住宅清潔能源供暖方案經(jīng)濟(jì)性分析

摘要：本文基于綠色可持續(xù)發(fā)展理念，針對住宅清潔能源供熱方式和供熱特點進(jìn)行了研究。首先給出了煤、天然氣和電采暖三種供暖方法的優(yōu)缺點、經(jīng)濟(jì)效益、設(shè)備成本、運(yùn)營成本、年度成本，同時討論了集中供暖、分戶自采暖和電采暖等國內(nèi)采暖的現(xiàn)狀。然后提出了清潔能源供暖的多種方案，如工業(yè)廢熱回收利用、優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)行模式、可再生能源和多能量互補(bǔ)加熱，發(fā)現(xiàn)使用多能量互補(bǔ)加熱系統(tǒng)具有低年成本和高經(jīng)濟(jì)效益的特點。最后分析了各種加熱方式和應(yīng)用范圍的優(yōu)缺點，并對一般加熱方式、能耗類型、投資和運(yùn)營成本以及環(huán)境保護(hù)和工程設(shè)計人員進(jìn)行了綜合比較，獲得了清潔能源投資、運(yùn)營成本以及促進(jìn)住宅清潔的供暖方式。本論文的研究對于更加客觀地了解住宅清潔能源供暖方案的經(jīng)濟(jì)性具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：清潔能源;運(yùn)行費(fèi)用;供暖方案

中圖分類號：X701 文章標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）11-0-02

Abstract： Based on the concept of green sustainable development， this paper studies the heating mode and characteristics of residential clean energy. Firstly， the advantages and disadvantages， economic benefits， equipment cost， operation cost and annual cost of the three heating methods of coal， natural gas and electric heating are given. At the same time， the current situations of domestic heating such as central heating， household self heating and electric heating are discussed. Then put forward a variety of schemes of clean energy heating， such as industrial waste heat recovery and utilization， optimization of pipe network operation mode， renewable energy and multi energy complementary heating. It is found that using multi energy complementary heating system has the characteristics of low annual cost and high economic efficiency. Finally， the advantages and disadvantages of various heating methods and application areas are analyzed， and the general heating methods， energy consumption types， investment and operation costs， as well as environmental protection and engineering designers are comprehensively compared， and the heating methods of clean energy investment， operation costs and promoting residential cleanliness are obtained. The research of this paper has a certain reference value for more objective understanding of the economy of residential clean energy heating scheme.

Keywords： Clean energy;? Operating costs;? Heating scheme

隨著近年來房地產(chǎn)行業(yè)快速發(fā)展，社會住宅繁多，能源供暖方案施工過程產(chǎn)生的粉塵和污染對人們生活產(chǎn)生了不利影響。而清潔能源研究是避免環(huán)境污染主要方法。近年來，中國北方的清潔供熱計劃和技術(shù)已被用于熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱、分布式供熱、可再生能源、多能量輔助加熱和其他加熱方法。城市住房供暖過程管理研究剛剛起步，通過科學(xué)管理住宅能源供暖方案過程、優(yōu)化施工組織設(shè)計，能節(jié)約能源，能夠減少城市住宅供暖過程對環(huán)境的影響。本文從加熱類型、能耗類型、投資運(yùn)營成本和環(huán)境保護(hù)等方面比較了幾種常見的加熱方式，從供暖模式的角度來對比，考慮到居民的舒適度、最小能源消耗，最小投資和維護(hù)成本。

1 能源種類

能源是一種可以轉(zhuǎn)化為多種形式的資源，如熱能、電能和機(jī)械能等。由于我國人口眾多，資源相對較少，如何提高能源效率是節(jié)能降耗的核心問題。供暖企業(yè)作為主要能源消費(fèi)者，選擇合理的能源作為熱源是節(jié)能降耗的重要因素。

1.1 煤燃燒

燃煤鍋爐房集中加熱以煤炭燃燒作為主要熱源。燃煤鍋爐房的集中供熱是中國最為傳統(tǒng)的供暖方式之一，通常應(yīng)用在較大的供熱面積。除一些一線城市以外，中國其他城市仍然使用煤炭作為主要熱源，但隨著人們對環(huán)境問題的關(guān)注，越來越多的城市正在積極使用清潔能源供暖。

1.2 天然氣及燃料油

使用天然氣作為熱源主要是區(qū)域燃?xì)忮仩t房和家用燃?xì)獗跔t。燃?xì)忮仩t房近年來用于主要城市和地區(qū)的集中供熱系統(tǒng)，其優(yōu)點是節(jié)能環(huán)保，缺點是風(fēng)險大，設(shè)計、施工和運(yùn)行要求都很高，而且很貴。但在一線城市中，近年來將煤炭作為主要能源的格局發(fā)生了變化，天然氣發(fā)展迅速。

1.3 電采暖

電采暖、電熱、低溫輻射電熱膜是家庭環(huán)境中相對常見的加熱方法，其熱效率基本上為95%以上。優(yōu)點是占用室內(nèi)空間較少、控制靈活方便、無污染、操作安全可靠。然而，直接加熱對于節(jié)能是無用的，因為將電能轉(zhuǎn)換成熱能的效率小于30%。

2 天然氣供暖現(xiàn)狀

不同國家根據(jù)各國的資源配置、氣候條件、建筑特點、生活方式和經(jīng)濟(jì)條件采用不同的加熱方式，但天然氣在許多國家越來越受歡迎，往往有更高的利用率。歐洲天然氣供暖比例約為50%，其中法國、意大利、荷蘭等國家主要使用家用熱水供暖和供暖燃?xì)忮仩t;德國、丹麥、挪威、波蘭等國加熱系統(tǒng)通常使用多個熱源網(wǎng)絡(luò)，天然氣主要用于熱電聯(lián)產(chǎn)和高峰鍋爐。德國非常重視環(huán)境保護(hù)問題，天然氣供暖的比例正在增加，以實現(xiàn)政府減少碳排放的目標(biāo)。在中國，越來越多的城市正在推進(jìn)天然氣項目，天然氣供暖是一種非常重要的供暖形式。2017年和2018年北京天然氣鍋爐供暖比例分別達(dá)到43.1%和44.9%，西安于2003年開始實施天然氣項目，到2018年底城市居民95%使用天然氣加熱。

2.1 集中供暖

（1）城市中央供暖：可以減少該區(qū)域內(nèi)的熱源區(qū)域，并通過城市中央的大型熱源向用戶供熱，缺點是加熱季節(jié)不能靈活設(shè)置，長距離傳輸能量的熱量損失大，需要在狹窄區(qū)域安裝二次熱管網(wǎng)，但保證了加熱效果且維護(hù)很容易。

（2）家庭鍋爐房的中央供暖系統(tǒng)：建造燃煤或燃?xì)忮仩t房并大面積供熱的系統(tǒng)，可為一個或多個社區(qū)供熱，雖然輸配管道短、運(yùn)輸能耗低，可根據(jù)天氣和家庭供暖需求調(diào)整供暖條件，但技術(shù)要求、投資成本、維護(hù)成本都很高。

2.2 分戶自采暖

（1）單戶鍋爐加熱：單戶鍋爐加熱的優(yōu)點是可以解決單戶住宅系統(tǒng)熱水和冷水問題，安裝燃?xì)狻㈦婂仩t、壁掛式鍋爐，可單獨調(diào)節(jié)室溫，無需社區(qū)鍋爐房或外部網(wǎng)絡(luò);缺點是是循環(huán)水泵在系統(tǒng)運(yùn)行時噪聲非常大，這將對生活環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。

（2）家用電熱裝置：電熱、低溫輻射電熱膜等。電熱膜加熱是用半透明聚酯薄膜加熱的方法，通過溫度控制裝置，將產(chǎn)生的熱量徑向進(jìn)入室內(nèi)。

2.3 電采暖

電加熱包括兩種類型，分別是直接加熱和間接加熱。直接電加熱，外加熱產(chǎn)品，加熱速度快，熱效率高;間接電加熱提供室內(nèi)加熱的電熱膜和壁掛式電鍋爐加熱，加熱緩慢，熱舒適性極佳，電加熱、電磁存儲磚加熱、蓄熱等可根據(jù)居民的需要，將熱量釋放到室內(nèi)空氣中。為了全天24h加熱，通常需夜間充電6-8小時。

3 潔凈能源供暖方案

3.1 工業(yè)廢熱回收利用

目前，工業(yè)生產(chǎn)的能源效率在20%～60%之間，廢熱總量非常高，完全回收工業(yè)廢熱作為傳統(tǒng)能源，能有效減少廢物排放。將工業(yè)廢熱作為熱源，如果主網(wǎng)的回水溫度為60℃，工業(yè)廢熱的溫度水平可以直接與主網(wǎng)絡(luò)交換;如果廢熱溫度低或溫度波動很大，需經(jīng)過壓縮、吸收/吸附，同時需升級熱泵。利用化學(xué)熱泵是一種廣為應(yīng)用的辦法，該方法相對成熟，出口溫度超過90℃。由于工業(yè)廢熱與工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)，工業(yè)生產(chǎn)的變化會影響廢熱產(chǎn)量，且與使用傳統(tǒng)的中央供暖和熱泵來確保供水溫度相比，工廠和住宅之間距離會更長，配電成本、熱損失、回收、輸配電、能源供應(yīng)系統(tǒng)更復(fù)雜，投資更高。但從政策和市場的角度來看，有必要從上述角度研究工業(yè)廢熱回收利用。

3.2 優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)行模式

目前，城市供熱主要采用互供系統(tǒng)。一級網(wǎng)絡(luò)調(diào)整方法通常有三種方式：音量調(diào)節(jié)、質(zhì)量調(diào)節(jié)和相變流量調(diào)節(jié)模式，相變流量調(diào)節(jié)模式可增加液壓工作條件的穩(wěn)定性，同時可最大限度地降低供熱網(wǎng)絡(luò)的加熱功耗。二級網(wǎng)絡(luò)具有低覆蓋率、熱網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)節(jié)以及質(zhì)量、數(shù)量和調(diào)節(jié)模式靈活等特點，可以最小化熱量和功耗。

新建筑必須添加恒溫閥來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。而通過在主要和次要網(wǎng)絡(luò)之間裝上限制流量的加熱站，靜態(tài)平衡閥就可以自動完成相應(yīng)的操作功能。二次配水管網(wǎng)供水溫度的運(yùn)行調(diào)整曲線預(yù)設(shè)為室溫的函數(shù)，當(dāng)二次配水管網(wǎng)的實際供水溫度偏離設(shè)定值時，一次配水管網(wǎng)的電控閥相對開口會自動調(diào)整和更改，調(diào)整管網(wǎng)流量水平，然后調(diào)整二級管網(wǎng)的供水溫度，以匹配用戶的家用恒溫閥調(diào)節(jié)。此時，二級網(wǎng)絡(luò)處于可變流量操作，并且二級循環(huán)泵必須改變?yōu)樽冾l泵。另外，通過對熱源、熱站等自動控制系統(tǒng)的監(jiān)控，控制相應(yīng)的加熱參數(shù)，就可以有效地幫助調(diào)度員來控制整個供熱系統(tǒng)，確保整個熱網(wǎng)安全、高效、節(jié)能。

3.3 可再生能源

為了有效確保城市住宅供熱區(qū)域的清潔化供暖，應(yīng)該積極推進(jìn)可再生能源的供熱項目開展，例如借助于風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮芎蜕锬艿葋韺崿F(xiàn)供暖。由于目前對可再生能源的利用率比較低，且單純利用可再生能源不能夠達(dá)到供暖的要求，因此可以將可再生能源和傳統(tǒng)能源相結(jié)合，從而建設(shè)二者相結(jié)合的綜合能源系統(tǒng)。

3.3.1 風(fēng)能

新疆是中國風(fēng)力最強(qiáng)的地區(qū)，風(fēng)能資源占全國的37%。當(dāng)?shù)卣{(diào)整風(fēng)電電價，鼓勵城鄉(xiāng)居民使用電加熱，大大降低了供暖成本。在分布式供暖的情況下，平坦部分為0.224元/ kW·h，谷部為0.112元/ kW·h，中央水平部分為0.18元/ kW·h，谷部為0.09元/ kW。在中國西北，根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省、吉林省等地區(qū)的熱負(fù)荷特性、環(huán)境保護(hù)和生態(tài)要求，采用電供熱，可以符合該地區(qū)的供熱需求。

3.3.2 太陽能

太陽能作為一種可再生能源，是人類可用能源的重要組成部分。中國的太陽能資源豐富且被廣泛使用，但由于地理緯度、太陽輻射、季節(jié)、時間和天氣的差異，部分地區(qū)只產(chǎn)生間歇性和不穩(wěn)定的太陽能熱量，再加上維護(hù)復(fù)雜且費(fèi)用昂貴，所以，為了實現(xiàn)穩(wěn)定的加熱，需要在太陽能供暖中添加其他能源。

3.3.3 空氣源熱泵

空氣源熱泵使用反向卡諾原理將空氣中的低溫源轉(zhuǎn)換為高溫源以提供熱水或熱量。然而，空氣源熱泵的使用與室外環(huán)境密切相關(guān)。該設(shè)備的熱設(shè)計部門規(guī)定室外最冷溫度應(yīng)≤-10°C且最冷區(qū)域的平均溫度要在0～10°C。如果室外溫度低于-5℃，則加熱效果差甚至導(dǎo)致供暖不正常。為了改善空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的加熱性能，目前的技術(shù)手段包括兩級壓縮、準(zhǔn)兩級壓縮、雙組分或三組分混合工作介質(zhì)和級聯(lián)供暖系統(tǒng)。通過添加燃料和氦，可以改善空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的加熱性能，具體操作流程見圖1。

3.3.4 地?zé)釤岜?/p>

地下?lián)Q熱器是近幾年在北方流行的一種供熱方式，是利用埋藏在地板和地磚下面的地?zé)峁苤械乃M(jìn)行供暖的一種方式。原理與以往的暖氣是相同的，都是采用熱損耗來平衡室內(nèi)溫度。但是它與暖氣的本質(zhì)不同在于，地?zé)釤岜檬菍峁芫€埋藏在地下，減少空氣中的熱損失，而且較傳統(tǒng)的地暖供熱鋪設(shè)面積更為廣泛。

3.3.5 沼氣

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)對高質(zhì)量能源的需求增加。沼氣是一種方便、清潔、高質(zhì)量的能源，它是在濕度、溫度和厭氧條件（如秸稈和肥料）等特定條件下通過發(fā)酵產(chǎn)生的可燃?xì)怏w。沼氣的推廣和應(yīng)用對改善能源結(jié)構(gòu)、生活環(huán)境和減少環(huán)??境污染非常重要。由于室溫發(fā)酵溫度為10～26℃，這使得在平均溫度低于0℃的冬季，沼氣池的正常運(yùn)行受到限制。

4 結(jié)語

住宅清潔能源供暖的方式就是多能量互補(bǔ)加熱，如何對能源進(jìn)行互補(bǔ)，可參照以下幾點：

（1）燃煤電廠的超低排放、管網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化、工業(yè)廢熱的回收以及采暖設(shè)備性能的提高都是實現(xiàn)集中供熱和清潔供暖的方法;

（2）分布式供熱的獨立控制非常強(qiáng)大，電加熱適用于新疆、甘肅北部、內(nèi)蒙古等風(fēng)力發(fā)電區(qū)，燃?xì)獗跔t適用于未被熱網(wǎng)絡(luò)覆蓋的城市區(qū)域，低溫空氣源熱泵適用于寒冷氣候的酒店、辦公樓、家庭;

（3）太陽能-沼氣、太陽能-空氣源熱泵初期投資高、運(yùn)行成本低，適用于太陽能資源豐富地區(qū)和農(nóng)村地區(qū);家用燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的使用減少了投資，節(jié)省了運(yùn)營成本，并能根據(jù)室外溫度調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，以實現(xiàn)能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)。

采用多能量互補(bǔ)的加熱系統(tǒng)不僅可以因地制宜，而且可以克服單獨供暖方式的缺點，推薦大規(guī)模采用。

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收稿日期：2019-07-13

作者簡介：畢海靜（1978-），女，漢族，博士，研究方向為電力工程。