| 多热源互补耦合低温供热技术 |
| 作者：赵钦新 发布于：2019/12/24 14:39:57 点击量： |
摘要：随着当今能源革命与转型的深入，人们节能与环保意识逐渐增强，迫切追求一种高效、环境友好和可持续的供热方式。在当今国家能源政策支持、互联网+分布式能源远程控制技术日渐成熟的条件下，以天然气为供热基本能源，辅助电和可再生能源的多热源互补耦合低温供热逐渐成为人们正在探寻开发的新的系统供热模式。多热源互补耦合低温供热综合解决了单一热源在供热终端、时间、空间和价格上存在的差异化，实现了从设备到系统供热的技术进步，使供热系统更高效、更环保、更稳定、更可靠、更安全。本文集中讨论了燃气冷凝锅炉、热泵、太阳能和生物质气构成的多热源互补耦合低温供热系统，提出了未来供热发展方向。 关键词：多热源耦合互补，低温供热，燃气冷凝锅炉，太阳能供热，生物质气
1. 前言
进入21世纪以来，世界能源利用形式越来越严峻，提高能源利用率，改善能源利用结构，坚持可持续发展的能源利用之路成为全世界的首要话题。图1示出了过去能源的使用情况以及未来能源的预测情况，可以发现，天然气和可再生能源一直处于上升的通道中。这一发展趋势也和供热能源转型相契合。
 图1 世界能源使用情况（标明引用出处）
一般而言，供热是指供暖（SH-Space Heating）和供应生活热水（DHW-Domestic Hot Water）及联合供热等3种方式，有时也单指供暖，如北方地区的供热，随着我国居民生活水平与需求的提高，供暖和生活热水的联合供热将成为未来发展趋势。我国大部分公共建筑或商用住宅一般仅安装传统的散热器，因此，我国广泛采用热电联产和集中供热锅炉房实现集中或区域供热，热电联产和集中供热锅炉房一般采用高温水管道，经过二级换热站转换成中温95/70℃或80/60℃的中温水供热模式；但是随着散热器材料、强化传热和建筑保温技术等多种技术的进步，以95/70℃或80/60℃为中温供热模式的燃气锅炉集中供热，势必都要成为高耗能低效率的供热模式而遭到社会的淘汰，而50/30~40℃的低温供热模式（Low Temperature Heating）将成为未来以燃气冷凝锅炉为主要能源，并耦合热泵、太阳能和生物质能成为供热模式的首选，低温供热是充分发挥燃气冷凝锅炉超高热效率和超低排放优势的优化供热模式，目前，这种模式已经在欧洲国家推广使用，运行实效证明，这是一种具有更低热耗的供热方式，而且在多热源互补耦合供热技术的支持下，将使燃气冷凝锅炉的热效率得到极限冷凝而获得更大提升，不仅可以使供热效率得到极限提升，整个供热管道系统的供热热耗也将大为降低，在特定城市每年天然气供应量维持不变的情况下（即使没有新增燃气），同时推广低温供热和多热源互补耦合供热技术，可直接增加供热面积30%以上（依据？），因此，这两项技术的推广应用可以说迫在眉睫，刻不容缓。本文所指的多热源互补耦合低温供热是指一种以燃气冷凝锅炉供热为主，以电、热泵、太阳能及生物质气辅助的供热模式，但实际上更大的优势还在于，这是一种耦合电、热泵、太阳能及生物质气之后的燃气冷凝锅炉和低温供热模式的耦合，是一种具有更高战略格局的互补耦合的低温供热模式。
目前，欧洲国家在集中和区域供热领域引领世界供热潮流，为世界其他国家提供了切实可行的可再生等能源耦合互补低温供热方式的借鉴。尤其是瑞典、丹麦等北欧国家，在多热源耦合供热领域更是为世界探索出了综合发展的低热耗供热之路。如丹麦在季节蓄热技术、相变材料储能、太阳能区域供热、多能互补和清洁采暖领域取得了突破性进展，不仅如此，丹麦政府还进一步提出2035年电力和采暖全部采用可再生能源，2050年彻底取代所有化石能源的未来发展目标，更让我们看到了可再生能源在未来供热领域的巨大潜力；而我国幅员辽阔，太阳能资源密度是丹麦的1.5-2.8倍，因此，太阳能供热将成为优化我国供热能源结构的重要方向。
为了保护环境，治理雾霾，保卫蓝天，国家联合各行业提出了《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021）》，规划中指出，到2019年清洁取暖率达到50%代替散烧煤0.74亿吨，新增气131亿m3；到2021年清洁取暖率达到70%代替散烧煤1.5亿吨，新增气278亿m3；到2021年供暖天然气需求达641亿m3以上等诸多要求。结合以上问题及国家“十二五”能源发展状况，国家在《能源发展“十三五”规划》中提出了国家“十三五”能源发展的主要指标，如表1所示。表1示出我国在“十三五”期间以节约常规能源、提高能源利用率和开发利用新的可再生能源等为主要目标，天然气年均增长依然是单项能源增长最快的能源。
表1 “十三五”时期能源发展主要指标
 注：（）内为五年累计值
目前，我国部分地区开始使用清洁能源进行供热，所谓的清洁能源供热是指利用天然气、电能、太阳能、地热能、生物质能、工业余热能、超低排放的清洁化燃煤、核能等清洁能源，通过高效用能系统实现低排放、低能耗的供热方式，这其中包含低污染排放物和低能源消耗为目标的供热过程，涉及清洁热源开发利用、高效输配管网（热网）、节能建筑（热用户）等环节。例如：乌鲁木齐市维泰热力站2015年冬天开始试点的气电联合供暖模式，济南市舜耕山庄与烟台丽景湾酒店的太阳能辅助燃气锅炉的供热模式，山东奇威特公司的太阳能中央采暖系统等，这些供热实例说明多热源互补耦合供热是未来发展的重点和方向。
相对传统一次能源的供热方式，在单独使用一种新能源或可再生能源进行供热时，会存在新的可再生能源在时空上分布不均、投入不稳定、系统易受客观因素影响等问题。例如单独使用燃气锅炉供热，虽然可以很好地达到相应的节能减排的环保标准，但是天然气单一热源供热的发展又受到一定的限制：在国家供需层面，天然气的对外依存度比较大，天然气的季节性峰谷差较大，造成天然气供热期存在缺口、非供暖期供大于求的情况；在价格层面，天然气价格较高，一般企业生产盈利较差，市民们难以接受成本昂贵的供热方式；除此之外，在寒冷或极寒冷天气，其稳定性也差，容易出现天然气供应吃力或发生气荒的局面，此时若采用气电耦合就可以大大缓解气荒的局面。因为，就目前来讲，相对于天然气，电其实是一种更稳定、更可靠的可以及时在时间和空间上互补或耦合的能源，况且，我国分布广泛的燃煤集中发电企业多数都是大马拉小车，在需要时可望迅速抬升负荷。再如，若单独使用太阳能供热就很难获得可靠的保证，尽管我国太阳能资源丰富，但由于其能流密度低、波动大，不连续，太阳能的使用与天气状况密切相关，太阳能供热循环与建筑负荷不匹配，供热循环保证率低且供热不稳定，若将其作为供热基本能源则必然受制；若单独使用空气源电热泵又会出现在极寒冷、高湿条件下机组运行效率低，机组易结霜等问题；地源热泵转换效率较高，制热工况下水温高于环境温度，蒸发温度较高，具备较好的运行效率和能效比，但缺点是需要地下水、地表水源源不断地为其提供热量，其使用受到地热资源和开发规定的限制。相比单独能源供热，多热源互补耦合供热系统将极大地改善上述问题，2种或多种能源系统相互结合使用，既能发挥各自优势，也可以弥补各自不足，实现多热源互补耦合供热，提升供热系统的经济和社会效益。我国己建立了一些多热源互补耦合供热系统的示范工程，但其中系统形式复杂、专业化程度高、操作繁琐、造价高等问题阻碍了其进一步的推广。虽然如此，国家为发展清洁能源供热还是给出了一定的政策支持，大力的发展清洁能源供热，改善供热能源结构。
我国在《能源发展“十三五”规划中》指出，“十三五”时期，我国现阶段能源供需相对宽松，能源进入新的发展阶段。但在供需关系缓和的同时，结构性、体制机制性等深层次矛盾进一步凸显，这成为制约能源可持续发展的重要因素。面向未来，我国能源发展既面临调整优化结构、加快转型升级的战略机遇期，也面临诸多矛盾交织、风险隐患增多的严峻挑战。为此，国家能源局提出了一系列相关稳定能源政策。
传统能源产能结构性过剩问题突出。煤炭产能过剩，供求关系严重失衡；可再生能源发展面临多挑战，且可再生能源全额保障性收购政策尚未得到有效落实。鼓励发展新的可再生能源供热及发电技术的机制尚未建立，导致部分地区弃风、弃水、弃光现象严重，可再生能源发展模式多样化受到严重制约。
天然气消费市场亟需开拓。从国内来看，天然气供需存在阶段性波动，消费水平低，为此需要积极的拓展天然气的消费市场。同时，天然气的输送也同样存在一定问题：基础设施不完善，管网密度低，输送成本高。这些限制进一步抑制了天然气的消费水平。从国际上来看，我国燃气进口难以跟上国际的实时变化，造成气价较高。因此我国煤炭占终端能源消费比重高达20%以上，高出世界平均水平10个百分点。煤改气清洁能源替代成本高，大量煤炭在小锅炉、小窑炉及家庭生活等领域散烧使用，污染物排放严重。高品质清洁油品利用率较低，交通用油等亟需改造升级。为此，国家积极推进天然气价格改革，推动天然气市场建设，探索建立合理气、电价格联动机制，降低天然气综合使用成本，扩大天然气消费规模。加快建设天然气分布式能源项目和天然气调峰电站。
实施电能替代工程。国家正积极推进“煤改电”工程建设，推广电锅炉、电窑炉、电采暖等新型供热方式，争取到 2020 年电能在终端能源消费中的比重提高到 27%以上。
综合以上政策及策略可以看出，在清洁能源供暖的情况下，我国多热源耦合供热市场具有广阔市场，关键问题是如何实现无缝对接互补耦合，实现精确控制和调节的互补耦合供热。
2．多热源互补耦合供热的形式及特点
对热源而言，互补和耦合的概念既有差别又密切相关。首先，多热源互补是指2种或2种以上热源在品位、时间、空间、价格和供应稳定性等方面具有相互补缺的特性；其次，多热源互补还要考虑能源资源在不同能源利用系统之间能量转化利用过程的互补，互补过程应该满足“转化品位对口互补”的特点，实现能源的综合互补利用。不同能源具有其独特的特性，如果一种能源的优点恰好是另一种能源的缺点，那么他们就具有互补利用的可能性。虽然，多能源互补可以更加有利于供热系统的稳定运行，保障供热的需求，但由于多热源互补是依据各热源间的优缺点而进行的交叉互补供热，因此多热源互补供热的稳定运行可能会遇到一定的问题。多热源耦合是指2种或2种以上热源利用各自在终端、时间、空间、价格和供应稳定性等方面的协同优势同时进行供热的特性，其主要供热特点为：以一种主要的热源进行供热以满足供热基本需求，为了提高供热的效率及经济性而耦合其他热源供热，多热源耦合供热可以使系统实现更加经济、高效、稳定、可靠地运行，更加兼顾高效环保和技术经济性的清洁供热的综合协调的秉性。
2.1 以燃气为基本供热能源的互补耦合供热系统
分布式燃气供热目前是我国正大力推行的城市清洁能源的主要供热方式之一，“煤改气”应该是近5年供热行业使用频次最高的专有名词，具备自发自用、规模小、能效高、环保效益大等特点。但目前分布式燃气项目的推进还存在着一定的阻碍：天然气储量不足，价格偏高，主要输送管道位于城市，偏远农村地区无法用气；对外依存度高，供需不稳定；对于天然气的使用没有合理政策、选型标准和规范。目前市场绝大多数钢制燃气锅炉的排烟温度大于80℃，排放的烟气中仍然含有可观的水蒸气汽化潜热，完全满足低温采暖和供应热水的复合供热需求，但是都被白白地浪费掉了，若能利用好这部分汽化潜热，燃气锅炉可以提高10%以上的热效率，等于为城市节约或扩大10%以上的燃气，只是因为缺乏合适的冷源来实现这一优势。因此，应该使用以燃气为主的多热源互补耦合低温供热系统，进行更加稳定可靠地深度挖潜互补耦合低温供热。
（1）气电耦合双水道铸铝硅燃气冷凝锅炉供暖系统
铸铝硅燃气冷凝锅炉具有诸多优点，铝硅合金导热系数高，耐腐蚀性好；采用全预混无焰燃烧，整体冷凝，结构紧凑；燃烧温度低，烟气排放NOx低于30mg/m³；可以利用烟气中水蒸气的汽化潜热，热效率高。目前，市场上销售的国内外的铸铝硅燃气冷凝锅炉都是单水道结构，如贝卡尔特、喜德瑞、威诺、音诺伟森等知名品牌，当给传统暖气片实现变温供热时，其热效率每天24小时在97%～109%之间波动，只有在全年30%负荷下才达到103%~109%的超高效率。若选用气电耦合极限冷凝的铸铝硅燃气锅炉供热，可以解决其随着供热温度升高热效率降低的问题，同时还可以提高回收烟气中的汽化潜热。图2示出了新型气电耦合双水道铸铝硅燃气冷凝锅炉供热系统图，铸铝硅燃气冷凝锅炉是由换热锅片组合而成的，将换热锅片分出并行的2个水道，我们称之为“双水道”。当不进行气电耦合时，将锅片的下部水道出口和上部水道进口直接相连，就是一台常规的铸铝硅燃气冷凝锅炉结构；当进行气电耦合时，电热泵和铸铝硅燃气冷凝锅炉串联使用，热泵蒸发器的循环水接通下部水道提供更低的水温进行烟气冷凝换热，热泵热端出水输送到锅片的上部水道，经过上部锅片进一步加热后进行供热，该系统利用电热泵提供冷源和燃气冷凝锅炉实现耦合供热，大大降低了排烟温度，可将燃气冷凝锅炉排烟温度降低到35℃甚至更低至的26℃，将铸铝硅燃气冷凝锅炉的热效率在全工况下提高到110%以上，仅比天然气总热量111%低不到1%，并使系统高效、稳定地运行。该系统可适用于低电价以及太阳能发电、风力发电、水电丰富的地区进行耦合供热，尤其是谷电状态时，气电耦合更具供热优势。
（2）气电耦合双水道铸铝硅冷凝换热器深度回收余热联合供热系统
目前，几乎所有现役的低碳钢和铸铁制的燃油、燃气锅炉均具有80℃以上的排烟温度，排烟中蕴含着巨大的水蒸气汽化潜热，这类燃气锅炉最高热效率接近97%～98%左右，比真正的燃气冷凝锅炉的最高热效率低10%以上，如何用冷凝换热技术改造现役低碳钢制的燃油、燃气锅炉成为燃气供热的重大需求，为此，我们研制开发了一种多维度组合模块化双水道铸铝硅冷凝换热器，如图3所示，该换热器可用于任何容量的低碳钢和铸铁制的燃油、燃气锅炉的烟气深度冷却余热回收工程，汲取低温烟气显热和水蒸气汽化潜热，当该冷凝换热器下部和电热泵进行气电耦合后，排烟温度在原有基础上可将至35℃甚至26℃，可将任何低碳钢和铸铁制的燃油、燃气锅炉的热效率提高到110%以上，该冷凝换热器的基本模块为前片+中锅片+后锅片等3片，中间锅片热能汲取功率35kW，3片基本热能汲取最小功率可达70kW，模块化换热元件采用一维、二维、三维的模块化连接组合，换热器整体采用串联或并联，灵活布置满足各种换热烟气量和换热功率需求，可配套70kW热能汲取功率以上的任何容量的燃油燃气锅炉节能减排工程。
通过热工设计，一台700kW的铸铝硅燃气冷凝锅炉，排烟温度从70℃降到35℃，可回收65kW的热量，气电耦合以后的锅炉热效率变化过程如图4所示；锅炉效率在全工况下提升至110.4%，表2示出了锅炉独立供热及气电耦合后的热工参数和技术经济性对比数据。
  图2 气电耦合极限冷凝的铸铝硅燃气冷凝锅炉供热；图3气电耦合极限冷凝的铸铝硅冷凝换热器
1-铸铝硅锅片；2-循环水路；3-板式换热器；4-热泵；5-阀门 1-铸铝硅换热片；2-循环水路；3-板式换热器；4-热泵；5-阀门
  图4 铸铝硅冷凝式锅炉独立供热和气电耦合供热效果对比
（3）气电耦合不锈钢双盘管燃气锅炉供热系统
目前已经证实的可以长期抵抗天然气燃烧后烟气冷凝水腐蚀而不发生失效的材料主要有铸铝硅、不锈钢和塑料。塑料可用于制造冷凝锅炉的承露盘、烟道和烟囱等部件；不锈钢分铁素体、奥氏体和双相不锈钢，燃气冷凝锅炉主要使用性价比较高的316L不锈钢，也有个别使用铁素体不锈钢和双相不锈钢的案例。图5示出了气电耦合不锈钢双盘管燃气冷凝锅炉供热系统，该不锈钢双盘管结构本体和全预混无焰燃烧器组合构成燃气冷凝锅炉用于供热，当和电热泵进行气电耦合时，电热泵蒸发器的循环水接通外盘管水道提供更低的水温进行烟气深度冷凝换热，热泵热端水输送到内盘管水道继续加热到额定水温输出供热。当然双盘管本体也可直接进行并列组合作为冷凝换热器置于任何容量的现役钢制燃气锅炉尾部将其排烟温度降低到26℃～35℃（依电价高低而定）。
气电耦合使非低碳钢和铸铁制燃气冷凝锅炉达到前所未有的全工况超过110%的系统供热效率，是煤改气和煤改电之后多热源互补耦合低温供热的基本选择，本技术不仅可以用于新建工程，更可以用于现役所有低碳钢和铸铁制压力、常压和真空燃气锅炉的提效改造，是应用于家庭、商业和区域供热的升级换代产品。
 图5气电耦合不锈钢双盘管燃气锅炉供热系统
1-不锈钢双盘管燃气冷凝锅炉；2-循环水路；3-板式换热器；4-热泵；5-阀门
2.2结合太阳能及其他能源的多热源互补耦合供热系统
太阳能资源是最清洁的可再生能源之一，且资源丰富——“取之不尽，用之不竭”，同时太阳能热水器及其阵列技术和产品也较为成熟，因此，太阳能应该成为和其他多热源互补耦合供热的理想能源。
（1）太阳能辅助的燃气和电互补耦合供热系统
虽然太阳能资源丰富，但是，太阳能具有间接性、不稳定性、能量密度低等系列缺点，这些缺点进一步导致了太阳能供热系统的不稳定性；另一方面，由上述分析可知，在单独采用燃气供热时也会存在一些问题。因此考虑到燃气供热以及太阳能供热的一些不稳定性因素，可以结合太阳能与燃气互补耦合供热，既可以充分利用资源丰富且免费获取的太阳能又可以缓解燃气供应不足的问题，节约供热成本。在电力方面，我国目前的电力发展已经改变了用电紧张的局面，国家也开始鼓励供热用电。电供热技术在欧洲及北美等发达国家的普及率较高，但电供热在我国还处于起步阶段，技术还不够成熟，因此我们在运用电能进行供热的同时应该与相对成熟的供热技术如燃气供热、太阳能供热相结合，形成经济、高效、稳定、安全、可靠的供热方式。表3示出了太阳能、燃气与电供热的各种性能和参数对比，可以发现不同热源具有各自独特优势，同时具有互补耦合的；图6示出了燃气、太阳能和电能互补耦合供热系统，这是目前煤改气、煤改电和太阳能耦合互补供热的最为现实、可靠的选择。
表3 燃气、太阳能和电能供热的特点
  图6 燃气、太阳能和电能互补耦合供热系统
1-主进水口；2-燃气冷凝锅炉；3-电/热泵；4-蓄热水箱；5-太阳能控制器与泵组；6-太阳能集热器；7-供水
（2）太阳能辅助的生物质气化与电能互补耦合供热系统
对于农村及偏远地区，考虑到当地燃气资源的缺乏以及燃气管道铺设成本，难以实现燃气的集中供热。但是当地山林或农业生物质资源丰富，因此可以考虑使用生物质气化燃烧代替燃气锅炉供热，以保证整个集中供热系统稳定可靠的运行。图7示出了生物质气化、太阳能与热泵互补耦合供热系统，其工作过程为：当太阳能充足时，太阳能与水源热泵联合运行，由太阳能加热的低温水与水源热泵的冷端换热，随后经过热泵工作达到加热水的目的，被加热的水进入短期蓄热水箱进行短期蓄热；当遇到连续阴雨天时，则关闭太阳能系统，空气源热泵与生物质气化锅炉联合运行，直接加热短期蓄热水箱的水以满足供热需求。最后，短期蓄热水箱的水在多热源互补耦合加热情况下达到供热温度直接为热用户供热，满足热用户的供热需求。该系统主要是结合生物质气化锅炉、太阳能与热泵互补耦合供热，不仅有效减少太阳能集热器阵列的面积，节约供热成本，还解决了日照不足及阴雨天气的供热不稳定问题，使得整个供热系统更加经济、可靠，有效解决了农村及偏远地区的集中供热问题。
 图7 生物质气化燃烧锅炉耦合太阳能及热泵供热系统
1-太阳能集热器；2-低温水箱；3-热泵系统；4-生物质气化锅炉；5-短期蓄热水箱； 6-分水器；7-热用户
（3）太阳能辅助式沼气与热泵互补耦合供热系统
不同于城市的集中供热，农村地区的供热目前还缺少统一规划，能源利用形式单一，能源利用率低。因此农村户用供热需要一种独立的供热系统，同时兼顾农村能源多样化利用形式和蔬菜大棚用热的综合需求，可以建立一种太阳能、沼气锅炉与热泵的互补耦合的农村户用供热系统，图8示出了适用于农村地区户用沼气池和温室大棚的互补耦合供热系统，其工作过程为：当太阳能充足时，利用太阳能聚光槽式集热器聚集热量，并将聚集的热量用来加热水，被加热的水随后被送至短期蓄热水箱进行短期蓄热；当夜晚及阴雨天气时则启动地源热泵系统进行工作，经过热泵工作达到加热水的目的，被加热的水进入短期蓄热水箱进行短期储热；在短期蓄热水箱内聚集的供热水可直接地输送到热用户、沼气池和温室大棚进行供热，以保证热用户的供热需求以及沼气池和温室大棚的正常运行，与此同时沼气池内产生的沼气一部分送到热用户生活使用，一部分送入到沼气锅炉燃烧，为短期蓄热水箱提供热量。该系统不仅可以满足农村地区户用供热的需求，同时利用了农村生物质发生沼气，提高了农村生物质资源利用率，而温室大棚的投入则进一步地增加了农民的收入。虽然说该系统的前期投资高，回收期长，但是这是一种更加可靠、安全、稳定的农村户用供热系统，可有效解决农村地区户用供热的综合性难题。
 图8 太阳能、沼气和地源热泵联合加热系统图
1-聚光槽式追踪集热器；2-短期蓄热水箱；3-地源热泵；4-水源热泵；
5-沼气池；6-温室大棚;7-沼气锅炉；8-热用户
（4）以太阳能为供热基本能源的互补耦合供热系统
我国大部分地区，太阳能资源丰富，太阳能密度高的地区年均可达1400 kWh/㎡，其中西藏、青海及内蒙古等地区甚至达到2000 kWh/㎡。充分利用如此高密度的太阳能，结合当地高耸的地势、空气流速大的特点配以风机发电，可使能源清洁利用最大化。图9示出了以太阳能作为供热基本能源，电加热或电热泵辅助的供热系统，利用太阳能集热器聚集热量加热水送至长期蓄热池进行大容量长期蓄热，长期蓄热池可蓄热到较高水温，在白天高强度光照条件下可使水温升至90℃，蓄热池中安装温度传感器，将温度信号传至感温控制器，满足热水供应时，系统控制开启上端阀门，顶端高温热水可直接实施区域供热；即使有长达数周或1～2月的连续阴雨天气，也不会出现供热中断的情况。随着供热的进行，蓄热池水温会逐渐降低，当热水温度降低到50℃以下时，感温控制器开启下侧阀门，底端低温水通过电热泵升温提质后供给热用户，对西藏、青海及内蒙古等地区而言，供热系统消耗的电能分别来自风力、水力或太阳能等发出的清洁电力，是一种值得大力推广的、清洁的多热源互补耦合系统；同时，当这些地区的清洁电力有盈余时，也可以将这些盈余的电能通过电加热或电极锅炉送到短期或长期蓄热水箱进行蓄热待用。
 图9 太阳能为主的电/热泵辅助供热系统图
1-太阳能集热器阵列；2-长期蓄热池；3-温度传感器；4-感温控制器；5-电热泵；
6-风机；7-电网；8-聚光槽式追踪集热器；9-电极锅炉；10-短期蓄热水箱；11-用户
2.3低温供热模式
最早的低温供热模式是地板采暖模式，是燃气冷凝锅炉追求的最佳供热模式，其供热温度约为50℃/40℃，常规天然气燃烧后烟气中的水露点温度约为58℃，50℃/40℃可以确保燃气锅炉辐射受热面和对流受热面均处于烟气中水蒸气凝结状态，可以全面回收烟气中的汽化潜热，因此，回水温度越低，回收的水蒸气的汽化潜热就更多，燃气冷凝锅炉的热效率就越高。本文所指的低温供热模式比地板采暖模式更低，可低至30℃，此时供热系统变成50℃/30℃，就可以回收更多的汽化潜热，不仅如此，系统管道热耗也将大大下降；同时，我们也要考虑到，回水温度低了，同样的散热器传递给建室内的热量就会减少，因此，低温供热技术还要更换导热系数更大的、传热系数更高的散热器，如钢制翅化散热器、铝制翅化散热器等，但也有观点认为，传统的散热器也符合低温供热要求，但需要对热网管道等进行其他改造，因此，低温供热在我国还需要研究和实践，这也将成为我国今后建筑节能降耗转型升级的系统技术。
丹麦2010年开始就已经对低温供热技术进行了试点项目实验研究工作。在丹麦奥胡斯附近的Lystrup地区，选取了40处低能耗联排别墅实施低温供热技术，该项目的实践证实了低温供热技术大大降低了管网热耗损失，其一，将供热温度从过去的80℃/40℃降为50℃/30℃；其二，是优化双管技术的管网设计，通过优化管网设计，即采用更小的管道尺寸和增加保温层等措施，2种办法双管齐下，使其总管网热损失从传统管网系统的300MWh/年降低到50MWh/年，供水温度可以满足散热器系统、地暖系统和生活热水单元的需求，实践表明，低温运行时，终端用户都能获得舒适的热水供应温度和室内温度。
就我国供热能源使用情况而言，在冬季主要使用燃煤热电联产机组和燃煤锅炉房进行高温热水或经过二次站换热后的中温热水集中或区域供热，尤其是在北方地区，虽然2018年新的环保要求这些燃煤热电机组和燃煤锅炉房达到燃煤超低排放的PM、SO2、NOx浓度分别为10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3的目标，但尚有不少省份和地区燃煤锅炉的NOx排放仍然执行地方标准100mg/m3甚至200～400mg/m3，这就造成了严重的环境污染以及空气质量的下降；另一方面，即使所有的燃煤热电联产机组和燃煤锅炉房都实现了超低排放，那也只是针对烟囱排放而言，实际上，煤炭生产、配煤和运输过程，以及燃煤机组散乱的煤场、灰场和正压制粉系统仍然排放大量的PM、SO2和NOx，由此可见，煤炭可以用于规模化发电实现综合集中治理，大量减少分布式燃煤供热是国家实现清洁能源供热的必经之路，国外发达国家雾霾的减缓也是从减少煤炭使用开始的，煤改气、煤改电都是极大有利于减缓雾霾的环保政策，只是环保行政部门推进技改的过程中过于简单化，同时也缺少对煤、气、电及其和可再生能源互补和耦合供热成本的核算及优先支持；除此之外，煤改气和煤改电本身也有诸多变种，如煤改气，针对保温、密封良好的建筑和传热强化暖气片，选用铸铝硅和不锈钢制商用燃气采暖锅炉实施低温供热是唯一正确的选择，而选用低碳钢和铸铁制燃气锅炉集中供热显然属于高耗能模式，目前市场上流行的压力、常压或真空的低碳钢和铸铁制燃气锅炉等不可能实现变温冷凝运行，其在设备供热能效上比商用铸铝硅和不锈钢制的燃气采暖热水炉约低10%以上，在系统供热能效上比铸铝硅和不锈钢制商用燃气采暖炉低30%以上。而煤改电也可实现多样化供热方式，如电阻、电极、电热膜、电磁感应和电热泵分布式供热，以电热泵供热能效最高，其他电供热能效均远低于电热泵供热方式。
虽然本文极力提倡燃气冷凝锅炉、热泵、太阳能和生物质气构成的多热源互补耦合供热系统，但并不否认燃煤热电联产机组在传统供热领域提供供热基本能源的事实，相反，燃煤热电联产机组也可以成为本文论述的多热源互补耦合供热系统中的组成部分，形成更加稳定、可靠的多热源互补耦合供热系统，图10示出了燃用煤炭、生物质或垃圾的热电联产机组，备用的燃煤、燃油燃气锅炉，电热泵和太阳能集热器阵列构成的多热源互补耦合供热系统。
 图 10 热电联产机组、备用锅炉、热泵、太阳能构成的多热源互补耦合供热系统
1-太阳能集热器阵列；2-长期蓄热池；3-热电联产；4-备用锅炉；5-热泵；6-风机；7-电网；8-用户
3．结束语
采用以高效节能的燃气冷凝锅炉作为供热基本单元，以电能、太阳能和生物质气辅助的清洁能源互补耦合低温供热技术，不仅可以节约化石能源，提高清洁能源和可再生能源在现有供热能源中的比例，而且可以大大减少污染物排放，减缓雾霾，改善环境，保卫蓝天。随着政府清洁供热政策的进一步出台，以及互联网+分布式能源远程控制技术的应用，未来基于市政天然气、农村生物质气化气与沼气、电和太阳能的多热源互补耦合低温供热具有强大生命力，也适合我国国情以及世界供热技术发展方向，多热源互补耦合既可以代替锅炉单一热源供热模式，实现供热领域从单一设备向供热系统优化的转换升级，还可以改善单一清洁能源供热存在的诸多不足，综上所述，我们可以得出如下结论。
（1）以燃气为供热基本单元的多热源耦合供热系统：充分适应了国家煤改气、煤改电和可再生能源战略转型的引导政策，这一转变对气体燃烧后的水蒸气的汽化潜热“吃净榨干”，实现全工况供热条件下的超高效率、超低排放和多热源极限冷凝供热，当下可为国家每年节约50亿m3天然气，深度挖掘供气潜力，大大降低供热能耗，提升我国供热能源利用效率，是一种比燃气蒸汽联合循环调峰机组更具发展前途的缓解当下能源供应和环境困境的有效方式。
（2）结合太阳能的多热源互补供热系统：未来合理使用太阳能一定可以解决我国的能源和环境问题，利用现有太阳能热水器集热阵列，借助短期蓄热水箱和电能可以实现区域互补耦合供热；若借助更大型的长期蓄热池和部分电能，则可以实现以太阳能热水器集热阵列作为基本供热能源的区域和集中供热，是一种比太阳能发电更具发展潜力的解决当下能源供应和环境困境的有效方式。
（3）低温供热技术：低温供热技术是我国当下建筑和热源互补耦合节能减排面临的革命性、多学科交叉技术，是我国综合提高能源利用效率的重点发展方向，也是太阳能短期和长期蓄热供热成为供热基本能源的时代要求。低温供热技术对燃气冷凝锅炉、空气源热泵、太阳能热水供热及太阳能智能建筑提出了节能协同设计智慧供热的崭新发展路径，不仅使低品位热能利用成为可能，更使非低碳钢和铸铁制燃气锅炉无需气电耦合就可达到107%及以上的热效率。
除了以燃气作为供热基本能源的多热源耦合供热和结合太阳能的多热源互补供热外，在互联网+和分布式额能源的控制和远程技术的应用下还存在着其他多种的多热源互补耦合供热形式，如冷热电联产（BCHP）技术，未来越来越多的用户将选择以燃气冷凝锅炉、生物质气与沼气作为供热基本能源的多热源互补耦合电和太阳能的低温供热系统。
参考文献
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作者简介： 赵钦新（1963-），男，山东胶州人，西安交通大学能源与动力工程学院热能工程系博士、教授、博导，享受政府特殊津贴，主要从事热能工程专业教学和科研工作，现任中国锅炉与锅炉水处理协会锅炉技术委员会副主任委员。发表科技论文200多篇，SCI/EI收录论文50多篇，获授权发明专利50多项，撰写学术专著2部。主要研究方向：材料强度工艺及设备安全、燃煤机组污染物协同治理和工业过程综合节能减排。
收稿日期：2019年4月15日
责任编辑：郑庆红
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