集中供熱系統(tǒng)中應(yīng)用湍流減阻劑的節(jié)能減排綜合性能評價

王開亭，李小斌*，張紅娜，劉糝，曲凱陽，李鳳臣*

（1.天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c實驗室，天津 300350；2.北京京能恒星能源科技有限公司，北京 100073；3.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

集中供熱總是伴隨著巨大的能耗和環(huán)境污染，因此，在滿足供熱需求的同時，減少能耗和環(huán)境污染對于集中供熱系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。向牛頓流體（一般如水）湍流中加入微量的高分子聚合物或某些表面活性劑添加劑，可使流動工質(zhì)引入黏彈性，在不明顯改變流體黏度的前提下，改變流動中湍流結(jié)構(gòu)，從而發(fā)生湍流減阻現(xiàn)象［1］，湍流減阻現(xiàn)象發(fā)生的同時，流動的對流換熱性能也大大減弱［2］。因此，在集中供熱系統(tǒng)中加入湍流減阻劑可以顯著減小湍流摩擦阻力和壓力損失，在滿足相同供熱量的同時減小泵的功耗，對流換熱性能的減弱也可減小工質(zhì)管道運輸過程中熱量的損失。在日本等發(fā)達(dá)國家，集中供熱/供冷系統(tǒng)中減阻劑的應(yīng)用已經(jīng)商業(yè)化，而在我國還處于起步階段，仍需要進(jìn)一步發(fā)展。

本文回顧了集中供熱系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展情況，并根據(jù)不同供熱系統(tǒng)特點，舉例討論了在不同集中供熱系統(tǒng)中假想加入合適的湍流減阻劑后所得到的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對減阻劑在集中供熱系統(tǒng)中應(yīng)用的節(jié)能減排綜合性能進(jìn)行評價，旨在推動湍流減阻劑在我國集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用推廣。

1 集中供熱系統(tǒng)的發(fā)展

1.1 國外集中供熱系統(tǒng)的發(fā)展

集中供熱最早的應(yīng)用是14 世紀(jì)法國的熱水分配建筑。在熱水分配建筑中，供熱系統(tǒng)和地?zé)崴挥糜跍厝逶『痛蠹s30 棟房屋的供熱。同時代的羅馬人也用類似的供熱方案為他們的建筑物輸送熱量?，F(xiàn)代集中供熱是從19 世紀(jì)70 年代末美國建立蒸汽分配系統(tǒng)開始的［3］。同一時期歐洲的不同城市采用了不同的集中供熱方案，早期一些主要城市建立了蒸汽系統(tǒng)，后來，由于工程人員看到了熱水系統(tǒng)的多項優(yōu)勢，大多數(shù)城市的蒸汽供熱系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊崴嵯到y(tǒng)。

1877 年，美國紐約建立了人類使用最早的具有現(xiàn)代意義的集中供熱系統(tǒng)：一座僅向周圍14個用戶進(jìn)行供熱的區(qū)域供熱鍋爐房［4］。1903 年，哥本哈根弗雷德里克斯堡地區(qū)的一個垃圾焚燒爐開始作為供熱系統(tǒng)為附近的醫(yī)院提供熱量。1911 年，英國曼徹斯特的發(fā)電站開始為附近的倉庫和工廠提供蒸汽［3］。20 世 紀(jì)50 年 代，瑞 典 的 區(qū) 域 供 熱 系 統(tǒng) 以120 ℃的熱水為介質(zhì)為用戶供熱和提供生活熱水［5］。20 世紀(jì)70 年代，集中供熱開始在歐洲普及，由于石油價格上漲，一些國家將煤炭與集中供熱的發(fā)展結(jié)合起來，利用從發(fā)電站回收的熱量供熱。

俄羅斯是最早發(fā)展集中供熱的國家之一，至今已有110 余年的歷史。現(xiàn)如今，在全國工業(yè)與民用建筑的總供熱量中，集中供熱的供熱量占到了70%左右，集中供應(yīng)的熱能占全世界生產(chǎn)總熱能的45%［3］，其首都莫斯科集中供熱的普及率更是達(dá)到了100%［4］。如今，丹麥的集中供熱普及率達(dá)到了50%以上，其中太陽能、風(fēng)能、垃圾焚燒產(chǎn)生的熱能、地?zé)崮堋⒄託獾仍诩泄嶂械玫搅顺浞值睦?，減少了對石油、煤炭、天然氣等化石能源的消耗和依賴。芬蘭的集中供熱普及率達(dá)到了45%以上，其首都赫爾辛基的集中供熱普及率達(dá)到了90%以上。瑞典的集中供熱普及率達(dá)到了40%左右，而且熱源種類較多，除了傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣等化石燃料以外，還利用了垃圾焚燒、生物燃料等熱源［6］。

二戰(zhàn)后，國外集中供熱迅速發(fā)展，目前全球集中供熱技術(shù)日益成熟［7］。一些較早發(fā)展集中供熱的國家，例如俄羅斯、丹麥、瑞典、德國、日本、美國等，已經(jīng)對供熱系統(tǒng)的自動控制積累了大量的經(jīng)驗，并且可以很好地實現(xiàn)按需供熱與均勻供熱［8］。

1.2 國內(nèi)集中供熱系統(tǒng)的發(fā)展

我國的集中供熱起步于20 世紀(jì)40 年代左右，初期發(fā)展緩慢，集中在大城市的機(jī)關(guān)以及事業(yè)單位。隨著改革開放的不斷深入推進(jìn)，人民生活水平提高，集中供熱事業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。

從20 世紀(jì)40 年代至今80 多年的歷史可分為4個階段：單純利用階段、單純管理階段、基礎(chǔ)建設(shè)階段到綜合發(fā)展階段。大工業(yè)的發(fā)展，使得眾多熱電廠建設(shè)項目不斷出現(xiàn)。不同規(guī)模的熱電廠相繼建立起來，這推動了我國近年來以熱電聯(lián)產(chǎn)為熱源的集中供熱的發(fā)展［9］。

進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代之后，國家相關(guān)部門開始全面推廣城市、城鎮(zhèn)集中供熱系統(tǒng)，確保城鎮(zhèn)供熱發(fā)展的同時，有效推動了多城市集中供熱事業(yè)的發(fā)展［10］。

根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，1980 年我國“三北”地區(qū)的集中供熱總面積僅約為1.1×107m2，普及率僅有2.0%，在集中供熱發(fā)展較好的北京，普及率也只有8.2%，且家庭小爐灶和分散鍋爐房占的比例較大，分別為50%和48%。到1990 年，全國單機(jī)容量在6 MW 及以上的供熱機(jī)組容量在經(jīng)歷近10 年的發(fā)展后，從4.4 GW 增加到10.0 GW。截至1990 年年底，我國“三北”地區(qū)的供熱面積達(dá)到了2.1×108m2，集中供熱普及率達(dá)12%，已建成的集中供熱設(shè)施有117個［4］。

截至2001 年年底，我國集中供熱面積增長到1.5×109m2，其中有65.5%為住宅面積，其總量達(dá)9.6×108m2。全國集中供熱面積只有32.6%分布在中小型城市，而剩下的67.4%都分布在大型及以上城市。

近10年我國供熱事業(yè)發(fā)展迅速，供熱面積與供熱管長呈快速增長趨勢，其中蒸汽和熱水的供熱能力變化情況如圖1 和圖2 所示。目前為止，全國的供熱面積達(dá)9.9×109m2，總的供熱管道長度達(dá)4.3×105km［11］。我國北方地區(qū)132 個地級以上的大、中城市中全部都建設(shè)了城市集中供熱系統(tǒng)，并逐步向大型化發(fā)展，長輸管線的應(yīng)用也逐漸增加［12］。

圖1 近10年全國熱水供熱能力變化情況［11］Fig.1 Hot water heating capacity variation in China in the past ten years［11］

圖2 近10年全國蒸汽供熱能力變化情況［11］Fig.2 Steam heating capacity variation in China in the past ten years［11］

當(dāng)前我國的供熱方式多種多樣，已經(jīng)逐步形成了以熱電聯(lián)產(chǎn)為主，集中鍋爐房為輔，其他新型及可再生能源為補(bǔ)充的供熱局面。我國供熱所用能源包括煤炭、燃油、天然氣、太陽能、地?zé)帷⑸镔|(zhì)能等，但是集中供熱所用能源目前仍以煤炭為主。

2 常見供熱系統(tǒng)中應(yīng)用減阻劑的效能評估

人們發(fā)現(xiàn)在液態(tài)牛頓流體湍流中加入某些添加劑可以顯著減小湍流的摩擦阻力［1，13-15］。這種現(xiàn)象稱為湍流減阻（DR），這些添加劑被稱為湍流減阻劑。后來人們逐漸將減阻現(xiàn)象應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，輸油管道中加入湍流減阻劑可以有效地增大輸送的流量［16］，提高運輸效率。制冷系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)中加入減阻劑將使得在滿足制冷量、供熱量需求的同時，減小管道運輸過程中泵功的消耗和能量的損失，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。很多減阻劑被應(yīng)用到高溫試驗中，并且部分已被商用，取得了良好的效果。常見減阻劑適用情況見表1。例如丹麥的一個區(qū)域供熱系統(tǒng)因減阻劑的使用每年節(jié)省約4.7 TW 的抽水能量［17］，日本1 個空調(diào)系統(tǒng)加入減阻劑后泵送能量需求減少了21%～54%［18］。

表1 常見減阻劑適用情況Table 1 Application of regular drag reducing agents

而且加入減阻劑的成本與減阻帶來的經(jīng)濟(jì)效益相比很少，以天津市某校園的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)約需要200 t二次管網(wǎng)供熱水，1次需要加入十八烷基甜菜堿（Cl8-betaine）100 kg、十二烷基苯磺酸鈉（Na-LAS）12 kg，按十八烷基甜菜堿15 000 元/t、十二烷基苯磺酸鈉50 000 元/t 估算，那么只需要投入2 100 元的減阻劑初次投入費用。一般1 次添加減阻劑可維持較好的減阻效果3 個月左右，之后只需補(bǔ)加少量因黏附在壁面或因泄漏損失的減阻劑。估算結(jié)果表明，1 個供暖季減阻劑資金投入不超過3 000 元，遠(yuǎn)低于因加入減阻劑所得到的經(jīng)濟(jì)效益。

但在減阻劑應(yīng)用過程中，還應(yīng)注意到部分減阻劑具有腐蝕性，會對供熱管路造成一定程度的破壞，如何選擇“綠色”環(huán)保無腐蝕性（或弱腐蝕性）的合適減阻劑以及供熱管道防腐蝕是需要注意的問題。

本節(jié)針對常見的幾種集中供熱系統(tǒng)，即熱電聯(lián)產(chǎn)供熱、太陽能供熱、地?zé)崮芄?、風(fēng)能供熱、生物質(zhì)能供熱、工業(yè)余熱供熱系統(tǒng)，各選取一個系統(tǒng)實例，假想在該系統(tǒng)中應(yīng)用湍流減阻劑后，對該系統(tǒng)在節(jié)能減排綜合性能方面進(jìn)行定量的評價，并針對各集中供熱系統(tǒng)的運行參數(shù)范圍討論了可能的湍流減阻劑選取。

2.1 熱電聯(lián)產(chǎn)供熱中減阻劑的應(yīng)用評估

2.1.1 熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)的發(fā)展

19世紀(jì)80年代，美國工程師霍利將工廠排汽用于供熱，這是最早的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱［8］。1883年，德國漢堡市將市政大樓接收中心電站的熱量用于供熱，開啟了熱電聯(lián)產(chǎn)供熱的時代，從此熱電聯(lián)產(chǎn)供熱穩(wěn)定發(fā)展。1905年英國制造了世界上第1臺熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪發(fā)電機(jī)組，開始了汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)的歷史。1907 年，美國西屋電氣公司制造出可以調(diào)節(jié)壓力的抽汽式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。

此后，隨著工業(yè)的發(fā)展，電能和熱能的需求同時增加，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱相比于熱電分產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)勢越發(fā)明顯，因而在歐洲各國得到了快速的發(fā)展。1924 年，俄羅斯在蘇聯(lián)時期的列寧格勒建造了第1個以熱電廠進(jìn)行供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)［24］，熱電聯(lián)產(chǎn)從此開始發(fā)展起來。

2.1.2 熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)中應(yīng)用減阻劑的效能評估

目前常見的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，其主要包括以下幾部分：用戶、汽輪發(fā)電機(jī)組、鍋爐、輸送環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)包括聯(lián)產(chǎn)供能和單獨供電2 種運行方式，聯(lián)產(chǎn)供能包括熱電聯(lián)產(chǎn)、冷電聯(lián)產(chǎn)和冷熱電聯(lián)產(chǎn)，單獨供電和常規(guī)發(fā)電運行方式相同。在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中一次管網(wǎng)設(shè)計供水溫度在110 ℃左右，二次管網(wǎng)設(shè)計的供水溫度在75 ℃左右［25］。

當(dāng)采用一次管網(wǎng)設(shè)計時較為適合的減阻劑為2 g/L 的二十二烷基三甲基氯化銨（C22TAC）并輔以同質(zhì)量濃度的水楊酸鈉（NaSal）作為穩(wěn)定劑，其有效的減阻溫度范圍為60～110 ℃［19-20］。當(dāng)采用二次管網(wǎng)時較為適合的減阻劑為十八烷基甜菜堿和十二烷基苯磺酸鈉，其中十八烷基甜菜堿的質(zhì)量濃度為0.50 g/L，十二烷基苯磺酸鈉的質(zhì)量濃度約為0.06 g/L，其減阻效應(yīng)的適用溫度范圍為50～85 ℃［23］。

以天津市某校園熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)為例，對假想添加湍流減阻劑之后的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)節(jié)能減排效果進(jìn)行分析。該供熱系統(tǒng)采用一次管網(wǎng)供熱，總計供熱面積約20 萬m2，供暖熱負(fù)荷為15.0 MW。該供熱系統(tǒng)的供熱管網(wǎng)如圖3所示。

圖3 天津市某校園集中供熱系統(tǒng)Fig.3 Centralized heating system for a campus in Tianjin

該系統(tǒng)供熱建筑包括有教學(xué)樓、宿舍、食堂等多種類型的建筑，建筑中共計39個熱力入口。各建筑及對應(yīng)的熱力入口編號為博士生公寓（#1—#9）、43 教學(xué)樓（#10—#13）、南區(qū)生活組團(tuán)（#14—#18）、37教學(xué)樓（#19—#24）、36 教學(xué)樓（#25—#28）、35 教學(xué)樓（#29—#33）和34教學(xué)樓（#34—#39）。

B 能源站回水管道循環(huán)泵由西門子公司生產(chǎn)，熱水由4臺鍋爐產(chǎn)生，#1—#3鍋爐各帶1臺循環(huán)泵，#4鍋爐帶2 臺循環(huán)泵。為便于分析，做出以下幾點假設(shè)。

（1）各個熱力站的內(nèi)部阻力損失相同。

（2）供水干線各管段的阻力損失和相應(yīng)回水干線上管段的阻力損失相等。

（3）系統(tǒng)中各臺水泵的效率相同。

5 臺循環(huán)水泵的總額定功率為315 kW，見表2。各個入口水力工況見表3。

表2 循環(huán)水泵原始數(shù)據(jù)Table 2 Original data of a circulating water pump

由表3 可知，這5 臺泵的總流量為806.7 m3/h，再依據(jù)各泵的特性曲線可得實際功率，見表4。

表3 各個入口流量Table 3 Flows of different inlets m3/h

表4 各泵的實際功率Table 4 Normal power of different pumps

所有泵的總實際功率為145.8 kW。泵的特性曲線及管路特性曲線在加入減阻劑前后的變化如圖4 所示。若加入減阻劑，在不換泵的情況下泵的特性曲線與管道阻力特性曲線的交點由0變?yōu)?，泵的流量值也從qV0變?yōu)閝V1［26］。因此需要進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)使其流量變回所需流量，變頻調(diào)節(jié)后泵的特性曲線會發(fā)生變化，此時泵特性曲線與管道特性曲線的交點為2 點。泵對應(yīng)的實際揚程值也會變?yōu)? 點對應(yīng)的H2，根據(jù)查實際用泵的特性曲線可估算得到變化后的實際功率及揚程情況見表5。后續(xù)各個供熱系統(tǒng)中泵變頻后的實際功率均采用上述方法進(jìn)行查找并估算。

表5 加入減阻劑變頻調(diào)節(jié)后泵的實際功率Table 5 Actual power of the pump after frequency conversion regulation and dosing drag reducing agent

圖4 泵及管路特性曲線在加入減阻劑前后的變化示意Fig.4 Characteristic curves of the pump and the pipeline before and after adding drag reducing agent

將泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)后的實際總功率為93.1 kW相較于不加減阻添加劑省功52.8 kW，即省功39.2%。若無法對泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，則需要重新對泵進(jìn)行選型，選用同一廠家揚程更小的泵。流量不變，當(dāng)減阻率為50%時，則所需泵揚程減小50%，此時各個泵的功率見表6。

表6 加入減阻劑重新選型后泵的實際功率Table 6 Actual power of the pump after model re-selection and dosing drag reducing agent

式中：fwater為未添加減阻劑時流動摩擦阻力系數(shù)；fmeasured為添加減阻劑后流動摩擦阻力系數(shù)。

根據(jù)表5 可知，對泵進(jìn)行重新選型后的總實際功率為75.1 kW，相較于不加減阻劑省功70.7 kW，即省功48.4%。由上述計算可知，加入減阻劑后，無論是對泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)還是重新對泵進(jìn)行選型，至少省功39.2%，說明減阻劑的加入在減小泵功率方面效果顯著。

加入減阻劑后，由于換泵成本較高，一般選擇對泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)的方式，該系統(tǒng)中共減少52.8 kW 的能量消耗。標(biāo)準(zhǔn)狀況下的煤炭發(fā)熱值為29.3 MJ/kg，鍋爐效率取70%，減少的能量消耗相當(dāng)于每天省標(biāo)準(zhǔn)煤約222.4 kg。當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)煤價500 元/t，該供熱系統(tǒng)每天可減少111.2 元的供熱費用，150 d 的供暖季共省標(biāo)準(zhǔn)煤33.4 t，減少費用16 681.8元。

通過添加減阻劑的節(jié)能改造之后，集中供熱系統(tǒng)燃燒煤炭的量可減少，相應(yīng)地向空氣中所排放的二氧化碳和污染物也會減少。煤炭燃燒會向空氣中排放SO2、CO2、CO、氮氧化合物及碳?xì)浠衔锏榷喾N污染物，加入減阻劑后，這些污染物的排放量都會有相應(yīng)減小。這些排放物中SO2是形成酸雨的主要因素，氮氧化合物能夠刺激人體器官發(fā)生病變，CO2是溫室氣體，且減少二氧化碳排放有利于2030年前實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。根據(jù)某熱力公司所提供的排污系數(shù)進(jìn)行計算可以得到加入減阻劑后（如圖3所示）集中供熱系統(tǒng)1 個供暖季各項污染物和二氧化碳的減排量，見表7。

表7 天津市某校園供熱系統(tǒng)污染物減排量Table 7 Emission reduction of the heating system for a campus in Tianjin

2.2 太陽能供熱中減阻劑的應(yīng)用評估

2.2.1 太陽能供熱技術(shù)的發(fā)展

太陽能供熱系統(tǒng)一般由太陽能集熱器和輔助加熱設(shè)備、儲熱水箱和換熱設(shè)備、供熱末端和系統(tǒng)控制器4 部分組成。一般情況下，太陽能集熱器在供暖季提供供熱所需的部分熱量，在全年提供生活熱水部分熱量。相對于傳統(tǒng)的燃煤供熱，太陽能供熱最大的優(yōu)勢是100%采用可再生能源，供熱過程無污染物和溫室氣體排放。

世界上最早發(fā)展太陽能區(qū)域供熱的國家是瑞典，在1979和1980年建造了2個跨季節(jié)蓄熱的大型太陽能區(qū)域供熱系統(tǒng)。1996 年，德國建立了太陽能集中供熱系統(tǒng)為建筑供熱。1988 年，丹麥投入運行首個使用平板太陽能集熱器的大規(guī)模太陽能集中供熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)是熱電為主，太陽能為輔，進(jìn)行聯(lián)供。現(xiàn)如今丹麥?zhǔn)菤W洲應(yīng)用太陽能區(qū)域供熱項目規(guī)模最大、數(shù)量最多的國家［27］。

2.2.2 太陽能供熱系統(tǒng)中應(yīng)用減阻劑的效能評估

目前常見的幾種太陽能熱水集熱器的出水溫度都較低，由于要在貯熱水箱內(nèi)留有一定的貯熱溫差使得太陽能供熱系統(tǒng)的平均供水溫度進(jìn)一步降低，因而多采用地板輻射采熱。地板輻射采熱以整個地面作為散熱面以輻射散熱為主，而輻射采熱室外溫度相同情況下，達(dá)到相同的舒適度要求，其周圍空氣溫度比對流采熱條件要求低3 ℃左右，并且散熱地板具有一定的散熱作用，熱媒溫度一般只要40～60 ℃就可滿足要求［28］。因此可選用質(zhì)量濃度為0.2 g/L 的十六烷基甜菜堿（Cl6-betaine）作為該系統(tǒng)的減阻劑，其減阻效應(yīng)的溫度范圍為30～90 ℃［23］。

下面以拉薩市第一中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校太陽能集中供熱工程為評估對象，討論在太陽能供熱系統(tǒng)中減阻劑的使用以及其帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。該項目供熱面積為1.2×105m2，以太陽能主動式熱水為主要熱源，電熱鍋爐為輔助熱源，該熱力站設(shè)計總熱負(fù)荷為5.8 MW，太陽能供熱系統(tǒng)循環(huán)供/回水溫度75～85/40～50 ℃。該供熱系統(tǒng)各個部分的供熱面積以及相應(yīng)的熱負(fù)荷見表8［29］。

表8 供熱面積及熱負(fù)荷［29］Table 8 Heating area and heat load［29］

該供熱系統(tǒng)在未加入減阻劑時，其總的實際泵功率為306.5 kW。加入減阻劑后，減阻率按50%計算，采用變頻調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)后的總泵功率為224.1 kW，減少了54.0 kW。變頻調(diào)節(jié)后，這幾臺泵可減少112.3 kW 的功耗。該項目所在地區(qū)供暖季供熱時長為120 d，供熱效率取70%，1 個供暖季省標(biāo)準(zhǔn)煤56.8 t，減少供熱損失費用28 384.4 元。其污染物和二氧化碳的減排量估算見表9。

表9 拉薩市第一中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校太陽能集中供熱系統(tǒng)中應(yīng)用減阻劑后污染物減排量估算Table 9 Pollutant emission reduction of the drag reducing agentadded centralized solar heating system for Lhasa No.1 Secondary Vocational Technical School

2.3 地?zé)崮芄嶂袦p阻劑的應(yīng)用

2.3.1 地?zé)崮芄峒夹g(shù)的發(fā)展

地?zé)崮苁侵竿ㄟ^人為手段將地球內(nèi)部熔巖的熱能從地殼中抽取而出并加以利用的一種能量，它是一種分布廣泛、儲量豐富的清潔型能源。在地?zé)崮芄峒夹g(shù)領(lǐng)域，依照其所利用地?zé)豳Y源的不同分為如下3類：淺層地源熱泵技術(shù)、水熱型供熱技術(shù)與中深層地埋管供熱技術(shù)［30］。

（1）客體應(yīng)為國家關(guān)于艾滋病防治的管理制度和他人的生命健康權(quán)。《艾滋病檢測管理的若干規(guī)定》第9條規(guī)定，對于違反本規(guī)定，傳播艾滋病或引起艾滋病傳播危險的，由司法機(jī)關(guān)依法追究刑事責(zé)任。因此故意傳播艾滋病的行為不僅侵犯了他人的生命健康權(quán)，同時也違反了國家關(guān)于艾滋病防治的管理制度。

地?zé)崮芄岵恍枰D(zhuǎn)化為二次能源再供熱，這就使得地?zé)崮芄岜绕渌惞岱绞降哪苄Ю寐矢?，?jīng)濟(jì)性上更可行。鑒于地?zé)崮芄岬闹T多優(yōu)勢，目前全球范圍內(nèi)很多大型辦公樓、學(xué)校等，都采用地?zé)崮芄?。而隨著地?zé)崮苁袌龅倪M(jìn)一步發(fā)展，地?zé)崮芄嵋仓饾u走入城市房地產(chǎn)領(lǐng)域，為居民住宅提供區(qū)域集中供熱［31］。

目前淺層地源熱泵供熱技術(shù)是使用最廣泛、技術(shù)最成熟的工程應(yīng)用形式［32］。地源熱泵的概念最早在1912年由瑞士專家提出，而這項技術(shù)的提出始于英、美兩國。

熱泵系統(tǒng)有多種形式，根據(jù)熱源不同，可分為地下水源熱泵、地表水源熱泵、土壤源熱泵、污水源熱泵、中深層地?zé)嵩礋岜?、空氣源熱泵等。熱泵的?qū)動方式主要有電動機(jī)驅(qū)動和熱驅(qū)動2 種，如今各種規(guī)模熱泵供熱多以電驅(qū)動為主［33］。

2.3.2 地?zé)崮芄嵯到y(tǒng)中應(yīng)用減阻劑的效能評估

以西安市某地?zé)峁峒夹g(shù)示范工程為例，該項目供熱住宅面積為2.5×104m2，該供熱系統(tǒng)為水熱型供熱系統(tǒng)，以地板輻射的方式取熱。在該供熱系統(tǒng)中，熱源出水口溫度變化范圍為25.7～27.7 ℃［34］。添加比例為6∶1，質(zhì)量濃度為1 g/L 的十六烷基甜菜堿和十二烷基苯磺酸鈉較為合適，其有效減阻溫度范圍為7～50 ℃［23］。系統(tǒng)供熱設(shè)備見表10。

表10 西安市的某地?zé)峁嵩O(shè)備［32］Table 10 Equipment of a geothermal heating system in Xi'an［32］

該供熱系統(tǒng)中泵的總額定功率為354 kW，實際泵功率約為278.1 kW，加入減阻劑后，按減阻率50%計算，采用變頻調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速，采用變頻調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)后的總泵功率為224.1 kW，減少了54 kW。

按該地區(qū)供暖季150 d 計算，一個供暖季共減少的能量損失相當(dāng)于34.1 t 標(biāo)準(zhǔn)煤所能提供的熱量，按標(biāo)準(zhǔn)煤500 元/t 計算，間接減少17 061.0 元經(jīng)濟(jì)損失。相應(yīng)減少二氧化碳和污染物排放量見表11。2016年年末至2019年，全國新增地?zé)峁┡娣e1.0 億m2［35］，若將這些區(qū)域的供熱系統(tǒng)全部添加減阻劑，1個供暖季約可減少6 824.4萬元的費用。

表11 西安市的某地?zé)峁嵯到y(tǒng)污染物減排量Table 11 Equipment of a geothermal heating system in Xi'an

2.4 風(fēng)能供熱中減阻劑的應(yīng)用評估

風(fēng)能作為一種無污染的可再生能源，在世界范圍內(nèi)都有相當(dāng)可觀的能量密度。一般利用風(fēng)能進(jìn)行供熱即指風(fēng)電供熱，從宏觀意義上講，風(fēng)電供熱是指風(fēng)電企業(yè)在建設(shè)或運營風(fēng)電場工程的同時，配套建設(shè)和運行負(fù)荷谷期用電的冬季供熱設(shè)施，而供熱用電量則相當(dāng)于將電網(wǎng)無法消納的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為熱能之后通過供熱管網(wǎng)系統(tǒng)與蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行存儲，用于冬季供熱。

20 世紀(jì)90 年代俄羅斯率先建設(shè)了風(fēng)電供熱系統(tǒng)。而后丹麥在1991 年建成第一個海上風(fēng)電場，2002 年連續(xù)興建了5 個，2003 年又建成世界上最大的近海風(fēng)電場，裝機(jī)容量達(dá)到165 MW。在丹麥?zhǔn)锥几绫竟?，風(fēng)能發(fā)電已能滿足8.5 萬人的生活用電［36］，其全國風(fēng)電裝機(jī)總量占比高達(dá)30%，風(fēng)電并網(wǎng)比例也高達(dá)20%［37-38］。如今丹麥的風(fēng)電發(fā)展與熱力供應(yīng)都處于世界領(lǐng)先水平。

2.4.2 風(fēng)能供熱系統(tǒng)中應(yīng)用減阻劑的效能評估

風(fēng)電供熱系統(tǒng)是由風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能再進(jìn)行供熱，熱源出口溫度因系統(tǒng)不同有較大差異。以甘肅地區(qū)某供熱面積為1.0×106m2的風(fēng)電供熱系統(tǒng)為例，該供熱系統(tǒng)中總的泵額定功率為2 450 kW，實際泵功率約為1 985 kW，熱源出口溫度為90 ℃［39］。可以選用2.85 mmol 的十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和2.85 mmol 水楊酸鈉作為該系統(tǒng)的減阻劑，其有效減阻溫度范圍為40～100 ℃［40］。

加入減阻劑后，按減阻率50%進(jìn)行計算，采用變頻調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)后的總泵功率為1 281 kW，可減少704 kW 的泵功率消耗。當(dāng)?shù)毓崞跒楫?dāng)年10月25日至次年3月25日，共151 d。1個供暖季共減少能量損失相當(dāng)于447.8 t 標(biāo)準(zhǔn)煤所能提供的熱量，按標(biāo)準(zhǔn)煤價500 元/t計算，可減少22.4 萬元經(jīng)濟(jì)損失。相應(yīng)減少二氧化碳和污染物排放量見表12。

表12 甘肅地區(qū)某風(fēng)電供熱系統(tǒng)污染物減排量Table 12 Emission reduction of a wind power heating system in Gansu Province

2.5 生物質(zhì)能供熱中減阻劑的應(yīng)用評估

2.5.1 生物質(zhì)能供熱技術(shù)的發(fā)展

生物質(zhì)能供熱系統(tǒng)主要由自然成分和人工成分構(gòu)成［41］。自然成分包括耕地資源、森林資源、水熱資源、城市垃圾、動物糞便、污水污泥等物質(zhì)資源要素，是生物質(zhì)能供熱的主要物質(zhì)來源［42］。人工成分主要包括供熱技術(shù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、垃圾處理技術(shù)、政策扶持、工業(yè)工程、經(jīng)濟(jì)環(huán)境等人類輸出要素［43］。

目前生物質(zhì)能供熱比較多的應(yīng)用是生物質(zhì)固體成型燃料燃燒供熱、沼氣燃燒供熱和生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)供熱。我國生物質(zhì)能資源豐富，每年生產(chǎn)的生物質(zhì)原料可以產(chǎn)生11.7 億t標(biāo)準(zhǔn)煤的能量。歐洲國家生物質(zhì)能供熱事業(yè)發(fā)展較早，綜合利用技術(shù)成熟，政策制度較為完善［44-45］。

近十幾年，歐盟國家可再生能源供熱在供熱能源總量中占比顯著上升，從2004 年的10%上升到2017 年的20%。歐盟生物質(zhì)供熱占最終能源消費量的比重大于10%的國家有14個，其中拉脫維亞占比最高，為33.2%。其次是芬蘭、瑞典、愛沙尼亞、丹麥和立陶宛，占比超過20%?？肆_地亞、奧地利、羅馬尼亞在15%左右。葡萄牙、斯洛文尼亞、保加利亞、捷克和匈牙利生物質(zhì)供熱占最終能源消費量的比重在11%左右［46-47］。

2.5.2 生物質(zhì)能供熱系統(tǒng)中應(yīng)用減阻劑的效能評估

目前，生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，生物質(zhì)能供熱都是利用生物質(zhì)能經(jīng)鍋爐產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，利用這些蒸汽與一次管網(wǎng)或者二次管網(wǎng)進(jìn)行熱量交換最終達(dá)到供熱的目的［48-51］。因此，其供熱情況與熱電聯(lián)產(chǎn)和核能供熱［52］較為相似，一般采用二次管網(wǎng)供熱，比較合適的減阻劑是十八烷基甜菜堿與十二烷基苯磺酸鈉，其比例為8∶1，對應(yīng)的質(zhì)量濃度為0.5 g/L，有效的減阻溫度范圍為50～85 ℃，在二次管網(wǎng)供熱系統(tǒng)中可以得到很好的減阻效果。因供熱情況與熱電聯(lián)產(chǎn)供熱形式相似，本文針對生物質(zhì)能集中供熱系統(tǒng)未再給出具體實例進(jìn)行定量評估。

2.6 工業(yè)余熱供熱中減阻劑的應(yīng)用評估

2.6.1 工業(yè)余熱供熱技術(shù)的發(fā)展

工業(yè)余熱是在工業(yè)生產(chǎn)工藝過程中所產(chǎn)生的熱量。其余熱熱源可分為高溫排煙余熱，可燃廢氣、廢液、廢料的余熱，高溫產(chǎn)品和爐渣的余熱，冷卻介質(zhì)的余熱，化學(xué)反應(yīng)熱，廢氣、廢水的余熱等。如果能有效地利用這些余熱，不僅能節(jié)能，還能有效解決城市的廢物處理問題和環(huán)境污染問題［53-54］。

工業(yè)余熱按照不同的溫度可以劃分為500 ℃以上的高溫余熱，200～500 ℃的中溫余熱，25～200 ℃以下的低溫余熱［55］。高溫余熱與中溫余熱一般可以直接利用到集中供熱系統(tǒng)中去，而低溫余熱如燃?xì)鉄煔庥酂岷茈y直接加熱熱網(wǎng)水，一般需要通過吸收式熱泵技術(shù)等才能有效地利用這些低溫余熱［12］。

2.6.2 工業(yè)余熱供熱系統(tǒng)中應(yīng)用減阻劑的效能評估

以濟(jì)南市裕興化工廠循環(huán)水余熱回收項目為例討論減阻劑在余熱供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用。該供熱系統(tǒng)循環(huán)水溫度為27～50 ℃，設(shè)計供熱面積為1.0×106m2，設(shè)計供熱熱負(fù)荷為50 MW，通過利用吸收式熱泵提取余熱熱量，能源站年平均用蒸汽量為9.7萬t［56］。對于該系統(tǒng)較為適合的湍流減阻劑為質(zhì)量濃度1 g/L的十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）與2 g/L水楊酸鈉的混合溶液［40］，其減阻有效溫度范圍為15～70 ℃，減阻率約50%。

在冬季系統(tǒng)正常運行時按泵的特性曲線可知其總實際功率為2 150 kW。加入減阻劑后采用變頻調(diào)節(jié)的方法使系統(tǒng)正常運行，此時的總泵功率為1 385 kW，可減少765 kW 的泵功率消耗。該地區(qū)的供暖季為150 d，鍋爐效率取70%，1 個供暖季可減少相當(dāng)于483.4 t標(biāo)準(zhǔn)煤的能量損失。按500 元/t的標(biāo)準(zhǔn)煤價計算，可減少24.2 萬元的經(jīng)濟(jì)損失，相應(yīng)減少二氧化碳等污染物的排放量見表13。2016 年年末至2019 年，我國新增工業(yè)余熱供熱面積1.5 億m2［35］，若對這些供熱系統(tǒng)全部添加湍流減阻劑，約可減少費用3 630萬元。

表13 裕興化工廠供熱系統(tǒng)污染物減排量Table 13 Emission reduction of the heating system for Yuxing Chemical Plant

2.7 綜合評估

對于本文討論的不同供熱系統(tǒng)，若全部按照供熱面積為100 萬m2、1 個供暖季長為150 d 換算時，加入減阻劑后1個供暖季的節(jié)能減排效果估算結(jié)果見表14。

表14 不同供熱系統(tǒng)按照100萬m2供熱面積、150 d供暖季換算時的節(jié)能減排量估算Table 14 Estimated energy saving and emission reduction of a heating system with a 1 million m2 heating area in a 150 d heating season

對于不同供熱系統(tǒng)，因供熱面積大小，以及供熱房間排布和樓層高度的不同，其消耗的泵功率會有差別，因加入減阻劑減小的泵功率損失也會有些許差別，但無論從經(jīng)濟(jì)角度還是節(jié)能環(huán)保角度，減阻劑的加入對于集中供熱系統(tǒng)都具有重要意義。

2020 年我國供熱總量為4 090.58 PJ，供熱面積為9.8×109m2［11］，若在全國范圍內(nèi)所有集中供暖系統(tǒng)中加入減阻劑，其節(jié)能效果相當(dāng)于5.7 Mt 標(biāo)準(zhǔn)煤供熱所能提供的熱量，減少經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)約28.8億元，減少二氧化碳排放可達(dá)約14 Mt，具有良好的節(jié)能減排效果和經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

冬季空氣溫度較低，為了滿足用戶的供熱需求，空氣中燃燒產(chǎn)物的污染物排放量在不斷增多，這樣會加重污染程度。因此推進(jìn)集中供熱系統(tǒng)節(jié)能化對改善環(huán)境具有重要意義。本文在綜述集中供熱發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，分析了熱電聯(lián)產(chǎn)、太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、生物質(zhì)能、工業(yè)余熱等供熱系統(tǒng)添加減阻劑的節(jié)能減排成效，按100 萬m2的供熱面積，150 d 供熱期進(jìn)行了歸一評價，并以2020 年全國供熱需求為例進(jìn)行分析，得出經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益良好的結(jié)論，說明添加減阻劑是可行技術(shù)路線。