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综合智慧能源科普系列:清洁供热

日期:2023-12-18    来源:白云新能源

国际新能源网

2023
12/18
11:45
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关键词: 清洁供热 新能源 可再生能源

一、定义

清洁供热,是指因地制宜使用清洁化能源(热源),直接或通过高效输配管网为热用户提供安全、绿色、经济热能的供热方式,其实质是热能的生产、输配及使用的全过程实现节能清洁环保。清洁化能源主要指天然气、电、地热、生物质、太阳能、风能、空气能、工业余热、煤炭清洁利用及核能等能源。热用户涵盖工业、农业及建筑等所有生产、生活场所。

二、清洁供热主要供热方式及技术特性

(1)清洁燃煤集中供热

清洁燃煤集中供热是对燃煤热电联产、燃煤锅炉房实施超低排放改造后(即在基准氧含量6%条件下,烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50毫克/立方米),通过热网系统向用户供热的方式,包括达到超低排放的燃煤热电联产和大型燃煤锅炉供热。

清洁燃煤供热成本优势大,主要覆盖已有热力管网系统的城镇集中供热区域。环保排放要求高,对城镇民生取暖、清洁取暖、减少大气污染物排放起主力作用。其问题制约是清洁燃煤供热面积的增加可能加大未来电力系统调峰和新能源消纳难度,集中供热管网难以延伸至广大农村地区。

(2)天然气供热

天然气供热指以天然气为燃料,利用脱氮改造后的燃气锅炉、燃气热电联产等进行集中供热,以及燃气热泵、壁挂炉等进行分散供热。与燃煤供热相比,天然气供热的热效率更高,烟尘及SO?的排放量更低;与电制热供热相比,天然气供热经济性更好。

天然气供热具有可根据自己需要调好时间段供热(经济性)、供热温度随意设定、一般采用壁挂锅炉,洗锅洗澡热水随用随来、启动快的优点,同时也有一次性投资大(锅炉基本一万元左右)、锅炉使用1—2年后,有维修费用、长时间供热,费气。用气费用惊人(尤其是100平米以上房子)的缺点。

天然气供热发展的主要问题。一是我国天然气供应对外依赖度高,供应保障能力弱。二是尽管天然气燃烧的氮氧化物排放约为燃煤的60%~70%,但由于燃气供热的热电比低,提供相同热量时,氮氧化物的排放量与燃煤供热基本相同。天然气管网覆盖范围相对较小,还无法覆盖很多农村地区。

(3)电制热供热

电制热供热指利用电能,使用普通电锅炉、蓄热电锅炉、电锅炉+水蓄热、电锅炉+相变蓄热等集中供热方式,以及发热电缆、电热膜、碳晶、热轨、碳纤维、直热式电暖器、蓄热式电暖器等分散供热方式,还包括各类电驱动热泵等方式进行供热。

电供热的发展在技术、管理与能源供应上具有相对优势。一是当前电力整体供应相对宽松。二是供电保障能力强。电网为一体化运营管理,供电直接延伸至用户用电末端,电供热设施运行灵活,且安全性较高。三是清洁化水平高。电取热用户无污染物排放,同时有利于电能占终端能源消费比重的提高,增加电力系统中风电、光伏等清洁能源消纳。

电供热发展的主要问题在于成本相对较高。综合考虑设备投资、供热效率、供热时间等因素,电供热综合成本是天然气供热的1.4~1.8倍,一次投入与电价补贴要求都比较高。

(4)地热供热

地热供热指利用地热资源,使用换热系统提取地热资源中的热量向用户供热,可作为集中式或分散式供热热源。按照埋存深度和温度等级,地热供热可分为浅层地热资源、水热型地热资源和干热岩型地热资源。目前,浅层和水热型地热能供热(制冷)技术已基本成熟——浅层地热能采用热泵技术提取热量,而水热型地热能通过人工钻井或天然通道开采利用;干热岩型地热能开发尚处于起步阶段。

地热供热的主要优势是清洁环保、稳定可靠、在我国北方地区地热储量丰富、分布广泛。主要问题与制约是当前技术标准、管理制度、环保标准等有待健全、更适合统一规划、集中开发。

(5)生物质能清洁供热

生物质能清洁供热指利用生物质原料及其转化燃料在专用设备中清洁燃烧供热的方式,包括:排放达标的生物质热电联产和大型生物质锅炉等集中供热,以及中小型生物质锅炉等分散供热。我国中小型燃煤供热锅炉数量较多,清洁替代任务较重。生物质能供热在终端消费环节直接替代燃煤,有较大的发展空间。

生物质能清洁供热的主要优势是适宜就近收集原料、分布式开发、在用户侧直接替代煤炭。生物质成型燃料由农林生物质压缩制成,便于储存与运输,燃烧效率高,是国际公认的清洁低碳燃料,生物质成型燃料锅炉供热的清洁程度高于天然气,成本则远低于天然气。主要问题与制约是高效低排等重大技术及标准、产业体系等都有待成熟、缺乏专业化原料供热体系,难以稳定满足供热需求。

(6)太阳能供热

太阳能供热指利用太阳光热能,借助太阳能集热装置,配合其他稳定性好的清洁供热方式向用户供热。太阳能供热可分为主动式和被动式。根据热媒不同,主动式太阳能供热可分为太阳能空气供热和太阳能热水供热2种类型。

太阳能空气供热主要针对单层、闲置农房,其系统启动快、耐冻,但效率低。太阳能热水供热是从太阳能生活热水基础上发展而来,其系统效率高、易安装,但控制不当易发生冻害、过热等问题。被动太阳房是被动式太阳能供热的典型代表,20世纪80年代初就已在北方地区广泛应用。

太阳能供热具有使用寿命长、应用场景广泛等特点;在同等供热情况下,可节约40%—60%的能源成本。目前,集中式太阳能区域供热是国际发展的趋势和方向。

(7)工业余热供热

工业余热供热指回收工业生产过程中伴生的余热,经换热装置提质后进行供热的方式。与燃煤供热、天然气供热、电制热供热相比,工业余热供热在技术及经济上均具有较好的可行性。但工业余热种类繁多,其数量和形态在时间或空间上也常具有不确定性,囿于传统余热回收技术水平,难以被高效利用。而储热技术的优势,恰恰能够缓解能量供需双方在时空、强度与地域上不匹配的矛盾。将储热技术与工业余热清洁供热技术有机结合,可进一步提升余热转换效率。

(8)核能供热

核能供热指以核裂变产生的能量为热源的集中供热或分散供热。目前,核能供热主要有2种方式:低温核供热

和核热电联产。低温核供热已形成池式供热堆和壳式供热堆2种主流技术,单个模块供热能力在200兆瓦左右,可满足400万平方米用热需求;核热电联产的综合能源利用率可达80%,单台1100兆瓦电力机组供热能力超过2000兆瓦,供热面积达5000万平方米。

三、清洁供热的难点问题

我国清洁供热技术经过几年的发展,呈现出多种形式齐头并进,多种热源共同使用的现状。但从现状来看,快速推进的清洁供热在发展过程中存在诸多的问题亟待解决,在实际的推进过程中,可以选择适用的清洁供热技术,优化供热规划。引导当地供热企业、投融资机构、各种热源的生产企业和各地经销商群体积极参与,共同把清洁供热做好。

(1)清洁取暖科学评价指标有待统一

清洁取暖技术种类较多,百花齐放,但评价指标一直无法统一,缺乏普适性。有些指标过于简单,只关注其经济性指标,往往忽略取暖方式是否与当地的能源布局及生态环境相适应等问题;有些指标过于繁冗,需要建立复杂的数学模型,可操作性不强。这就使得清洁取暖技术市场鱼龙混杂,很难以统一标准衡量某项技术的优劣。

(2)供热管网能效水平有待提升

目前,我国城镇集中供热管网总里程已达到48.8万公里,其中75%为城市集中供热管网,但室外管网的输送效率仅为70%。究其原因:硬件设施方面,供热管网的结构布局不合理,支状管网较多,导致管网水力失调问题严重。再者,部分老旧管网因运行维护不到位,“跑冒滴漏”等问题严重,还有管网凝结水问题、管网保温问题等,这些都可造成整个供热管网的输送效率下降;软件设施方面,供热系统的调控技术水平落后,因大部分热网末端热用户未采用实时热计量措施,使得现有的供热系统只是对设备的粗放型调节,无法根据热用户的需求对整个供热系统进行精准调控,导致管网过量供热或供热不足现象时有发生。

(3)多方共赢长效机制有待建立

目前,清洁取暖改造资金主要来自3个方面:中央财政试点城市奖补资金、地方财政补贴资金、社会资本投入。随着2019—2020年采暖期的结束,天津、唐山、石家庄等第一批北方地区清洁取暖试点城市3年示范期也将结束,清洁取暖工作将面临最终考核,而考核结果将直接关系到试点城市能否足额领取奖励资金。天津和济南已经宣布要延长清洁取暖运行补贴至2022—2023年采暖期结束,而唐山表示将分3年逐步取消运行补贴,其他城市尚未明确后续政策。

从清洁取暖试点城市情况看,即使存在补贴,其运行费用仍然比传统散煤取暖方式高。如果清洁取暖补贴逐步取消,后续工作如何展开将是一个棘手的问题。虽然河北省张家口市可再生能源示范区探索了一条“政府+电网+发电企业+用户侧”共同参与的“四方协作”发展之路,但有其特殊背景——张家口市域内蕴含丰富的风能、太阳能和生物质能等资源,为可再生能源开发与应用提供了良好的基础,这也是“四方协作”机制成功建立的关键点之一,但不具备全国大范围推广可行性。如何建立一套多方共赢的长效机制,是解决清洁取暖用户端长期可持续的关键所在。

四、清洁供热发展难题的解决路径

(1)逐步建立清洁取暖科学评价体系

科学的清洁取暖评价体系需要相关的科研单位和供热企业联合攻关。应针对当前多种清洁取暖技术的优缺点,秉承“科学性、先进性、协调性、可操作性”的理念,将热力学、热经济学、环境经济学等相结合。从全生命周期角度,建议主要考察3个方面指标。

(2)能效指标

因燃煤、天然气、电能、地热能、生物质能、太阳能、工业余热、核能等能量品位高低不同,传统的?分析和能级平衡理论无法充分考虑能量转换环节的转换效率,只能说明输入能量和用户之间的能量品质的差异。为此,江亿等提出了能质系数的概念,即不同能源对外所能做的最大功与其总能量的比值。利用能质系数的概念,可更合理地反映各种形式能量品位的高低。电能的品位最高,可完全转换为功,能质系数为1;其他能量形式的能质系数要根据实际对外做功的能力来分别确定。若达到同等的用户采暖要求,从节能角度考虑,采用能质系数较低的能量形式更为可取。

(3)经济指标

在进行不同能量形式的热源供热系统经济性评价时,除了需要考虑初投资及后期的运行与维护费用外,还要结合热经济学结构理论,将总成本分摊在供热系统或供热装置的全生命周期之内,考察构成系统或装置的各个组件的单位?成本,以获得系统或装置的平均?成本。若达到同等的用户采暖要求,从经济性角度考虑,平均?成本较低的供热系统或装置性能更优。

(4)环境影响指标

针对不同能量形式的热源供热系统对环境影响的程度不同,需要在同一个供热周期内开展,不仅要考虑CO2、SO2、NOx等污染物的影响,还要考虑构成系统或装置的各个组件自身材料对环境的影响(如组件自身材料材质是否有毒有害、是否可循环利用等),之后才能测算出系统或装置的单位环境影响因子。若达到同等的用户采暖要求,从环境影响角度考虑,单位环境影响因子较低的供热系统或装置将成为首选。评价指标的好坏需要经受实践的检验,并要不断进行修正与完善。

(5)有序推进供热管网节能改造及采暖末端能效提升

受传统供热模式限制与改造费用的多重影响,供热管网节能改造和采暖末端能效提升不是一蹴而就的事情,需要重点突破,有序推进。针对供热管网的主要问题,先要进行性能评估,再寻求与清洁取暖技术最相适应的节能改造方案。针对建筑物维护结构保温性差的问题,优先改造能耗高、问题凸显的房屋,并鼓励探索政府、用户和供热企业三者共同分享成本与收益的新模式。这些工作将为后续智慧供热技术的全面展开提供有力的硬件支撑。

(6)积极探索多方共赢长效机制

当前,清洁取暖市场化机制尚未建立,主要依赖政府直接投入,这就导致清洁供热项目盈利水平较低,市场积极性不高。为打破这种僵局:政府可开展相应的顶层设计与协调,消除体制障碍,根据各个城市与地方的特点,选择适用的清洁取暖技术,编制相应的技术指南,优化供热规划;地方政府宜出台配套的政策措施,因地制宜,因时制宜,引导当地供热企业、投融资企业、热用户等积极参与清洁供热项目,探索新型的多方共赢机制,激活潜力市场。


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