我國清潔供暖技術現狀、問題與解決路徑

樓主   帖子創建時間:  2022-04-30 15:26 回復:0 關注量:292
 本文著眼于我國北方清潔取暖工作的可持續發展,回顧了區域供熱技術發展的大致歷程和近10年來國家相關的供熱政策,闡述了我國北方現有各項清潔供暖技術的優劣,包括:清潔燃煤供暖、天然氣供暖、電制熱供暖、地熱供暖、生物質能清潔供暖、太陽能供暖、工業余熱供暖、核能供暖等,對清潔取暖領域存在的問題進行深入剖析,并給出相應的解決路徑。(來源 中國科學院院刊)

 

01區域供熱技術發展歷程

 

14世紀,在法國紹代艾蓋縣城運行的一套熱水供熱系統,被認為是世界上第一套區域供熱系統。該套系統以地熱作為熱源,可同時滿足30間房屋的供熱需求。之后,區域供熱技術從燃煤鍋爐房到熱電聯產,再到熱電冷聯產,逐步發展與完善。
在區域供熱技術發展的歷程中(圖1),儲熱裝置在第二代、第三代技術中就已經出現,而在第四代技術中,除了常規儲熱裝置外,還有其他多種儲熱形式予以補充,以減緩可再生能源間歇性的影響。

與前三代區域供熱技術相比,第四代將充分利用一切可用的能源,包括太陽能、地熱能、風能、生物質能、工業余熱等,借助規?;瘍峒夹g,實現真正的低溫供熱(供水溫度55℃/回水溫度25℃)。這樣不僅可減少散熱損失,提高系統效率,更有利于低品位熱能的并入,而且投資成本并沒有大幅增加。我國區域供熱技術尚處于第三代。第四代區域供熱技術契合了當前清潔取暖的國家戰略需求,是政策引導下取暖領域的供給側結構性改革,有利于從源頭消除霧霾等環境問題,因此有必要大力推動第四代區域供熱技術的應用。

 

02我國清潔取暖的相關政策

 

清潔取暖是指利用天然氣、電、地熱、生物質、太陽能、工業余熱、清潔化燃煤(超低排放)、核能等清潔化能源,通過高效用能系統實現低排放、低能耗的取暖方式。清潔取暖包含以降低污染物排放和能源消耗為目標的取暖全過程,涉及清潔熱源、高效輸配管網(熱網)、節能建筑(熱用戶)等環節。清潔取暖的主要方式包括清潔燃煤供暖、天然氣供暖、電制熱供暖、可再生能源供暖和工業余熱供暖等。

近年來,我國政府相繼出臺了一系列有關供暖的相關政策文件。2006年,國務院出臺了《國務院關于加強節能工作的決定》,指出供暖要商品化,按用熱量計量收費。同年,財政部印發《可再生能源建筑應用專項資金管理暫行辦法》,明確提出支持利用可再生能源進行采暖制冷,包括利用熱泵技術等。國家能源局于2007年發布的《能源發展“十一五”規劃》指出從分布式鍋爐轉變為集中供暖,以及新建熱電聯產節能標準;2013年發布的《能源發展“十二五”規劃》要求發展天然氣熱電聯產、熱力網建設等;2017年發布的《能源發展“十三五”規劃》提出推廣熱電冷三聯供和生物質熱電聯產、地熱能供暖、低品位余熱供暖等。

推進北方地區清潔取暖工作已成為中央提出的一項重要決策部署。尤其進入“十三五”后,《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021年)》《關于推進北方采暖地區城鎮清潔供暖的指導意見》《清潔能源消納行動計劃(2018—2020年)》《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》《綠色產業指導目錄(2019年版)》等相關政策文件的密集推出,也彰顯了國家大力發展清潔取暖工作的決心與信心。


03我國清潔供暖技術現狀

 

清潔燃煤供暖
清潔燃煤集中供暖指實施超低排放技術改造后,將實現超低排放標準的燃煤熱電聯產和大型燃煤鍋爐通過熱網系統向用戶供暖的方式。
我國接近70%的燃煤發電機組已經實現“超低排放”,預計到2020年底,大中型燃煤發電機組將100%完成“超低排放”改造和能效提升。統計數據表明,截至2018年底我國北方地區清潔燃煤集中供暖面積約為58.95億平方米,且均為燃煤熱電聯產集中供暖。成本低廉是燃煤熱電聯產的最大優勢,并且清潔燃煤集中供暖能夠覆蓋已有熱力管網系統的城市集中供暖地區;但是,其劣勢也同樣明顯——集中供熱管網難以延伸至廣大農村地區。
推動“好煤配好爐”方案的實施是民用散煤燃燒污染治理過程中的一項重要舉措。在我國農村地區,散煤是冬季取暖的主要燃料,占生活用煤的90%左右。但農村大部分地區供暖設備技術較為落后,散煤不充分燃燒導致大量顆粒物、SO2、NOx等直接排入大氣,造成巨大能量浪費,并加重環境污染。“好煤”指潔凈型煤、蘭炭等清潔煤。潔凈型煤是通過將粉煤、煤矸石與農作物秸稈混合,并加入節能減排增效劑,經擠壓成型后制得。因其原料中添加了節能減排增效劑,可促進硫元素充分氧化后固化在爐灰中,同時減少CO的生成。蘭炭是利用神府煤田盛產的優質侏羅系精煤塊燒制而成,其固定碳高、化學活性高,灰分、硫、磷等雜質含量低,是與優質無煙煤排放接近的清潔煤。“好爐”指經過技術改造后的高效節能爐具。好爐需要與對應燃料配套使用,如潔凈型煤+解耦爐具(圖2)等。據爐具行業2017年調查數據,我國1.6億戶農村居民家庭中,燃煤取暖約占41.3%,散煤用量約2億噸。全國供暖爐具市場容量達1.86億臺,商品化爐具市場保有量約1.2億臺。我國北方多地已開展潔凈型煤、蘭炭等清潔煤及相關配套高效節能爐具的推廣。

天然氣供暖
天然氣供暖指以天然氣為燃料,利用脫氮改造后的燃氣鍋爐、燃氣熱電聯產等進行集中供暖,以及燃氣熱泵、壁掛爐等進行分散供暖。與燃煤供暖相比,天然氣供暖熱效率更高,煙塵及SO2的排放量更低。燃氣-蒸汽聯合循環冷熱電聯供系統(圖3)為該技術的典型代表之一。

截至2018年底,我國北方地區天然氣供暖面積約為28億平方米,占總取暖面積15.3%。隨著“煤改氣”清潔供暖的穩步推進,天然氣需求量大增,2019年我國天然氣進口量約1373億立方米,對外依存度仍為45.2%,其供應保障能力較弱。再者,由于天然氣管道鋪設非常復雜,成本較高,而且一旦受到破壞,將對周邊環境及人們的生命財產安全造成極大危害。因此,天然氣管網覆蓋范圍相對較小,很多農村地區仍然無法到達。
電制熱供暖
電制熱供暖指利用電能,使用普通電鍋爐、蓄熱電鍋爐、電鍋爐+水蓄熱、電鍋爐+相變蓄熱等集中供暖方式,以及發熱電纜、電熱膜、碳晶、熱軌、碳纖維、直熱式電磁采暖爐、直熱式電暖器、蓄熱式電暖器等分散供暖方式,還包括各類電驅動熱泵等方式進行供暖。
截至2017年底,我國北方地區電制熱供暖面積約10.3億平方米。與燃煤供暖及燃氣供暖相比,電制熱供暖布置靈活,且用戶端無污染物排放,適用于熱力管網、天然氣管網難以覆蓋的農村地區。當前,空氣源熱泵、直熱式電磁采暖爐等已成為“煤改電”清潔供暖政策推廣的主流產品。然而,我國北方農村地區戶均電網線路容量只有2—3千瓦,而普通型家用電制熱儲熱供暖裝置需達到9—10千瓦,大規模高壓電制熱儲熱供暖系統(圖4)則需達到幾百千瓦甚至幾兆瓦,這就涉及大規模的農村電網增容改造,以及房屋保暖改造等基礎設施建設,導致電制熱供暖成本較高。

電磁變頻原理

地熱供暖

地熱供暖指利用地熱資源,使用換熱系統提取地熱資源中的熱量向用戶供暖,可作為集中式或分散式供暖熱源。按照埋存深度和溫度等級,地熱供暖可分為淺層地熱資源、水熱型地熱資源和干熱巖型地熱資源。目前,淺層和水熱型地熱能供暖(制冷)技術已基本成熟——淺層地熱能采用熱泵技術提取熱量,而水熱型地熱能通過人工鉆井或天然通道開采利用;干熱巖型地熱能開發尚處于起步階段,我國2012年才啟動關于干熱巖熱能開發與綜合利用技術的專項研究。地熱與調峰鍋爐聯合供暖系統(圖5)是地熱供暖的典型方式。

截至2017年底,我國水熱型地熱能供暖建筑面積已達1.5億平方米。預計到2020年底,我國地熱供暖(制冷)面積累計將達到16億平方米,地熱能供暖年利用量將達到4000萬噸標準煤。
生物質能清潔供暖
生物質能清潔供暖指利用生物質原料及其轉化燃料在專用設備中清潔燃燒供暖的方式,包括:排放達標的生物質熱電聯產和大型生物質鍋爐等集中供暖,以及中小型生物質鍋爐等分散供暖。
我國生物質能清潔供暖技術發展還處在初期。截至2018年底,我國北方地區生物質能清潔供暖面積達6.4億平方米。我國農作物秸稈及農產品加工剩余物、林業剩余物等生物質資源豐富,每年可供能源化利用約4億噸標煤,因此發展生物質能供熱具有較好的資源條件。但是,我國中小型燃煤供熱鍋爐數量較多,清潔取暖替代任務較重。這就使得生物質能供暖在終端消費環節直接替代燃煤有較大的發展空間,如:生物質固體成型燃料高效燃燒供暖、沼氣燃燒供暖和村鎮微型生物質熱電聯產供暖等。預計到2020年底,生物質熱電聯產裝機容量超過1200萬千瓦,生物質成型燃料年利用量約3 000萬噸,生物質燃氣(生物天然氣、生物質氣化等)年利用量約100億立方米,生物質能供暖合計折合供暖面積約10億平方米。
太陽能供暖
太陽能供暖指利用太陽光熱能,借助太陽能集熱裝置,配合其他穩定性好的清潔供暖方式向用戶供暖。太陽能供暖可分為主動式和被動式。根據熱媒不同,主動式太陽能供暖可分為太陽能空氣供暖和太陽能熱水供暖2種類型。太陽能空氣供暖主要針對單層、閑置農房,其系統啟動快、耐凍,但效率低。太陽能熱水供暖是從太陽能生活熱水基礎上發展而來,其系統效率高、易安裝,但控制不當易發生凍害、過熱等問題。被動太陽房是被動式太陽能供暖的典型代表,20世紀80年代初就已在北方地區廣泛應用。
太陽能供暖具有使用壽命長、應用場景廣泛等特點;在同等供熱情況下,可節約40%—60%的能源成本。目前,集中式太陽能區域供暖是國際發展的趨勢和方向。預計到2021年,我國太陽能供暖面積將達5000萬平方米。太陽能儲熱式多能互補供熱系統(圖6)是太陽能供暖的典型代表之一。

工業余熱供暖

工業余熱供暖指回收工業生產過程中伴生的余熱,經換熱裝置提質后進行供暖的方式。與燃煤供暖、天然氣供暖、電制熱供暖相比,工業余熱供暖在技術及經濟上均具有較好的可行性。但工業余熱種類繁多,其數量和形態在時間或空間上也常具有不確定性,囿于傳統余熱回收技術水平,難以被高效利用。而儲熱技術的優勢,恰恰能夠緩解能量供需雙方在時空、強度與地域上不匹配的矛盾。將儲熱技術與工業余熱清潔供暖技術有機結合,可進一步提升余熱轉換效率??梢苿邮焦I煙氣余熱儲熱供暖(圖7)是該技術的典型代表之一。

截至2016年底,我國北方地區工業余熱供暖面積約1億平方米;預計到2021年,我國工業余熱(不含電廠余熱)供暖面積將達2億平方米。
核能供暖
核能供暖指以核裂變產生的能量為熱源的集中供暖或分散供暖。目前,核能供暖主要有2種方式:低溫核供暖和核熱電聯產。低溫核供暖已形成池式供熱堆和殼式供熱堆2種主流技術,單個模塊供熱能力在200兆瓦左右,可滿足400萬平方米用熱需求;核熱電聯產的綜合能源利用率可達80%,單臺1100兆瓦電力機組供熱能力超過2 000兆瓦,供熱面積達5 000萬平方米。NHR200-Ⅱ型低溫堆熱電聯產系統(圖8)是該技術的典型。

核能供熱前景廣闊,近年來核能供暖產業已在我國北方地區積極推進。中國核工業集團、中國廣核集團、國家電力投資集團及清華大學等單位已經在黑龍江、吉林、遼寧、河北等多個省份開展了相關廠址普選與產業推廣工作。


03我國清潔供暖存在問題與解決路徑

 

存在問題

清潔取暖科學評價指標有待統一

清潔取暖技術種類較多,百花齊放,但評價指標一直無法統一,缺乏普適性。有些指標過于簡單,只關注其經濟性指標,往往忽略取暖方式是否與當地的能源布局及生態環境相適應等問題;有些指標過于繁冗,需要建立復雜的數學模型,可操作性不強。這就使得清潔取暖技術市場魚龍混雜,很難以統一標準衡量某項技術的優劣。

供熱管網與現有建筑物能效水平有待提升

供熱管網。目前,我國城鎮集中供熱管網總里程已達到48.8萬公里,其中75%為城市集中供熱管網,但室外管網的輸送效率僅為70%。究其原因:硬件設施方面,供熱管網的結構布局不合理,支狀管網較多,導致管網水力失調問題嚴重。再者,部分老舊管網因運行維護不到位,“跑冒滴漏”等問題嚴重,還有管網凝結水問題、管網保溫問題等,這些都可造成整個供熱管網的輸送效率下降;軟件設施方面,供熱系統的調控技術水平落后,因大部分熱網末端熱用戶未采用實時熱計量措施,使得現有的供熱系統只是對設備的粗放型調節,無法根據熱用戶的需求對整個供熱系統進行精準調控,導致管網過量供熱或供熱不足現象時有發生。

現有建筑物。維護結構保溫性能差的問題普遍存在;因受經濟發展及保溫改造成本的影響,小城鎮和廣大農村地區問題尤為嚴重。例如:外墻無保溫;窗戶為單層玻璃;門窗縫隙漏風嚴重等。這些都會導致建筑物室內能耗增加,難以滿足節能建筑的要求。

多方共贏長效機制有待建立

目前,清潔取暖改造資金主要來自3個方面:中央財政試點城市獎補資金、地方財政補貼資金、社會資本投入。隨著2019—2020年采暖期的結束,天津、唐山、石家莊等第一批北方地區清潔取暖試點城市3年示范期也將結束,清潔取暖工作將面臨最終考核,而考核結果將直接關系到試點城市能否足額領取獎勵資金。天津和濟南已經宣布要延長清潔取暖運行補貼至2022—2023年采暖期結束,而唐山表示將分3年逐步取消運行補貼,其他城市尚未明確后續政策。

從清潔取暖試點城市情況看,即使存在補貼,其運行費用仍然比傳統散煤取暖方式高。如果清潔取暖補貼逐步取消,后續工作如何展開將是一個棘手的問題。雖然河北省張家口市可再生能源示范區探索了一條“政府+電網+發電企業+用戶側”共同參與的“四方協作”發展之路,但有其特殊背景——張家口市域內蘊含豐富的風能、太陽能和生物質能等資源,為可再生能源開發與應用提供了良好的基礎,這也是“四方協作”機制成功建立的關鍵點之一,但不具備全國大范圍推廣可行性。如何建立一套多方共贏的長效機制,是解決清潔取暖用戶端長期可持續的關鍵所在。

解決路徑

逐步建立清潔取暖科學評價體系

科學的清潔取暖評價體系需要相關的科研單位和供熱企業聯合攻關。應針對當前多種清潔取暖技術的優缺點,秉承“科學性、先進性、協調性、可操作性”的理念,將熱力學、熱經濟學、環境經濟學等相結合。從全生命周期角度,建議主要考察3個方面指標。

能效指標。因燃煤、天然氣、電能、地熱能、生物質能、太陽能、工業余熱、核能等能量品位高低不同,傳統的分析和能級平衡理論無法充分考慮能量轉換環節的轉換效率,只能說明輸入能量和用戶之間的能量品質的差異。為此,江億等提出了能質系數的概念,即不同能源對外所能做的最大功與其總能量的比值。利用能質系數的概念,可更合理地反映各種形式能量品位的高低。電能的品位最高,可完全轉換為功,能質系數為1;其他能量形式的能質系數要根據實際對外做功的能力來分別確定。若達到同等的用戶采暖要求,從節能角度考慮,采用能質系數較低的能量形式更為可取。

經濟指標。在進行不同能量形式的熱源供暖系統經濟性評價時,除了需要考慮初投資及后期的運行與維護費用外,還要結合熱經濟學結構理論,將總成本分攤在供暖系統或供暖裝置的全生命周期之內,考察構成系統或裝置的各個組件的單位成本,以獲得系統或裝置的平均成本。若達到同等的用戶采暖要求,從經濟性角度考慮,平均成本較低的供暖系統或裝置性能更優。

環境影響指標。針對不同能量形式的熱源供暖系統對環境影響的程度不同,需要在同一個供暖周期內開展,不僅要考慮CO2、SO2、NOx等污染物的影響,還要考慮構成系統或裝置的各個組件自身材料對環境的影響(如組件自身材料材質是否有毒有害、是否可循環利用等),之后才能測算出系統或裝置的單位環境影響因子。若達到同等的用戶采暖要求,從環境影響角度考慮,單位環境影響因子較低的供暖系統或裝置將成為首選。評價指標的好壞需要經受實踐的檢驗,并要不斷進行修正與完善。

有序推進供熱管網節能改造及采暖末端能效提升

受傳統供熱模式限制與改造費用的多重影響,供熱管網節能改造和采暖末端能效提升不是一蹴而就的事情,需要重點突破,有序推進。針對供熱管網的主要問題,先要進行性能評估,再尋求與清潔取暖技術最相適應的節能改造方案。針對建筑物維護結構保溫性差的問題,優先改造能耗高、問題凸顯的房屋,并鼓勵探索政府、用戶和供熱企業三者共同分享成本與收益的新模式。這些工作將為后續智慧供熱技術的全面展開提供有力的硬件支撐。

積極探索多方共贏長效機制

當前,清潔取暖市場化機制尚未建立,主要依賴政府直接投入,這就導致清潔供熱項目盈利水平較低,市場積極性不高。為打破這種僵局:政府可開展相應的頂層設計與協調,消除體制障礙,根據各個城市與地方的特點,選擇適用的清潔取暖技術,編制相應的技術指南,優化供暖規劃;地方政府宜出臺配套的政策措施,因地制宜,因時制宜,引導當地供熱企業、投融資企業、熱用戶等積極參與清潔供熱項目,探索新型的多方共贏機制,激活潛力市場。

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