住宅清潔能源供暖方案經濟性分析

摘要：本文基于綠色可持續發展理念，針對住宅清潔能源供熱方式和供熱特點進行了研究。首先給出了煤、天然氣和電采暖三種供暖方法的優缺點、經濟效益、設備成本、運營成本、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采暖的現狀。然后提出了清潔能源供暖的多種方案，如工業廢熱回收利用、優化管網運行模式、可再生能源和多能量互補加熱，發現使用多能量互補加熱系統具有低年成本和高經濟效益的特點。最后分析了各種加熱方式和應用范圍的優缺點，并對一般加熱方式、能耗類型、投資和運營成本以及環境保護和工程設計人員進行了綜合比較，獲得了清潔能源投資、運營成本以及促進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濟性具有一定的參考價值。

關鍵詞：清潔能源;運行費用;供暖方案

中圖分類號：X701 文章標識碼：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

隨著近年來房地產行業快速發展，社會住宅繁多，能源供暖方案施工過程產生的粉塵和污染對人們生活產生了不利影響。而清潔能源研究是避免環境污染主要方法。近年來，中國北方的清潔供熱計劃和技術已被用于熱電聯產、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，通過科學管理住宅能源供暖方案過程、優化施工組織設計，能節約能源，能夠減少城市住宅供暖過程對環境的影響。本文從加熱類型、能耗類型、投資運營成本和環境保護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，最小投資和維護成本。

1 能源種類

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

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的供暖方式之一，通常應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，但隨著人們對環境問題的關注，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域燃氣鍋爐房和家用燃氣壁爐。燃氣鍋爐房近年來用于主要城市和地區的集中供熱系統，其優點是節能環保，缺點是風險大，設計、施工和運行要求都很高，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生了變化，天然氣發展迅速。

1.3 電采暖

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

2 天然氣供暖現狀

不同國家根據各國的資源配置、氣候條件、建筑特點、生活方式和經濟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氣鍋爐;德國、丹麥、挪威、波蘭等國加熱系統通常使用多個熱源網絡，天然氣主要用于熱電聯產和高峰鍋爐。德國非常重視環境保護問題，天然氣供暖的比例正在增加，以實現政府減少碳排放的目標。在中國，越來越多的城市正在推進天然氣項目，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：可以減少該區域內的熱源區域，并通過城市中央的大型熱源向用戶供熱，缺點是加熱季節不能靈活設置，長距離傳輸能量的熱量損失大，需要在狹窄區域安裝二次熱管網，但保證了加熱效果且維護很容易。

（2）家庭鍋爐房的中央供暖系統：建造燃煤或燃氣鍋爐房并大面積供熱的系統，可為一個或多個社區供熱，雖然輸配管道短、運輸能耗低，可根據天氣和家庭供暖需求調整供暖條件，但技術要求、投資成本、維護成本都很高。

2.2 分戶自采暖

（1）單戶鍋爐加熱：單戶鍋爐加熱的優點是可以解決單戶住宅系統熱水和冷水問題，安裝燃氣、電鍋爐、壁掛式鍋爐，可單獨調節室溫，無需社區鍋爐房或外部網絡;缺點是是循環水泵在系統運行時噪聲非常大，這將對生活環境產生一定的影響。

（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，將產生的熱量徑向進入室內。

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，外加熱產品，加熱速度快，熱效率高;間接電加熱提供室內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、蓄熱等可根據居民的需要，將熱量釋放到室內空氣中。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 工業廢熱回收利用

目前，工業生產的能源效率在20%～60%之間，廢熱總量非常高，完全回收工業廢熱作為傳統能源，能有效減少廢物排放。將工業廢熱作為熱源，如果主網的回水溫度為60℃，工業廢熱的溫度水平可以直接與主網絡交換;如果廢熱溫度低或溫度波動很大，需經過壓縮、吸收/吸附，同時需升級熱泵。利用化學熱泵是一種廣為應用的辦法，該方法相對成熟，出口溫度超過90℃。由于工業廢熱與工業生產有關，工業生產的變化會影響廢熱產量，且與使用傳統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、能源供應系統更復雜，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廢熱回收利用。

3.2 優化管網運行模式

目前，城市供熱主要采用互供系統。一級網絡調整方法通常有三種方式：音量調節、質量調節和相變流量調節模式，相變流量調節模式可增加液壓工作條件的穩定性，同時可最大限度地降低供熱網絡的加熱功耗。二級網絡具有低覆蓋率、熱網絡流量調節以及質量、數量和調節模式靈活等特點，可以最小化熱量和功耗。

新建筑必須添加恒溫閥來調節室內溫度。而通過在主要和次要網絡之間裝上限制流量的加熱站，靜態平衡閥就可以自動完成相應的操作功能。二次配水管網供水溫度的運行調整曲線預設為室溫的函數，當二次配水管網的實際供水溫度偏離設定值時，一次配水管網的電控閥相對開口會自動調整和更改，調整管網流量水平，然后調整二級管網的供水溫度，以匹配用戶的家用恒溫閥調節。此時，二級網絡處于可變流量操作，并且二級循環泵必須改變為變頻泵。另外，通過對熱源、熱站等自動控制系統的監控，控制相應的加熱參數，就可以有效地幫助調度員來控制整個供熱系統，確保整個熱網安全、高效、節能。

3.3 可再生能源

為了有效確保城市住宅供熱區域的清潔化供暖，應該積極推進可再生能源的供熱項目開展，例如借助于風能、太陽能、地熱能和生物能等來實現供暖。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到供暖的要求，因此可以將可再生能源和傳統能源相結合，從而建設二者相結合的綜合能源系統。

3.3.1 風能

新疆是中國風力最強的地區，風能資源占全國的37%。當地政府調整風電電價，鼓勵城鄉居民使用電加熱，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，根據內蒙古自治區、遼寧省、吉林省等地區的熱負荷特性、環境保護和生態要求，采用電供熱，可以符合該地區的供熱需求。

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、時間和天氣的差異，部分地區只產生間歇性和不穩定的太陽能熱量，再加上維護復雜且費用昂貴，所以，為了實現穩定的加熱，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境密切相關。該設備的熱設計部門規定室外最冷溫度應≤-10°C且最冷區域的平均溫度要在0～10°C。如果室外溫度低于-5℃，則加熱效果差甚至導致供暖不正常。為了改善空氣源熱泵在低溫環境下的加熱性能，目前的技術手段包括兩級壓縮、準兩級壓縮、雙組分或三組分混合工作介質和級聯供暖系統。通過添加燃料和氦，可以改善空氣源熱泵在低溫環境下的加熱性能，具體操作流程見圖1。

3.3.4 地熱熱泵

地下換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熱管中的水進行供暖的一種方式。原理與以往的暖氣是相同的，都是采用熱損耗來平衡室內溫度。但是它與暖氣的本質不同在于，地熱熱泵是將熱管線埋藏在地下，減少空氣中的熱損失，而且較傳統的地暖供熱鋪設面積更為廣泛。

3.3.5 沼氣

經濟的快速發展導致農村地區對高質量能源的需求增加。沼氣是一種方便、清潔、高質量的能源，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酵產生的可燃氣體。沼氣的推廣和應用對改善能源結構、生活環境和減少環??境污染非常重要。由于室溫發酵溫度為10～26℃，這使得在平均溫度低于0℃的冬季，沼氣池的正常運行受到限制。

4 結語

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

（1）燃煤電廠的超低排放、管網運行的優化、工業廢熱的回收以及采暖設備性能的提高都是實現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大，電加熱適用于新疆、甘肅北部、內蒙古等風力發電區，燃氣壁爐適用于未被熱網絡覆蓋的城市區域，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、運行成本低，適用于太陽能資源豐富地區和農村地區;家用燃氣鍋爐系統的使用減少了投資，節省了運營成本，并能根據室外溫度調節室內溫度，以實現能源節約和環境保護。

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

參考文獻

[1]李程萌，李持佳，閆一瑩，等.北京農村住宅清潔能源供暖方案經濟性分析[J].煤氣與熱力，2017（01）：27-31.

[2]蔣建云，章永潔，葉建東，等.北京農村地區燃煤供暖替代技術方案實效對比[J].暖通空調，2016，46（9）：51-55.

[3]劉冉.清潔能源供暖經濟成本核算與比選方案研究探析[J].墻材革新與建筑節能，2018，233（04）：67-71.

[4]李愛松，李忠，聶晶晶，等.北京農村空氣源熱泵供暖項目運行實測[J].暖通空調，2017（12）.

[5]高磊，趙振宇，Loren，等.北京市農村地區公共設施冬季供暖清潔替代方案研究[J].農村電氣化，2016（7）：19-20.

[6]崔艷琦.農村住宅用沼氣能源的經濟效益分析[J].城鄉建設，2009（6）：65-66.

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。