| 智慧城市绿能工程---城市清洁供暖实施技术思路 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 作者： 发布于：2018/7/20 11:21:05 点击量： | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
智慧城市绿能工程---城市清洁供暖实施技术思路
张晨
（陕西鼓风机(集团)有限公司，陕西 西安 710070 ）
摘要：针对城市实施清洁供暖，提出因地制宜、量体裁衣的智慧城市绿能的技术思路和具体的实施方案。
关键词：智慧城市 清洁供暖 技术思路
1 实施城市清洁供暖是重大的民生工程和民心工程
随着城市现代化建设的发展及人们对美好生活要求的不断提高，冬季城镇的清洁化供暖已经提升到很高的程度，已成为事关国家、人民的大事。2016年12月21日，习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上指出：推进北方地区冬季清洁取暖，关系北方地区广大人民群众生活，是重大的民生工程、民心工程。推进北方地区冬季清洁取暖，关系北方地区广大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容。要按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针，宜气则气，宜电则电，尽可能利用清洁能源，加快提高清洁供暖比重。而且李克强总理在政府工作报告中指出，坚决打好蓝天保卫战。今年SOx、NOx排放量要分别下降3%，重点地区细颗粒物（PM2.5）浓度明显下降，要加快解决燃煤污染问题，全面实施散煤综合治理，推进北方地区冬季清洁取暖，完成以电代煤、以气代煤300万户以上，全面淘汰地级以上城市建成区燃煤小锅炉。
国家对城市供热政策限制及导向主要有：2015年发改委《余热暖民工程实施方案》，提出到2020年，通过集中回收利用低品位余热资源，替代燃煤供热20亿平方米。2017年国家十部委联合指定了《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021）,2017年8月国家生态环境部办公厅下发《京津冀及周边地区2017—2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》.
目前全国城镇供热面积约141亿平方米，主要问题为现有供热能力不足及成本增加较大，体现在：
1）供暖缺口巨大，需求增加，供给不足；以西安为例，城区统计现有建筑面积约4亿平方米，目前供热格局是由市热力公司主供城区周围及城北广大地区；灞桥热电厂主供东郊纺织城和韩森寨一带地区；西郊热电厂主供西郊一带地区。另外，新建开发区及住宅小区等小区域供热也颇具规模，占有一定市场，还有一些单位和居民以天然气等清洁燃料进行分散供热。总体上已实施供暖覆盖面积约为2.2亿平方米，仍存在1.8亿平方米的供暖缺口。
2）以天然气作为优质的一次能源直接供暖给百姓产生较重的生活负担。天然气供暖的运营成本约是煤炭供暖的1.8~2.5倍，使用天然气供暖最终费用将转嫁到百姓身上。另外天然气因短缺及NOx的排放问题已影响到实现城市清洁供暖，必须改变城市供暖的能源结构，以可再生能源和余能、核能为主。
2 城市清洁供暖的定义
十部委在《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021）》对城市清洁供暖的定义是指利用太阳能、工业余热、地热（等）、天然气、电、生物质、清洁化燃煤（超低排放）、核能等清洁化能源，通过高效用能系统实现低排放、低能耗的取暖方式，包含以降低污染物排放和能源消耗为目标的取暖全过程；定义城市清洁供暖的目的在于：
1）调整热源结构、节约能源、改善环境
优先发展可再生能源，大力发展废热、余能利用，提高清洁能源供热比例。按照《北方地区冬季清洁取暖规划》，不再新扩建燃煤供暖锅炉房，新建建筑优先采用可再生能源、热电联产或燃气供热：其中新建住宅优先采用水热、地热，新建公建有供冷、供热需求的，优先采用浅层地热能和燃气作为冷、热源。
2）安全、可靠、先进性的原则
利用科学、成熟的方法进行负荷需求预测，保障热负荷预测准确性。合理加大供热设施建设规模，在满足负荷需求基础上，适度超前，提高供热保障能力。
合理规划现有和新建热源，保障城市供热需求，采用新能源、新技术、新材料，达到技术先进、经济合理、运行安全可靠。
减少重复建设，打破现有行政区、功能区的界限。形成科学合理的管网布局，提高热源和管网的运行效益。
3 城市清洁供暖一体化解决方案
目前城市供热约25%为燃煤热电联产供热，约20%为天然气和电供热，超过50%为污染严重的燃煤采暖，2018年1月主要城市空气污染排行西安、咸阳均进前10名；2018年5月晋城、邯郸和阳泉三城市大气治污不力遭约谈，生态环境部即日起暂停三市新增大气污染物排放建设项目环评审批。若将燃煤采暖全部替换为清洁供暖，全国将有70多亿m2的缺口（尚未计每年的新增建筑），实施城市清洁供热任务艰巨，时间急迫。时不我待，面对窘境如何实施？
3.1总体思路—智慧城市绿能工程
构建以废热、余能利用为主，多种能源形式为辅的集中供热格局，将低能耗、低污染和高效能的清洁供热系统覆盖主要城镇，实现城市能源的绿色及可持续发展。采取思路主要为：采取陕鼓能源互联岛的方案，将供热区域内的冷、热、电、风、水、废等根据需求、量体裁衣，统一进行规划和管理，实现资源集约化；因地制宜、量体裁衣的方式，对接城市各区域供暖需求；兼顾系统叠加优化、能量梯级利用原则，实现系统综合平衡。总体思路如3—1图所示。
 图3—1 智慧城市绿能工程总体思路
3.2城市清洁供暖各单点技术及叠加优化
3.2.1清洁供暖技术-太阳能供暖
单独的太阳能采暖技术并不适用城镇供暖，必须通过研究太阳能与其他能源（燃气、热泵、地热、电、生物质能等）有效的结合匹配方式，提高太阳能保证率，开发出的性能稳定可靠、具有市场竞争力的多能源互补供能系统，对太阳能与多能源互补系统的集成控制技术，保证系统的安全性、可靠性及运行经济性的配套产品；图3—2为太阳能采暖技术与热泵、储能技术等耦合在一起，为建筑提供供暖、制冷和生活热水技术原理。
 图3—2 太阳能与热泵、储能为建筑提供供暖、制冷和生活热水技术原理
3.2.2清洁供暖技术-工业余热供暖
工业领域余能利用空间很大，工业冷却水、工业废水、地热尾水中蕴含着大量热能但因热值较低难以提取而几乎全部丢弃。如何利用余热资源，拓展城市供暖热源来源，缓解环境污染压力，节约宝贵天然气资源是城市供暖发展的核心。为此,以分布式能源思路，整合现有超低温余热回收+吸收式大温差换热这两个单点技术，对能源综合考虑和利用，形成具有解决城市供热问题的系统解决方案。
以传统的热电厂图3--3为例，均存在汽轮机冷端损失大（冷却水大量的热量白白浪费），热网饱和、扩容困难等问题。
 图3—3 热电厂原则性热系统图
而采用基于吸收式大温差换热机组（热泵技术）在不改变目前热电机组运行工况,不增加能耗的前提下，使热电厂向城市热网的供热量提高约50%”，在不改变目前城市热网基本架构的前提下，使管网的热量输送能力提高约80%”。技术原理如图3—4所示。
 图3—4 工厂余热清洁供暖系统
1）回收热电厂凝汽余热和冷却水余热
降低供热能耗40%左右，热电厂供热量增加30%以上，
减少汽轮机抽汽量，增加汽轮机的发电能力，提高热电联产系统整体能效。
2）采用一次网超低温回水
提高供回水温差，增加管网输送能力，避免既有管网改造，节约新建管网的投资
为回收电厂循环水余热提供了必要条件，同时降低了传热环节的散热损失。
3）充分利用高、低温差的做功能力。
3.2.3清洁供暖技术--地源、水（污水）源、空气源供暖
城镇及企业存在大量的水资源、工艺热及空气能，如生活废水，工业废水，工艺废液，湖泊，河流等，这些“水资源”均蕴涵着大量的能源，可以因地制宜，将各类水源热泵技术耦合在一起形成混水源热泵供热技术，可以解决单纯一类“水资源”供应不足的问题。
1）地源热泵供暖是一种利用的地下浅层地热资源（水、土壤等），只需要少量电能来实现供暖或供冷的高效环保节能技术，冬季将地热能“取”出来，产生55/45℃热水，夏季将室内热量“取”出来，产生7/12℃冷水，机组的能效比可达到4.5-5以上。
 图3--5 地源热泵供暖示意图
2）污水源热泵供暖：污水源热泵是利用污水(生活废水、工业废水、矿井水、河湖海水、工业设备冷却水、生产工艺排放的废水)，通过污水换热器与中介水进行换热，中介水进入热泵主机，主机消耗少量的电能，在冬天将水资源中的低品质能量"汲取"出来，经管网供给室内采暖系统、生活热水系统；夏天，将室内的热量带走，并释放到污水中。若将污水进出口的温差在制热和制冷时均设定为5℃，污水源热泵制热COP约为~4.3，制冷系数为~4.6。供暖原理图如下：
 图3--6 污水源热泵制热供暖原理
以一个300t/d处理规模污水处理厂为例，根据可再生资源评估数据，再生水厂出水温度为：夏季是15℃左右，冬季是8℃。考虑污水温升对生态环境和换热效率产生的影响，设计污水源热泵系统水源侧温升（温降）均为5℃。污水能够吸收或者放出的热量为：
 Q—污水侧吸收或者放出的热量，J；c—水的比热容，4180J/(kg•℃)；
m—再生水的质量，kg；△t—再生水温度变化，5℃。
污水厂污水平均一天能够吸收或放出的热量为6.27×106kJ，可以看出其蕴涵能量巨大。
3）空气源热泵采暖：空气源热泵是利用逆卡诺原理，以少量的电能，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩变为高温热能，是一种节能高效的热泵技术。空气源热泵在运行中，蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过永久黏结在贮水箱外表面的特制环形管冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了空气源热泵贮水箱中的水，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复，供暖系统如图3—7所示。
 图3—7 空气源热泵采暖系统
外温在-5℃左右时：COP在~3.4；外温在-10℃左右时：COP在~2.6
4）几种供热方式运行费用对比
  结果如表3—1所示。  表3—1几种供热方式运行费用对比
3.2.4清洁供暖技术—生物质（垃圾）供暖
城镇生活垃圾已成为中小城市、乡村发展的痛点，目前我国年产生生活垃圾2.78亿吨，许多地方垃圾堆成小山，环境治理迫在眉睫。垃圾实际可以作为城镇供热的主要资源，我国生活垃圾的平均热值为4160kJ/kg，采用新型热解气化技术，让其在缺氧状态进行热解气化，从原理上防止了二噁英的生成，而且其它污染物排放较少，技术目前正在示范阶段，未来具备较大发展潜力，适合中小城镇应用。
热解气化后的可燃气体可以通过锅炉、燃机进行供热、发电，其系统原理图如下：
 图3—8 垃圾热电联供原则性系统图
4 陕鼓一体化解决方案的实施效果
4.1 能源互联岛示范项目
2016年陕鼓以顶层设计、整体规划的设计理念，推行能源互联一体化建设，致力于为客户打造降本、节能、环保的高效运作模式。并在临潼陕鼓园区建设“陕鼓能源互联岛示范项目”，作为分布式能源产业化实践，示范项目采用互联网思维，综合利用供给侧能源条件及资源条件，通过技术创新，将供热区域内的冷、热、电、风、水、废等根据需求、量体裁衣，统一进行规划和管理，实现资源集约化；因地制宜、量体裁衣的方式，对接园区各区域供暖需求；兼顾系统叠加优化、能量梯级利用原则，实现系统综合平衡实现区域内污水、固废处理、供热、制冷、部分供电、供压缩空气、安防、消防及新风供送的九联供统一智能管理系统，实现了土地集约、设备集约、功能集约及运营集约，得到了国内外专家的一致认可。
主要耦合系统如图4—1所示：
⑴ 多源联合供热制冷系统
污水源热泵+土壤源热泵+天然气冷热电三联供+燃气热水锅炉+蓄冷；
⑵ 地下污水处理系统及再生水回用系统
智能分时分模块污水处理系统；再生水100%回用系统；
⑶ 固废处理
生活垃圾热解系统+餐厨垃圾+污泥联合厌氧系统；
⑷ 智能微电网构架
屋面光伏系统；天然气内燃机发电系统；
⑸ 智能策略开启系统
 图4--1全系统智能控制及能源互联网系统示意图
4.2示范项目实施效果
表4—1示范项目实施效果比较
 通过在陕鼓一体化解决方案的示范项目实施，其效果如表4—1所示：
1） 对用户、企业
系统综合效率提升、能耗减少，系统节能效果显著，综合运营成本降低；
单位土地收益增加，利润增加、产品竞争力增强，管理效率提高；运营、管理人员减少；自动化及智能化的运用，运行事故率降低；解决所有能源需求及排放问题，排放达标、运行稳定。
2）对政府
各污染物达标排放，城市绿色健康发展，环境不断改善；单位能耗持续降低、垃
圾资源化利用。
参考文献
1 张军，《地热能、余热能与热泵换热技术》
2 北京华源泰盟节能设备有限公司，《大温差换热技术》
作者简介：男，汉族。出生于1974年10月，现任陕西鼓风机（集团）有限公司系统方案中心高级方案经理，高级工程师。1997年至今一直从事热能及分布式能源的技术研究。
收稿日期：2018年5月7日
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