張書華，付　林

(清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心，北京 海淀 100084)

0　引言

當(dāng)前隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，集中供熱面積近年來以大約10%的增速逐年遞增，2015年已經(jīng)達(dá)到67.2億 m2[1]。經(jīng)過國家多年的推廣節(jié)能環(huán)保，目前，集中供熱方式主要以能源利用效率最高的熱電聯(lián)產(chǎn)為主，占比達(dá)到60%以上，而區(qū)域鍋爐房、分散鍋爐房等供熱方式占比逐年降低。但是所消耗的能源仍以煤炭為主，給環(huán)境造成了非常大的負(fù)擔(dān)。在冬季供暖季，空氣中的PM2.5濃度會比非供暖季增加50%以上；而且即便是將供暖季所增加的能源消耗全部轉(zhuǎn)化為清潔能源，全年的PM2.5濃度也僅是從2013年的101.3降為88.8 μg/m3，2014年的98.6降為81.9 μg/m3[2]?？梢?要想大幅減少PM2.5的濃度還要從減少一次能源的消耗來入手。

工業(yè)余熱的有效利用可直接減少一次能源的消耗。作為世界第一的工業(yè)大國，我國工業(yè)能源消耗在總能源消耗中的比重達(dá)到70%多。在工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的工業(yè)余熱，其中部分高品位余熱通過回收重新利用于工業(yè)生產(chǎn)，但仍有50%的工業(yè)能耗以工業(yè)廢熱的形式直接廢棄了[3];而如果能把這部分廢熱加以回收利用，可以有效降低一次能源的使用量。

工業(yè)余熱的回收利用技術(shù)可分為熱交換技術(shù)、熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)、余熱制熱制冷技術(shù)。其中熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)可將回收的熱能轉(zhuǎn)換為方便使用的電功，但是只適合回收中高溫余熱；而熱交換技術(shù)適合回收各溫度的余熱，余熱制熱制冷技術(shù)適合回收低溫余熱。供熱季回收熱量可用于集中供熱，如赤峰市利用銅冶煉廠工業(yè)余熱供熱的案例[4]。

分布式能源系統(tǒng)是相對于集中式供能系統(tǒng)而言的：傳統(tǒng)集中式供能系統(tǒng)采用大容量設(shè)備、集中生產(chǎn)，然后通過專門的輸送設(shè)施(大熱網(wǎng)、大電網(wǎng))等，將各種能量輸送到較大范圍內(nèi)的眾多用戶；而分布式能源則是直接面向用戶，按用戶的需要就地生產(chǎn)并供應(yīng)能量，具有多種功能，可滿足多重目標(biāo)的中小型能源轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)。

分布式能源的主要特點(diǎn)是：通常具有資源非常豐富，開發(fā)過程不會對環(huán)境造成污染和破壞，更不會影響生態(tài)平衡等優(yōu)點(diǎn)；且無需建設(shè)輸送環(huán)節(jié)，進(jìn)而可減少能量輸送成本，增加用戶能量供應(yīng)的安全性。

以供應(yīng)生活熱水為例，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，生活熱水的能耗在建筑能耗的占比中僅次于采暖、空調(diào)、照明，達(dá)到10%～20%。隨著生活水平的提高，居民對生活熱水的需求量越來越多，如果能就近安裝分布式能源供熱系統(tǒng)或工業(yè)余熱回收系統(tǒng)供給居民生活熱水，那么就可以有效降低能源損耗，為節(jié)能減排做貢獻(xiàn)。

本文首先分析居民生活熱水的用量和能源消耗；并對不同供應(yīng)生活熱水方式的特點(diǎn)進(jìn)行分析，對其使用便利性、能源消耗以及居民的使用費(fèi)用進(jìn)行對比，得出了最具性價(jià)比的供應(yīng)生活熱水方式。

1　生活熱水用量

隨著居民收入水平的提高，居民對生活品質(zhì)的追求也越來越高，其中生活熱水是生活品質(zhì)里的一個(gè)重要指標(biāo)。

有關(guān)調(diào)研指出，居民生活中一些重要生活用水適宜水溫如表1所示。

表1　生活用水適宜水溫Table 1　Suitable water temperature of domestic water

經(jīng)研究表明，居民年平均洗浴熱水日用量為32 L[5]。刷牙按照每日1 L的使用量。洗臉用水可由下式計(jì)算得出：

(1)

式中：V為用水量；D為自來水管直徑；v為水的流速；t為使用時(shí)間。這里取一般家庭使用的直徑，為1.5 cm；水流速度v取0.5 m/s；時(shí)間取1 min。最后可得V=5.3 L。洗衣用水與洗浴用水所占比例相當(dāng)[6]，取30 L/d。綜上可得居民年平均熱水日用量在68.3 L左右。

居民每天平均使用生活熱水所需熱量由下式計(jì)算得出：

(2)

式中：Ti為某種用水方式的熱水水溫；T0為未加熱時(shí)的水溫；Vi為用水體積；ρ為水的密度；c為水的比熱容。

令T0=15 ℃，ρ=1 000 kg/m3，c=4 200 J/(kg·℃)，將表1中數(shù)據(jù)代入式(2)可得Q=6.88×106J。

2　供應(yīng)生活熱水方式

目前居民使用熱水主要方式有集中式和分布式兩種，集中式熱源多為電熱聯(lián)產(chǎn)、區(qū)域鍋爐和工業(yè)余熱等，分布式能源主要有燃?xì)鉄崴?、電熱水器、太陽能熱水器、空氣?源)熱水器等。

2.1　燃?xì)鉄崴?/h3>

燃?xì)鉄崴饕匀細(xì)鉃槟茉?，通過燃燒的方式加熱冷水,具備加熱冷水快速的優(yōu)點(diǎn)；但在安裝位置選擇上，需要比較開闊的空間，不能安裝在浴室，還需要排煙管道來排除廢氣；同時(shí)存在排放一氧化碳的風(fēng)險(xiǎn)。

綜合條件下，非冷凝式燃?xì)鉄崴鞯男蕿?2.5%，冷凝式燃?xì)鉄崴鞯男蕿?7.2%[7]。

目前，為安全起見，國家已禁止生產(chǎn)煙道式的燃?xì)鉄崴?，必須采用?qiáng)排式,把廢氣通過一個(gè)風(fēng)機(jī)排放到室外。所以，當(dāng)前的燃?xì)鉄崴餍枰念~外的電量，功率大概在40～60 W之間。

2.2　電熱水器

電熱水器能通過電加熱的方式來加熱冷水，在安裝位置方面具有很高的靈活性；但及時(shí)性上不如燃?xì)鉄崴鳎绻恢贝蜷_會增加耗電量；同時(shí)內(nèi)膽容易生成水垢，增加了后期維護(hù)費(fèi)用；并且存在漏電的潛在危險(xiǎn)。電熱水器的效率在95%左右。

2.3　太陽能供應(yīng)熱水

太陽能熱水器把太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水使用。太陽能熱水器按結(jié)構(gòu)形式分為真空管式太陽能熱水器和平板式太陽能熱水器，并以真空管式太陽能熱水器為主，其占據(jù)國內(nèi)95%的市場份額。真空管式家用太陽能熱水器由集熱管、儲水箱及支架等相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠集熱管。集熱管利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)，從而把冷水加熱為熱水。

隨著傳統(tǒng)能源成本的不斷上升及環(huán)境的持續(xù)惡化，太陽能熱水工程解決方案越來越多地被應(yīng)用于居民住宅、別墅、酒店、旅游風(fēng)景區(qū)、科技園區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、工業(yè)廠區(qū)、農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖區(qū)等眾多領(lǐng)域，針對不同領(lǐng)域熱水使用情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與配置，達(dá)到能源的綜合利用，降低成本投入。

太陽能熱水工程主要由太陽能集熱器、儲熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、輔助能源系統(tǒng)、保溫材料、管路系統(tǒng)及配件等部分組成。太陽能集熱器吸取太陽的熱量，加熱管道中的水，加熱后的水靠循環(huán)泵通過管路輸送至儲熱裝置，通過整體能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可為鍋爐、熱泵等提供基礎(chǔ)熱水，通過管路輸送至各熱點(diǎn)使用。

2.4　空氣能(源)熱泵供應(yīng)熱水

空氣能(源)熱泵是一種熱泵技術(shù)，有“大自然能量的搬運(yùn)工”的美譽(yù)，有著使用成本低、易操作、采暖效果好、安全、干凈等多重優(yōu)勢。

以無處不在的空氣中的能量作為主要?jiǎng)恿Γㄟ^少量電能驅(qū)動壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移，無需復(fù)雜的配置、昂貴的取水、回灌或者土壤換熱系統(tǒng)和專用機(jī)房，能夠逐步減少傳統(tǒng)采暖給大氣環(huán)境帶來的大量污染物排放，保證采暖功效的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。

空氣能(源)熱泵采用熱泵加熱的形式，水、電完全分離，無需燃煤或天然氣，因此可實(shí)現(xiàn)一年四季全天24 h安全運(yùn)行，不會對環(huán)境造成污染。

相比太陽能、燃?xì)狻⑺啬?源)熱泵等形式，空氣能(源)熱泵不受夜晚、陰天、下雨及下雪等惡劣天氣的影響，也不受地質(zhì)、燃?xì)夤?yīng)的限制。

空氣能(源)熱泵使用1份電能，同時(shí)從室外空氣中獲取2份以上免費(fèi)的空氣能(源)，能生產(chǎn)3份以上的熱能，高效環(huán)保，相比電采暖每月節(jié)省75%的電費(fèi)，為用戶省下如此可觀的電費(fèi)，很快就能收回機(jī)器成本。

空氣能熱水器的適用范圍一般為-7～45℃，所以寒冷地區(qū)的使用會受到限制。

2.5　集中供熱方式

采用集中供熱的方式來供應(yīng)生活熱水，有多種方式，如使用已有的集中供熱的管網(wǎng)和熱源；或者建設(shè)專用的供應(yīng)生活熱水的管網(wǎng)，但共用熱源等。此種方式供應(yīng)生活熱水，既沒有電熱水器漏電和維護(hù)的問題，也沒有燃?xì)鉄崴鲝U氣排放的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，能源綜合利用效率比分散式的要高。當(dāng)前集中供熱管網(wǎng)熱損失以北京為例在10%左右，但通過使用新的保溫材料熱損失可降到3%左右[8]。

集中供熱熱源應(yīng)優(yōu)先選擇工業(yè)余熱，其次為熱點(diǎn)聯(lián)產(chǎn)及區(qū)域鍋爐。

現(xiàn)有集中供熱管網(wǎng)，一般只有供暖管網(wǎng)，沒有單獨(dú)的熱水管網(wǎng)。供應(yīng)生活熱水的管網(wǎng)可使用原有的供暖管網(wǎng)，而在用戶處增加小型家用換熱器，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有管網(wǎng)的最大化利用，減少初始投資；或者一級管網(wǎng)共用，二級管網(wǎng)分開，適當(dāng)增加初始投資，但在運(yùn)營成本上會有所下降。

相對于用戶較為分散區(qū)域，集中供熱管道鋪設(shè)將會造成較高成本及增加鋪設(shè)難度。

3　各種供應(yīng)生活熱水方式性價(jià)比分析

由居民每人每年所用熱水量，可以得出其所需要的熱量為2.51×109J。

對于燃?xì)鉄崴?，此處以天然氣燃料為例，熱值?7.68×106J/m3；效率以冷凝式燃?xì)鉄崴鳛槔?，?7.2%；天然氣價(jià)格以北京為例，為2.28元。

對于電熱水器，加熱效率取95%；居民用電價(jià)格以北京為例，為0.488 3元/(kW·h)。

對于太陽能熱水器，在太陽光保證率為70%的情況下，電價(jià)為0.488 3元/(kW·h)[9]。

對于空氣能熱水器，消耗電能從空氣中獲取熱量來加熱冷水，耗電量取電熱水器的25%，電價(jià)為0.488 3元/(kW·h)。

對于集中供熱方式，根據(jù)熱源分析兩種情況——熱電聯(lián)產(chǎn)和余熱回收，而管網(wǎng)則使用原有供熱管網(wǎng)，在居民家中安裝小型家用換熱器。熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱模式中，每吉焦熱量電廠出廠價(jià)格為23.6元，經(jīng)過管網(wǎng)輸送后價(jià)格大約為40元[10]。

綜合前面對各種供應(yīng)生活熱水方式的分析，將其結(jié)果整理到表2中進(jìn)行對比。可看到，在每年使用費(fèi)用方面，太陽能熱水器最少(無使用費(fèi)用)，其次是空氣能(源)熱泵，只有85元左右；再次是以熱電聯(lián)產(chǎn)為熱源的集中供熱方式，在100元左右；然后是天然氣熱水器和以余熱回收為熱源的集中供熱方式；使用成本最高的是電熱水器，遠(yuǎn)高于其他方式。

表2　各種生活熱水供應(yīng)方式的比較Table 2　Comparison of kinds of domestic hot water supply

4　結(jié)論

采用集中供熱方式，特別是采用工業(yè)余熱作為熱源的集中供熱模式，對用戶來說使用費(fèi)用最低、最安全、最方便；但集中供熱模式受地理環(huán)境、供熱設(shè)施建設(shè)條件等影響較大，個(gè)別分散用戶不利用集中供熱系統(tǒng)的建設(shè)，且熱能輸送過程中能量損失較大。

分布式供熱系統(tǒng)在環(huán)境保護(hù)上，將部分污染分散化、資源化，可爭取實(shí)現(xiàn)零排放或者適度排放的目標(biāo)；在能源的輸送和利用上分片布置，可減少長距離輸送能源的損失，有效提高了能源利用的安全性和靈活性。特別是太陽能供熱系統(tǒng)和空氣能(源)熱泵供熱系統(tǒng)，在使用中可真正實(shí)現(xiàn)零排放、無污染，對減少一次能源消耗、減少大氣及環(huán)境污染起到了非常重要的作用。

而采用集中供熱為主(優(yōu)先采用工業(yè)余熱作為熱源)分布式能源供熱為輔的多能互補(bǔ)供熱模式，彌補(bǔ)了單純集中供熱系統(tǒng)的缺點(diǎn)，且充分發(fā)揮了分布式能源的優(yōu)勢。特別是太陽能供熱系統(tǒng)及空氣能(源)熱泵供熱系統(tǒng)，更是純凈的分布式新能源。

所以優(yōu)先利用分布式能源及工業(yè)余熱的多能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)，比單獨(dú)的集中式供熱或者分布式能源供熱系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。

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張書華