由熱力公司實施管理維護。房屋開發(fā)商在集中供熱投入中的最基本原則為，在保障供熱的前提下，減少資本投入，以獲取很多的利益；而熱力公司則需要以供熱效果作為衡量日常工作的準(zhǔn)則，豐厚的資本投入將更加有效地保障集中供熱順暢穩(wěn)定。這便造成了以房屋開發(fā)商為代表的二次管網(wǎng)的資產(chǎn)所有者與以熱力公司為代表的管理維護者間在日常運營時的矛盾。

2.2 二次管網(wǎng)管理調(diào)節(jié)與熱力公司管理調(diào)節(jié)的矛盾

在保障供熱需求的前提下，供熱公司會以節(jié)能委員長對集中供熱主網(wǎng)實施提升熱源運行效率、減少購熱量等調(diào)節(jié)措施。而二次管網(wǎng)的服務(wù)對象為居民，其管理調(diào)節(jié)的重點在于消除供熱線路故障，保障居民家中正常供熱。負(fù)責(zé)二次管網(wǎng)管理調(diào)節(jié)的工作人員并不具備與熱力公司負(fù)責(zé)人員立場一致的節(jié)能減排目標(biāo)與付諸行動的動力，而實現(xiàn)節(jié)約能耗在很大程度上要依靠二次網(wǎng)內(nèi)和樓內(nèi)的有效調(diào)節(jié)［3］。

2.3 熱力公司經(jīng)營機制與熱改按量計費的矛盾

當(dāng)前，熱力公司通常采用按面積收費和按熱量計量收費兩種模式，其節(jié)能調(diào)節(jié)措施主要區(qū)別在于：按面積收費時，在保障室內(nèi)溫度的前提下，壓縮供熱量；按熱量計量收費則以獲取經(jīng)濟收益為目標(biāo)，盡可能多額向用戶提供熱量。因熱量計量可以從終端控制熱量供應(yīng)，因此，供熱改革要求取暖費用收取由按面積收取向按熱量計量收取過渡。但為保障室內(nèi)溫度與遵從經(jīng)濟規(guī)律，往往是保溫好、耗熱量少的建筑先實行按照熱量計量；保溫差、耗熱量多的建筑則繼續(xù)按照面積收費，這必然造成熱力公司虧損。

3 北方地區(qū)集中供熱系統(tǒng)節(jié)能改造問題及趨勢

3.1 熱計量和供熱收費改革

2000年，我國開始全面推行供熱收費改革，為了節(jié)約能耗、避免過量供熱，對集中供熱系統(tǒng)實施熱計量，通過輸出熱量控制，可以使采暖能耗降至目前的70%～80%。熱計量還可以將集中供熱進(jìn)一步量化，以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一定范圍內(nèi)的比對，倡導(dǎo)供熱系統(tǒng)形成節(jié)約、節(jié)能的良好氛圍，推廣圍護結(jié)構(gòu)保溫等建筑節(jié)能技術(shù)，以實施節(jié)能技術(shù)后節(jié)省的經(jīng)濟投入支付建筑節(jié)能改造的支出?！鞍笛a改明補”政策的實施推動了熱計量和供熱收費改革進(jìn)一步向前發(fā)展，通過管網(wǎng)改造，以住宅私有化為基，實現(xiàn)分戶收繳供熱費。盡管通過收費方式加強了全民節(jié)能的緊迫性，但是分戶安裝的熱表并不具備調(diào)控室內(nèi)溫度的功能，且按計量收取供熱費存在重重困難，因此，“過量供熱”問題并沒有得到很好的解決。由此可見，以戶為單位實施熱量管控操作難度較大，若以物業(yè)管理主體層面與熱力公司對接，則會有效提升能效管控的可操作性。以熱力站為結(jié)算終端，熱表設(shè)置于各建筑熱入口處，由熱力站實施熱力分配與費用收繳。物業(yè)服務(wù)主體作為一切住宅建筑與非住宅建筑的管理者，充分了解每棟建筑的熱力使用情況，并根據(jù)需求實施熱力站配予的熱量分配，做到既保障室內(nèi)溫度需求，又避免多余熱量消耗［4］。

3.2 熱源由煤炭轉(zhuǎn)為天然氣

在碳中和的時代背景下，節(jié)能減排成為時代主題。介于煤炭不可再生的自然屬性，我國一直致力于探究儲量豐富、不會造成環(huán)境壓力的新型取代能源。天然氣因其豐富的儲量、有效改善燒煤引起的大氣環(huán)境惡化問題等優(yōu)勢成為建設(shè)低碳城市的不二選擇。相關(guān)研究表明，我國預(yù)測天然氣地質(zhì)總儲存量達(dá)38 萬億m3，約占世界天然氣總儲存量的2%。在碳中和背景下，提升天然氣這一清潔能源的利用率意義非凡。以北京為例，燃煤作為重要的供暖源，在PM2.5排放榜上位列第二，貢獻(xiàn)占比22.4%，僅次于PM2.5貢獻(xiàn)率達(dá)到31.1%的機動車。2012年開始，北京啟動“煤改氣”，更換原來的燃煤供暖鍋爐，改為天然氣和非化石能源供暖，2015年的目標(biāo)是實現(xiàn)核心區(qū)無煤化、城六區(qū)基本無燃煤鍋爐。改造后，供熱廠基本不排放二氧化硫和粉塵，氮氧化物的排放也大大降低，減排的效果還是非常明顯的。但是，對于天然氣的應(yīng)用不能一味地仿照燃煤集中供熱，而應(yīng)根據(jù)其特點作出相應(yīng)的調(diào)試，較為突出的是分布式天然氣多聯(lián)供集中供熱項目，因其高效環(huán)保提供熱能，成為現(xiàn)階段各地實施的綠色能源應(yīng)用新嘗試。例如，國家電投集團天然氣多聯(lián)供能源項目中，主要供熱方式依舊為熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱，有所不同的是，它采取了可再生的天然氣等清潔能源作為輔助，積極開發(fā)建設(shè)工況智能尋優(yōu)系統(tǒng)，提升智慧能源項目經(jīng)濟性，挖掘智慧能源價值，通過電、熱負(fù)荷智能預(yù)測，提升生產(chǎn)計劃、燃料采購、供能服務(wù)經(jīng)營的效率和智能化水平，在節(jié)約能源的同時，保障了充足的供熱能力，提升了居民的生活環(huán)境品質(zhì)。在煤炭在向天然氣轉(zhuǎn)化的過程中，還應(yīng)當(dāng)考慮初始成本能夠與天然氣燃燒的長期財務(wù)收益相平衡，天然氣省去了運輸、處理等勞動和維護密集型過程，從而可以達(dá)到有效減少運營成本的目的［5］。

3.3 挖掘熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)潛力

前文提到熱電聯(lián)產(chǎn)能夠有效提升能源的熱轉(zhuǎn)化率，實際上，這并不是熱電聯(lián)產(chǎn)全部功效，熱電聯(lián)產(chǎn)電廠在非采暖期中提升發(fā)電效率方面還具有很大的發(fā)展空間。非采暖期供熱系統(tǒng)不工作，為保障單純發(fā)電工作效率，熱電聯(lián)產(chǎn)電廠熱電機組的單機容量通常以20萬kW、30萬kW為主。而這一功率的發(fā)電設(shè)備在冬季供熱系統(tǒng)工作時會存在非常大的安全隱患，這就對汽輪機的低壓缸通過流量提出了一定的要求，有一部分整體需要在低壓缸的作用下進(jìn)入冷凝器遇冷后，經(jīng)由冷卻塔或空冷島排出系統(tǒng)外，這部分流量約占總流量20%～30%，排出的這些熱量無疑是對能源的浪費，若能夠加以利用，是提升能源轉(zhuǎn)化效率的又一捷徑。當(dāng)前的主要做法是在“吸收式換熱”的基礎(chǔ)上，對進(jìn)入冷凝器的熱量增加新的轉(zhuǎn)換流程，以實現(xiàn)熱量的收集與再利用，達(dá)到幫助機組提升30%～50%供熱能力的良好效果。例如，大同第一熱電廠投資1 億元對兩臺13.5 萬kW 的冷風(fēng)機組實施了改造，供熱面積在原來370萬㎡的基礎(chǔ)上增加了180萬㎡，且在保障發(fā)電量與燃煤量的前提下，輸出熱量增加了50%，大幅提升了能源利用率［6］。

3.4 發(fā)揮工業(yè)生產(chǎn)余熱價值

集中供熱系統(tǒng)消耗能量僅占全國總能耗中很少的一部分，而能源消耗的巨頭當(dāng)屬工業(yè)生產(chǎn)，工業(yè)余熱可支撐部分集中供暖系統(tǒng)中的熱源供給。以鋼鐵、建材為主的工業(yè)生產(chǎn)，其能源熱轉(zhuǎn)化的利用率在30%～70%之間，剩余排出的熱量稱之為工業(yè)余熱，這些工業(yè)余熱都可以進(jìn)行再利用。其中，高于200℃的工業(yè)余熱可以用來發(fā)電，但是絕大部分30～80℃的工業(yè)余熱往往經(jīng)由冷卻塔蒸發(fā)。實際上，這部分熱量在北方寒冷的采暖季中恰好可以作為供暖系統(tǒng)的熱源，從而減少燃煤、燃?xì)獾绕渌茉吹南?。若?0km 為工業(yè)余熱供暖服務(wù)半徑，則除卻北京、天津等特大型城市外，約有75%的北方城市可以由工業(yè)余熱或燃煤電廠余熱補給集中供暖熱源。工業(yè)余熱利用設(shè)備的常見換熱方式為“氣—氣”“氣—水”“氣—汽”3種換熱方式，換熱器選型可選管殼式、板式，也可選用熱管換熱器。由于熱管具有獨特的高效傳熱優(yōu)勢，近年來，熱管換熱器在工業(yè)窯爐余熱利用工程中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。采取工業(yè)余熱作為供熱熱源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于如何解決利用低成本長途輸送低品位熱量、如何高效采集工業(yè)余熱等問題。針對這些問題，內(nèi)蒙古赤峰等地開展了采用工業(yè)余熱實現(xiàn)集中供暖的示范工程，其建設(shè)前期投資與建設(shè)常規(guī)的燃煤鍋爐供熱熱源相同，但建成后不再需要消耗常規(guī)能源，大大降低了運行費，在經(jīng)濟上具有很大優(yōu)勢，是具有巨大節(jié)能減排效果和經(jīng)濟優(yōu)勢的供熱熱源方式［7］。

4 結(jié)語

在碳中和的時代背景下，壓縮能耗是全國乃至全世界的共同目標(biāo)。一直以來，北方地區(qū)冬季采暖能耗，不管對環(huán)境還是對經(jīng)濟，都存在不小的負(fù)擔(dān)。本文通過梳理北方地區(qū)集中供熱系統(tǒng)采暖目前使用的燃煤鍋爐、燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)、燃?xì)忮仩t和天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)、各類熱泵等熱源方式，指出集中供熱機制中存在的二次管網(wǎng)資產(chǎn)所有者與管理維護者、微管網(wǎng)管理調(diào)節(jié)與熱力公司管理調(diào)節(jié)、熱力公司經(jīng)營機制與熱改按量計費、熱源高效調(diào)節(jié)與熱網(wǎng)調(diào)節(jié)利益等4 個方面存在的矛盾，歸納出北方地區(qū)集中供熱系統(tǒng)中熱計量和供熱收費改革、熱源由煤炭轉(zhuǎn)為天然氣、挖局熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)潛力、發(fā)揮工業(yè)生余熱價值等節(jié)能改造發(fā)展趨勢，以期為推進(jìn)北方地區(qū)既有建筑集中供熱系統(tǒng)節(jié)能改造提供理論依據(jù)與實踐指導(dǎo)。