居住建筑供熱系統節能技術措施探析

蔣大為

（北京城建五建設集團有限公司 北京 100029）

在碳中和的時代背景下，節能減排成為新的時代主題。當前，我國北方地區存在“過量供熱”、供熱系統能耗較高等問題，這無疑是對能源的浪費及對環境的破壞。我國是依靠燃煤作為集中供熱系統的主要能量來源，《2020—2026年中共供熱供暖行業市場運營態勢及投資前景分析報告》指出，我國煤炭年開采量和已探明總量相比，儲采比不到50年，因此，實施節能改造迫在眉睫。

1 建筑供熱系統采暖熱源

1.1 燃煤鍋爐

顧名思義，燃煤鍋爐是以燃煤作為基本燃料的鍋爐，煤炭在爐膛燃燒時將熱量轉化成水蒸氣或者熱水的形態，并以水蒸氣或熱水作為媒介實現熱量傳輸。根據其用途不同，可以劃分為提供開水的燃煤開水鍋爐、提供蒸汽的燃煤蒸汽鍋爐、實現蒸煮食物或干燥空間的燃煤導熱油鍋爐和以熱水為媒介實現采暖和洗浴功能的燃煤熱水鍋爐。北方地區老舊城區的集中供熱系統中使用的主要熱源為20t/h以下的燃煤熱水鍋爐，其熱量損耗率約25%～60%。為提升熱量轉換效率，新建城區多采用20t/h以上的燃煤熱水鍋爐，熱量損耗率降至15%～25%。近年來，因燃煤鍋爐污染環境而要求以其他熱源進行替換的聲音層出不窮。事實上，我國對于燃煤鍋爐中排出的粉塵、硫氮氧化物等污染物已經形成了完善的凈化技術，經過凈化后的煙氣并不會對大氣環境造成損害。燃煤鍋爐相較其他熱源擁有較高的熱量轉化率，目前還是北方地區集中供熱系統的主要選擇之一［1］。

1.2 燃煤熱電聯產

燃煤熱電聯產占據了我國集中供熱系統的大半份額，是北方地區最常用的集中供熱方式。燃煤熱電聯產最大的優勢是提升熱轉換率，利用“好處歸熱法”進行計算，截至2017年，我國發電平均煤耗為309g/（kW·h），以此數值計算燃煤熱電聯產電廠的冬季發電燃煤量，與實際冬季消耗燃煤量做比較，以多消耗的燃煤量作為與其輸出熱量匹配的需求量，經過比較，采用燃煤熱電聯產方式進行的集中供暖的熱量轉化率可以達到130%～200%，在燃煤熱電聯產的方式下，燃煤作為單次輸入能源，能夠在單位投入下獲得最高的熱量，在我國以燃煤為主要能源的基本國情下最為符合北方地區集中供熱需求。也是憑借這一技術，有效縮短了與歐美發達國家的差距。在社會的不斷進步下，燃煤熱電聯產電廠近年來也有了新的發展趨勢。例如：北京、沈陽等一些發展較早的城市，由于發展較快，城市管網容量、熱源容量已無法承載居民需求，只能通過不斷增加熱水鍋爐以保障供熱；內蒙古烏海等新興城市，由于城市擴張等規劃，建設了大量的熱電聯產電廠，導致所輸出能耗遠大于實際需求，使得節能減排成為空談。

1.3 燃氣鍋爐和天然氣熱電聯產

燃氣鍋爐以燃氣作為熱能供給，因其較高的熱能轉化率（可達到85%～90%）和燃燒過程并不釋放有害物質等優勢在全球范圍內都得到了大力推廣。但是，燃氣鍋爐和天然氣熱電聯產在我國并不具備全面覆蓋的條件，原因在于我國現階段仍以煤炭作為主要能量來源，天然氣總量僅占燃煤總量的7%。因此，在能源規劃與利用方面，應該充分權衡燃煤與燃氣的應用方式與領域，讓燃煤與燃氣都能發揮最大價值。當前，我國使用燃煤發電的效率較燃氣發電效率低10%，也就是說，轉化相同熱量的情況下，天然氣熱電聯產方式將會產生更多的電量，因此，燃氣熱電聯產更適于發電。為實現最大限度地節約能源，采用燃煤供熱、燃氣供電的模式進行能源配置更為合理、高效［2］。

1.4 各類熱泵

為實現可持續發展，我國不斷在探索不同途徑的熱量獲取方式，使用各類熱泵從海水、地熱、工業廢熱等低品位熱能中實現能量轉化是當前使用較廣的一種方式。采用各類熱泵進行采暖的本質是電能與熱能之間的能量傳輸與轉換，其核心還是在于以能源消耗產生電量，以電量作為動力轉換熱量的置換過程。不同熱泵系統的能效比值可以作為衡量其供熱效果的依據，即消耗1kW·h電量可產生熱量的數值。統計電量消耗時，應綜合熱泵壓縮機耗電與循環水泵耗電。當前，我國采用燃煤為主要動力來源進行發電，其凈發電效率為35%，運輸至使用端會損耗約3%，也就是說末端折合轉化率為32%。而依靠燃煤鍋爐實施熱量轉化可將燃煤能量的85%轉化為熱量。經計算得出，只有熱泵系統的能效比值為2.65 時，其耗能產熱與燃煤鍋爐相當。當前，我國北方地區冬季采用地源熱泵、水源熱泵等系統進行采暖時，平均能效比值在2.5～3，這就對熱泵系統在設計和運行管理方面提高了要求。特別是對于東北、內蒙古和新疆北部等嚴寒地區，地下溫度不足以提供熱能，能效比指也能難超過2.65，因此，對于這些地區來說，各類熱泵系統并不適用于集中供熱。

2 當前北方建筑供熱機制存在的問題

2.1 二次管網的資產所有者與管理維護者的矛盾

房屋開發商以投資建設或繳納“并網費”的方式實現對于小區內二次管網的所有權。但在實際使用中，房屋開發商并不具備對于集中供熱系統二次管網的日常管理、調節維護等權限，而是由熱力公司實施管理維護。房屋開發商在集中供熱投入中的最基本原則為，在保障供熱的前提下，減少資本投入，以獲取很多的利益；而熱力公司則需要以供熱效果作為衡量日常工作的準則，豐厚的資本投入將更加有效地保障集中供熱順暢穩定。這便造成了以房屋開發商為代表的二次管網的資產所有者與以熱力公司為代表的管理維護者間在日常運營時的矛盾。

2.2 二次管網管理調節與熱力公司管理調節的矛盾

在保障供熱需求的前提下，供熱公司會以節能委員長對集中供熱主網實施提升熱源運行效率、減少購熱量等調節措施。而二次管網的服務對象為居民，其管理調節的重點在于消除供熱線路故障，保障居民家中正常供熱。負責二次管網管理調節的工作人員并不具備與熱力公司負責人員立場一致的節能減排目標與付諸行動的動力，而實現節約能耗在很大程度上要依靠二次網內和樓內的有效調節［3］。

2.3 熱力公司經營機制與熱改按量計費的矛盾

當前，熱力公司通常采用按面積收費和按熱量計量收費兩種模式，其節能調節措施主要區別在于：按面積收費時，在保障室內溫度的前提下，壓縮供熱量；按熱量計量收費則以獲取經濟收益為目標，盡可能多額向用戶提供熱量。因熱量計量可以從終端控制熱量供應，因此，供熱改革要求取暖費用收取由按面積收取向按熱量計量收取過渡。但為保障室內溫度與遵從經濟規律，往往是保溫好、耗熱量少的建筑先實行按照熱量計量；保溫差、耗熱量多的建筑則繼續按照面積收費，這必然造成熱力公司虧損。

3 北方地區集中供熱系統節能改造問題及趨勢

3.1 熱計量和供熱收費改革

2000年，我國開始全面推行供熱收費改革，為了節約能耗、避免過量供熱，對集中供熱系統實施熱計量，通過輸出熱量控制，可以使采暖能耗降至目前的70%～80%。熱計量還可以將集中供熱進一步量化，以統一的標準進行一定范圍內的比對，倡導供熱系統形成節約、節能的良好氛圍，推廣圍護結構保溫等建筑節能技術，以實施節能技術后節省的經濟投入支付建筑節能改造的支出?！鞍笛a改明補”政策的實施推動了熱計量和供熱收費改革進一步向前發展，通過管網改造，以住宅私有化為基，實現分戶收繳供熱費。盡管通過收費方式加強了全民節能的緊迫性，但是分戶安裝的熱表并不具備調控室內溫度的功能，且按計量收取供熱費存在重重困難，因此，“過量供熱”問題并沒有得到很好的解決。由此可見，以戶為單位實施熱量管控操作難度較大，若以物業管理主體層面與熱力公司對接，則會有效提升能效管控的可操作性。以熱力站為結算終端，熱表設置于各建筑熱入口處，由熱力站實施熱力分配與費用收繳。物業服務主體作為一切住宅建筑與非住宅建筑的管理者，充分了解每棟建筑的熱力使用情況，并根據需求實施熱力站配予的熱量分配，做到既保障室內溫度需求，又避免多余熱量消耗［4］。

3.2 熱源由煤炭轉為天然氣

在碳中和的時代背景下，節能減排成為時代主題。介于煤炭不可再生的自然屬性，我國一直致力于探究儲量豐富、不會造成環境壓力的新型取代能源。天然氣因其豐富的儲量、有效改善燒煤引起的大氣環境惡化問題等優勢成為建設低碳城市的不二選擇。相關研究表明，我國預測天然氣地質總儲存量達38 萬億m3，約占世界天然氣總儲存量的2%。在碳中和背景下，提升天然氣這一清潔能源的利用率意義非凡。以北京為例，燃煤作為重要的供暖源，在PM2.5排放榜上位列第二，貢獻占比22.4%，僅次于PM2.5貢獻率達到31.1%的機動車。2012年開始，北京啟動“煤改氣”，更換原來的燃煤供暖鍋爐，改為天然氣和非化石能源供暖，2015年的目標是實現核心區無煤化、城六區基本無燃煤鍋爐。改造后，供熱廠基本不排放二氧化硫和粉塵，氮氧化物的排放也大大降低，減排的效果還是非常明顯的。但是，對于天然氣的應用不能一味地仿照燃煤集中供熱，而應根據其特點作出相應的調試，較為突出的是分布式天然氣多聯供集中供熱項目，因其高效環保提供熱能，成為現階段各地實施的綠色能源應用新嘗試。例如，國家電投集團天然氣多聯供能源項目中，主要供熱方式依舊為熱電聯產集中供熱，有所不同的是，它采取了可再生的天然氣等清潔能源作為輔助，積極開發建設工況智能尋優系統，提升智慧能源項目經濟性，挖掘智慧能源價值，通過電、熱負荷智能預測，提升生產計劃、燃料采購、供能服務經營的效率和智能化水平，在節約能源的同時，保障了充足的供熱能力，提升了居民的生活環境品質。在煤炭在向天然氣轉化的過程中，還應當考慮初始成本能夠與天然氣燃燒的長期財務收益相平衡，天然氣省去了運輸、處理等勞動和維護密集型過程，從而可以達到有效減少運營成本的目的［5］。

3.3 挖掘熱電聯產系統潛力

前文提到熱電聯產能夠有效提升能源的熱轉化率，實際上，這并不是熱電聯產全部功效，熱電聯產電廠在非采暖期中提升發電效率方面還具有很大的發展空間。非采暖期供熱系統不工作，為保障單純發電工作效率，熱電聯產電廠熱電機組的單機容量通常以20萬kW、30萬kW為主。而這一功率的發電設備在冬季供熱系統工作時會存在非常大的安全隱患，這就對汽輪機的低壓缸通過流量提出了一定的要求，有一部分整體需要在低壓缸的作用下進入冷凝器遇冷后，經由冷卻塔或空冷島排出系統外，這部分流量約占總流量20%～30%，排出的這些熱量無疑是對能源的浪費，若能夠加以利用，是提升能源轉化效率的又一捷徑。當前的主要做法是在“吸收式換熱”的基礎上，對進入冷凝器的熱量增加新的轉換流程，以實現熱量的收集與再利用，達到幫助機組提升30%～50%供熱能力的良好效果。例如，大同第一熱電廠投資1 億元對兩臺13.5 萬kW 的冷風機組實施了改造，供熱面積在原來370萬㎡的基礎上增加了180萬㎡，且在保障發電量與燃煤量的前提下，輸出熱量增加了50%，大幅提升了能源利用率［6］。

3.4 發揮工業生產余熱價值

集中供熱系統消耗能量僅占全國總能耗中很少的一部分，而能源消耗的巨頭當屬工業生產，工業余熱可支撐部分集中供暖系統中的熱源供給。以鋼鐵、建材為主的工業生產，其能源熱轉化的利用率在30%～70%之間，剩余排出的熱量稱之為工業余熱，這些工業余熱都可以進行再利用。其中，高于200℃的工業余熱可以用來發電，但是絕大部分30～80℃的工業余熱往往經由冷卻塔蒸發。實際上，這部分熱量在北方寒冷的采暖季中恰好可以作為供暖系統的熱源，從而減少燃煤、燃氣等其他能源的消耗。若以20km 為工業余熱供暖服務半徑，則除卻北京、天津等特大型城市外，約有75%的北方城市可以由工業余熱或燃煤電廠余熱補給集中供暖熱源。工業余熱利用設備的常見換熱方式為“氣—氣”“氣—水”“氣—汽”3種換熱方式，換熱器選型可選管殼式、板式，也可選用熱管換熱器。由于熱管具有獨特的高效傳熱優勢，近年來，熱管換熱器在工業窯爐余熱利用工程中已經得到廣泛應用。采取工業余熱作為供熱熱源的關鍵環節在于如何解決利用低成本長途輸送低品位熱量、如何高效采集工業余熱等問題。針對這些問題，內蒙古赤峰等地開展了采用工業余熱實現集中供暖的示范工程，其建設前期投資與建設常規的燃煤鍋爐供熱熱源相同，但建成后不再需要消耗常規能源，大大降低了運行費，在經濟上具有很大優勢，是具有巨大節能減排效果和經濟優勢的供熱熱源方式［7］。

4 結語

在碳中和的時代背景下，壓縮能耗是全國乃至全世界的共同目標。一直以來，北方地區冬季采暖能耗，不管對環境還是對經濟，都存在不小的負擔。本文通過梳理北方地區集中供熱系統采暖目前使用的燃煤鍋爐、燃煤熱電聯產、燃氣鍋爐和天然氣熱電聯產、各類熱泵等熱源方式，指出集中供熱機制中存在的二次管網資產所有者與管理維護者、微管網管理調節與熱力公司管理調節、熱力公司經營機制與熱改按量計費、熱源高效調節與熱網調節利益等4 個方面存在的矛盾，歸納出北方地區集中供熱系統中熱計量和供熱收費改革、熱源由煤炭轉為天然氣、挖局熱電聯產系統潛力、發揮工業生余熱價值等節能改造發展趨勢，以期為推進北方地區既有建筑集中供熱系統節能改造提供理論依據與實踐指導。