芬蘭集中供熱技術(shù)與典型案例

張 騏， 郭偉杰， 谷亞軍

(河北華熱工程設(shè)計(jì)有限公司， 河北 石家莊 050000)

1 芬蘭集中供熱技術(shù)

芬蘭位于歐洲北部，國(guó)土面積的25%位于北極圈內(nèi)，是歐洲最冷的國(guó)家之一。芬蘭無(wú)油無(wú)煤，國(guó)內(nèi)能源資源非常匱乏，能源消費(fèi)依賴進(jìn)口，能源供求矛盾十分突出。芬蘭區(qū)域集中供熱始于20世紀(jì)50年代，目前集中供熱面積約3×108m2。

1.1 燃料和熱源形式

芬蘭政府正致力于實(shí)現(xiàn)完全碳中和，并努力兌現(xiàn)《巴黎氣候協(xié)定》的承諾。芬蘭每年投入大量資金推動(dòng)并實(shí)現(xiàn)能源領(lǐng)域放棄燃煤使用，削減進(jìn)口石油使用量，鼓勵(lì)利用可再生能源。芬蘭統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，在供熱能源結(jié)構(gòu)中，近10年來(lái)生物質(zhì)燃料的占比成倍增長(zhǎng)，碳排放量下降了26%。

芬蘭區(qū)域供熱占主導(dǎo)地位，區(qū)域供熱熱源約70%為熱電聯(lián)供，主要燃料有生物質(zhì)燃料、泥炭、天然氣、煤。2018年可再生能源占比36%，煤炭占比20%。2020年可再生能源占比43%，煤炭占比11%。獨(dú)棟建筑主要采用小型燃油、電供熱鍋爐，一些老式建筑采用壁爐燃用木材供暖，一些獨(dú)棟建筑采用以工業(yè)余熱、中深層土壤為低溫?zé)嵩吹臒岜脵C(jī)組供暖。而我國(guó)熱源形式主要有燃煤熱電聯(lián)供、燃?xì)鉄犭娐?lián)供、燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t，燃?xì)夤┡療崴疇t、電供熱、可再生能源供熱、工業(yè)余熱供熱比例比較小。

1.2 能源模式

在芬蘭，通常由一家運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)城市級(jí)別的熱源和熱網(wǎng)管理工作，熱源形式包括熱電聯(lián)供、鍋爐、熱泵、工業(yè)余熱，運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)熱源信用順序、燃料成本和最小化使用化石燃料的原則依次啟動(dòng)熱源，能夠比較精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)熱源的供應(yīng)量。此外，樓宇熱力站也大幅降低了熱力失調(diào)程度。因此，芬蘭供熱系統(tǒng)的熱損失比較低。而在我國(guó)，大多數(shù)熱電聯(lián)供供熱系統(tǒng)的熱源、熱網(wǎng)分別由電廠和熱力公司管理，供熱系統(tǒng)多為單一熱源，因此供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和高效運(yùn)行管理難以保證。由于熱力失調(diào)，加之用戶缺乏調(diào)控手段，過(guò)熱用戶只能通過(guò)開(kāi)窗散熱，形成較大的熱損失。

芬蘭能源模式中包含以下重要因素：生活熱水、多熱源聯(lián)網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)、低回水溫度、最佳水溫、樓宇熱力站和水管理。

① 生活熱水

芬蘭在進(jìn)行區(qū)域供熱的同時(shí)還提供生活熱水，供熱熱水、生活熱水由樓宇熱力站統(tǒng)一供應(yīng)。生活熱水的使用降低了供熱系統(tǒng)的回水溫度，降低了熱網(wǎng)散熱損失，有利于煙氣冷凝熱和其他類型余熱的回收。生活熱水全年運(yùn)行，管道全年處于熱態(tài)，延長(zhǎng)了管網(wǎng)使用壽命。

樓宇熱力站工藝流程見(jiàn)圖1。一級(jí)管網(wǎng)供水部分進(jìn)入供暖板式換熱器，加熱二級(jí)管網(wǎng)回水后經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1進(jìn)入生活熱水板式換熱器加熱生活熱水回水，然后作為一級(jí)管網(wǎng)回水回到熱源。另一部分一級(jí)管網(wǎng)供水經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥2直接進(jìn)入生活熱水板式換熱器加熱生活熱水回水，然后作為一級(jí)管網(wǎng)回水回到熱源。蓄熱水箱低溫水(生活熱水回水)經(jīng)生活熱水板式換熱器加熱后作為生活熱水供水進(jìn)入蓄熱水箱。現(xiàn)場(chǎng)控制器以室內(nèi)溫度、生活熱水供水溫度為控制目標(biāo)，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1、2的相對(duì)開(kāi)度，使室內(nèi)溫度、生活熱水供水溫度分別保持在20～22 ℃、55～50 ℃。

圖1 樓宇熱力站工藝流程

② 多熱源聯(lián)網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)

在芬蘭，區(qū)域供熱中的熱源可按信用順序操作，并使燃料成本和化石燃料的使用量最小化。熱源可相互備用，1個(gè)熱源因任何原因退出，其他熱源可立刻替代。芬蘭熱源的供熱能力至少有20%的富裕量，可比較從容應(yīng)對(duì)用戶熱負(fù)荷的增長(zhǎng)。熱網(wǎng)互相聯(lián)通形成環(huán)狀，提高了熱網(wǎng)運(yùn)行可靠性、事故備用性。

在我國(guó)，每座城市有多家熱力公司，每家熱力公司有自己的熱源(或者從電廠躉購(gòu)熱量)和熱網(wǎng)。熱源能力與用戶需求基本相等，幾乎沒(méi)有富裕量，成環(huán)管網(wǎng)也比較少，不能實(shí)現(xiàn)熱源高效運(yùn)行、互為保障和合理用能。

③ 低回水溫度

芬蘭逐步降低熱網(wǎng)的回水溫度，有的城市回水溫度為40 ℃。低回水溫度有利于采用新的熱源并以經(jīng)濟(jì)的方式輸送到熱網(wǎng)，如空調(diào)系統(tǒng)冷凝熱、鍋爐煙氣余熱、工業(yè)過(guò)程余熱、熱泵、季節(jié)性儲(chǔ)熱，甚至是用戶側(cè)太陽(yáng)能設(shè)施富余熱量。

④ 最佳水溫

芬蘭熱網(wǎng)的溫度水平比較低，安裝時(shí)采用預(yù)熱無(wú)補(bǔ)償安裝方式，大幅降低了管道的應(yīng)力和應(yīng)力腐蝕，良好的水質(zhì)減小了管道內(nèi)腐蝕，進(jìn)而降低維護(hù)成本，提高了管道使用壽命。在芬蘭，供熱管道的期望使用壽命大于50 a，有的管道已經(jīng)使用了60 a，仍在安全運(yùn)行，每年僅更換0.5%左右的管網(wǎng)。在我國(guó)，服役10 a以上的供熱管道就已經(jīng)腐蝕嚴(yán)重，主要集中在二級(jí)管網(wǎng)。

⑤ 樓宇熱力站和水管理

樓宇熱力站對(duì)于提高能源效率和居住舒適性具有明顯優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)區(qū)域熱力站同時(shí)供應(yīng)多座建筑，以滿足最不利用戶的需要為目標(biāo)，易導(dǎo)致部分用戶過(guò)熱。樓宇熱力站可以根據(jù)單座建筑的用熱特點(diǎn)、供熱需求及時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，針對(duì)性強(qiáng)、調(diào)節(jié)靈敏、反應(yīng)快。

芬蘭對(duì)供熱水質(zhì)非常重視，優(yōu)良的水質(zhì)保證了管網(wǎng)長(zhǎng)久的使用壽命，同時(shí)也減少了管網(wǎng)失水量，失水量約為循環(huán)量的0.08%。在我國(guó)，供熱水質(zhì)尤其二級(jí)管網(wǎng)水質(zhì)一直未得到重視，導(dǎo)致二級(jí)管網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重，管網(wǎng)失水量很大，一般為循環(huán)量的1%～3%。

1.3 熱費(fèi)

芬蘭區(qū)域供熱熱費(fèi)由3部分組成：聯(lián)網(wǎng)費(fèi)、基礎(chǔ)費(fèi)、能源消耗費(fèi)。聯(lián)網(wǎng)費(fèi)是一次性費(fèi)用，基礎(chǔ)費(fèi)和能源消耗費(fèi)根據(jù)每年的物價(jià)、能源價(jià)格、增值稅等變化。2019年，芬蘭區(qū)域供熱平均熱價(jià)為81.38 歐元/(MW·h)，其中平均基礎(chǔ)費(fèi)價(jià)格為20.18 歐元/(MW·h)，平均能源消耗費(fèi)價(jià)格為61.2 歐元/(MW·h)，1年中能源消耗費(fèi)價(jià)格處于變化狀態(tài)。芬蘭區(qū)域供熱熱價(jià)是歐洲最低的，但供熱企業(yè)仍可平均達(dá)到10%以上的利潤(rùn)率。

2 典型案例

① 芬蘭普蘭諾拉有限公司

普蘭諾拉有限公司成立于1987年，在能源工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)領(lǐng)域和能源管理等方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。業(yè)務(wù)涉及熱源、管網(wǎng)、能源規(guī)劃等，客戶來(lái)自俄羅斯、中國(guó)及歐洲、東亞等國(guó)。

普蘭諾拉有限公司設(shè)計(jì)了芬蘭約50%區(qū)域供熱、供冷系統(tǒng)，并為80%的供熱、供冷系統(tǒng)提供了優(yōu)化節(jié)能咨詢服務(wù)。公司自建的云平臺(tái)，接入了芬蘭大部分區(qū)域供熱、供冷系統(tǒng)，擁有豐富的數(shù)據(jù)信息。公司設(shè)計(jì)的赫爾辛基區(qū)域供冷、供熱系統(tǒng)榮獲3項(xiàng)國(guó)際大獎(jiǎng)：2008年歐盟頒發(fā)的“區(qū)域供熱、制冷和熱電聯(lián)供最佳實(shí)用技術(shù)獎(jiǎng)”，2009年國(guó)際能源署IEA頒發(fā)的“減緩氣候變化優(yōu)秀解決方案獎(jiǎng)”，2011年歐洲熱電(Euroheat&Power)及IEA頒發(fā)的“最佳區(qū)域制冷系統(tǒng)獎(jiǎng)”。

普蘭諾拉有限公司于2018年5月與浙江盾安節(jié)能長(zhǎng)垣熱力有限公司在長(zhǎng)垣合作建立了“中芬第四代供熱技術(shù)轉(zhuǎn)化和試驗(yàn)示范基地”，在龍首苑住宅區(qū)、職專南校區(qū)建設(shè)了26座樓宇熱力站、小區(qū)庭院管網(wǎng)、樓內(nèi)立管、戶內(nèi)供暖管道及設(shè)施。普蘭諾拉有限公司主要負(fù)責(zé)樓宇熱力站換熱機(jī)組選型、熱力站設(shè)計(jì)、小區(qū)庭院管網(wǎng)設(shè)計(jì)，并提出施工、調(diào)試技術(shù)要求等。運(yùn)行1個(gè)供暖期后，經(jīng)測(cè)算，熱指標(biāo)從0.36 GJ/m2降至0.31 GJ/m2。2019年4月，與河北華熱工程設(shè)計(jì)有限公司成立了國(guó)內(nèi)首家“中芬供熱技術(shù)合作中心”，雙方將在能源領(lǐng)域開(kāi)展多方面合作，主要包括創(chuàng)建和推進(jìn)可再生能源和供熱、制冷領(lǐng)域試點(diǎn)項(xiàng)目，推廣普蘭諾拉有限公司在芬蘭能源系統(tǒng)可持續(xù)性及可靠運(yùn)行方面的模式等。普蘭諾拉有限公司自主開(kāi)發(fā)的熱網(wǎng)優(yōu)化軟件將數(shù)據(jù)分析、篩選、數(shù)據(jù)庫(kù)及水力計(jì)算等融于一體，為能源用戶提供全方位的解決方案。進(jìn)行水力平衡計(jì)算后，可根據(jù)供熱大數(shù)據(jù)，校正管網(wǎng)數(shù)字孿生模型，使之與實(shí)際運(yùn)行更吻合，從而使制定的優(yōu)化方案更加有效。

此外，普蘭諾拉有限公司還為熱力公司提供了一套完整的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，可以把熱力公司的原始資料和數(shù)據(jù)以及后期進(jìn)行維修、改造的記錄和現(xiàn)場(chǎng)影視資料記錄并保存，保證了熱力公司資料的完整性，為后期改造、擴(kuò)容提供準(zhǔn)確的原始資料。

② 拉脫維亞里加市熱力公司

拉脫維亞里加市的案例是一個(gè)非常成功的應(yīng)用芬蘭供熱模式的案例，樓宇熱力站在改善熱力失調(diào)、減小補(bǔ)水量方面發(fā)揮了重要的作用。

里加市區(qū)人口71×104人，面積304 km2，熱網(wǎng)長(zhǎng)度800 km，供暖樓棟8 100棟，供熱量312×104MW·h/a。為了配合供熱系統(tǒng)升級(jí)改造，政府于1996年成立了里加熱力公司。1997年，里加熱力公司為8 100棟供暖樓棟安裝了熱量表，并開(kāi)始實(shí)施樓宇熱力站替代區(qū)域熱力站的工作。1997—2001年，建設(shè)的樓宇熱力站涉及總供熱量的46%，改造管網(wǎng)135 km，取消了22座低效率的區(qū)域鍋爐房，在熱網(wǎng)最遠(yuǎn)端建設(shè)了調(diào)峰鍋爐房，建立了先進(jìn)的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。截至2014年，完成了樓宇熱力站全部替代區(qū)域熱力站工作，管網(wǎng)改造381 km。改造后，管網(wǎng)熱損失下降63.2%，補(bǔ)水量下降93.3%，員工從1 894人減少至634人。

3 結(jié)語(yǔ)

芬蘭集中供熱歷史悠久、技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化水平高、市場(chǎng)成熟，形成了完整、系統(tǒng)、高效、低碳的能源模式。我國(guó)集中供熱近年來(lái)發(fā)展迅速，雖然供熱技術(shù)、供熱設(shè)備、自動(dòng)化水平、人員素質(zhì)都有了很大提高，但是由于體制、機(jī)制、理念等問(wèn)題，與芬蘭還存在一些差距。多熱源聯(lián)網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)、樓宇熱力站、數(shù)據(jù)庫(kù)建立等方面值得我國(guó)借鑒。