能源轉型背景下的新型供熱系統構建

周梅

（上海同濟城市規劃設計研究院有限公司）

1 引言

能源轉型背景下，能源呈現多元發展的態勢，新興能源持續替代傳統能源，清潔能源成為我國未來能源增量的主體。供熱能源逐步向多元、低碳、可持續方向轉變，驅動供熱系統的轉型升級。文章將深入研究各類清潔能源的特點，分析對應供熱形式在應用中的注意事項及適用場景，在此基礎上提出能夠適應多元清潔能源接入的分層分區新型供熱系統的總體結構，為城市供熱規劃提供借鑒思路。

2 清潔供熱能源及其供熱形式研究

清潔供熱能源主要有太陽能、中深層地熱、淺層地熱、風能、污水余熱、工業余熱等以及可由外部引入的天然氣、可再生電能等。

2.1 太陽能

太陽能是一種分布廣泛、零污染的能源，具有能流密度低及不穩定的特點。太陽能供熱系統利用太陽能集熱器吸收熱能，經轉換分配后為用戶供熱，由于太陽能間歇性的特征通常需要設置輔助備用熱源及蓄熱系統。

根據蓄熱系統形式可分為短期蓄熱供熱系統及季節蓄熱供熱系統，其中短期蓄熱供熱系統僅儲存數天集熱量用戶供熱。集熱器一般安裝在建筑物屋頂等，供熱及蓄熱規模均較小，設施占用空間相對較小，宜靠近用戶端應用。季節蓄熱供熱系統利用全年太陽能熱能為用戶供熱，可作為主力熱源，集熱器通常安裝在地面或街區相鄰建筑屋頂。每平方米集熱器可供應的建筑面積約為短期蓄熱系統的4倍～7倍，對應的貯熱水箱（池）的容積為其數十倍。供熱規模及儲熱設施容積均較大，需占用較大空間，投資較大。集熱器規模越大，單位集熱器成本越低[1]，建議推廣大型季節蓄熱供熱系統。

大型季節蓄熱供熱系統適合應用在太陽能資源條件較好、供暖時間較長、人均土地資源較多的地區；中小型季節蓄熱系統適宜在供熱負荷密度小、供熱規模小、集熱板及儲熱設施空間布局受限較小的農村地區城市中使用，尤其是在低層節能建筑中應用。短期蓄熱供熱系統可應用在生活熱水需求較大的建筑或作為補充熱源預熱街區供熱管網。

2.2 中深層地熱

中深層地熱能蘊藏于中、新生代沉積盆地中的地下熱水中（埋深通常在3000m以內），具有熱流密度大、熱物參數穩定的優點，能夠連續供能，可作為供熱系統的主力熱源。

我國中深層地熱供熱的主要方式為水熱型地熱供熱，通過抽取地下水換熱的方式提取熱量。開采過程中要求地熱水同層回灌，否則將引起地下水位下降及地面沉降等問題[2]，因此需要嚴格監管。

中深層地熱單井供熱面積約為10萬m2～30萬m2，適宜作為街區供熱系統熱源，為地熱資源可開采地區的用戶供暖，由于打井初期投資較高，實際運行中一般用于解決基礎負荷需求，深冷期通常采用其他方式進行調峰。

2.3 淺層地熱

淺層地熱能蘊藏在巖土體、地下水等中低位熱能，溫度變化較小，可作為空調及采暖系統的穩定冷熱源。

供熱方式有水源熱泵供熱及土壤源熱泵供熱兩種。淺層水源熱泵易造成地下水污染及地面沉降等問題，一般地區宜限制應用。土壤源熱泵通過與土壤間接熱交換提取能量，對環境影響較小，適用于大部分地區。

土壤源熱泵系統在冷熱負荷不平衡的情況下長時間運行，將使土壤逐漸升溫或降溫，影響換熱效果，不利于植物生長。因此，為避免上述問題，土壤源熱泵一般多應用在冬夏有穩定熱冷負荷的公共建筑中，當住宅建筑采用土壤源熱泵系統供能時，需采用集中供熱及供冷系統。

土壤源熱泵需要在地下埋管，占用大量地下空間。采用垂直埋管形式時，每平方米埋管面積可供應的建筑面積約為2m2～3m2，能流密度較低，宜采用分布式的形式靠近用戶端。

2.4 風能

風能具有蘊藏量大等優點，但與太陽能一樣能流密度較低，穩定性較差。與風能發電相比，風能供熱發展較為緩慢，尚處于技術研發階段，目前主要的研究方向為風力致熱。

風力致熱將機械能直接轉換為熱能，較風電供熱，能夠減少能源轉換過程中的能量損失，能源轉換效率更高，是一種有前景的風能利用技術。研究較多的三種形式有液體攪拌致熱、液體擠壓致熱和電渦流致熱，但技術仍不成熟，存在制熱效果不佳、效率低等問題[3]。

受風能資源分布、噪聲、景觀等的影響，風能供熱項目宜與城區保持一定距離，未來可探索風力資源較為豐富的三北地區及沿海地區，采用長輸熱網的形式將風能轉換的熱能輸送至城區作為集中熱源。

2.5 污水余熱

城市污水冬季溫度一般在12℃～16℃之間波動，夏季溫度一般在22℃～26℃之間波動，具有冬暖夏涼、水量大、水溫水質穩定的特點[4]，可以利用熱泵技術提取其中低品位能源為用戶供熱及供冷。

按污水與熱泵的熱交換器是否接觸，可分為直接換熱式和間接換熱式污水源熱泵。直接換熱式系統效率高、節能效果好，是污水源熱泵系統的發展趨勢[5]。由于結垢和阻塞等問題尚未解決，國內工程仍以間接式系統為主，多采用二級污水。

考慮污水資源分布，污水源熱泵供能站宜臨近污水處理廠或污水干管布局，當污水量較小時，一般小于等于3000m3/h，可作為街區供熱系統熱源。當污水量較大，一般大于3000m3/h，可作為區域供熱系統熱源之一。污水源熱泵冬夏均可供能，因此，為提高經濟性，宜應用于冬夏均有供能需求的公共建筑。

2.6 工業余熱

工業余熱資源廣泛分布于冶金、化工、建材、機械、電力、紡織、造紙等行業，具有資源品質差異大、分布不均、形態多樣等特點。其中，低品位的余熱企業自身通常都難以消納，因此回收利用較少，可以作為供熱熱源，變廢為寶。

低品位工業余熱供熱系統的形式可分為兩類[6]：高爐沖渣水等溫度較高的余熱資源（一般80℃以上），可通過特殊換熱設備回收余熱中的熱量為用戶供熱；冷卻循環水等低溫余熱資源（一般30℃～40℃），可通過熱泵提升品位后為用戶供熱。

目前，低品位余熱資源回收利用的障礙是余熱資源與供熱用戶空間不匹配，余熱資源多的工業區周邊缺少采暖用戶，需要通過長距離熱力管道將余熱送往居住區。因此，從經濟性和實施可操作性方面考慮，工業余熱資源適宜統一收集，形成規模后通過大溫差輸配系統為用戶供熱。

2.7 可再生電能

電能具有能流密度大、輸送損耗小、供能穩定等優點，是基礎保障能源之一。高品位電能轉換為低品位的熱能供熱將造成資源浪費，因此通常不提倡采用電采暖。可再生電能采暖可緩解棄風、棄光等現象，能夠提高設備利用效率，符合能源發展方向，是值得推廣的供熱方式。

蓄熱式電鍋爐在直熱式電鍋爐的基礎上增加蓄熱裝置，可有效消納可再生電能，為用戶穩定供熱，是目前電采暖的主要方式。直熱式電鍋爐有電阻式電鍋爐及電極式電鍋爐等。其中，電阻式電鍋爐單臺鍋爐容量最大可達2.8MW，采用低壓供電。電極式電鍋爐單臺鍋爐容量最大可達40MW，采用10kⅤ高壓供電，需配置專用110kⅤ變電站供電。

蓄熱式電鍋爐適宜在可再生能源發電基地周邊城市推廣使用。由于電能傳輸損耗較小，因此一般對于新建區適宜推廣分散式蓄熱式電鍋爐采暖。而對于老城區配電網改造難度較大，通常已建有集中供熱系統，適宜采用容量較大的電極式鍋爐及水蓄能替代原來的燃煤鍋爐，實現清潔集中供暖。

2.8 天然氣

天然氣是替代高碳能源的主力之一，具有能流密度高、供能穩定性好等優點，可彌補可再生能源的不穩定性，主要供熱方式有燃氣鍋爐供熱、天然氣分布式能源供熱等。

燃氣鍋爐具有初期投資低、啟動迅速、系統緊湊等優點，宜作為調峰、備用熱源。但運行成本受燃氣價格影響較大，仍有一定溫室氣體排放，需要設置煙囪。為便于集中管理，盡量減少對城市景觀影響，減少火災隱患點，提高供熱系統安全性，一般不建議大規模發展街區式鍋爐房，可適當發展區域調峰燃氣鍋爐房供熱。

天然氣分布式能源系統，即燃氣冷熱電三聯供系統，通過回收燃氣發電過程中的廢熱為用戶供熱、供冷、供電，綜合利用效率能達到80%以上，是燃氣最高效的利用方式之一。但同樣系統的經濟性受天然氣價格影響較大，另外90%以上的核心設備需從國外進口，初期投資及設備運營維護成本較高。包括樓宇型和區域型兩種類型。樓宇型一般適用于負荷需求穩定、持續時間較長、用戶相對集中的酒店、醫院、商業等樓宇（群）。區域型一般適用于冷、熱（包括蒸汽和熱水）、電需求較大的工業園區、產業園區、大型商務區等。為便于管理，有效整合資源，天然氣分布式能源系統可與城市供熱系統調峰鍋爐房合建。因系統初投資較高，宜主要用于解決用戶基礎負荷需求。

2.9 小結

天然氣、電能能流密度高、供熱技術成熟、輸送網路完善，設備開啟靈活，可作為基礎保障能源及調峰能源，采用區域集中形式利用，其中電能由于傳輸損耗較小亦可根據配電網情況，靠近用戶端分散應用。本地資源中，中深層地熱、工業及污水余熱資源供能相對穩定，可根據資源量情況作為街區及更大范圍地區的主供熱源。太陽能、風能穩定性最差，可與其他穩定能源形成互補系統為用戶輔助供熱，亦可通過建設大規模蓄熱設施，作為主力能源為用戶供熱。其中，風能由于資源分布及利用時噪聲等因素，通常采用規模化集中利用形式。太陽能可根據資源豐富程度、空間資源情況等采用規模化集中利用形式或用戶端分散利用形式。

3 分層分區新型供熱系統構建

結合供熱能源特點、城市功能，在傳統供熱系統的基礎上進行功能拓展及層級梳理，搭建既能支持各類清潔能源分層分區接入，又能與傳統供熱系統有效銜接的多級供熱系統。各級系統設置相應的供熱站，集合各級供熱系統內主要能源供應、轉換、儲存設施。

3.1 城市供熱系統

城市供熱系統統籌收集轉換市（縣）域范圍的資源為城市供熱，設置城市供熱站，滿足工業余熱、風能等距離城市較遠、需要規模化利用能源的接入需求。供熱站一般設置工業余熱回收利用設施、風力致熱設施等，通過高溫熱水管網向下級供熱站輸送熱能，供能面積通常在200hm2以上。為提高經濟性，建議采用大溫差長輸熱網輸送熱能。

3.2 區域供熱系統

區域供熱系統設置區域供熱站，作為區域供熱分區的基礎保障熱源及其他區域供熱分區的備用熱源，具備接入天然氣、可再生電能等外部輸入的清潔能源以及城區工業區工業余熱、大型污水處理廠余熱等本地大型清潔能源，接收上級供熱站輸送的熱能的功能。西藏、青海、新疆等太陽能資源優越的地區，可以將太陽能接入此級供熱站。供熱站一般設置燃氣鍋爐、天然氣分布式能源、工業余熱回收利用設施、污水源熱泵、換熱設施、大型蓄熱式電鍋爐、大型季節蓄熱太陽能供熱設施等，通過熱水管網向下級供熱站輸送熱能，供能面積宜控制在200萬m2以內。當接入能源品位較高時，可采用高溫熱水作為介質，相反可采用低溫熱水作為介質。

3.3 街區供熱系統

街區供熱系統設置街區供熱站，作為街區供熱分區的熱源，調節轉換來自區域供熱站的熱能，并能滿足中深層地熱、小型污水處理廠余熱、分散工業余熱等適宜相對集中利用的本地能源的就近接入。供熱站一般設置中深層地熱取用設施、污水源熱泵、工業余熱回收利用設施、換熱設施等，通過低溫熱水管網向下級供熱站輸送熱能，供能面積宜控制在50萬m2以內。在普遍層高較低，且屋頂面積充足的街區，太陽能以及負荷較小、具備大量空地可埋管的淺層地熱可接入此級供熱站。酒店、醫院、商業等樓宇群的街區供熱站可設置天然氣分布式能源系統。

3.4 用戶供熱系統

用戶供熱系統設置用戶供熱站，作為用戶供熱分區的熱源，接收來自街區供熱用戶站的熱能，并能滿足集中供熱系統用戶接入和淺層地熱、太陽能、電能等適宜靠近用戶端應用能源的就地轉換利用。供熱站一般設置分集水器、土壤源熱泵、小型太陽能供熱設施、小型蓄熱式電鍋爐等，供能面積宜控制在10萬m2以內。供熱站通過低溫熱水為用戶供熱。

4 傳統系統升級改造建議

傳統區域燃煤鍋爐房、熱電廠供熱系統可逐步改造為多級新型供熱系統。熱電廠改造為城市供熱站，同時接收工業余熱、風能等大型清潔熱源。調峰鍋爐房或區域燃煤鍋爐房改造為區域供熱站，因地制宜設置區域燃氣鍋爐房、大型余熱供熱設施、大型蓄熱式電鍋爐等。根據各街區的資源情況，拓展換熱站功能，增設中深層地熱取用設施、污水源熱泵、工業余熱回收利用設施等，為本地清潔能源接入創造條件。公共建筑的設備用房可改造為用戶供熱站，增設蓄熱設施、熱泵設施等，接入太陽能、淺層地熱等。

5 結語

文章總結了多種清潔供熱能源對應供熱方式的特點，并分析研究了各類供熱方式的適用場景，提出了支持多元清潔能源分層分區接入的新型供熱系統的構建思路。但僅從供熱能源轉變的單一角度研究新型供熱系統變革方向，具有一定的局限性。下一階段可研究用戶需求的變化及人工智能等新技術對供熱系統影響。此外，文章僅僅提出了系統的初步結構，多熱源運行模式、供熱管網介質參數選擇等仍需要深入研究。