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華北地區(qū)大中型城市建筑采暖方式分析 Building Heating Patterns for Large Cities in North China 江億 Jiang Yi 調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，減少燃煤造成的污染，同時滿足電力供大于需的矛盾，是華北地區(qū)大中型城市環(huán)境治理面臨的一個重大問題。建筑采暖能源約占此地區(qū)能源消耗的四分之一以上，重新研究建筑采暖策略是這些地區(qū)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整重點，對目前飛速發(fā)展的住宅建設(shè)也有重要的指導意義。本文在分析采暖現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，列出面臨的各種問題，介紹了可能的各種采暖方式，并從一次能源利用、運行成本、初投資、適用性等方面進行評價，最后提出不同現(xiàn)狀下新舊建筑采暖方式的建議。 一．現(xiàn)狀 1．熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱，目前華北各大中型城市均有一個或幾個熱電廠為熱源的熱網(wǎng)，北京市隨著高碑店熱電廠的并網(wǎng)和城區(qū)管網(wǎng)的進一步擴建和改造，供熱面積可進一步發(fā)展到六千萬平米。其它各城市熱電聯(lián)產(chǎn)為熱源的集中供熱系統(tǒng)也陸續(xù)建成和投入運行。 2．區(qū)域鍋爐房為熱源的集中供熱，這是該地區(qū)最主要的供熱方式，燃料主要為煤，目前部分改為天然氣或燃油。 3．家庭燃煤爐，仍占較大比例，是冬季空氣的主要污染源之一。 以上三種方式為此地區(qū)85％以上建筑的采暖方式，此外還有利用地熱熱水為熱源的集中供熱系統(tǒng)，新建小區(qū)利用電熱膜方式的電采暖、一家一戶燃氣小鍋爐采暖、空氣熱泵和水源熱泵采暖等。 二．目前問題 1．集中供熱系統(tǒng)末端無計量和調(diào)節(jié)手段。統(tǒng)一按照供熱面積收費。當室內(nèi)過熱時，用戶開窗散熱而不是關(guān)暖氣。由于無調(diào)節(jié)手段，辦公室、教室夜間和假期照常供熱，住宅有人無人照常供熱。根據(jù)測算，末端增加調(diào)節(jié)手段并通過改變計量方式使此調(diào)節(jié)手段被真正利用，可使供熱能耗降低35～40％，并可以實實在在地改善需要采暖的用戶的采暖狀況，滿足不同水平的需求。然而采暖收費方式的改革涉及大量技術(shù)、資金和政策問題。將是一個長期的任務。 2．家庭小煤爐采暖和大量的小型燃煤鍋爐區(qū)域采暖是冬季空氣的主要污染源之一。應作為環(huán)保改造的重點。 3．華北電網(wǎng)峰谷差達到1：4.5，盡管總的用電負荷低于供電能力，但峰時供電仍緊張，削峰填谷和發(fā)展低負荷時段的電力負荷是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整所面臨的重要課題。 三．幾種可行的采暖方式及分析評價 1．熱電聯(lián)產(chǎn)方式 熱電聯(lián)產(chǎn)是利用燃料的高品位熱能發(fā)電后，將其低品位熱能供熱的綜合利用能源的技術(shù)。目前我國大型火力電廠的平均發(fā)電效率為33％，而熱電廠供熱時發(fā)電效率可達20％，剩下的80％熱量中的70％以上可用于供熱。一萬千焦熱量的燃料，采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式，可產(chǎn)生2000千焦電力和7000千焦熱量。而采用普通火力發(fā)電廠發(fā)電，此2000千焦電力需消耗6000千焦燃料。因此，將熱電聯(lián)產(chǎn)方式產(chǎn)出的電力按照普通電廠的發(fā)電效率扣除其燃料消耗，剩余的4000千焦燃料可產(chǎn)生7000千焦熱量。從這個意義上講,則熱電廠供熱的效率為170％，約為中小型鍋爐房供熱效率的2倍。同時熱電廠可采用先進的脫硫裝置和消煙除塵設(shè)備，同樣產(chǎn)熱量造成的空氣污染遠小于中小型鍋爐房。因此在條件允許時，應優(yōu)先發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的采暖方式。熱電聯(lián)產(chǎn)的問題是：①長距離輸送，管網(wǎng)初投資高，輸送水泵電耗為所輸送熱量的2～4％，維護、管理費用也高， ②由于末端無計量方式和調(diào)節(jié)手段，導致30～40％的熱量浪費。按照前蘇聯(lián)的大規(guī)模實驗結(jié)果，供熱末端增加調(diào)節(jié)手段，并采用按熱量計量收費后,可節(jié)省熱量30％以上。[2] 2．中小型區(qū)域鍋爐房集中供熱 其區(qū)域鍋爐房可以是燃煤、燃氣、燃油或電鍋爐方式，但都需要通過區(qū)域管網(wǎng)經(jīng)過熱水循環(huán)向建筑物內(nèi)供熱。于是與熱電聯(lián)產(chǎn)方式一樣，由于末端無計量和調(diào)節(jié)手段，導致30～40％的熱量浪費。熱量輸送距離短，水泵電耗為輸送熱量的1～1.5％，但其熱源效率卻遠低于熱電聯(lián)產(chǎn)方式。區(qū)域燃煤鍋爐房的設(shè)置是以煤為主要燃料的解決分散到各戶設(shè)燃煤爐導致的煤和煤渣的運輸與污染，煤爐的管理等一系列問題。為此犧牲了末端調(diào)節(jié)能力，導致30～40％的末端熱量浪費，增加了1～1.5％的輸送電耗，并降低了供熱水平，但如果以電或天然氣為燃料，它們的輸送都比熱量容易，輸送成本也低，電熱或天然氣鍋爐很容易實現(xiàn)自動管理。為什么還要搞燃氣或電的區(qū)域鍋爐房呢？按照目前的燃料價格，使用天然氣為燃煤的4倍，電熱為燃煤的11倍，使用這些清潔燃料除換來環(huán)境效益外，應盡量利用其便于輸送，便于調(diào)節(jié)的特點，通過節(jié)能盡可能地減少運行費的增加。 3．家用小型燃氣熱水爐 一家一戶自成系統(tǒng)，同時解決采暖和熱水供應問題。這一方式在歐、美已有幾十年歷史，目前為這些地區(qū)的主要采暖方式，我國之所以沒有廣泛應用，是由于燃煤為主的歷史形成必須集中供熱的傳統(tǒng)觀念，以往居住面積狹小也限制了這種方式的采用。長期依賴住房分配制，集中供熱設(shè)備的投資，包含在市政和建筑中，而家庭燃氣鍋爐卻要個人出資則為另一原因。目前隨住房改革和燃料結(jié)構(gòu)改變，這三個原因都不再存在，因此在新建住宅區(qū)當不存在熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱的條件，準備使用天然氣為采暖燃料時，家用燃氣小鍋爐應為首選方案。近幾年曾出現(xiàn)過幾起燃氣小鍋爐爆炸的事故，這屬于初期試用中的問題。引進國外成熟技術(shù)，安全問題應較容易和可靠的解決。小區(qū)燃氣鍋爐房集中供熱工程中，鍋爐房、外網(wǎng)和建筑物內(nèi)主管網(wǎng)的投資至少要30～50元/m2，與家庭燃氣鍋爐房投資相同。而使用家庭燃氣鍋爐時還可省去熱水器投資。采暖是連續(xù)負荷，瞬態(tài)負荷不高于目前家用熱水器負荷，因此不會給燃氣管網(wǎng)帶來問題。而末端的靈活調(diào)節(jié)卻能與集中燃氣鍋爐相比，平均節(jié)省30～40％的燃氣，從而降低運行成本。因此，與燃氣集中鍋爐房形式相比，這一方式優(yōu)越性十分明顯。 4．直接電熱 在室內(nèi)采用各種電暖氣、電熱膜等方式，盡管末端裝置熱利用率為100％，并且調(diào)節(jié)靈活，但使用高品位電能直接轉(zhuǎn)換為熱，是很大的能源浪費。目前我國大型火力發(fā)電廠的平均熱電轉(zhuǎn)換效率為33％，在加上輸送損失，電熱采暖的效率僅為30％，遠低于熱電聯(lián)產(chǎn)的170％，也低于燃煤或燃氣采暖的85～90％。法國、瑞士等國采用部分電熱采暖是由于它們豐富的水利資源，發(fā)電以水電和核電為主。我國還是以火電為主，采用電熱方式，實際上要比鍋爐房直接供熱增加2倍的污染物排放量。僅從環(huán)境保護的角度看，電熱直接采暖的方式也不可取。 5．電蓄熱方式 為了解決電力負荷的峰谷差，減緩大型火電與調(diào)峰的困難，設(shè)法利用夜間低谷期電力供熱，從電力系統(tǒng)運行的綜合平衡看，尚有一定的道理。目前有這樣幾種電蓄熱方式：①大型常壓熱水箱。每一萬平米采暖面積約需85立方米水箱，占地成本高，蓄熱損失也較大 ②高壓蓄熱水箱，可使蓄熱溫度提高到19℃，從而可使蓄熱水箱容積減少至三分之一。但所占空間仍大，并且在居住區(qū)增加這樣的高壓容器總有一些安全問題。這兩種方式最終還是以集中供熱方式向末端供熱，因此保留了集中供熱調(diào)節(jié)不靈活，供熱效率低等一系列問題。 ③采用電熱膜方式，利用建筑物本身熱濕性蓄熱。由于采暖最大負荷發(fā)生在晚間而電力負荷低谷發(fā)生在后半夜，因此這種蓄熱方式效果很差，并且為了蓄熱導致夜間室內(nèi)溫度過高，熱損失增加。 ④相變蓄熱電暖氣[1]。采用硅鋁合金作為相變材料，體積與通常的鑄鐵暖氣相同卻可在五小時內(nèi)蓄存一天的供熱量，真正實現(xiàn)削峰填谷，其放熱量又可隨時人為控制，不需要采暖時可隨時關(guān)閉，應該是末端電蓄熱采暖的最佳解決方案。目前的問題是設(shè)備投資高，約150元/m2，電力峰谷價格差別小。只有由電力部門對這種采暖設(shè)備適當補貼，并且使谷間電價降至0.20元/度以下，這種方式才能與個人燃氣鍋爐競爭。 6．電動空氣熱泵 使用電采暖的最好方式是熱泵方式?？諝鉄岜檬鞘箍諝鈧?cè)溫度降低，將其熱量轉(zhuǎn)送至另一側(cè)的空氣或水中，使其溫度升至采暖所要求的溫度。由于此時電用來實現(xiàn)熱量從低溫向高溫的提升，因此當外溫為0℃時，一度電可產(chǎn)生約3.5 度的熱量，效率為350％，考慮發(fā)電的熱電效率為33％，空氣熱泵的總體效率約為110％，高于直接燃煤或燃氣的效率。實際上現(xiàn)在的窗式和分體式空調(diào)器中相當一部分都已具有熱泵功能，因此屬很成熟的技術(shù)。具有熱泵功能的房間空調(diào)器與單冷型房間空調(diào)器價格差異并不大，因此考慮到空調(diào)器的普及，采用熱泵并不增加投資。這種方式的問題是：①熱泵性能隨室外溫度降低而降低，當外溫降至－5℃以下時，一般就需要輔助采暖設(shè)備。此時用電熱作為輔助手段，也遠比整個冬季全部電熱效率高，模擬分析的結(jié)果表明使用輔助電采暖后，北京地區(qū)熱泵采暖電耗約為直接電熱方式的一半。 ②房間空調(diào)器的末端是熱風而不是一般的采暖散熱器，許多人感覺不舒適，這可以通過一些措施來改進。例如采用戶式中央空調(diào)與地板采暖結(jié)合等，但初投資要增加。 7．電動水源熱泵 解決空氣熱泵外溫低時效率下降的最好方案就是采用深井回灌方式的水源熱泵。冬季將地下水從深井抽出，經(jīng)換熱器降溫后，再回灌到另一口深井中。換熱器得到的熱量經(jīng)熱泵提升溫度后成為采暖熱源。夏季則將地下水從深井中取出經(jīng)換熱器升溫后再回灌到另一口深井中，換熱器另一側(cè)則為空調(diào)冷卻水。這種方式實際上是在夏天將建筑物中產(chǎn)生的熱量存入地下，供冬季采暖使用。冬季將建筑物產(chǎn)生的冷量存于地下，供夏天空調(diào)用。華北地區(qū)民用建筑冬夏冷熱負荷大致相當，因此采用此方式可保持地下的熱平衡。由于地下水抽出后經(jīng)過換熱器后又回灌至地下，屬全封閉方式，因此不使用任何水資源也不會污染地下水源。這一方式在西歐各國廣泛使用，屬環(huán)保方式。我國在70年代就有多處采用冬季深井回灌，以在夏季提供空調(diào)冷水的工程經(jīng)驗，因此屬成熟技術(shù)；水??水熱泵的投資及技術(shù)復雜性都低于風??水熱泵或風??風熱泵，應無技術(shù)難度。由于地下水溫常年穩(wěn)定，采用這種方式整個冬季氣候條件都可實現(xiàn)一度電產(chǎn)生3.5度以上的熱量，運行成本低于燃煤鍋爐房供熱，夏季還可使空調(diào)效率提高，降低30～40％的制冷電耗。同時此方式冬季可產(chǎn)生45℃熱水，因此仍可使用目前的采暖散熱器。采用這種方式需要的深井和泵房投資折合約60元/m2，可以每座建筑安裝集中的熱泵站，向各室提供冷水或熱水，但更好的方式是在各戶自行安裝小型水冷熱泵，解決冬季采暖和夏季空調(diào)的要求，增加的投資約為150元/m2，如果考慮空調(diào)設(shè)備投資的話，這種方式與小區(qū)燃煤鍋爐房＋各戶房間空調(diào)器投資相同，但全部為電驅(qū)動，小區(qū)無污染。夏季空調(diào)熱量全部排入地下，小區(qū)無熱污染，一次能源效率還高于直接燃煤，因此應該是解決華北地區(qū)城市建筑采暖空調(diào)的最佳方案。 下表給出上述北京市采用不同采暖方式一次能源、運行費、投資等各參數(shù)的比較： 不同的采暖方式 折合一次能源GJ/m2.年 運 行 費 初 投 資 分戶可調(diào) 局部條件 運行能耗元/m2.年 管理費元/m2.年 公共部分元/m2 建筑內(nèi)部分元/m2 熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱**** 0.32 10.6 2 60 50 難 與熱網(wǎng)相連 燃煤鍋爐房集中供熱 0.63 10.1 2 50 50 難 天然氣鍋爐房集中供熱 0.60 27.3 1 45 50 難 燃氣管網(wǎng) 電鍋爐房集中供熱(不蓄熱) 1.71 63* 1 45 50 難 電鍋爐集中供熱、蓄熱 1.80 35** 1.5 80 50 難 家庭燃氣小型鍋爐 0.45 18.7 0 0 110 易 燃氣管網(wǎng) 家庭電熱膜或電暖氣 1.20 43.3 0 電網(wǎng)擴容 40 易 家庭蓄熱式電暖氣 1.20 22.3** 0 電網(wǎng)擴容 150 易 電動小型空氣熱泵(帶輔助電熱) 0.66 23.8* 0 0 150*** 易 電動水源熱泵(各家獨立) 0.40 16.5* 1 60 150*** 易 可深井回灌 電動水源熱泵(集中式) 0.57 20.6* 1.5 110 80*** 難 可深井回灌 * 電費按0.39元/度計算 ** 低谷電按0.20元/度計算 *** 已包括夏季空調(diào)初投資 **** 熱電聯(lián)產(chǎn)初投資僅為外網(wǎng)及換熱站，不包括電廠，運行費按16元/GJ，燃煤從電廠購熱價計算 注：1. 運行能源包括輸送管網(wǎng)水泵電耗，管理費為運行管理人工費 2．燃氣價格按1.4元/m3，36MJ/m3燃值計算 從表中折合一次能源消耗量和燃料種類可看出各種方式COx排放量及對大氣的污染程度?？梢钥闯?，如果電均為燃煤電廠供給的話，熱電聯(lián)產(chǎn)方式對大氣污染最低而電熱鍋爐排放量最高。運行費也是熱電聯(lián)產(chǎn)方式最低，因此只要條件具備，就應大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方式，同時改革供熱計量收費方式，增加末端調(diào)節(jié)手段，從而進一步降低集中供熱單位能耗，增大現(xiàn)有的熱電聯(lián)產(chǎn)熱源可能供熱的面積。 四．結(jié)論 1．大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱方式，這是寫入我國二十一世紀白皮書中的基本國策，應從各方面支持和保證。只要有可能接入熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱網(wǎng)的，就應要求接入，而不允許采用其它方式。 2．不同的燃料對應于不同的最佳供熱方式。燃煤對應的最佳方式為熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱，燃氣、直接用電時集中供熱方式就不再適宜，而應發(fā)展與新的燃料對應的新方式。 3．對小區(qū)鍋爐煤改天然氣工程一定要慎重。有條件接入熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱網(wǎng)的應盡可能接入。有條件取消集中供熱，改為家庭獨立的燃氣鍋爐的應盡可能爭取。對于住戶經(jīng)濟條件普遍較好，空調(diào)安裝率較高的小區(qū)，甚至還可打深井，安裝集中換熱器利用原有供暖管網(wǎng)實現(xiàn)水的循環(huán)，在各家各戶安裝分散式水源熱泵。 4．遠離熱電聯(lián)產(chǎn)熱網(wǎng)的新建小區(qū)不應該再建集中供熱系統(tǒng)，而應采用家庭小型燃氣鍋爐或建深井回灌系統(tǒng)統(tǒng)一提供循環(huán)水，各家各戶安裝小型水源熱泵。 5．應從政策上支持深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。有條件地區(qū)的新建小區(qū)和商業(yè)建筑應盡可能優(yōu)先考慮此種方式，這對保護大氣環(huán)境，保護小區(qū)環(huán)境，擴大用電負荷都非常適宜。將空調(diào)設(shè)備投資一同考慮的話，這種方式初投資并不高，而運行費用最低。 6．對于城區(qū)燃煤爐采暖的用戶，可以推廣帶有輔助熱源的空氣熱泵方式和蓄熱式電暖氣方式。由于蓄熱式電暖氣方式具有最佳的對電力負荷削峰填谷效果。因此除電價上的優(yōu)惠政策外，電力部門還應對蓄熱式電暖氣設(shè)備給予補貼。 7．嚴格禁止各種電熱鍋爐集中供熱方式。對電熱膜、電暖氣等方式也應盡量控制使用。絕不能為了目前擴大用電負荷就推廣直接電采暖。我國電力系統(tǒng)最大問題是峰谷差，直接電采暖不會為減緩峰谷差有何幫助。大力發(fā)展熱泵技術(shù)，實現(xiàn)高效率供熱或發(fā)展相變蓄熱電暖氣解決峰谷差問題，才應是擴大用電負荷的合理途徑。各種熱泵系統(tǒng)雖然初投資略高，但都已包括了空調(diào)設(shè)備。幾種熱泵系統(tǒng)的投資都低于單獨的采暖系統(tǒng)加上單獨的空調(diào)系統(tǒng)，近年來我國房間空調(diào)器的擁有量一直以20％的速度遞增，目前北京市每百戶擁有空調(diào)器超過60臺。從這一背景出發(fā)全面考慮采暖和空調(diào)的要求，熱泵系統(tǒng)反而成為更經(jīng)濟的了。 參考文獻： [1]. 專利公報：一種相變蓄熱電取暖器，公報號：99214838.3，授權(quán)日： 2000.1.14 [2]. Eric Martinot, investments to improve the energy efficiency of evisting residential buildings in countries of the former soviet union.世界銀行出版物。 作者簡介：江億，清華同方總工，清華同方研發(fā)中心主任，清華大學教授