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產業報告2020丨地區篇:三、其他地區供熱情況

發布者:CHIC | 日期:2021-08-18 | 來源:CHIC | 閱讀:132

第四篇 地區篇

三、其他地區供熱情況 

1. 夏熱冬冷地區的清潔供熱

隨著清潔供熱工作的推進,北方地區逐漸形成了以熱電聯產為主,工業余熱、電供熱、生物質供熱作為補充的清潔供熱模式。夏熱冬冷地區如何開展清潔供熱,是否應該采取集中供熱,也是一直以來爭論的焦點。

夏熱冬冷地區的長江中下游流域包括上海、安徽、江蘇、浙江、江西、湖南、湖北、四川和重慶等地區,氣候分區為夏熱冬冷地區。隨著該地區經濟社會的發展,居民生活水平不斷提高,加之近些年冬季出現的極寒天氣,使得該地區居民對于冬季供暖的呼聲日漸強烈。因此夏熱冬冷區域內的城市供熱也是清潔供熱中亟待解決的問題。

從秦嶺-淮河線以南,直到南嶺以北的長江流域廣大地區等不屬于集中供暖地區,目前也出現了一些南方集中供熱企業。如六盤水市將大唐發電機組改造進行供熱,總面積1200萬平方米;合肥熱電集團集中在合肥市內總供熱面積達2500萬平方米;湖北武漢也有部分靠近熱電廠的區域采用了集中供熱。

圖4-30  全國南北供暖地圖

那么夏熱冬冷地區是否也應該采用集中供熱呢?集中供熱適宜在以煤為主要能源、供熱需求大且供熱時間長,同時對調節要求不高的地區。如目前北方集中供熱的主要熱源形式為燃煤熱電聯產,供熱系統為全天運行,時長均在4個月以上;而分散供熱系統適宜在以天然氣和電為主要能源,供熱需求量少且時間短,但同時需要靈活調控的地區。

由于夏熱冬冷區域的冬季供暖時間短,不同用戶之間的供暖需求差異大,集中供暖設施的建設容易造成管網及配套設施利用率低,回報周期長等問題。如果在夏熱冬冷地區采用集中供熱,那么就意味著供暖期之外的10個月內設備、運行人員閑置,集中供熱系統的使用率非常低,造成巨大的浪費。而分散供熱系統具有建設規模小、周期短、投資較低的優勢,運行方式由用戶自行管理,靈活方便。

另外,目前我國并未發布采用集中供暖的南方住宅所應滿足的建筑標準,南方住宅保溫性能明顯差于北方,也會導致熱負荷偏大的問題,集中供熱也就意味著集中浪費。

從能源結構上看,我國煤炭儲量大部分集中于華北、西北地區,北方供熱能源都是以煤炭為主,通過熱電聯產或燃煤鍋爐的形式來進行供熱,也顯著提高了燃煤利用效率,同時集中處理燃煤污染。小型鍋爐效率低,且污染嚴重,已經在清潔供熱的工作開展中陸續被替代。

我國長江流域煤炭資源并不豐富,能源種類主要是天然氣和電力,且許多城市還禁止大量使用燃煤。由于天然氣和電都是可以直接入戶,易于實現獨立調節的能源供應形式,夏熱冬冷地區就應該采用分散的采暖方式。

同時,長江流域居民普遍有每天開窗通風的生活習慣,假如在該地區實施集中供暖,并且按照供暖面積收費,在開窗的情形下供熱熱量會大量損失。而采用分散式供熱,室內所需熱量與采暖費用直接掛鉤,開窗會造成熱量浪費用戶就會自行在供熱與開窗通風之間權衡,以達到舒適性和經濟性之間的平衡。

從氣候特征、能源結構和居民生活方式等多方面分析,夏熱冬冷地區清潔供熱不應該照搬北方集中供熱的模式,而應該采用多元化的清潔供熱方式解決,夏熱冬冷地區實施集中供暖只有在一定條件下是可行的。

首先就室外氣溫而言,只有當日平均室外溫度低于5℃的天數穩定在90天以上的地區,才應該考慮熱電廠集中供熱。六盤水12月—次年2月平均氣溫在3℃左右,適于采取集中供熱。

其次就是考慮與熱源的距離,對于電廠辦公區域或廠區附近的家屬樓供熱,是完全可行的。若考慮對外供熱,則需要根據室外氣溫、供熱方案、熱電廠周圍負荷情況來進行判斷。如果僅利用循環冷卻水余熱進行供熱,適宜范圍為3~5千米的熱用戶,且范圍內集中供熱面積達到50萬平方米以上;如果電廠抽汽供熱,適宜范圍為10km的熱用戶,且范圍內供熱面積達到200萬平方米以上。

最后還應該根據當地的實際收入水平估算熱價,調研群眾對集中供暖的接受程度,來進一步判定可行性。

2. 小城鎮清潔供熱

小城鎮是城鄉過渡體的主體和代表。目前我國對于小城鎮還沒有明確的定義,不同領域出現了不同的觀點。從行政管理角度看,小城鎮指縣城(縣城關鎮)和其他建制鎮,也有社會學研究將鄉村集鎮(鄉政府所在地)也囊括進小城鎮的范疇??紤]到建制鎮和鄉村集鎮無論從建筑密度、居民生活方式還是取暖形式上都有較大的區別,這里將小城鎮范圍定義為縣城和建制鎮。

圖4-31  小城鎮在我國行政區劃中地地位

相比于大城市,小城鎮往往擁有更為豐富的可再生能源,例如農村生物質資源、風電光電資源等。然而目前我國小城鎮能源消耗仍以煤炭為主,尤其在北方地區冬季取暖在建筑能耗中占了較大的比重。在小城鎮就地開發可再生能源并就地利用,不僅開發成本低,而且還能有效的解決小城鎮能源問題。另一方面,近年來我國工業企業不斷從市區搬遷至周邊城鎮,誕生了很多隨著工礦企業同時發展的工業小城鎮。通過回收高能耗工業企業的余熱,也可以有效解決小城鎮供熱問題。如何高效率開發利用小城鎮豐富的可再生清潔能源是我國未來小城鎮發展的重點。

目前我國約有3億人居住在小城鎮,占總人口的近1/4。截至2018年,我國共有縣城1519個,建成區總面積202萬公頃,總人口1.4億;建制鎮1.83萬個,建成區總面積405.3萬公頃,總人口1.6億。隨著小城鎮人口不斷上升,小城鎮建筑面積持續增加,居民對于美好生活的需求也在日益增長,生活能源消費量也將隨之增加。從供熱面積上來看,根據《中國城鄉建設統計年鑒(2018)》小城鎮總集中供暖面積在2007至2018年11年間由6.1億平方米增長到了24.1億平方米。集中供熱面積的增長是北方各?。▍^、市)面臨的共同現狀??傮w來看,小城鎮集中供熱主要存在于縣城,部分靠近電廠或其他大型工業企業的建制鎮也存在一定規模的集中供熱。越靠近北方氣候越寒冷,冬季居民對于供暖的需求也就越高,因而集中供熱率也越高。目前小城鎮集中供熱熱源仍以燃煤鍋爐為主,約占小城鎮總供熱量的近80%。

除集中供熱外,小城鎮還存在大量的分散取暖方式,主要包括散煤鍋爐、粗放型生物質利用,也有部分電取暖等。大量低效率熱源造成了嚴重的能源消耗和污染物排放,成為冬季引發霧霾天氣的重要原因。

圖4-32  遼寧、黑龍江、山東等地6個小城鎮熱源情況調研

隨著清潔供暖的實施,部分小城鎮出現了“一刀切”的“煤改電”“煤改氣”現象,即全面禁止燃煤使用,但天然氣和電力供應的基礎設施卻跟不上,取暖成本過高居民承擔不起,最終居民冬季正常取暖受到影響。為了促進小城鎮清潔取暖良性發展,應當增強對小城鎮供熱路線的統籌規劃。然而,受制于經濟發展水平和發展理念,目前我國小城鎮供熱無論從規劃設計還是管理運行層面相對較為落后,導致大量能源浪費,且居民生活質量不高??傮w來看,我國小城鎮供熱有以下突出的特點和問題:

(1)末端建筑層面:小城鎮建筑節能工作投入不夠,老舊建筑比例較高,熱量消耗大,居民生活品質受影響。

(2)輸配管網層面:小城鎮管網規模小,但管道設備普遍老舊,系統設計運行不合理,導致能耗偏高,系統損失大。

(3)熱源層面:小城鎮現狀熱源以大量中小型燃煤鍋爐為主,熱源效率低,污染物排放高。小城鎮周邊豐富的生物質資源、工業余熱資源未得到合理利用。

與大城市不同的是,小城鎮作為連接城鄉發展的中間體,距離農村和郊區的工業區相對較近,往往具備較為豐富的清潔供熱資源。這些資源包含了清潔燃煤熱電廠、工業余熱、生物質、垃圾等廢棄物資源、地熱資源、風電光電可再生能源等。在小城鎮未來的發展中,應該對清潔供熱資源進行細致的調研和規劃,通過高效利用這些資源替代現有的低效燃煤鍋爐,解決熱源問題。

這里以內蒙古自治區的所有70個縣城為例。通過詳細的資源調研和分析,得到所有縣城可行清潔熱源供熱潛力,與現狀峰值熱負荷對比,如圖4-33所示。從總量上來看,清潔熱源的供熱潛力遠大于需求。但實際上資源分布并不均勻,根據實際情況對每個縣城進行具體規劃后,得到各縣城熱源技術路線,如表4-24所示。

圖4-33 內蒙古自治區縣城熱負荷和清潔熱源供熱量對比 

表4-24 不同熱源方案典型城鎮和供熱面積

具體來看,對于緊鄰電廠和大型工業區發展起來的工業型小城鎮,例如托克托縣城(大型電廠)、庫倫旗(水泥制造業)等,適合采用電廠和工業余熱資源進行集中供熱。需要在熱源進行適當改造,增加供熱能力,并構建相應管網運輸至城鎮中。同時,在建筑末端需要進行相應改造,通過加大換熱面積、采用吸收式換熱器等形式,降低回水溫度,增加熱源取熱能力,降低管網投資運行成本。

對于農牧區中心,主要功能為政治經濟商業中心服務于周邊的小城鎮,例如內蒙古東部呼倫貝爾、興安盟等靠近東北糧食主產區的廣大縣鎮,建議開發周邊農牧區的生物質資源包括農作物秸稈、牲畜糞便、林業采伐剩余物等,通過壓縮顆粒燃料、生物質制氣等方式,靈活利用生物質資源。與此同時,小城鎮也應該積極開發垃圾、污水等廢棄物資源,通過垃圾焚燒熱電聯產、污水源熱泵等形式共同解決供熱和廢棄物處置問題。

除此之外,對于部分位于旅游區,或者分布較為分散的無上述供熱資源的小城鎮,可以發展各類型電熱泵采暖,如空氣源熱泵、水源熱泵等,也可以開發地熱資源如采用中深層地熱技術從地下2000~3000米處取熱。具體可行技術需要根據當地的氣候環境、土壤地質條件等因素綜合確定??紤]到小城鎮周邊可再生電力較為豐富的特點,可以使用熱泵與周邊的風電、光電等可再生電力進行靈活協調,同時滿足供熱和能源需求,不僅可以消納過剩電力還能降低熱源運行成本。

對于清潔熱源僅能承擔一部分熱負荷的小城鎮,應該積極開發多種熱源,增強供熱管網可及性,使清潔熱源承擔城鎮基礎負荷,增加其供熱比例,將現有燃煤鍋爐作為備用和調峰。這樣能在一定程度上降低燃煤消耗。

3. 農村清潔供熱潛力和熱源選擇

農村的清潔供熱模式應該以村落作為考量和設計中國北方農村可持續發展的基本單元,緊密結合農村實際,基于合理的建筑設計與可再生能源清潔高效利用,在改善農宅冬季室內環境的同時,大幅降低農宅采暖和炊事等生活能耗。

從歷史上看,在過去相當長的時期內,由于農村固有的生活、資源特性,農村住宅用能一直以秸稈、薪柴等生物質能為主,形成了獨有的“自給自足”型能源供應方式,需要從外部輸入的商品能很少。然而,隨著農村經濟水平的不斷提高和新農村建設的全面開展,農村住宅的用能結構和消費水平也發生了巨大的變化。目前北方農村每戶的年平均取暖費用為1000~3000元,占到年收入的10%~20%。即使在收入水平較高的北京地區農村,也有80%左右的農民認為目前采暖負擔較重。因此,如能通過合理的技術手段清潔供熱,不僅有利于節能和環境改善,也有利于減輕農民的經濟負擔,改善農村人居環境。

我國農村清潔供熱模式包括以下三個特征:

(1)推動農村建筑節能:農宅圍護結構應該具備良好的保溫性能,從而大大減少采暖用能需求,從需求側減少能源消耗。

圍護結構熱性能差是導致目前北方農宅冬季供暖能耗高、室內熱環境差的重要原因,因此改善圍護結構保溫性能是實現“無煤村”的首要基礎。在我國,城鎮建筑節能經過十幾年的研究,已經建立了較為完善的建筑節能標準和建筑熱指標體系,為城鎮地區開展建筑節能工作提供了重要的參考依據和評價指標。由于農村住宅與城鎮建筑相比在建筑形式、室溫要求、經濟性等方面存在諸多不同,因此農村住宅圍護結構保溫性能要求不能照搬城鎮住宅的做法和標準。農村住宅以單體農宅為主,建筑體型系數可達0.8~1.2,是城市多層住宅建筑體形系數的3~4倍。此外,大部分農宅門窗的密封性能差,冷風滲透嚴重,房間換氣次數普遍大于1次/小時,約為城鎮住宅的2倍以上。另外,由于農村地區特有的生活習慣及冬季著裝習慣,冬季室溫達到15℃左右即可滿足舒適要求。

針對大量既有農宅,盡管已有不同規模的應用示范,但目前在北方地區進行節能改造的工作尚未全面展開。北京市于2006~2008年間,率先在郊區農村開展了幾百戶的單體農宅圍護結構被動式節能改造示范,通過改善農宅的圍護結構保溫性能,增加被動式太陽能熱利用措施,大幅度降低了農宅的燃煤消耗,并提高了冬季室內熱環境舒適程度。實測結果顯示,冬季室內平均溫度提高了5℃~10℃,每戶年均采暖耗煤量減少1/3以上,從3~4 噸/年降為2~3噸/年。據北京市住房和城鄉建設委員會發布顯示,北京2018-2020年將合計建設81560戶節能農宅。

鑒于北方農宅圍護結構保溫在農村建筑節能方面的重要作用,一方面,需要對既有農宅繼續加大圍護結構節能改造的引導和支持力度;另一方面,對新建農宅圍護結構熱工性能,相關部門也應像對待北方城鎮住宅一樣,逐步嚴格對農村建筑節能標準的實施,最終將其列入建筑節能的全面監管范圍。

(2)減少劣質散煤炭使用,挖掘清潔能源:農宅供熱盡可能不使用燃煤而是以生物質、太陽能等可再生能源來解決,當可再生能源不足時可以用電、液化氣等清潔能源進行補充。

在良好的圍護結構熱性能基礎上,如能進一步對農村現有的能源供應方式進行調整,因地制宜,合理開發利用各種可再生能源,實現以清潔化、自給化為主要特點的農村能源新模式,將是在廣大農村地區實現“無煤村”的另一個關鍵因素。

與城市地區相比,我國農村地區具有豐富的可再生資源,包括太陽能、水能、風能、地熱能和以秸稈、薪柴、牲畜糞便為主的生物質能等自然能源。生物質能作為我國農村的傳統能源,總量非常豐富,其中農作物秸稈產量約為11.01億噸,可收集量約為9.36億噸,再加上禽畜糞便、薪柴等,可利用的生物質資源總量折合約4.96億tce/a。我國大部分北方地區處于太陽能資源豐富的一、二類地區,全年日照總數在3000 小時以上,全年輻射總量在5.9×105 J/cm2以上。這兩類可再生能源資源分布廣泛,是農村地區的天然寶藏,對解決我國農村地區生活用能具有非常重要的作用,但是要充分利用這些可再生能源資源需要創造良好的條件。例如,太陽能利用要有充足的空間以采集陽光并避免遮擋;生物質利用需要有充足的空間進行收集和儲存,還要改善傳統的粗狂式燃燒的模式,通過合理的加工轉換方式以及高效的爐灶,大大提高燃燒效率和減少污染排放。農村地區分散的居住模式、充裕的土地和建筑空間等特點,恰好符合可再生能源利用的諸多條件,因此農村地區在利用可再生能源方面具有得天獨厚的優勢。具體的技術方案如下:

1)生物質固體壓縮燃料和清潔爐灶提供主要采暖和炊事用能:在我國東北、華北大部分糧食產區和林區,生物質資源都較為豐富??梢岳蒙镔|壓縮固體燃料結合相應的采暖爐代替小型燃煤采暖爐,實測燃燒效率達到70%以上,比燃煤小鍋爐熱效率提高30%-40%,或者灶連炕、火墻式火炕或生物質對流炕末端技術(增加內炕體作為熱煙氣與空氣之間的換熱器,提高火炕的整體供熱能力),充分利用炊事余熱解決冬季采暖需要,來代替目前的燃煤土暖氣。按照節能農宅的采暖負荷,北方地區農戶平均需要2~3 噸生物質壓縮燃料即可滿足冬季采暖用能需求。對于炊事用能,可以另外配置1臺小型生物質固體成型燃料炊事爐,由于燃燒效率大大提高,平均每戶每年只需要0.5~1噸生物質壓縮燃料。目前,市場上已經開發出能綜合考慮農戶實際需求、炊事習慣、應用方便的新型生物質顆粒燃燒器,既能高效地滿足炊事和生活熱水用能的需要,又不需改變農宅既有的“大鍋大灶”炊具結構,和傳統生物質直接燃燒相比,炊事效率從不到20%提高到35%,PM2.5、CO等主要污染物排放降低了80~95%,并且能夠實現自動點火、火力調節、手動續料,方便了農戶使用,深受農戶歡迎。

2)利用太陽能解決生活熱水及部分采暖用能:相對于生物質能源來說,太陽能是更加易得的清潔能源。采用戶用太陽能熱水器提供生活熱水,成本低,效果好,技術成熟,使用方便,目前在農村地區已經大量應用。而就太陽能采暖來說,由于太陽能具有不連續性、不穩定等特點,當太陽能無法滿足室內采暖要求時需要其他能源進行補熱。已有一些地區嘗試建立戶用小型太陽能熱水系統對建筑進行采暖,但由于系統成本較高、系統較為復雜、運行維護等方面的問題,推廣效果不好。需要進一步完善或研發符合農村住宅特點、經濟便捷的太陽能采暖方式。例如,太陽能空氣集熱采暖系統由于其系統簡單、運行維護方面、初投資以及運行費用低、不存在凍結問題,與被動式太陽能利用相結合,可以承擔有太陽時的全部采暖負荷。在晚上、陰天或太陽不足時,則可以在生物質壓縮燃料爐、節能炕灶、電熱毯等多種形式中選擇一種進行補充。

3)充分發揮不同地區的資源優勢,爭取實現村級能源全供給甚至能源輸出:除了大力倡導上述以能源自給自足、清潔利用為主要特點的無煤村,對生物質、太陽能、小水電資源特別豐富的地區,不僅要滿足本村居民的各種用能需求,還可以進一步開發利用,實現村級能源向臨近的鎮、甚至小城市的輸出。例如在東北、內蒙等生物質富集地區利用剩余的生物質制作生物天然氣或固體成型壓縮燃料,補充當地鎮、甚至城市能源供應,既減少了傳統常規能源的使用,還能提高農戶的經濟收入,使秸稈薪柴等從廢棄物真正變為農戶手中的“寶物”。

(3)宜居特征:農宅需要滿足與農村地區居民相適應的熱舒適要求,同時避免由非清潔用能引起的室內外空氣污染及環境惡化。

農村固體燃料使用水平低,以粗放低效燃燒為主,爐灶各種污染物排放大,其中小型煤爐PM2.5排放因子為城鎮大型燃煤鍋爐的10倍以上。以北京市為例,農村散煤和生物質直接燃燒產生的PM2.5排放總量高于“煤改氣”之前四大燃煤電廠和集中鍋爐房的排放總量,應成為大氣污染治理的重點。農戶使用固體燃料作為炊事和采暖燃料時,容易造成嚴重的農宅室內空氣污染,且冬季室內空氣污染程度要高于夏季。農戶小范圍內密集燃燒固體燃料所產生的污染排放會造成區域性PM2.5室外背景濃度升高,加重小范圍內的霧霾風險和程度。

綜上,在我國北方農村地區的清潔供熱應該從可行性出發,不僅首先要在技術上使其具備實施的可持續性,還必須在管理上科學規劃,從各個地區的實際情況出發,制定全面合理的方案并貫徹實施。也需要在政策上進行合理的設計和扶持,保證農民、企業和國家都能夠積極地參與進來。

 



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