大城市中心城區(qū)的供熱形式

前言

　我國(guó)能源資源總量居世界第3位，現(xiàn)為世界第3大能源生產(chǎn)國(guó)和第2大能源消費(fèi)國(guó)，若保持現(xiàn)開(kāi)采強(qiáng)度，煤炭的儲(chǔ)采比不足百年，已探明的石油和天然氣儲(chǔ)量?jī)H夠開(kāi)采幾十年。因此，我國(guó)常規(guī)能源資源并不豐富，應(yīng)建立正確的資源認(rèn)識(shí)，并具有相應(yīng)的憂患意識(shí)。我國(guó)在能源利用效率方面與先進(jìn)國(guó)家存在較大的差距，在國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略上要充分體現(xiàn)把提高能源利用效率作為基本出發(fā)點(diǎn)。

　熱力、暖通空調(diào)技術(shù)是基于對(duì)能源有效利用等可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)為原則而取得進(jìn)展的。我國(guó)具有良好環(huán)保和節(jié)能特性的城市熱力供應(yīng)系統(tǒng)。下面著重討論燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)用于區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)的可行性及大城市中心商務(wù)區(qū)和高密度住宅區(qū)熱力供應(yīng)的方式。

1國(guó)內(nèi)外熱力供應(yīng)現(xiàn)狀

　我國(guó)以煤炭為燃料的熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱是當(dāng)前東北、華北各大中城市發(fā)展熱力供應(yīng)的主流模式。

　區(qū)域燃煤鍋爐房作為熱源的集中供熱系統(tǒng)是當(dāng)前東北、華北各大中城市最主要的供熱方式，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的提高，對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求將越來(lái)越高。如今，北京已將部分區(qū)域燃煤鍋爐房改為燃?xì)饣蛉加湾仩t房，極大地增加了供熱成本。

　分散獨(dú)立燃煤鍋爐房的供熱方式在今后的幾年中，將在華北的大城市中被逐步淘汰。

　在長(zhǎng)江流域的大中城市，民用住宅不設(shè)置供暖設(shè)施，所以長(zhǎng)江流域的大中城市尚沒(méi)有建立起以熱電廠為熱源的熱網(wǎng)。

　在華南地區(qū)，因其地處亞熱帶區(qū)域，冬季無(wú)采暖需求，建筑物的空調(diào)負(fù)荷是其熱力供應(yīng)的主要形式，目前在華南地區(qū)的大中城市，分散獨(dú)立的空調(diào)機(jī)房作為辦公樓、酒店、公共商業(yè)設(shè)施等建筑物中央空調(diào)系統(tǒng)的冷源是最普遍的形式。居民住宅則基本上都采用電力驅(qū)動(dòng)的房間空調(diào)器。

　俄羅斯因其熱力供應(yīng)系統(tǒng)在國(guó)際上占有極其重要的位置。莫斯科擁有14座熱電廠，其中只有2座以煤作為燃料，其他都以燃?xì)庾鳛槿剂稀�為了保證城市的空氣質(zhì)量，熱電廠盡量建在郊區(qū)，新建熱電廠都位于城市邊界環(huán)形公路之外，供熱介質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送。莫斯科擁有全世界****的熱水熱網(wǎng)。

　日本的關(guān)東、關(guān)西地區(qū)與我國(guó)的華北、華東、華中地區(qū)的氣候條件相似，其城市熱力供應(yīng)的形式對(duì)我國(guó)華北、華東、華中地區(qū)城市熱力供應(yīng)系統(tǒng)的建設(shè)有一定的參考價(jià)值。日本自20世紀(jì)70年代初期開(kāi)始，建設(shè)了許多區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC)。

2 大城市熱力供應(yīng)的形式

2．1設(shè)計(jì)觀念、建設(shè)方式的突破

　當(dāng)前，我國(guó)在考慮建筑物的節(jié)能時(shí)，主要是以提高建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、減少熱負(fù)荷為主要思路和出發(fā)點(diǎn)，其實(shí)提高供熱、供冷系統(tǒng)冷、熱源和系統(tǒng)的能源綜合利用效率具有同樣重要的意義。

2．2 DHC是熱力供應(yīng)的發(fā)展熱點(diǎn)和方向

　從能源的有效利用和環(huán)境保護(hù)出發(fā)，對(duì)于大城市的高容積率區(qū)域(如中心商務(wù)區(qū)CBD)，以天然氣為燃料，熱電冷聯(lián)供(CCHP)的區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC)是城市熱力供應(yīng)的發(fā)展方向。建設(shè)以天然氣為燃料的燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)，以淘汰常規(guī)的鍋爐供暖和電力空調(diào)制冷系統(tǒng)，不僅一次能源利用效率高，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，還能緩解夏季空調(diào)制冷用電高峰，充分利用天然氣輸氣管網(wǎng)，而且可以大大減少污染物和溫室氣體的排放，有利于環(huán)境保護(hù)。

(1)大城市中心商務(wù)區(qū)熱力供應(yīng)形式

　隨著我國(guó)西部地區(qū)天然氣資源的逐步開(kāi)發(fā)，西氣東輸項(xiàng)目的實(shí)施完成及俄羅斯天然氣進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，通過(guò)天然氣規(guī)劃的實(shí)施，2005年以前將有14個(gè)城市、7200萬(wàn)人口使用天然氣，用氣量達(dá)202億m3。到2010年，270個(gè)城市利用天然氣414億m3，到2020年城市利用天然氣將達(dá)到937億m3。上述情況使大城市中心商務(wù)區(qū)(CBD)以天然氣為輸入能源，熱電冷聯(lián)供(CCHP)的區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC)作為CBD區(qū)域的熱力供應(yīng)形式成為可能，區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)以天然氣作為能源的輸入形式具有以下優(yōu)勢(shì)。

①在我國(guó)東部地區(qū)大城市，空調(diào)負(fù)荷集中在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，空調(diào)使用期內(nèi)平均負(fù)荷率只有40％。為空調(diào)設(shè)備供電的這部分輸配電設(shè)備一年里只利用幾百個(gè)小時(shí)，利用率極低，難以用正常的電費(fèi)回收彌補(bǔ)其損失，導(dǎo)致發(fā)電及輸配電成本上升。夏季電力最高負(fù)荷中空調(diào)用電占35％以上．2003年夏季上海市用電負(fù)荷超過(guò)l 200萬(wàn)kW，北京市用電負(fù)荷超過(guò)800萬(wàn)kW，空調(diào)負(fù)荷的快速增加使我國(guó)電網(wǎng)的峰谷差增加，平均負(fù)荷率降低，造成發(fā)電輸電資源的浪費(fèi)。我國(guó)現(xiàn)尚處于空調(diào)發(fā)展的初始階段，隨著空調(diào)的發(fā)展，其對(duì)電力負(fù)荷特性的影響還會(huì)加大，對(duì)電力工業(yè)經(jīng)濟(jì)的影響不可低估，以天然氣作為能源輸入形式的區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)可以平抑由于空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行而造成的電網(wǎng)峰谷差。

②根據(jù)我國(guó)主要城市的供氣情況，燃?xì)庀�費(fèi)季節(jié)性不平衡是城市燃?xì)獍l(fā)展中的一大難題。以北京為例，冬季最高峰的平均用氣量與夏季最低月份的平均用氣量之比為6：l，管網(wǎng)利用率只有30％左右，季節(jié)性的不平衡導(dǎo)致管網(wǎng)利用率極低并需投入高成本建設(shè)儲(chǔ)氣設(shè)施，造成燃?xì)獬杀炯哟�，區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)以天然氣作為能源的輸入形式能對(duì)天然氣起到填谷的作用，緩解天然氣消費(fèi)的季節(jié)性不平衡問(wèn)題，提高燃?xì)夤芫W(wǎng)的利用率。

③電力空調(diào)設(shè)備的發(fā)展需要大量相應(yīng)的發(fā)電、輸電和配電等電力基本建設(shè)投資，可以說(shuō)用戶每安裝l套電力空調(diào)系統(tǒng)，國(guó)家需要投入比用戶購(gòu)買空調(diào)設(shè)備還要多的錢來(lái)建電廠、電網(wǎng)以保證供電。如用戶每使用l kW負(fù)荷的電力空調(diào)投資為3 000元，國(guó)家為此發(fā)電設(shè)備投資按6 000元/kW計(jì)，輸配電投資為2 000元/kW，共需投資8 000元/kw，再加上廠用電和線損15％，共需電源投資9 200元/kW。為了滿足高速增長(zhǎng)的空調(diào)用電需求，如此比例的電力投入是否合理，如果這筆巨額的電力建設(shè)費(fèi)用分?jǐn)偟接脩羯砩�，則比其空調(diào)設(shè)備本身的投入還要多許多倍，否則，國(guó)家就要負(fù)擔(dān)這筆巨大的電力建設(shè)投資。采用以天然氣為輸入能源，熱電冷聯(lián)供(CCHP)的區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC)從總體投資上更加經(jīng)濟(jì)合理。

④以天然氣為燃料的熱電冷聯(lián)供(CClIP)區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC)可以極大地減少污染物的排放，有利于城市空氣質(zhì)量的提高。

l—燃?xì)廨啓C(jī)；2—燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組；

3—燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動(dòng)的離心式冷水機(jī)組；4—余熱鍋爐；

5—背壓透平機(jī)組；6—凝汽透平機(jī)組；

7—背壓透平機(jī)組直接驅(qū)動(dòng)的離心式冷水機(jī)組；

8—凝汽透平機(jī)組直接驅(qū)動(dòng)的離心式冷水機(jī)組；

9—蒸汽型吸收式制冷機(jī)組；lO—蓄冷裝置

圖l集中供熱供冷(DHC)裝置主要設(shè)備及流程

(2)天然氣區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)的技術(shù)問(wèn)題

以天然氣熱電冷聯(lián)供區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)(DHC)設(shè)計(jì)規(guī)劃中應(yīng)解決如下技術(shù)問(wèn)題。

①針對(duì)區(qū)域內(nèi)各建筑物全年熱電冷負(fù)荷曲線的特性，要進(jìn)行熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)(CCHP)優(yōu)化配置的研究。這里包括CCHP系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及主要設(shè)備的優(yōu)化配置模型，例如燃?xì)廨啓C(jī)容量的選擇，燃?xì)廨啓C(jī)所驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)容量的確定，背壓機(jī)組容量的確定，抽凝機(jī)組容量的確定，蒸汽型吸收式冷水機(jī)組容量的選擇，蓄冷裝置大小的確定等。研究不同外部環(huán)境下系統(tǒng)****配置及運(yùn)行模式的選擇，整體系統(tǒng)****配置的建模計(jì)算方法。

　在東京新宿新都心地區(qū)的CCHP系統(tǒng)中，兩套由燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組分別向DHC中心和區(qū)域內(nèi)的建筑物供電，其能力大約分別滿足DHC中心60％的電力需求和建筑物5％的電力需求。根據(jù)負(fù)荷的特性，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采用了由背壓透平、離心冷凍機(jī)及雙效吸收式制冷機(jī)組合成的串級(jí)系統(tǒng)承擔(dān)基本負(fù)荷，由凝汽透平、離心冷凍機(jī)組成的系統(tǒng)承擔(dān)尖峰負(fù)荷，基本負(fù)荷的容量約占整個(gè)系統(tǒng)負(fù)荷容量的7％。

②熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制研究。因一年乃至一天中不同時(shí)段電、熱、冷負(fù)荷的變化，要實(shí)現(xiàn)合理的熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行方式以達(dá)到****的經(jīng)濟(jì)效益，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，為此需要研究開(kāi)發(fā)出一套將熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和供熱供冷系統(tǒng)作為一個(gè)整體優(yōu)化協(xié)調(diào)的熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)控制系統(tǒng)。

③對(duì)于中心商務(wù)區(qū)(CBD)的熱電冷聯(lián)供(CCHP)區(qū)域集中供熱供冷(DHC)系統(tǒng)，由于區(qū)域內(nèi)建筑物在一天中的電力負(fù)荷、供熱空調(diào)負(fù)荷、及 DHC中心的用電負(fù)荷都有很大的變化，從降低系統(tǒng)的高峰負(fù)荷，減少設(shè)備的裝機(jī)容量降低投資，提高設(shè)備的利用率及使用效率出發(fā)，應(yīng)研究采用蓄能技術(shù)。當(dāng)前蓄能系統(tǒng)的種類較多，蓄能方法各異，蓄能介質(zhì)和蓄能設(shè)備也不相同，應(yīng)研究適合于熱電冷聯(lián)供(CCHP)區(qū)域集中供熱供冷(DHC)系統(tǒng)的蓄能模式和蓄能容量的確定方法，使DHC系統(tǒng)的綜合效益達(dá)到最優(yōu)。

　在國(guó)外，蓄能技術(shù)已廣泛應(yīng)用于區(qū)域集中供熱供冷(DHC)系統(tǒng)中，此類工程實(shí)例很多，如美國(guó)芝加哥有蓄冷量達(dá)232 MW．h的DHC系統(tǒng)實(shí)例，日本關(guān)東地區(qū)有蓄冷量達(dá)106 MW·h的DHC系統(tǒng)實(shí)例，在已有工程實(shí)例中，蓄能介質(zhì)和蓄能設(shè)備多種多樣，有采用動(dòng)態(tài)冰泥方式的，有采用管外結(jié)冰方式。

④在熱電冷聯(lián)供(CCHP)的區(qū)域集中供熱供冷(DHC)系統(tǒng)中，DHC中心的布局位置將直接影響 DHC中心自身的造價(jià)，同時(shí)也影響到管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則直接影響管網(wǎng)系統(tǒng)的投資費(fèi)用，管網(wǎng)的動(dòng)力消耗和熱力消耗，所以在DHC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，DHC中心的布局位置和管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。應(yīng)建立優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，研究以DHC中心的投資費(fèi)用，管網(wǎng)系統(tǒng)的投資費(fèi)用、管網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)力消耗、管網(wǎng)系統(tǒng)的熱力損失為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法，綜合考慮動(dòng)力消耗、熱力消耗、投資費(fèi)用，使整個(gè)DHC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。

(3)高密度住宅區(qū)供熱供冷形式

　在我國(guó)現(xiàn)有的住宅中，家用空調(diào)器的使用最為廣泛，由于價(jià)格適中，安裝簡(jiǎn)單方便，使用靈活，用戶可根據(jù)需要隨意開(kāi)關(guān)自行掌握使用費(fèi)用。

　因住宅小區(qū)中，各住戶居民的生活和工作規(guī)律不盡相同，有的家庭白天無(wú)人，無(wú)需空調(diào)，有的家庭有老人兒童，需使用空調(diào)。如住宅小區(qū)采用集中空調(diào)系統(tǒng)，為了滿足不同業(yè)主的需求，需要全天開(kāi)機(jī)運(yùn)行，造成系統(tǒng)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)問(wèn)長(zhǎng)，運(yùn)行費(fèi)用較高等弊端。由于系統(tǒng)在低負(fù)荷工況的運(yùn)行效率低，能耗高，所以單位冷量的運(yùn)行成本要高于經(jīng)濟(jì)工況許多，所以即使采用按冷量計(jì)量裝置計(jì)量收費(fèi)，也無(wú)法區(qū)分業(yè)主在系統(tǒng)低負(fù)荷階段及高負(fù)荷階段所消耗的冷量，無(wú)法公平計(jì)費(fèi)。所以，適用于高密度住宅區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該將目前集中空調(diào)系統(tǒng)和家用空調(diào)器的一些優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。

　我們提出一種將家用空調(diào)器的優(yōu)點(diǎn)和中央空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合起來(lái)的空調(diào)系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)，每一個(gè)建筑單元都安裝一套壓縮冷凝機(jī)組，冷凝器采用特殊設(shè)計(jì)的水冷形式，充分利用壓縮機(jī)高溫排氣，使冷卻水的出水溫度能夠達(dá)到42～45℃．壓縮機(jī)和冷凝器封裝在一個(gè)隔聲隔熱的機(jī)箱里，機(jī)箱可以做成如冰箱似的箱體，結(jié)合建筑物的整體布局計(jì)，放置于建筑單元內(nèi)衛(wèi)生問(wèn)、廚房、公共走廊或門廳吊頂?shù)容o助區(qū)域內(nèi)。為了提高COP系數(shù)，末端置應(yīng)采用直接蒸發(fā)風(fēng)機(jī)盤管。在整個(gè)住宅小區(qū)，建設(shè)集中的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，向每一棟住宅的每個(gè)建筑單元提供冷卻水，每個(gè)建筑單元的冷卻水道上安裝計(jì)量裝置作為向業(yè)主收費(fèi)的依據(jù)，集中冷卻水系統(tǒng)把每個(gè)建筑單元壓縮冷凝機(jī)組所排放熱量收集起來(lái)，作為生活熱水的熱源之一，進(jìn)人生熱水系統(tǒng)，輸送到每個(gè)建筑單元。如果空調(diào)機(jī)組的排熱量少于或接近于加熱生活熱水所需的熱量，壓縮冷凝機(jī)組的熱回收系統(tǒng)與生活熱水系統(tǒng)相結(jié)合行設(shè)計(jì)，可以省去冷卻塔設(shè)備，省去了冷卻塔部分的初投資。如果空調(diào)排熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生活熱水所需的加熱量，則應(yīng)同時(shí)設(shè)置冷卻塔系統(tǒng)，但冷卻塔的容量減小許多，同樣降低了冷卻塔系統(tǒng)的投資費(fèi)用。

　熱電冷聯(lián)供(CCHP)區(qū)域集中供熱供冷(DHC)系統(tǒng)的熱力供應(yīng)形式也應(yīng)是大城市高密度住宅區(qū)的民方向和趨勢(shì)，目前沒(méi)有在我國(guó)住宅建設(shè)中得到應(yīng)用。住宅區(qū)DHC系統(tǒng)冷源設(shè)備的容量通常只選擇住宅區(qū)建筑物全部冷負(fù)荷的50％～60％，而且 DHC系統(tǒng)由于是規(guī)�；�經(jīng)營(yíng)，設(shè)備折舊期長(zhǎng)，折合到每l m3住宅面積上的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用也并非特別高。據(jù)有關(guān)可行性研究的結(jié)論，初投資折合250-400元/m2，運(yùn)行費(fèi)用不高于現(xiàn)家用空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用，消費(fèi)者應(yīng)能夠承受DHC系統(tǒng)的初投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。另外，在我國(guó)目前有關(guān)城市規(guī)劃及房地產(chǎn)法律法規(guī)的環(huán)境下，對(duì)實(shí)施DHC系統(tǒng)的投融資辦法、收費(fèi)制度、設(shè)施的產(chǎn)權(quán)界定和折舊方式等一系列政策問(wèn)題尚未解決的情況下。對(duì)于高密度住宅區(qū)采用DHC系統(tǒng)進(jìn)行冷熱聯(lián)供的條件尚不成熟。

3結(jié)語(yǔ)

　應(yīng)站在戰(zhàn)略的高度認(rèn)識(shí)我國(guó)提高能源使用效率的重要性和緊迫性，從國(guó)家能源的有效利用和環(huán)境保護(hù)出發(fā)，趨利避害，吸收國(guó)際上各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想。隨著我國(guó)的社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，天然氣作為大城市主要能源形式將是一個(gè)必然趨勢(shì)，建設(shè)以天然氣為燃料的燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大城市中心城區(qū)等建筑物密集區(qū)域的熱力供應(yīng)，不僅一次能源利用效率高，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，還能緩解夏季空調(diào)用電的高峰，提高電力設(shè)施的投資效益，緩解天然氣消費(fèi)的季節(jié)性不平衡，提高燃?xì)夤芫W(wǎng)的利用率，而且極大地減少了污染物和溫室氣體的排放，有利于環(huán)境保護(hù)。國(guó)家應(yīng)在政策的制定上積極支持保護(hù)先進(jìn)的熱力供應(yīng)形式，由于建設(shè)以天然氣為燃料的燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)涉及電力、燃?xì)�、熱力、房地產(chǎn)等各集團(tuán)的自身利益，政府部門和立法機(jī)構(gòu)應(yīng)積極參與制定相關(guān)政策，平衡來(lái)自各利益集團(tuán)之間的矛盾。政府各級(jí)規(guī)劃部門也應(yīng)積極倡導(dǎo)和采用先進(jìn)的熱力供應(yīng)形式，以提高我國(guó)城市熱力供應(yīng)的水平。