DOC《如何解决大城市区域集中供暖难题？》

如何解决大城市区域集中供暖难题? 华贲1 熊永强

1、2 罗向龙

1、3 李亚军1 1华南理工大学天然气利用研究中心,2暨南大学化学系,3 广东工业大学 大城市中心供暖面临的高污染、低能效的严峻挑战 近十多年来我国经济增长突飞猛进,另世人瞩目.

但与主要发达国家不同,支撑中国经济快速增长所耗用的一次能源70%是煤.近年来几乎每年净增燃煤2--3亿吨.中国的煤碳消耗已超过全世界耗量的一半;

致使碳排放过快增加.按最近bp公司发布的2012年CO2排放数据,中国已达92亿吨,几乎等于占世界第

二、第

三、第四位的美国(57亿吨)俄罗斯(18亿吨)印度(17亿吨)排放总量之和.另方面,工业和供暖锅炉以燃煤为主所导致的PM2.5的排放已到了严重危害人民健康,难以容忍的地步.国家环保总局数据显示,600多个城市之中只有少部分PM2.5 达标.华北地区许多城市大气质量达标的日数只占1/3.这使得我国北方大城市以燃煤为主的供暖格局面临终结.各个城市纷纷提出并实施了各种替代燃煤供暖的方案.这个历史性的趋势已不可避免. 按照住建部统计,北方供暖需求总面积为400亿m2, 2011年底全国城镇和部分乡镇集中供暖面积供57.57亿m2.其中热电联产供暖只占37%. "十二五"规划到2015年全国CHP装机达到2.5亿kW,集中供暖普及率达到65%,其中CHP占50%.也就是说,CHP供暖仍只占总供暖负荷的三成左右;

其余的分散或集中供暖还是依靠热水锅炉 即使达到了"十二五"规划的上述目标,问题依然存在.按照科学用能的"高能高用、低能低用,温度对口、梯级利用"原则,保障18-20°C的室内环境温度,用60-45°C(散热片)或45-30的循环水(辐射供暖)已经足够.完全可以利用一次能源转换、利用最末端、"低级"温位的热量作为热源.而目前的CHP供暖从汽轮机抽出约0.5―1.0 MPa、饱和温度约150--180°C的蒸汽,通过130―65°C的循环热媒水加热80-50°C不等的采暖循环水,保障18-20°C的室内环境温度;

这其实也是"高能低用".而热水锅炉用燃烧温度可达1400°C的天然气直接加热热水,更是极端的"高能低用".这是中国能源利用效率比世界平均低13个百分点的重要原因之一. 目前的天然气替代燃煤供暖模式面临的能效和经济性问题 北京、沈阳、大连等城市为解决PM2.5问题已经着手天然气替代燃煤供暖的改造.以北京市为例,方案的主旨是1)、迁出六环路以内的所有燃煤电站,2)、建设4个大型天然气热电联产机组集中供暖,3)、不足部分辅以天然气热水锅炉.其它城市以天然气为主的供暖方案也大同小异. 这种供暖方案存在着三个致命的问题: 1)、天然气机组的热电产出与实际需求比率严重不匹配.根据住建部的统计,我国建筑物终端耗能中空调和供暖占65%,热水占15%,电占14%,炊事占6%,即热电比约为80/14,大于5.而大型天然气联合循环机组发电效率已达50%,抽汽供暖模式的热负荷即使达到燃料热值的20%,热电产出比都不到0.5.既不能满足供热需求而必须大量依靠锅炉供暖;

大量多余电力上网又严重亏损. 2)、我国终端消费的天然气与燃煤的等热值比价高于2,天然气发电成本比煤电高近一倍,大多数亏损.抽汽供热的成本也远远高于燃煤供暖.为避免增加居民负担,地方政府需支付数十到数百亿元计的补贴.仍占多数的天然气热水锅炉辅助供暖,不仅能源利用效率更低,亏损更多. 3)、由于能效低,单位供暖耗天然气量过大,致使城市天然气耗量冬夏季节差高达10倍以上,给天然气上、中游生产、运输和贮存系统运行带来极大的冲击和负担.导致冬季北方天然气价格上涨,进一步加剧了供暖的经济负担. 其它替代方案和先进供暖模式的探索和分析评价 迄今各地对解决供暖热源问题做出了许多努力和探索.北方许多地方采用了地源热泵,即利用大面积浅层土壤和地下水的蓄热能力,冬季用作热源取热并采用热泵升温供暖,地(水)温有所降低;

夏季制冷用作热阱把热量回传,再使其温度回升.成功的案例系统投资约为400元/m2,但热泵的COP可达4左右;

总体的供暖成本与燃煤机组抽汽供暖差不多.不过这种模式受到地质条件,城市中心可供打井的面积和成本的很大限制,并不是到处可用.特别是大城市打井更难.而且有冬夏供/取热不平衡,埋管传热系数衰减等问题. 沿海有的城市也学习瑞典经验,采用海水源热泵.冬季北方海岸附近水温3-4°C.即使采用50多°C的循环水温,因提升温度差高达50°C,热泵的功耗也很大,COP只有2-3左右.大连等地的试点项目表明,供暖费用十分昂贵. 利用汽轮机乏汽冷凝潜热的尝试和创新不的涌现.早在20年前,北方电厂小机组就已经有"破坏真空"供暖的部分推广.即藉降低冷凝器的真空度(也就是适当提高背压到50kPa左右)提高凝气温度到70--75°C左右,用于直接加热68―50°C的供暖循环水.虽然因背压提高减少了发电,但因 "温度对口",有效能损失大大减小,与抽汽供暖相比,电力损失小得多.既经济、能效也高. 2009年,清华大学江亿、付林等提出了采用大温差(130―20°C)循环热媒水,远端采用"吸收式换热器"使之与60―45°C的供暖循环水换热,20°C的回水加上利用0.25MPa抽汽吸收式热泵、回收部分复水器低温冷凝潜热的专利技术,并在大同等地实施.全供暖季将近一半的热量可取自乏汽冷凝废热. 近年来一些大型GW级超超临界燃煤机组也开始尝试抽汽供热.与蒸汽管线输送技术创新相结合,已经有了供热半径延伸到20―30km的用例. 此外,在我国北方,越来越多地方采用辐射供暖,即把交联聚乙烯水管大面积预埋设在地板或天花板中.由于辐射传热均匀、高效,不仅人体感觉更舒适,而且室内温度也可比散热片方式低1-2°C.供暖循环水温也可以大幅度降低.北京某奥地利设计的公寓供暖水温只有35°C左右.使得利用废热的比率可以进一步提高.正在规划建设的陕西某新城区规定,在严格执行住建部建筑节能标准基础上,所有新建住宅都必须采用辐射供暖模式;

成为使规划的区域能源利用效率达到84%以上的一项重要举措. 这些探索和创新为解决我国大城市供暖难题提供了技术基础;

指出了"梯级利用"低温余热、废热供暖,降低供暖能耗,全面提高总体能源利用效率的方向. 供暖能源利用方式革命:大城市科学用能,系统优化的供暖方案

1、利用远程燃煤CHP机组的余热 "十一五"和近几年在国家政策支持下,在我国各地建设了一大批2*300MW或2*350MW燃煤热电联产机组.2012年CHP装机已经达到火电装机容量7.96亿kW的25%.按规划到2015年将达2.5亿kW,占火电装机容量的32--35%. 为什么规划到2015年CHP供暖只能占集中供暖的一半呢?本文

第二节已经分析:因控制PM2.5排放的需要而采用天然气联合循环机组抽汽供暖,热电比很低;

用天然气热水锅炉补充,不仅供暖成本更高而且严重"高能低用".而在城市中心地带采用本文

第三节所述的地源热泵等技术也不具备条件.解决中国大城市供暖需要战略性的考虑. 本文提出了以上述清华大学专利技术为基础,利用大城市远郊大型燃煤CHP机组的饱和压力