清潔采暖背景下的分散供熱方式選擇

金 意 王 欽

(1.青島能源集團有限公司，山東 青島 266072； 2.青島市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 青島 266022)

1 概述

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展與大眾對生活品質(zhì)追求的不斷提高，我國北方城市冬季供暖需求持續(xù)增大。據(jù)統(tǒng)計，2014年—2018年我國城市供熱面積以年均9.5%的速度增長，2018年達到90.13億m2，集中供熱總量達到38.95億GJ。另一方面，為滿足霧霾治理需求，國家明確提出大力發(fā)展清潔能源供熱，全面取消散煤供熱[1]。雖然當前城市采暖供需基本平衡，但快速增長的熱負荷需求與亟待改善的環(huán)境質(zhì)量，使供熱企業(yè)承受著前所未有的責任與壓力。因此，在當前背景下通過制定合理的供熱方案、選擇恰當?shù)墓岱绞綄ζ髽I(yè)來說具有重要的戰(zhàn)略性和遠見性。

采用清潔能源的分散供熱因其自身技術(shù)和環(huán)保特性，使其具有自身獨特的優(yōu)勢[2，3]，本文就目前較為成熟的幾種分散供熱方式結(jié)合已建項目進行多方面對比，為供熱企業(yè)決策起到一定參考作用。

2 分散供熱方式選擇

2.1 上位政策分析

《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021)》明確了天然氣、電、清潔燃煤和可再生能源等清潔取暖形式；《山東省冬季清潔取暖規(guī)劃(2018—2022年)》要求濟南、青島、煙臺要率先形成天然氣與電取暖等替代散燒煤的清潔取暖基本格局；《關(guān)于嚴格控制煤炭消費總量推進清潔高效利用的指導(dǎo)意見》提出利用5年左右時間，爭取將山東省煤炭消費凈壓減5 000萬t。由此可見，以往簡單地通過對現(xiàn)狀燃煤熱源擴容的方法已難以走通，取而代之的是采用天然氣、電等清潔能源。在建設(shè)層面，面對日益緊張的城市用地，不管是原址擴容還是異址新建都變得異常困難。此時，針對單體或小范圍建筑的分散清潔供熱成為重要選擇。

2.2 供熱方式特點分析

目前分散供熱較為成熟的幾種能源形式有天然氣采暖、電采暖和生物質(zhì)采暖，各類方式的特點見表1。

2.3 環(huán)境性分析

以顆粒物為特征的區(qū)域性復(fù)合型污染日益嚴重，大氣污染對人體健康帶來的危害已在相關(guān)研究中證實[4,5]。各類能源形式的污染物排放指標匯總于表2[6,7]。其中，電采暖本身污染物排放為零，但電能獲取來自火力發(fā)電，實際考慮燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)的排放水平，天然氣和生物質(zhì)均為燃燒利用產(chǎn)生的排放。

表1 各類供熱方式特點分析

表2 不同能源形式污染排放指標 g/kg

由表2可知，電采暖方式的污染物排放量最低，其次是天然氣，最后是生物質(zhì)燃料。究其原因主要是當前大型燃煤熱電廠均進行了超低排放改造，使得排放物濃度大幅降低，而生物質(zhì)燃料成分較天然氣更為復(fù)雜，在相同條件下，生物質(zhì)的排放污染物濃度更高，需配合采用適當?shù)某龎m方式[8]。因此，不同能源形式的環(huán)境友好性排序為：電>天然氣>生物質(zhì)。

3 工程經(jīng)濟性分析

3.1 工程概況

根據(jù)近年來青島市建成并運行的工程資料，選取燃氣鍋爐、燃氣空氣源熱泵、電污水源熱泵、電空氣源熱泵、電地源熱泵和生物質(zhì)鍋爐6種方式的工程實例進行經(jīng)濟性對比分析。

6種方式均采用集中供熱方式。污水源熱泵距離用戶端1.5 km，在污水廠內(nèi)采用二級換熱，其他方式均在用戶端建設(shè)；地源熱泵的機房安裝在地下室內(nèi)，埋管采用豎直埋管方式，打井深度為100 m，打孔間隔4.5 m～5.0 m。用戶類型均為居民用戶，除土壤源末端采用風(fēng)機盤管外，其余均采用暖氣片。運行時間為一個供暖季(141 d)，供暖季內(nèi)每天24 h運行。

3.2 經(jīng)濟性分析

經(jīng)濟性對比包括工程造價及運行費用兩方面。其中，工程造價包括設(shè)備及機組、循環(huán)水泵、管道、末端設(shè)備及其相應(yīng)的安裝費用。運行費用主要考慮燃料和相關(guān)水電費用，其他費用由于量化困難，暫不予考慮[9]。計算數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同供熱方式經(jīng)濟分析計算表

各供熱方式單位面積對應(yīng)的造價與運行費用如圖1所示，顯而易見的是電污水源熱泵、電地源熱泵和燃氣空氣源熱泵的單位造價高于其他方式。分析認為系統(tǒng)建設(shè)的復(fù)雜程度是導(dǎo)致造價存在較大差距的主要原因，通常燃氣鍋爐和生物質(zhì)鍋爐考慮鍋爐費用，安裝較為簡便，而熱泵類的設(shè)備費用較高，特別是電污水源熱泵還要包含修建污水池及廠內(nèi)重新布置排水管道費用，電地源熱泵則需要考慮打井、埋管、灌漿、回填等工藝，工程量增大，建設(shè)投資隨之提高。

運行費用方面，以燃氣為主的供熱方式單位費用最高，這主要是受天然氣價格的影響。生物質(zhì)鍋爐的單位費用處于中等水平，但其經(jīng)濟使用的前提是有充足的燃料保障。熱泵較低的單位費用歸功于其較高的能效比。因此即使是在以受電為主的東部沿海地區(qū)較高的能效比也足以彌補電價，這在燃氣空氣源熱泵和燃氣鍋爐的單位費用上也得到了體現(xiàn)。

在僅考慮前期造價和年運行費用的情況下，以運營期15年為例，各供熱方式全壽命期成本趨勢如圖2所示。燃氣供熱的總費用最高，雖然電污水源熱泵和電地源熱泵的初期造價較高，但由于年運行費用低，在運營期第5年后將低于燃氣供熱方式，且運行期越長，經(jīng)濟性越明顯。生物質(zhì)鍋爐表現(xiàn)出了較好的經(jīng)濟性，而實際情況下熱源周邊可用燃料的數(shù)量和價格將對其成本起決定性作用。電空氣源熱泵在全壽命期內(nèi)總費用最低，表現(xiàn)出的經(jīng)濟性最佳。

4 結(jié)語

1)當前政策條件下，采用分散式清潔能源供熱是滿足城市采暖需求的重要方式。在各類能源方式中，電、天然氣和生物質(zhì)都是成熟、可行的。

2)隨著環(huán)保監(jiān)察力度的加大，大型熱電廠基本都已進行超低排放改造，使其在環(huán)境保護方面具有明顯優(yōu)勢。生物質(zhì)因成分復(fù)雜，使其排放指標相對其他能源形式較高。

3)結(jié)合實際工程發(fā)現(xiàn)電熱泵供熱方式具有較好的經(jīng)濟性，雖然電污水源熱泵和電地源熱泵初期造價較高，但隨著運行期的增加，其經(jīng)濟性愈加明顯。生物質(zhì)鍋爐供熱在費用方面也具有一定優(yōu)勢，在資源豐富地區(qū)可以推廣使用。燃氣供熱方式運行費用最高，長期運行將使供熱企業(yè)面臨不小的壓力。綜合考慮能源效率和環(huán)境保護性，在有條件的情況下應(yīng)優(yōu)先推行電熱泵方式，其他方式在有條件的情況下可作為適當補充。