山東地區(qū)主要清潔供暖方式碳排放對比

張國凱 山東建筑大學設(shè)計集團有限公司

1 清潔供暖方式介紹

自2017 年來，國家積極推進北方地區(qū)冬季清潔供暖工作，在節(jié)能減排方面取得了顯著成效。山東省人民政府辦公廳2018 年印發(fā)了《山東省冬季清潔取暖規(guī)劃（2018-2022 年）》（簡稱《規(guī)劃》），認真貫徹落實清潔取暖工作。根據(jù)《規(guī)劃》，至2022 年山東省取暖用能可再生能源占比40%、燃煤占比60%。結(jié)合山東省清潔供暖實際改造情況和有碳排放的清潔供暖方式，本文選取燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)、燃氣壁掛爐、地源熱泵、空氣源熱泵4 種清潔供暖方式作為重點研究對象。

1.1 燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)

大型清潔化燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)是山東省集中供暖的主要形式。近年來，山東省全面淘汰35t/h 以下燃煤鍋爐；關(guān)停單機容量30 萬kW 以下非所在地區(qū)唯一、不可替代民生熱源燃煤機組及配套鍋爐；大力挖掘現(xiàn)狀60 萬kW 及100 萬kW 機組的供熱潛力，利用其乏汽、循環(huán)冷卻水余熱供暖。

1.2 燃氣壁掛爐

燃氣壁掛爐作為集中供暖的有效補充，適用于獨棟別墅、城中村和燃氣管網(wǎng)已覆蓋或者容易通達的鄉(xiāng)鎮(zhèn)與農(nóng)村新型社區(qū)的分散供暖。因為其既能滿足供暖需求，又能滿足老百姓的生活做飯需求，所以“氣代煤”在山東省清潔供暖改造中接受程度較高。但農(nóng)村地區(qū)建筑條件差、農(nóng)民安全意識差及燃氣管網(wǎng)建設(shè)落后等因素，一定程度上限制了燃氣壁掛爐的發(fā)展。

1.3 地源熱泵

地源熱泵主要指利用淺層地熱能供暖，可用于分布式或者分散取暖。考慮其冬夏季熱平衡性，尤其適用于學校、醫(yī)院及大型商場等類型的公共建筑。

1.4 空氣源熱泵

空氣源熱泵可以集中、可以分散。集中式空氣源熱泵適合作為城鎮(zhèn)集中供熱管網(wǎng)和燃氣管網(wǎng)覆蓋不到的相對獨立區(qū)域及農(nóng)村地區(qū)的新型社區(qū)和學校、醫(yī)院、便民服務(wù)中心等公共建筑。分戶式空氣源熱泵或熱泵熱風機適合于建筑密度低且經(jīng)濟可承受的城中村、農(nóng)村社區(qū)等建筑。

2 碳排放計算方法

2.1 二氧化碳排放因子

本文介紹的清潔供暖方式涉及到的化石燃料有煤炭、天然氣，其中煤炭以原煤、天然氣以油田天然氣為例計算二氧化碳排放因子（見表1），計算公式見式（1）。

表1 原煤、油田天然氣的二氧化碳排放因子

式中EF—二氧化碳排放因子，kg co2/kg；Q—燃料的平均低位發(fā)熱量，GJ/kg；CC—燃料的單位熱值含碳量，t c/GJ；OF—燃料碳的氧化率; 44/12—二氧化碳與碳的相對分子質(zhì)量之比。

消耗外購電力產(chǎn)生的二氧化碳排放因子主要與電力等價值、煤電發(fā)電量與清潔能源發(fā)電量的比例有關(guān)，本文采用《二氧化碳排放核算和報告要求 熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)》DB11/T 1784—2020 中推薦值0.604 tco2/MWh。

2.2 碳排放總量計算公式

確定燃料的二氧化碳排放因子后，再根據(jù)建筑物的熱負荷及每種供暖方式的效率確定燃料的總量，最后計算每種供暖方式的二氧化碳排放量見式（2）。

式中 E—二氧化碳排放量，kg；B—燃料的總量，kg。

2.2.1 燃煤總量的計算（熱電聯(lián)產(chǎn)）

式中B煤—原煤的總量，kg；A—建筑物的面積，m2；q1—單位建筑面積能耗，GJ/m2；b—熱電聯(lián)產(chǎn)供熱標準煤耗，kg/GJ，可取38 kg/GJ；29307/20934—標準煤發(fā)熱量與原煤平均低位發(fā)熱量之比。

2.2.2 天然氣總量的計算（燃氣壁掛爐）

式中B氣—天然氣的總量，m3；A—建筑物的面積，m2；q1—單位建筑面積能耗，GJ/m2；ξ—燃氣壁掛爐的效率，可取0.9；38.931×10-3—油田天然氣平均低位發(fā)熱量，GJ/m3。

2.3.3 外購電力總量的計算（熱泵）

式中B電—外購電力的總量，MWh；A—建筑物的面積，m2；q2—熱指標，W/m2；N—采暖期天數(shù)，山東可取120d；COP—制熱量與其消耗功率之比(見表2)，W/W。

表2 熱泵機組性能系數(shù)（COP）限定值

3 碳排放實例對比

濟南市某老舊小區(qū)在“三供一業(yè)”移交過程中，進行了節(jié)能減排改造。小區(qū)供暖總建筑面積9.6萬m2，改造前綜合熱指標（q2）50 W/m2，單位建筑面積能耗（q1）0.37GJ//m2，改造后綜合熱指標（q2）38W/m2，單位建筑面積能耗（q1）0.28GJ/m2。其中，q1與q2的轉(zhuǎn)化計算見式（6）。

式中ti—室內(nèi)計算溫度，℃，可取18℃；ta—采暖期室外平均溫度，℃，濟南可取1.4℃；to.h—采暖室外計算溫度，℃，濟南可取-5.3℃。

小區(qū)改造前是由2臺29MW 的燃煤熱水鍋爐作為熱源，由于其熱效率低且污染嚴重，本次改造關(guān)停兩臺鍋爐。在新的熱源方案確定時，進行了不同供暖方式的二氧化碳排放量計算（見表3）。根據(jù)計算結(jié)果，地源熱泵供暖方式二氧化碳排放量最低，但小區(qū)夏季并不集中制冷，考慮其冬夏季熱平衡性，同時老舊小區(qū)地埋管敷設(shè)較困難，因而此供暖方式并不適合該小區(qū)。空氣源熱泵供暖方式二氧化碳排放量大于燃氣壁掛爐供暖方式，這是因為現(xiàn)階段消耗的外購電力中煤電發(fā)電量的占比較大，隨著我國下一步清潔能源發(fā)電量的增加，外購電力的二氧化碳排放因子下降，空氣源熱泵供暖方式前景廣闊。另外，通過對比每種供暖方式改造前后的二氧化碳排放量，可以明顯發(fā)現(xiàn)節(jié)能改造對減少碳排放的貢獻巨大。綜上，確定小區(qū)利用集中式空氣源熱泵的供暖方式。

表3 濟南市某老舊小區(qū)節(jié)能改造前后二氧化碳排放量對比

4 結(jié)語

根據(jù)山東地區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)資料及通過相關(guān)計算，對比4 種供暖方式碳排放得出：①燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖＞空氣源熱泵＞燃氣壁掛爐＞地源熱泵，因此有條件的地區(qū)應(yīng)大力推廣地熱供暖。②隨著我國光伏發(fā)電量、風力發(fā)電量及核能發(fā)電量的占比增加，空氣源熱泵供暖方式二氧化碳排放量將大幅減少，因此空氣源熱泵供暖方式發(fā)展前景廣闊。③進行節(jié)能改造后，每種供暖方式的二氧化碳排放量均大幅降低，因此應(yīng)降低建筑物的能耗，大力推廣老舊小區(qū)建筑的節(jié)能改造。