清潔采暖背景下的分散供熱方式選擇

金 意 王 欽

(1.青島能源集團有限公司，山東 青島 266072； 2.青島市城市規劃設計研究院，山東 青島 266022)

1 概述

隨著建筑業的快速發展與大眾對生活品質追求的不斷提高，我國北方城市冬季供暖需求持續增大。據統計，2014年—2018年我國城市供熱面積以年均9.5%的速度增長，2018年達到90.13億m2，集中供熱總量達到38.95億GJ。另一方面，為滿足霧霾治理需求，國家明確提出大力發展清潔能源供熱，全面取消散煤供熱[1]。雖然當前城市采暖供需基本平衡，但快速增長的熱負荷需求與亟待改善的環境質量，使供熱企業承受著前所未有的責任與壓力。因此，在當前背景下通過制定合理的供熱方案、選擇恰當的供熱方式對企業來說具有重要的戰略性和遠見性。

采用清潔能源的分散供熱因其自身技術和環保特性，使其具有自身獨特的優勢[2，3]，本文就目前較為成熟的幾種分散供熱方式結合已建項目進行多方面對比，為供熱企業決策起到一定參考作用。

2 分散供熱方式選擇

2.1 上位政策分析

《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021)》明確了天然氣、電、清潔燃煤和可再生能源等清潔取暖形式；《山東省冬季清潔取暖規劃(2018—2022年)》要求濟南、青島、煙臺要率先形成天然氣與電取暖等替代散燒煤的清潔取暖基本格局；《關于嚴格控制煤炭消費總量推進清潔高效利用的指導意見》提出利用5年左右時間，爭取將山東省煤炭消費凈壓減5 000萬t。由此可見，以往簡單地通過對現狀燃煤熱源擴容的方法已難以走通，取而代之的是采用天然氣、電等清潔能源。在建設層面，面對日益緊張的城市用地，不管是原址擴容還是異址新建都變得異常困難。此時，針對單體或小范圍建筑的分散清潔供熱成為重要選擇。

2.2 供熱方式特點分析

目前分散供熱較為成熟的幾種能源形式有天然氣采暖、電采暖和生物質采暖，各類方式的特點見表1。

2.3 環境性分析

以顆粒物為特征的區域性復合型污染日益嚴重，大氣污染對人體健康帶來的危害已在相關研究中證實[4,5]。各類能源形式的污染物排放指標匯總于表2[6,7]。其中，電采暖本身污染物排放為零，但電能獲取來自火力發電，實際考慮燃煤熱電聯產的排放水平，天然氣和生物質均為燃燒利用產生的排放。

表1 各類供熱方式特點分析

表2 不同能源形式污染排放指標 g/kg

由表2可知，電采暖方式的污染物排放量最低，其次是天然氣，最后是生物質燃料。究其原因主要是當前大型燃煤熱電廠均進行了超低排放改造，使得排放物濃度大幅降低，而生物質燃料成分較天然氣更為復雜，在相同條件下，生物質的排放污染物濃度更高，需配合采用適當的除塵方式[8]。因此，不同能源形式的環境友好性排序為：電>天然氣>生物質。

3 工程經濟性分析

3.1 工程概況

根據近年來青島市建成并運行的工程資料，選取燃氣鍋爐、燃氣空氣源熱泵、電污水源熱泵、電空氣源熱泵、電地源熱泵和生物質鍋爐6種方式的工程實例進行經濟性對比分析。

6種方式均采用集中供熱方式。污水源熱泵距離用戶端1.5 km，在污水廠內采用二級換熱，其他方式均在用戶端建設；地源熱泵的機房安裝在地下室內，埋管采用豎直埋管方式，打井深度為100 m，打孔間隔4.5 m～5.0 m。用戶類型均為居民用戶，除土壤源末端采用風機盤管外，其余均采用暖氣片。運行時間為一個供暖季(141 d)，供暖季內每天24 h運行。

3.2 經濟性分析

經濟性對比包括工程造價及運行費用兩方面。其中，工程造價包括設備及機組、循環水泵、管道、末端設備及其相應的安裝費用。運行費用主要考慮燃料和相關水電費用，其他費用由于量化困難，暫不予考慮[9]。計算數據如表3所示。

表3 不同供熱方式經濟分析計算表

各供熱方式單位面積對應的造價與運行費用如圖1所示，顯而易見的是電污水源熱泵、電地源熱泵和燃氣空氣源熱泵的單位造價高于其他方式。分析認為系統建設的復雜程度是導致造價存在較大差距的主要原因，通常燃氣鍋爐和生物質鍋爐考慮鍋爐費用，安裝較為簡便，而熱泵類的設備費用較高，特別是電污水源熱泵還要包含修建污水池及廠內重新布置排水管道費用，電地源熱泵則需要考慮打井、埋管、灌漿、回填等工藝，工程量增大，建設投資隨之提高。

運行費用方面，以燃氣為主的供熱方式單位費用最高，這主要是受天然氣價格的影響。生物質鍋爐的單位費用處于中等水平，但其經濟使用的前提是有充足的燃料保障。熱泵較低的單位費用歸功于其較高的能效比。因此即使是在以受電為主的東部沿海地區較高的能效比也足以彌補電價，這在燃氣空氣源熱泵和燃氣鍋爐的單位費用上也得到了體現。

在僅考慮前期造價和年運行費用的情況下，以運營期15年為例，各供熱方式全壽命期成本趨勢如圖2所示。燃氣供熱的總費用最高，雖然電污水源熱泵和電地源熱泵的初期造價較高，但由于年運行費用低，在運營期第5年后將低于燃氣供熱方式，且運行期越長，經濟性越明顯。生物質鍋爐表現出了較好的經濟性，而實際情況下熱源周邊可用燃料的數量和價格將對其成本起決定性作用。電空氣源熱泵在全壽命期內總費用最低，表現出的經濟性最佳。

4 結語

1)當前政策條件下，采用分散式清潔能源供熱是滿足城市采暖需求的重要方式。在各類能源方式中，電、天然氣和生物質都是成熟、可行的。

2)隨著環保監察力度的加大，大型熱電廠基本都已進行超低排放改造，使其在環境保護方面具有明顯優勢。生物質因成分復雜，使其排放指標相對其他能源形式較高。

3)結合實際工程發現電熱泵供熱方式具有較好的經濟性，雖然電污水源熱泵和電地源熱泵初期造價較高，但隨著運行期的增加，其經濟性愈加明顯。生物質鍋爐供熱在費用方面也具有一定優勢，在資源豐富地區可以推廣使用。燃氣供熱方式運行費用最高，長期運行將使供熱企業面臨不小的壓力。綜合考慮能源效率和環境保護性，在有條件的情況下應優先推行電熱泵方式，其他方式在有條件的情況下可作為適當補充。