油田低矮建筑物冬季取暖低碳方案設計與實踐

摘要：低溫儲熱技術可在溫度較低時吸收熱量并轉化為潛熱，然后在需要時釋放這些熱量，用于建筑物的取暖和冷卻、工業過程、電網調峰等。對于大部分油田來說，普通供暖方式有著能源供應不穩定、供應方式效率低下、環境和經濟成本較高等問題。為此設計了一款可以應用于油田低矮建筑物取暖的低溫儲熱低碳設備，不僅能有效利用太陽能儲熱，減少化石能源的消耗，還能降低環境污染，符合我國節能減排和發展綠色能源的政策導向。

關鍵詞：低溫儲熱技術；油田低矮建筑物取暖；低碳；綠色能源；太陽能

資助項目：2023年度北京高校思想政治工作研究課題重點項目“高校零碳社區建設及其育人功能成效研究”（BJSZ2023ZD06）

引言

低溫儲熱技術可以利用夜間低谷電力或可再生能源（風能、太陽能）進行熱量儲存，并在需要的時候釋放熱量進行取暖。該技術能有效利用清潔能源，減少化石能源的使用，降低溫室氣體排放；能實現能量的時段轉移，使得能源供應與需求更好地匹配，提高能源利用效率。同時，低溫儲熱系統還可以獨立于電網運行，提供靈活的能源供應方案，增加能源供應的可靠性與穩定性。隨著材料科學和熱能管理技術的不斷進步，低溫儲熱技術的效率和成本不斷優化，使其更具市場競爭力。目前，低溫儲熱技術在建筑物取暖市場上的優勢明顯，有助于推動建筑能源的轉型和升級，為實現低碳經濟和綠色建筑發展目標提供重要支持。隨著人們對環境保護和可持續發展的重視，以及對舒適生活環境的追求，低溫儲熱技術的市場需求正在逐漸增長。

低溫儲熱技術適用于各種規模的建筑物，從小型住宅到大型商業建筑再到工業設施均可，具有較強的市場適應性。我國大部分油田處于偏遠地區，若使用傳統能源統一供暖或電力供暖則會有能源供應不穩定、能源運輸和供應方式效率低下、環境和經濟成本較高等問題。而與傳統供暖方式相比，低溫儲熱技術有著靈活的獨立系統，不僅可以減少供暖環境污染，還有助于實現綠色發展和可持續發展目標。

本研究設計了一款可以應用于油田建筑物取暖的低溫儲熱低碳設備，不僅能有效利用太陽能儲熱，減少化石能源的消耗，還能降低環境污染，符合我國節能減排和發展綠色能源的政策導向。

1低溫儲熱技術的研究進展與供暖現狀

1.1 國內外研究進展

低溫儲熱技術作為一種提高能源效率和促進可持續發展的關鍵技術，近年來在全球范圍內受到了廣泛關注。

國外的許多國家通過實施綠色能源政策和技術創新，已在低溫儲熱領域取得了顯著進展。德國作為可再生能源技術的領導者，其低溫儲熱技術主要集中于太陽能熱水系統和地熱能的利用上。如，德國的Kassel大學開發了一種基于相變材料（PCM）的低溫儲熱系統，能夠在夜間存儲大量熱能，并在日間供暖時釋放，有效提高了能源利用效率。日本在低溫儲熱技術的研發和應用上也取得了重要進展。日本的一項研究集中于利用超冷凍水作為熱儲存介質，通過冷熱電聯產系統（CCHP）實現能源的高效利用，不僅提高了能源利用效率，還減少了溫室氣體排放。

在我國，隨著國家對節能減排和綠色能源發展政策的大力支持，低溫儲熱技術得到了迅速發展。如，中國科學院廣州能源研究所開展的低溫儲熱技術研究，成功開發了一種基于微膠囊相變材料的儲熱系統，可用于建筑供暖和冷卻，具有良好的市場應用前景。

目前，低溫儲熱技術在供暖領域已有不少應用案例，但在相變材料、儲熱裝置結構及儲熱供暖系統方面仍存在諸多問題有待解決。在用于儲熱供暖的低溫儲熱材料方面，已有應用案例的各種材料在儲熱密度、導熱性、腐蝕性、環境友好性上都還存在一種或多種問題。在儲熱裝置方面，現有系統的儲熱換熱器存在單位體積儲熱量低、充熱時間長、放熱時間短等問題，優化換熱器及儲熱裝置的內部結構設計，實現強化換熱是未來儲熱裝置的研究方向。因此，在保障系統穩定運行的基礎上，有效降低系統投資成本是低溫儲熱供暖系統的發展方向[1][2]。

1.2 油田建筑物供暖現狀

油田建筑物的供暖問題一直是能源利用和環境保護的重要議題。在傳統供暖方式中，由于依賴大量的化石燃料燃燒，不僅效率低下，而且對環境造成了嚴重污染。

國外的一些油田已經開始嘗試采用低溫儲熱技術來解決這一問題。如，加拿大的一些油田采用了太陽能集熱和儲熱系統，通過在白天收集太陽能并存儲，在夜間或寒冷季節供暖，顯著降低了對傳統能源的依賴和溫室氣體排放。而我國大部分油田仍采用傳統能源來為建筑物進行供暖，不僅成本高，還產生了大量的碳排放，不符合綠色能源的政策導向。

總體來看，雖然國內的低溫儲熱技術在油田建筑物供暖方面的應用還處于未開發階段，但其市場已經展現出巨大的潛力和優勢。隨著技術的進一步發展和成本的降低，預計將會有更多的油田采用這一技術，實現供暖的低碳化、高效化。

1.3 國家政策支持

隨著全球對能源危機和環境保護的日益重視，我國政府在推動綠色能源和低碳技術發展方面采取了一系列積極措施。這些政策和支持措施為低溫儲熱技術的研發和應用提供了強有力的支撐。

1.3.1 國家層面的政策支持

1.3.1.1“十四五”規劃和“雙碳”目標

我國政府在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》（簡稱“十四五”規劃）中明確提出，要大力發展可再生能源和新能源技術，推動能源結構的優化升級。同時，我國承諾“到2030年實現碳達峰，到2060年實現碳中和”。“雙碳”目標的實現，離不開低溫儲熱等節能減排技術的廣泛應用。

1.3.1.2可再生能源法

《可再生能源法》的實施，為低溫儲熱技術的發展提供了法律保障。該法律鼓勵和支持可再生能源的研究、開發和利用，明確規定了政府對可再生能源項目的財政補貼和稅收優惠政策。

1.3.1.3綠色建筑政策

為推動綠色建筑的發展，我國政府出臺了一系列政策和標準，如《綠色建筑評價標準》和《建筑節能條例》等。這些政策對建筑的節能標準做出了明確規定，為低溫儲熱技術在建筑供暖和冷卻中的應用創造了條件。

1.3.2 具體案例分析

1.3.2.1山東省的太陽能低溫儲熱項目

山東省作為我國重要的能源和化工基地，近年來積極探索使用低溫儲熱技術進行建筑供暖[2]。出臺了對采用低溫儲熱技術的項目提供財政補貼及在土地使用、稅收減免等方面給予優惠的一系列扶持政策。這些政策極大地促進了低溫儲熱技術在山東省的推廣和應用。

1.3.2.2寧夏回族自治區的風能和太陽能綜合利用示范區

寧夏回族自治區利用其豐富的風能和太陽能資源，建設了風能和太陽能綜合利用示范區，集成了低溫儲熱技術，實現了能源的有效儲存和利用，有效降低了建筑的能耗。同時，寧夏回族自治區政府還為此類項目提供了政策和資金支持，包括設立專項基金、提供技術咨詢和服務等。

1.3.2.3國家級示范項目的推廣

我國還通過設立國家級示范項目來推廣低溫儲熱技術。如，國家能源局和住建部聯合發布的“綠色能源示范城市”名單中，就包括了多個采用低溫儲熱技術的項目。這些示范項目，不僅展示了低溫儲熱技術的實際應用效果，也為其他地區提供了可借鑒的經驗。另外，我國政府在推動低溫儲熱技術的研發和應用方面還提供了強有力的政策支持，這些政策不僅涵蓋了財政補貼、稅收優惠等經濟激勵措施，還包括法律法規和標準制定等方面的支持。隨著這些政策措施的深入實施，預計低溫儲熱技術在我國的發展將迎來更加廣闊的前景[3][4]。

2實踐方案設計

2.1 低溫儲熱材料和系統的選擇

在深入設計低溫儲熱的實踐方案時，需特別強調儲熱材料的選擇和系統設計的重要性，這對確保能量的高效轉換和存儲至關重要。相變材料、吸附材料和儲熱材料作為低溫儲熱系統的核心材料，各自具有獨特的性能特點，使其在不同的應用場景中發揮著重要作用。相變材料由于在相變過程中能吸收和釋放大量熱能的特性，尤其適用于需要在相對穩定溫度下進行熱能管理的場合。相變材料的使用，能夠在不同狀態之間（如從固態到液態，或反之）轉換時，以幾乎恒定的溫度存儲或釋放熱量，極大地提高了能量利用的效率和系統的穩定性。

針對油田建筑物取暖的特殊需求，研究設計的低溫儲熱系統特別采用了一種結合了太陽能集熱器和儲熱水箱的方案，其核心在于利用太陽能作為熱源，通過太陽能集熱器在白天高效收集太陽輻射能，并通過熱交換系統將收集到的熱能傳輸給儲熱水箱中的水。當夜間或寒冷天氣需要取暖時，儲熱水箱中儲存的熱能可以通過熱交換系統逆過程釋放出來，以供建筑物取暖使用。

考慮到低溫儲熱系統的經濟性和環境影響，在設計中采取了多項措施以優化成本和提高系統的環保性能。如，太陽能集熱器的材料和設計被優化以提高熱捕獲效率并減少熱量損失，而儲熱水箱的絕熱材料也被精心選擇和設計，以最大限度減少熱能在儲存過程中的散失。通過這些設計優化，低溫儲熱系統不僅能提供高效、穩定的熱能供應，還能確保系統的長期運行成本低廉，且對環境的影響最小。

在安全性方面，特別關注低溫儲熱系統的穩定性和可靠性。通過采用高質量的材料確保系統在長期運行中的安全性和耐用性。同時，低溫儲熱系統的設計還包括了多重安全保護措施，如壓力釋放和機械定時等功能，以防止潛在的安全風險。

2.2 熱能轉換和儲存

在熱能轉換和儲存方面，采取多項措施確保能量的高效利用。首先，太陽能集熱器的設計采用了高效率的真空管技術，可最大化地捕獲太陽輻射能，并將其轉換為熱能。其次，真空管的使用減少了熱量的散失，提高了熱能轉換的效率。最后，收集到的熱能可以通過顯熱儲存和相變儲存2種主要方式儲存，其中顯熱儲存是指將熱能儲存在物質中，通過增加物質的內能來儲存能量，如本設備使用的儲熱材料（水），可以通過加熱水來儲存熱能；相變儲存是利用某些材料的相變（固-液、固-氣相變）過程中吸收或釋放大量熱量的特性來儲存能量。

為了進一步提高低溫儲熱系統的能效和可靠性，經研究在設計中加入了熱量交換器和控制系統。熱量交換器負責將儲熱罐中的熱能有效傳遞給建筑物的供暖系統，而控制系統則根據建筑物內部的實際溫度和外部氣候條件自動調節熱能的收集、存儲和釋放，確保供暖系統的高效運行和用戶的舒適體驗。

2.3小結

綜上，低溫儲熱實踐方案通過合理選擇儲熱材料和系統設計，以及采用高效的熱能轉換和儲存技術，實現了建筑物取暖的低碳目標。該方案不僅能夠有效降低能源消耗和運營成本，還有助于減少環境污染，符合國家節能減排和綠色發展的政策導向。

3實踐案例分析

3.1 基本信息

實踐用戶位于緊鄰華北油田的北京市昌平區，屬于溫帶季風氣候區。該實驗點雖然冬季溫度較低，會受到來自西伯利亞的冷空氣影響，天氣干燥寒冷，但全年日照時間較長，光照充足，有利于太陽能資源的收集。而冬季溫度低，供暖需求大，日照資源豐富，正好符合低溫儲熱技術開展要求，故本實踐方案設備選用此處為實驗點。

3.2 設備參數設計

實踐用戶設備使用房屋面積為25m2。按照2根/m2真空管的標準配備50根真空管，另配備1組集熱聯箱、儲熱水箱與聚光板。房屋上方豎直安裝50根太陽能真空管集熱器，下鋪設鏡面不銹鋼聚光板，以提高光利用率，再下連接帶有換熱系統的儲熱水箱，且儲熱水箱與供熱系統連接。

3.3 設備運行數據分析

室內散熱面積為25m2，當儲熱水箱內部溫度為22℃時即可使室內取暖溫度達到18℃。儲熱水箱內部的水溫在20～50℃之間變化，溫度變化30℃能儲存的能量大約是120kWh，并且這些能量都可在陰天的情況下為室內提供2d的供暖使用。

4低溫儲熱系統應用優勢

4.1 經濟優勢

按照北京市昌平區的居民供暖價格24元/建筑m2·采暖季、非居民供暖價格5元/建筑m2·采暖季計算，1個采暖季為當年11月中旬至次年3月中旬，共計120d左右。那么，25m2的居民區需繳納采暖費600元，即采暖費為0.2元/（m2·d）；25m2的非居民區需繳納采暖費1125元，即采暖費為0.375元/（m2·d）。

以勝利油田某聯合站為例，聯合站利用加熱爐燃燒原油供暖，每間廠房面積在400～800m2之間，按照聯合站供暖負荷32～64 kW計算，使用此低溫儲熱方式供暖年耗原油為10.53～21.07 t，每年的燃料費用為57388.5～114831.5元，每年需要材料及人工勞務費用為34853元，每年需要運行總費用為92241.5～149684.5元，運行均值為120963元。若以120d的供暖周期來計算，可得400m2廠房供暖成本為1.92元/（m2·d），800m2廠房供暖成本為1.52元/（m2·d），均值為1.68元/（m2·d）。

勝利油田某聯合站實踐房屋從安裝到設備投入運營共計花費4360元，低溫儲熱設備在無外力損壞的情況下可運行30年，期間只需要每3年換一次循環水泵，預計花費640元，安裝加運行費用共計5000元。由于低溫儲熱系統可自主設置每年的供暖周期，若以120d的供暖周期來計算，低溫儲熱設備的供暖成本約為0.056元/（m2·d），遠低于集中供暖費用與油田聯合站自主供暖費用。因此，與其他供暖方式花費比較，低溫儲熱有巨大的經濟優勢，具體運行費用如表1所示。

4.2 綠色優勢

以勝利油田某聯合站為例，聯合站利用加熱爐燃燒原油供暖，400～800m2廠房供暖年耗原油10.53～21.07t。根據2022年發布的《中國產品全生命周期溫室氣體排放系數集》中提供的原油上游排放系數0.27與下游排放系數3.08可得，400～800m2廠房年供暖碳排放量在35.2755～70.5845t，均值為52.92t，每天的碳排放量在7.35×10-4 t/m2左右。

應用于25m2房屋供暖設備的主要原材料生產和制造階段的碳排放數據如表2所示，計算標準來源于《中國產品全生命周期溫室氣體排放系數集》[5]。設備主要原材料生產制造階段碳排放約為0.323t，其他輔材的生產制造階段碳排放約為0.0087t，設備生產階段產生碳排放量共0.3314t。

設備運行過程中，除需定期更換循環泵外，主要是循環泵、輔助電源及管路防凍所消耗的電量，1個供暖期消耗電量約120kWh。根據中國產品全生命周期溫室氣體排放系數庫可知，北京電網排放因子為0.657t CO2-eq/MWh，計算可得每個供暖期用電產生的碳排放量為7.884×10-2t。更換1個循環泵會產生碳排放0.003t，30年的生命周期內共需更換約8次循環泵，共計產生碳排放0.024t。因此，2項碳排放總計0.1028t。故低溫儲熱系統運行周期30年內共產生碳排放量為0.4342t，一個供暖期內每天的碳排放量為4.824×10-6t/m2，遠低于油田使用的傳統能源供暖方式，具有極高的綠色價值。

4.3 發展優勢

隨著國家對清潔能源發展的重視，油田建筑物取暖可能會逐漸從傳統的化石能源轉向電能、太陽能、生物質能等清潔能源。這種轉變有助于減少環境污染，提高能源利用效率，是未來油田建筑取暖發展的一個趨勢。2023年《中國油田分布圖》顯示，目前我國有825個油田和含油構造的1159個原油、凝析油的主力區塊，其中絕大多數油田建筑物采取的還是傳統能源供暖方式，不僅會降低傳統能源的產量，還不符合綠色發展的理念。而低溫儲熱系統提出的低碳取暖理念可以很好地解決油田綠色供暖問題，具有巨大的發展潛力與應用市場。

結論

目前，綠色低碳供暖已成為時代發展的方向標，采用傳統能源供暖的油田低矮建筑物取暖方式亟需轉型。上述研究設計的應用于低矮建筑物取暖的低碳低溫儲熱已有了成熟可靠的技術，若以120d為1個供暖期來計算，在經濟方面，低溫儲熱技術的供暖成本約為0.056元/（m2·d），遠低于集中供暖費用與油田聯合站自主供暖費用；在環保方面，1個供暖期內本設備每天的碳排放量為4.824×10-6t/m2，遠低于油田使用的傳統能源供暖的7.35×10-4 t/m2。除此之外，低溫儲熱技術設備還具有壽命長、可自主設定供暖周期、安全系數高等優點，具有巨大的發展潛力與廣闊的應用市場。

參考文獻

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[3]趙書彬，萬靖.從圍爐而居到光伏取暖[N].西藏日報（漢），2023-11-20（01）.

[4]白宇.綠色“暖冬”新路徑[N].中國電力報，2023-12-21（01）.

[5]李哲，王殿常.從水庫溫室氣體研究到水電碳足跡評價：方法及進展[J].水利學報，2022（02）：139-153.

作者簡介

楊東杰（1974—），男，漢族，山東平原人，

副教授，碩士，研究方向為思想政治教育、高校可持續發展。

王鼎元（2002—），男，漢族，山東沂水人，大學本科在讀，研究方向為石油工程。

何潔玉（1999—），女，漢族，陜西咸陽人，碩士研究生在讀，研究方向為化學。

林春丹（1968—），女，朝鮮族，吉林延吉人，教授，博士，研究方向為能源物理與水聲通信。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-10