北方地區(qū)供暖電氣化的挑戰(zhàn)及其影響

吳 聰， 陳志光， 秦朝葵， 張一鳴

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 201804)

1 概述

我國(guó)于2020年提出力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的雙碳目標(biāo)。建筑是碳排放大戶之一，僅運(yùn)行階段的能耗便占到全國(guó)能源消費(fèi)的21.7%，碳排放占全國(guó)能源碳排放的21.9%，具有較大的減碳潛力[1]。其中，北方地區(qū)的供暖一直是建筑行業(yè)減碳的重點(diǎn)，近幾年，北方地區(qū)正著力推進(jìn)清潔供暖工作，清潔供暖利用天然氣、電、地?zé)?、生物質(zhì)、太陽(yáng)能、工業(yè)余熱、清潔化燃煤(超低排放)、核能等清潔化能源，通過(guò)高效用能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低排放、低能耗的供暖方式，以降低污染物排放和能源消耗[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年12月底，北方地區(qū)清潔供暖面積約156×108m2，清潔供暖率73.6%[3]。天然氣作為高效的清潔能源，得到大范圍應(yīng)用，2021年，我國(guó)天然氣消費(fèi)量達(dá)到3 726×108m3[4]。天然氣是最低碳的化石能源，但其一次能源消費(fèi)占比僅為8%，仍需進(jìn)一步提升。當(dāng)前，北方地區(qū)的城鎮(zhèn)供暖以熱電聯(lián)產(chǎn)和燃煤、燃?xì)忮仩t為熱源的集中供熱為主，另輔有熱泵、工業(yè)余熱、可再生能源等多種熱源形式。此外，也有地區(qū)采用燃?xì)夤┡療崴疇t、戶式燃煤爐、空調(diào)和直接電加熱等形式的分散供暖[5]。

雙碳目標(biāo)提出后，有學(xué)者認(rèn)為煤炭、天然氣燃燒均會(huì)增加碳排放，建議以電氣化的手段完成供暖用能的脫碳[6]。國(guó)內(nèi)外已有研究表明，供暖電氣化將導(dǎo)致電網(wǎng)總負(fù)載曲線形狀和電力峰值需求的改變，并且需要擴(kuò)大配電網(wǎng)絡(luò)[7-8]；供暖電氣化減少溫室氣體排放的潛力還取決于電網(wǎng)的CO2強(qiáng)度[9]；此外，家庭能源成本可能會(huì)因供暖的電氣化而增加[10]。2021年，歐洲能源供應(yīng)嚴(yán)重短缺，家庭能源消費(fèi)價(jià)格持續(xù)上漲。能源轉(zhuǎn)型的快速推進(jìn)是此現(xiàn)象的原因之一。傳統(tǒng)化石能源產(chǎn)能彈性降低，對(duì)外依存度高，與可再生能源供應(yīng)的不穩(wěn)定性共同影響供給端，使得歐洲能源供應(yīng)的脆弱性進(jìn)一步顯現(xiàn)[11]。對(duì)于終端消費(fèi)側(cè)，2015—2019年歐盟住宅部門按燃料劃分的最終能源消費(fèi)份額見(jiàn)表1，可再生能源增加的同時(shí)，天然氣份額面臨一定衰減，降低了能源供應(yīng)的穩(wěn)定性。當(dāng)前，化石能源仍占有較大份額，若在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行能源需求調(diào)整，將出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性供應(yīng)短缺。表2為不同用途下2019年歐盟住宅部門最終能源消費(fèi)份額，其中建筑供暖用能占家庭用能的63.6%，決定了未來(lái)家庭用能結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型方向。

表1 2015—2019年歐盟住宅部門按燃料劃分的最終能源消費(fèi)份額[12] %

表2 不同用途下2019年歐盟住宅部門最終能源消費(fèi)份額[12] %

2021年，德國(guó)Fraunhofer研究所進(jìn)行了一項(xiàng)“通往氣候中和能源系統(tǒng)的路徑-其社會(huì)背景下的德國(guó)能源轉(zhuǎn)型”的研究，旨在分析德國(guó)能源系統(tǒng)的發(fā)展路徑[13]。根據(jù)其設(shè)定的參考情景(該情景代表了一個(gè)完全優(yōu)化的情景：與1990年相比，2030年與能源相關(guān)的二氧化碳排放量減少65%，2040年減少88%，2045年減少100%)，德國(guó)未來(lái)建筑供暖技術(shù)類型占比見(jiàn)圖1。熱泵與區(qū)域熱網(wǎng)占比逐漸增加，燃油鍋爐逐步被取代，燃?xì)忮仩t占比有所下降。規(guī)劃2045年的德國(guó)建筑供暖用能場(chǎng)景中，將以熱泵、區(qū)域熱網(wǎng)和燃?xì)忮仩t為主，并輔以少量氫燃料電池和生物質(zhì)鍋爐，多種供能形式保證供暖可靠性。

圖1 德國(guó)未來(lái)建筑供暖技術(shù)類型占比[13]

結(jié)合歐盟的能源轉(zhuǎn)型路徑，考慮目前我國(guó)北方地區(qū)供暖的現(xiàn)狀，供暖電氣化將會(huì)帶來(lái)何種挑戰(zhàn)，尚需進(jìn)一步探討。為此，本文對(duì)供暖電氣化對(duì)我國(guó)社會(huì)用能的影響展開(kāi)研究，選取不同城市，假定所有供暖熱負(fù)荷均由熱泵滿足，根據(jù)各地氣象參數(shù)，采用面積指標(biāo)法得出供暖熱負(fù)荷，并根據(jù)熱泵系統(tǒng)制熱COP(簡(jiǎn)稱熱泵系統(tǒng)COP)計(jì)算供暖耗電量，分析供暖耗電量與當(dāng)下不同城市全社會(huì)耗電量、居民耗電量、工業(yè)耗電量的占比關(guān)系；借助Dymola仿真模型，計(jì)算各城市當(dāng)前風(fēng)力、光伏裝機(jī)容量下可再生能源的發(fā)電量，分析其與供暖耗電量關(guān)系；最后，給出未來(lái)中國(guó)建筑供暖的發(fā)展建議。

2 參數(shù)設(shè)定

2.1 負(fù)荷計(jì)算模型及參數(shù)

選取濟(jì)南、大連和沈陽(yáng)3個(gè)城市為研究對(duì)象，分別隸屬寒冷B區(qū)、寒冷A區(qū)及嚴(yán)寒C區(qū)，所需供暖室外計(jì)算溫度、供暖期、供暖熱指標(biāo)、計(jì)算面積等供暖參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表3。其中，供暖室外計(jì)算溫度按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》選擇，供暖熱指標(biāo)根據(jù)各地區(qū)供熱規(guī)劃等文獻(xiàn)資料[14-16]進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，計(jì)算面積僅考慮了各城市2019年度的集中供熱面積[17-18]。供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷按式(1)[19]計(jì)算，逐時(shí)供暖熱負(fù)荷按式(2)計(jì)算。當(dāng)溫度低于供暖室外計(jì)算溫度時(shí)，供暖熱負(fù)荷取供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。為簡(jiǎn)單估算城市供暖逐時(shí)熱負(fù)荷，把供暖熱負(fù)荷看作室外溫度的函數(shù)。因自2020年之后供暖受新冠疫情影響的特殊性和不確定性，本次研究主要參考 2019年的數(shù)據(jù)。

表3 不同城市供暖參數(shù)設(shè)定

Φmax=qA

(1)

(2)

式中Φmax——供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，W

q——供暖熱指標(biāo)，W/m2

A——計(jì)算面積，m2

Φ——逐時(shí)供暖熱負(fù)荷，W

teh——供暖期逐時(shí)室外溫度，℃

tw——供暖室外計(jì)算溫度，℃

供暖耗電負(fù)荷直接由供暖熱負(fù)荷除以熱泵系統(tǒng)COP得出，假定所選定的熱泵系統(tǒng)在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，滿足所有供暖熱負(fù)荷，不考慮系統(tǒng)運(yùn)行的各種損失。

2.2 熱泵系統(tǒng)COP選取

熱泵系統(tǒng)COP對(duì)供暖耗電量有直接影響，目前各大廠家相繼推出超低溫系列空氣源熱泵機(jī)組，因其能在低溫工況下良好運(yùn)行而受到廣泛關(guān)注。本文選取某品牌低溫空氣源熱泵系統(tǒng)，設(shè)定供水溫度為50 ℃，其熱泵系統(tǒng)COP測(cè)試樣本數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2，根據(jù)廠家提供的樣本點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得出擬合方程。根據(jù)擬合方程計(jì)算各溫度下(包含-15 ℃以下)的熱泵系統(tǒng)COP，以此計(jì)算各城市供暖耗電量。針對(duì)沈陽(yáng)市，考慮到空氣源熱泵使用時(shí)熱泵系統(tǒng)COP略低而易出現(xiàn)耗電量很大的問(wèn)題，文中假設(shè)該城市同時(shí)采用水源/地源熱泵，參考文獻(xiàn)[15]，未來(lái)一段時(shí)間沈陽(yáng)市規(guī)劃發(fā)展水源/地源熱泵與空氣源熱泵的供熱面積比為3∶1，結(jié)合水源/地源熱泵、空氣源熱泵系統(tǒng)能效等級(jí)限制，設(shè)定平均熱泵系統(tǒng)COP為3.5再次分析。

圖2 低溫空氣源熱泵系統(tǒng)COP測(cè)試樣本數(shù)據(jù)

2.3 可再生能源發(fā)電模型設(shè)置

借助Dymola仿真軟件，搭建風(fēng)力、光伏發(fā)電模型，計(jì)算上述3個(gè)城市的可再生能源發(fā)電量。光伏發(fā)電模型參照美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室推薦的建模方法，分成輻射計(jì)算和設(shè)備特性兩個(gè)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)[20]，選取某品牌光伏設(shè)備，峰值發(fā)電功率333 W，單個(gè)光伏板尺寸為1.559 m×1.046 m。風(fēng)力發(fā)電模型根據(jù)Heier[21]提出的計(jì)算方法，結(jié)合Modelica的開(kāi)源庫(kù)Wind Power Plants建立。將風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)簡(jiǎn)化為葉片、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)3部分，風(fēng)機(jī)設(shè)置葉輪直徑90 m，最大發(fā)電功率2 MW，渦輪機(jī)距離地面100 m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)置為1.3×107kg·m2，切入風(fēng)速4 m/s，切出風(fēng)速20 m/s。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 供暖熱負(fù)荷與供暖耗電負(fù)荷分析

各城市供暖熱負(fù)荷與供暖耗電負(fù)荷變化見(jiàn)圖3，環(huán)境溫度取干球溫度，非供暖期供暖熱負(fù)荷置為0。表4對(duì)不同城市、不同工況的供暖峰值耗電負(fù)荷進(jìn)行匯總，并列出了各城市曾經(jīng)出現(xiàn)的全社會(huì)電網(wǎng)高峰負(fù)荷及其出現(xiàn)日期，以反映供暖電氣化對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)的沖擊程度。由圖3和表4可知，濟(jì)南、大連以及設(shè)定熱泵系統(tǒng)COP為3.5的沈陽(yáng)市大部分時(shí)刻供暖耗電負(fù)荷處于1～4 GW，供暖峰值耗電負(fù)荷占全社會(huì)電網(wǎng)高峰負(fù)荷70%左右；當(dāng)沈陽(yáng)市只采用空氣源熱泵時(shí)，因溫度低、供熱面積大，供暖峰值耗電負(fù)荷接近9 GW，超出全社會(huì)電網(wǎng)高峰負(fù)荷47%。

表4 各城市供暖峰值耗電負(fù)荷及全社會(huì)電網(wǎng)高峰負(fù)荷

圖3 各城市供暖熱負(fù)荷與供暖耗電負(fù)荷變化

將各城市計(jì)算所得供暖耗電量與全年全社會(huì)耗電量、城鄉(xiāng)居民耗電量[22-24]進(jìn)行比較，見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，濟(jì)南供暖耗電量與城鄉(xiāng)居民耗電量之比85.9%，與全社會(huì)耗電量之比16.2%；大連以及沈陽(yáng)兩種工況的供暖耗電量均高于城鄉(xiāng)居民耗電量，與全社會(huì)耗電量之比分別達(dá)到18.8%、46.2%、27.9%。

圖4 各城市供暖耗電量與全年全社會(huì)耗電量、城鄉(xiāng)居民耗電量對(duì)比

圖5給出各城市每月供暖耗電量、全社會(huì)耗電量、工業(yè)耗電量，其中，大連1、2月數(shù)據(jù)未分開(kāi)統(tǒng)計(jì)?？梢园l(fā)現(xiàn)，1、2月份，各城市供暖耗電量均超過(guò)工業(yè)耗電量，濟(jì)南、大連供暖耗電量相對(duì)于全社會(huì)耗電量占比超過(guò)50%。沈陽(yáng)在僅采用空氣源熱泵工況下，1、2、12月供暖耗電量均超過(guò)全社會(huì)耗電量。

圖5 各城市每月供暖耗電量、全社會(huì)耗電量、工業(yè)耗電量

供暖電氣化無(wú)疑會(huì)給現(xiàn)有電網(wǎng)帶來(lái)強(qiáng)烈沖擊，可能會(huì)導(dǎo)致用電高峰由夏季轉(zhuǎn)到冬季，將造成巨大的電力缺口。

3.2 可再生能源發(fā)電分析

2016年底，北方地區(qū)可再生能源、工業(yè)余熱等供暖面積約8×108m2，占比僅4%，當(dāng)時(shí)規(guī)劃到2021年實(shí)現(xiàn)電供暖面積15×108m2，工業(yè)余熱供暖面積達(dá)2×108m2[2]。遼寧省曾計(jì)劃到2020年全省電鍋爐供暖面積500×104m2，水源、地源、空氣源等熱泵系統(tǒng)供暖面積達(dá)到5 000×104m2，工業(yè)余熱供暖面積達(dá)到3 000×104m2[25]。濟(jì)南2018年底可再生能源供暖面積約166×104m2，市電供暖面積約814×104m2，工業(yè)余熱供暖面積約907×104m2[26]。近幾年，各占比已有顯著增加，但總量仍相對(duì)較小。

當(dāng)前，濟(jì)南風(fēng)電裝機(jī)容量為876 MW，光伏裝機(jī)容量為786 MW[27]；大連市風(fēng)電裝機(jī)容量1 060 MW，光伏裝機(jī)容量270 MW[28]；沈陽(yáng)市風(fēng)電裝機(jī)容量1 330 MW，光伏裝機(jī)容量510 MW[29]。經(jīng)模型計(jì)算，各城市風(fēng)力發(fā)電功率、光伏發(fā)電功率與供暖耗電負(fù)荷對(duì)比見(jiàn)圖6。濟(jì)南、大連、沈陽(yáng)、沈陽(yáng)(熱泵系統(tǒng)COP為3.5)供暖期光伏發(fā)電量占供暖耗電量的比例分別為0.26%、0.22%、0.12%、0.19%，幾乎可以忽略。風(fēng)力發(fā)電能夠一定程度滿足供暖耗電，但其間歇性影響較大，以1月份為例，濟(jì)南、大連、沈陽(yáng)風(fēng)電設(shè)備利用時(shí)間分別為111、198、77 h。

圖6 各城市風(fēng)力發(fā)電功率、光伏發(fā)電功率與供暖耗電負(fù)荷對(duì)比

各城市全年以及供暖期風(fēng)力與光伏發(fā)電量及供暖耗電量見(jiàn)表5，沈陽(yáng)(熱泵系統(tǒng)COP為3.5)供暖耗電量為10 222.8 GW·h?？梢钥闯?，當(dāng)前的風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量遠(yuǎn)不能滿足供暖電氣化所帶來(lái)的耗電量，尤其是光伏發(fā)電，由于在冬季太陽(yáng)高度角較低、總輻射較小、氣溫較低，太陽(yáng)能光伏組件所處工況與標(biāo)準(zhǔn)工況相去甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致發(fā)電量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)工況。

表5 各城市全年以及供暖期風(fēng)力與光伏發(fā)電量

對(duì)比表5、圖4可以看出，濟(jì)南、大連、沈陽(yáng)風(fēng)力與光伏全年發(fā)電量之和占全社會(huì)耗電量分別為4.56%、6.60%、5.42%，可再生能源在終端電能消耗中占比過(guò)小。

4 建議

可再生能源和傳統(tǒng)化石能源以及電氣化技術(shù)和非電氣化技術(shù)之間的權(quán)衡決策不可避免。供暖電氣化需要一定的過(guò)渡期，循序漸進(jìn)。在終端消費(fèi)側(cè)，應(yīng)保持終端用能與設(shè)備的多樣化發(fā)展，保證足夠的彈性，過(guò)于單一的用能與技術(shù)手段將對(duì)供應(yīng)安全造成較大威脅。結(jié)合圖1，未來(lái)的供暖技術(shù)組成中，除熱泵外，區(qū)域供熱和燃?xì)忮仩t仍需占據(jù)一定份額，氫燃料電池應(yīng)用于供暖也應(yīng)得到關(guān)注。此外，對(duì)負(fù)荷開(kāi)展需求管理調(diào)控，降低峰谷差值，以使負(fù)荷曲線趨于平穩(wěn)。

電力供應(yīng)側(cè)，為防范供暖電氣化對(duì)電網(wǎng)的沖擊，應(yīng)繼續(xù)擴(kuò)大電網(wǎng)規(guī)模，其中以可再生能源裝機(jī)為主，提升可再生能源發(fā)電比例。同時(shí)，考慮風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電存在出力不連續(xù)和不穩(wěn)定、在利用上難以與負(fù)荷匹配的問(wèn)題，需對(duì)短時(shí)儲(chǔ)能、季節(jié)性儲(chǔ)能設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃部署，以平滑不穩(wěn)定性電力的輸出，還可調(diào)節(jié)電負(fù)荷。此外，為提高電力系統(tǒng)的靈活性，天然氣發(fā)電不可或缺。天然氣發(fā)電啟停時(shí)間短、爬坡速率快、運(yùn)行靈活，相對(duì)于抽水蓄能、化學(xué)儲(chǔ)能等調(diào)峰電源，是響應(yīng)特性、發(fā)電成本、供電持續(xù)性綜合最優(yōu)的調(diào)峰手段[30]，而現(xiàn)階段我國(guó)天然氣發(fā)電占比僅3.2%[31]，尚需提升。

5 結(jié)論

① 北方地區(qū)供暖全面電氣化將給現(xiàn)有電網(wǎng)帶來(lái)強(qiáng)烈沖擊，造成巨大的電力缺口。未來(lái)在擴(kuò)大電網(wǎng)規(guī)模的同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)終端消費(fèi)側(cè)的調(diào)控管理。

② 可再生能源發(fā)電量相比于全社會(huì)耗電量份額較小，供暖期光伏發(fā)電量幾乎可以忽略，風(fēng)力發(fā)電受間歇性影響嚴(yán)重。未來(lái)需繼續(xù)推進(jìn)可再生能源裝機(jī)部署，同時(shí)加強(qiáng)儲(chǔ)能設(shè)施及天然氣發(fā)電裝機(jī)的布局。

③ 結(jié)合歐盟能源發(fā)展過(guò)程，未來(lái)能源轉(zhuǎn)型需循序漸進(jìn)，保持終端用能與設(shè)備的多樣化，確保能源供應(yīng)的可負(fù)擔(dān)性、可持續(xù)性。