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双碳目标下太原市集中供热发展方向思考

太原市热力集团有限责任公司   李建刚  齐卫雪  姬克丹  石光辉  陈鹏

摘要:

能源和建筑行业是实现“双碳”目标的重点领域和关键环节,根据清华大学建筑节能研究中心的估算,中国建筑运行能源消耗造成的碳排放占全国的16%左右,其中,北方地区城镇供热约占建筑运行排放的25%以上。太原市作为北方城市集中供热的典范,以热电联产和工业余热为主,天然气调峰为辅,各类热泵及新能源等为补充的供热格局。“双碳”目标下,太原市集中供热面临着能源结构调整、电厂关停、发电负荷不稳定等新问题,如何及早布局,在低碳供热上持续创新,从源、网、站、户各环节找出低碳的发展方向,是本文探讨的重点。

关键词:双碳;大型集中供热;余热;低成本;蓄热;集中降温;优质服务

0 引言

“双碳”是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革,“双碳”目标的确立,要求能源、电力、建筑、交通、工业等领域做出重大低碳转型,据清华大学研究显示,碳中和目标需要2050年非化石能源在我国一次能源总消费中占比达到75%左右,同时大力推动交通领域的电气化、建筑领域的零碳化,推动经济社会发展建立在资源高效利用和绿色低碳发展的基础之上。这意味着按照“3060”双碳目标,电力系统将更新演变为新能源为主体的新型电力系统[1],建筑形式将逐渐更新迭代为能量自平衡的零能耗建筑[2]。此时,大型集中供热系统很可能会逐渐退出城市供热的主导地位,由能源型企业转变为服务型企业。为此,自我革命、自我更新,以低碳为契机及早筹划:充分发挥既有管网的输送能力,将低碳+低成本+优质服务做到极致,并拓展增值服务是大型集中供热企业可持续发展的方向。

太原市在2016年底投运太古供热项目,后在2017年底实现了35t/h以下的燃煤锅炉清零,由于太古项目大比例回收了零碳余热的特性,同步提高了太原市集中供热零碳热源的比例。但整个集中供热系统各个环节从减碳角度仍存在很大的进步空间,需要进一步探索和创新:

热源侧由现在的清洁化进一步向低碳化调整,并优化运行结构;发展新技术提升余热[3]的使用比例,逐步建设新的零碳或者低碳热源;

热网侧在进一步降低输送电耗和管网水耗的同时,提高热网运行的灵活性,充分发挥热网低品位能源输配的特性,夏季尝试收集数据中心等各类余热,冬季充分利用余热进行供热;

热力站侧应该进一步做好精细化调节控制,向分布式能源靠拢,尝试成为多能互补的中心;

用户侧进一步的降低建筑物耗热量指标,提升精细化控制水平,降低建筑能耗,逐步推行室温监测全覆盖,并进一步提升用户服务水平拓展增值服务。

1.太原市集中供热碳排放对比

太原市集中供热供热分为源、网、站、户等几个环节,太原市目前共有大型集中供热热源14处,另外有分布式燃气调峰热力站90余座。太原市城区整体供热面积2.35亿平米,其中集中供热2.12亿m2,设计居民158万户、一次管网长1677km,热力站2143座;区域清洁供热2332万平米,涉及居民燃气供热243个小区。

建筑节能和更新迭代是最终端节能,热源是主要产能环节,网和站也有一定的能源消耗,由于建筑环节非集中供热企业所能左右。为此,参照集中常规的运行指标热量消耗、水耗、电耗来进行测算。为分析各环节的碳排放,以热力集团2020采暖季运行数据为基础,将热耗、电耗、水耗等全部折算为标准煤耗,对比如表1所示,在各环节中热源折标消耗占比最大,其次为热力站水耗,最低是热源电耗。水耗和电耗本身就是节能的方向,与降低碳排放方法和方向一致。

1 2020-2021采暖季能源消耗折算标煤比例

项目 

热源总耗热量(%

热源耗水量(%

热力站耗水量(%

热源耗电量(%

热力站耗电量(%

合计

折标煤占比

84.67

13.97%

1.37%

100.00%

84.67%

5.99%

7.98%

0.67%

0.70%

由于热源部分折标煤占比最大,对热源构成进一步进行了折标分析。太原市火力发电为基础的热源8处,常规热电联产为太原二电厂、白家庄电厂、瑞光电厂、太钢电厂;燃气热电联产为嘉节电厂和华能东山电厂,另外两个基于低温回水的长输供热是兴能电厂和国锦电厂,兴能电厂采用基于低温回水的余热回收比例最高。燃气、燃煤热源厂6处,城南为燃气+燃煤锅炉,城西为燃煤锅炉,小店、晋源、东山、东峰均为燃气热源厂,另外有分布式燃气调峰热力站73座。经过归纳统计后,把太钢余热部分和太古长输余热部分作为零碳热源,其余热电联产冷凝热为常规热电联产做考虑。统计后如表2所示,零碳热源占比约为1/3、常规热电联产占比一半以上、其余为天然气部分,燃煤热源厂占比最小。从热源角度,既有余热用尽及低碳热源替代都有很大的减碳空间。

2 2020-2021采暖季热源消耗折算标煤比例

 项目

热源厂天燃气用量(%

热力站天燃气用量(%

热源厂标煤用量(%)

常规热电联产(%

零碳能源占比(%)

热源总耗量(%

折标煤比例

8.38%

0.12%

5.60%

50.37%

33.71%

100.00%

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

2. 热源的低碳转型

根据有关专业人士推测,未来我国的能源结构将以绿电为主,其中风光电将从目前能源结构中的6.7%,在碳中和下将提高到58.3%,以替代煤、气化石燃料,火电将从目前能源结构中的64%,降到12.5%;未来保留的火电主要用于电力调峰和应急保障,以确保电网的稳定性、灵活性、经济性,可靠性,其燃料结构也将由生物质能、燃气和煤碳组成。

2.1热电联产火电厂未来定位及发展演变

太原市8大基础热源,无论是常规热电联产或者比例回收余热的兴能电厂均为现状火力发电,所有其未来的发展路线会随着整个电力行业变化。未来随着可再生能源进一步大力发展,非化石能源在一次能源消费中比重大幅度提升,目前作为主体电源的火力发电逐渐转变为基础性和调节性电源[4]

2.1.1火电未来的发展路线

其发展路径可以参照2020年《加快中国燃煤电厂退出:通过逐厂评估探索可行的退役路径》[5]报告,其观点为:加快中国电力行业深度减排,推动传统燃煤电厂从能源系统中有序退出是可行的。为实现这一目标,中国应该停止新增燃煤电厂,在短期内迅速淘汰已被识别出的优先退役机组,并尽快对煤电的定位进行调整,推动煤电由基荷电源向调节电源进行转变。

2.1.2火电的压舱石地位

虽然跟随碳达峰新能源进一步高速发展,占比会进一步提高,但由于火电技术的可靠性、稳定性和灵活性,作为基础性和调节性电源,它可以支持和配合日益增长的风电和太阳能发电这些间歇式不稳的电源的发展,因此,作为我国电力稳定生产和供应“压舱石”的燃煤火电不可能退出我国的电力生产。2019年在全国非化石能源发电量占比仅为32.6%情况下,风电和光电就已经普遍面临并网难、消纳难、调度难等问题,因此,在在未来几十年内,在从煤电为主过渡到以新能源为主体的新型电力系统期间,电力系统安全性、经济性灵活性均需要提升水平,火力发电会全面转型为新能源调峰的运行方式。

2.1.3火电演变方式的探讨

作为太原市基础热源的火力发电厂面临着同样的问题。对于火力厂的发展方向,在以上两点的基础上分析发展方向如下:从保障能源安全和匹配新能源发电特性的角度,未来火力发电厂必须保留一部分作为调峰及应急备用;从电厂自身节能增效角度,保留大型高效的火力发电机组,逐步淘汰超期服役、小机组;从减碳角度,保留的火力发电厂应该进行余热深度回收供热;从为新能源调峰角度,电厂需要做深度灵活性改造,进一步提升电厂的负荷变化比;从城市建设角度,城市内的燃煤火力发电厂会逐步关停;从余热回收经济半径角度,应优先保留城市周边80-200km[6]以内的符合上述条件的电厂做余热回收及灵活性改造。对于保留下来的火力发电机组,实现高效和低煤耗发展,深度利用余热,在此基础上逐步实现煤电与生物质耦合发电。

2.1.4太原市火电发展及存在问题

太原市集中供热基础热源,目前嘉节、华能两座燃气电厂仅仅是在供热期运行,未来应该考虑回收烟气余热,进一步提高深度调峰的能力来降低碳排放。其余的六座燃煤电厂,白家庄电厂作为关停淘汰的小机组,由于其特殊的高海拔位置,暂时应该保留下来在仅仅严寒期运行,将来在有替代热源的情况下转为应急备用热源。对于位于太原市北部的二电厂,东部的瑞光电厂、太钢电厂等也应该逐渐减少非供热期的投运时间,重点放在供热期使用。

在近几个采暖季已经出现的火电厂日负荷波动大、突发降温时电负荷不足而导致供热能力前缺的问题预计会进一步加剧,需要采用调峰热源联网运行或者增设蓄热罐等设施保障严寒期供热的稳定性,以避免对集中供热能力保障和稳定产生了不利影响。

2.2大型热源厂未来定位及面临的问题

太原市既有的燃气、燃煤热源厂6处在太原供热发展历程中发挥了重要的作用,另外还有正在筹建之中的阳曲燃煤热源厂、城西燃气热源厂、东部燃气热源厂的建成投运也将为太原市集中供热提供更大的保障,为此,将来热源厂的低碳化路线低于集中供热也非常重要。

2.2.1碳排放强度测算

对于各种热源的碳排放强度,参照日本能源统计年鉴2008年公布的化石能源碳排放系数的数据,如表3所示,另外测算燃煤热源厂及燃气热源厂的碳排放强度。

3各种电源及大型热源厂的平均碳排放强度(克CO2/千瓦时)

电源

名称

煤电

*燃煤

热源厂

天然气

发电

*燃气

热源厂

光伏

地热

光热

生物质

核电

风电

潮汐

水电

碳排

放强度

1001

543.43

469

219.1

48

45

22

18

16

12

8

4

备注:为了简化比较,加*的按照热源厂直接产生1千瓦时的热量进行测算,大型燃煤热源厂的综合效率按照83%测算,大型燃气热源厂按照93%测算。

2.2.2燃气热源厂的低碳策略

太原市大型热源厂目前多数为天然气热源厂,天然气作为一种清洁能源具有应急响应快、调整灵活的特点,且燃气的碳排放强度约为燃煤的一半,为此,在低碳目标下应该优于燃煤首先投入使用,而从企业运行成本角度应后于燃煤投入使用。但是天然气存在价格高和严寒期气量紧张的问题,更加适合作为调峰热源使用,下一步也应该进一步控制燃气用量,可以考虑优先启动分布式的进一步提高控制精度,同时采用与基础热源联网运行来减少燃气用量,未来采用蓄热罐进一步有效控制调峰用气量。

69日,旭阳能源河北定州至高碑店氢气长输管道可行性研究全面启动,管道全长约145公里,是国内目前规划建设的最长氢气管道。管道起点位于河北省定州市旭阳能源产业园,终点位于河北省保定市高碑店市新发地物流园,管径为508毫米,设计输量10万吨/年,这标志我国零碳气源的开始。未来跟随整个燃气结构置调整,太原市在产量足够的条件下可以逐渐换为氢气后将更加的清洁低碳。

2.2.3燃煤热源厂的低碳策略

基于我国多煤缺油少气的能源结构,煤炭一直是集中供热能源供应的主力军和压舱石。伴随太原市城市供热发展由小到大,由分散到集中的过程,燃煤锅炉直接供热也经历由小到大的过程。燃煤热源厂烟气排放也在不断升级,除尘、脱硫、脱硝标准也在一直提高,2017年全国大规模推行煤改气、煤改电,太原市小店、东山、晋源、城南等大型燃煤热源厂也逐年改为天然气热源厂。城南热源厂保留了464MW的燃煤锅炉并做了超低排放改造,在燃气供应紧缺、极寒天气时,燃煤锅炉可以作为应急备用热源,缓解热源紧张的局面,具有兜底保障作用。转为调峰热源和可靠的应急备用热源,作为集中供热热源的压舱石

2.2.4大型热源厂的发展方向

如果以碳排放强度来区分各种电源,煤、天然气均属于高碳电源,而其余的八种电源均是低碳电源,包括可以作为火电燃料的生物质。参照火电的碳排放强度,生物质的碳排放强度只有18CO2/千瓦时,是燃煤碳排放强度的0.018[7],因此。生物质耦合发电实际上是推动煤电向可再生能源发电的过渡,燃煤热源厂也可以参照这个路线进行。与煤、石油、天然气的资源富集程度和燃料获得方式不同,生物质资源分散,收集、处理加工、运输链条多样且不易规模化,其燃料成本(进而导致发电成本)比煤炭高得多,也比风电、太阳能发电的成本高。

从表2目前的热源结构看来,燃煤热源厂的热源构成比例已经很低,在未来双碳模式下,燃气热源厂无论是从成本上或者碳排放上也应该予以控制;燃煤热源厂使用比例会进一步降低,但作为兜底保障作用的热源仍然必须存在。参照火力发电机组的低碳化改造路线,对于太原市的大型热源厂,未来可以参照以下路线发展,以降低碳排放。

1.     通过生物质与煤耦合混烧,并不断增加生物质混烧比,就可以大幅度降低燃煤的碳排放[8]

2.     对于大型天然气热源厂进一步控制不再增长用量,可以随着整个供气行业进行调整,逐渐置换为氢能等低碳气源。

3.  CCUS技术的研发和示范正在取得重要进展,预计在20252045年期间,CCUS技术将会逐步得到大面积的推广应用,使煤碳燃烧达到近零排放。那时,如果实行与生物质混烧后,在采用了CCUS技术后,就可实现负的碳排放。

4.  大型热源厂保留一定的比例即可,未来新的热源建设应向新能源方向发展。

3近期的主力低碳方向

绝对的零排放是无法实现的,碳中和是将人为活动排放的二氧化碳及其对自然产生的影响,通过节能提效、植树造林、技术创新等,降到几乎可以忽略的程度,从而实现排放源和碳汇之间的平衡。但在实现碳中和之前,技术路径的优劣顺序应该依次为:节能提效、降低碳排放强度、增加低碳能源和减少高碳能源、通过植树造林强化自然碳汇,以及二氧化碳捕集、封存和利用(CCUS)。超前部署高效CCUS、二氧化碳制烯烃等技术,难度高、投资大,不适现阶段的国情。

未来的供热热源不再是各类燃煤燃气锅炉,可能转变为各类电动热泵、电锅炉,可以依靠电力实现清洁供暖,另是热电联产余热、工业余热、以及其它可以利用的数据中心等余热资源。未来电力的构成是风电、光电、水电、核电为主,但是此类新能源存在着冬夏季节差问题,冬季枯水期,水力功率不到夏季40%,冬季太阳能日照时间短,光伏日发电量不到夏季一半,冬季、夏季电力负荷接近,冬季北方需要50亿GJ热源。为此,坚持低碳、零碳的节能方向,转变供热方式,大力发展可持续热电联产、工业余热、核电余热等热源供热,推动空气能热泵等替代燃煤燃气锅炉,加强浅层及中心层地热运用,在夏热冬冷的城市边远地区积极倡导空气能热泵等低碳、分散的取暖方式。为此,对于大型城市集中供热,大力回收各种余热是目前主要的低碳发展方向[9]

3.1节能增效仍然是第一优选

根据谢克昌院士介绍,2020年,我国非化石能源占一次能源消费的比重为15.8%,剩余仍是化石能源。在84.2%的比例中,煤炭就占了56.8%,这个数据不可能很快就调整。根据中国工程院的战略研究,到2030年,煤炭比重仍将在50%左右,依然是主体能源。我国基本国情和发展阶段,决定了能源转型的立足点和首要任务是切实做好煤炭清洁高效开发利用[10]

在此背景下,我国还面临能源利用效率偏低的现实。谢克昌院士指出,我国单位GDP能耗是世界平均水平的1.4-1.5倍。若能达到世界平均,每年可少用13亿吨标准煤、减排34亿吨二氧化碳,约占2020年碳排放总量的1/3。因此,相比拓展二氧化碳资源化利用途径,节能提效才是实现碳达峰、碳中和的第一优选[11]。节能提效和集中供热一直努力实现的精细化管理节能降耗方向一致,在双碳的要求下,应该加快利用智慧供热等进一步提高管理水平,节能提效,尽早达到智慧供热的终极目标,实现按需供热下的终极节能。

3.2余热的进一步挖潜收集使用

太阳能、风能等新能源难以应用于大规模的集中供热,且存在“不可控”短板:装机发电能力严重受限于昼夜日照、季节变化、天气阴晴、风力大小等自然气象条件。我国大量在运的火力发电厂,作为我国近期“主体电源、基础地位”、中期“基荷电源与调节电源并重”、远期“调节电源”,在很长的一段时间之内仍将发挥主要作用。为此,此部分火力发电厂的余热作为清洁低碳的热源,余热具有成本低、资源丰富等优势,非常适合作为基础供热热源,成为大规模零碳集中供热的优选,并应该予以尽可能的回收利用。

据统计,我国北方采暖地区在运火力发电厂冬季排放的余热量可基本满足城镇采暖的总需求。回收电厂余热,既可以提高电厂能源利用效率,降低碳排放,又能够有效提高存量资产的利用率,相对减少了发电企业产能过剩。火力发电厂做好定位之后保留的一部分,其余热就应该充分回收。对于太原市集中供热:对于以余热为主的兴能电厂,应该提高余热利用比例来实现降低碳排放:一是采用集中降温进一步降低系统整体的回水温度;二是降低系统回水温度的同时,降低系统供水温度,尽量工作在余热回收温度区,减少严寒期的抽气加热;三是开始尝试大规模储热,未来回收非采暖期的余热,在严寒期使用。对于嘉节华能等燃气热电厂,应该进一步利用低温回水回收其烟气余热等,再进一步在提高供热能力的同时降低碳排放。

3.3储热装置的应用

蓄热罐[12]在国内也有应用的介绍,但是在德国的供热管网中使用更为普遍,尤其是短期蓄热。图1是德国蓄热罐的典型使用方式,蓄热罐在集中供热管网中有三种设置方式。(图中:Erzeuger-热源、Speicher-蓄热罐、Netz-热网、Verbraucher-用热终端)。第一种方式是热源处设置蓄热罐储能,第二种则是在热源和用热终端之间的供热管网上选取合适的位置设置,第三种方式是用热终端(热力站或热用户)的储热。在德国很多热电厂或热电联产工厂会设置蓄热罐,Stadtwerke Detmold的燃木锅炉厂里就有。因为德国热电厂或热电联产工厂并不是持续投产,会根据电价的市场波动而变化,当电价高时大量生产反之减产。


1—德国蓄热装置的三种布置方式

水介质蓄热罐按照时间长短分为两类:在一个完整的循环周期内,蓄热罐分为季节性(长期性)和短期储热。短期蓄热如图1所示,需用于频繁的装、卸交替,并达到数量级的周期数,平均每年多达200个完整周期。对于长期蓄热罐,一个完整的周期是指蓄热罐在一年内的累积装卸量达到标称容量。长期储热的典型应用是与太阳能相结合。在夏季热能储存在这里,以便在寒冷的月份使用,这种储热称为季节性储热,因为它们通常每年仅执行一个完整的装卸周期。外形纤细表面体积比大,热量损失大,但是压力及温度更高,能蓄更高温的热水,适合配套使用提供高温蓄热。

2—典型蓄热系统示意及实景图

余热作为未来非常适合集中供热的宝贵资源,在非供热期也是应该予以回收,为此开展大规模跨季节储热设备的研究,高效储存非采暖季的余热,用于冬季供暖。可以回收大量余热资源,将仅运行冬季三、四个月的余热回收装置为全年运行,三倍产热量,不再需要调峰热源,通过改变从蓄热装置取热流量平衡需求变化;同时可以提高供热系统的可靠性,热源和长输管道故障对供热影响进一步降低。

3.4全面的的低温回水

实现未来零碳供热的核心技术,一是跨季节储热技术,二是降低回水温度的技术,各类热源方式都需要尽可能低的回水温度。三是高效回收各类低品位余热的技术,四是建筑保温和减少冷风渗透技术,进一步降低热需求。此四项中,最核心的还是低温回水,通过太古大温差长输供热项目就可以看出,低温回水导致了电厂余热的方便回收和高比例回收,并且显著提高了集中供热管网的输热能力,欧洲早期采用第四代低温供热技术,未来跨季节储热必然是大型的常压型蓄热体,最高蓄热温度肯定控制在95℃以下,为此低温回水就成为最好的选择。

3.5核能利用

3.5.1低温核泳池

可用来实现区域供热的泳池式低温供热堆[13]。燕龙泳池式低温供热堆是由中核集团自主研发的, 20171128日,一座400MW“燕龙”低温供热堆,在北京正式发布,供暖建筑面积可达约2000万平方米,相当于20万户三居室。燕龙是中核集团在针对北方城市供暖需求开发的一种安全经济、绿色环保的堆型产品。其原理是将反应堆堆芯放置在一个常压水池的深处,利用水层的静压力提高堆芯出口水温以满足供热要求。热量通过两级交换传递给供热回路,再通过热网将热量输送给千家万户。燕龙具有堆熔、排放、易退役、投资少等显著特点,在反应堆多道安全屏障的基础上,增设压力较高的隔离回路,确保放射性与热网隔离。池式低温供热堆选址灵活,内陆沿海均可,适合北方内陆。泳在经济方面,热价远优于燃气,与燃煤、热电联产有经济可比性。反应堆退役彻底,厂址可实现绿色复用。

低温核泳池也是余热用尽之后的清洁低碳供热热源,条件适合根据当地情况的时候可以考虑使用,但是仍然建议放在距离城市较远的地方。未来当一些火力发电厂由于服役年限等原因关停的话,如果低碳热源不足的情况可以考虑建设低温核泳池堆作为替代热源。

3.5.2凤麟核电宝

基于对核能与核安全的深入认识,“凤麟核”从源头确保核安全的革新理念出发,提出了超小型先进核能系统“核电宝”,它具备“超安全、超小型、超长效”的特征,不仅从源头避免了传统核事故,还能够将尺寸做得非常小,比如千瓦级只有排球那么大,兆瓦级可放在集装箱内,一次更换核燃料可以连续运行1030.“核电宝(Hedianbao)”这个专有名词已被世界核协会(WNA)收录,带动了国际国内核能研究领域的新热潮,美国、俄罗斯等核能强国近年来也公布了类似的核电源研发计划。在分析核能发展历程和目前能源的多元化需求的基础上,凤麟核提出“从源头确保核安全”的“四项革新”举措,并提出第五代核能系统(简称“核5G”)及其技术特征,并认为这将成为先进核能未来发展方向。

相信在不久的将来,小巧灵活的核电宝等小型化、低温化核能利用装置,结合灵活完善的城市热网,将实现城市供电供暖、海洋与海岛开发、船舶与航空航天动力等重要应用,为核能的安全高效利用开辟新途径。

4.网、站、户的变化调整

4.1进一步提升大热网调度水平和灵活性

电网是以电子为介质的高品位的能源输送网络,热网是以热水为介质的低品位能源输送网络,太原市早期集中供热热网是根据工程供热范围布置,经过多年发展,多个热网已经连接成一整张网,并呈现了一定的电网特性,只要回水温度足够低,经济输送半径就可以进一步加大。当电网无可再生能源接入,冬夏负荷差异较大,负荷的季节性变化主导系统运行状态,电网运行模式与现状大型热网运行方式类似,换热站类似于电网的变压器,目前的热网类似于常规的电网,各热源厂或热源类似于各火力发电厂,管网热损失类似于电网电损失。电网随着新能源的发电比例逐渐提高,系统运行方式分散性、日运行方式变化频率显著增加,电网会由各个新能源发电点分散的回收建筑自身无法消纳的电量;但对于各类低品味余热,如数据中心余热等,由热网来回收同时作为各散热设备的冷却系统则非常类似,就这对超大型热网的灵活性运行提出了很高的要求,可能今天热网属于放热状态,明天属于收集热量状态,输送方向也在经常变化。为此,热网的发展方向是如何充分发挥一张热网的作用,让热网变得更灵活,可控程度更高,安全性更高,配合蓄热设备,实现多元化经营。

 KC Kavvadias[6]等人认为电网和热网均起到能量输配作用,当供热半径≥200km时,使用电网输送能量效率更高,当供热半径≤200km时,采用电网输送更为合适。为此,对于一个大型城市,集中供热热网对于低品位能源的输配有很强的优势。

4.2热力站的多能互补

未来建筑行业,是决定一个城市碳中和是否成功的最重要的关键因素,建筑未来的发展方向继续降低建筑能耗或者是将风能、太阳能光伏与建筑一体化,通过城市有机物发电、地热与地质储能,发挥综合减排作用。建筑实现从耗能向产能的根本性转变,换热站作为一个小区内的低品位能源的交换中枢,未来的发展模式,可以参照德国住宅的集中供热模式。在德国,对于普通人来说,大多都是自己的小型房屋,由于采用何种供热方式,人们仍然可以自己考虑决定到底使用哪种方式供热,由于完全不同的系统,消耗的财力物力不同,人们会结合自己的财政支出和预算考虑,选择最适合自己的一种。集中供热投资和维护成本低,在新建建筑中比较受欢迎。由于换热站的新连接比较便宜,通常还会安装常规的太阳能辅助加热系统,该技术的维护强度较低,相较于自己供热省去了烟囱扫除的费用,建筑保险的成本通常较低。也不需要燃料储存许可证,并且可以更容易满足防火要求。

太原市的换热站经过多年的发展,大型集中供热系统的热力站已经由热交换站改建为吸收式换热期换热站、部分换热站还带有补燃式机组或调峰锅炉,无论是补燃型换热站还是能源的接入形式已经变得更加灵活多样。

因为,下一步利用管网蓄热和燃气提供个性差异延长供热服务,改善用户体验或者将热力站转型为一个多能互补的小型能源站,将小区内的风能、太阳能或者热泵等的能源综合整理后为用户服务,实现多能互补、多能协同,从而节省基础设施的投入成本,建立完整开放的清洁供热市场体系,运用大数据、信息化、互联网等技术手段促进各方合作,克服区域之间、城乡之间资源配置不平衡、项目落地不顺畅的难题,让先进的技术和产品和优惠政策发挥更大的作用,并最终把热力站做成小区能源交互的中心。

4.3二次网与热用户

降低终端建筑能耗[14]可以有效降低总的热源消耗,实现总体的节能减碳。为此,清洁供热领域的碳达峰、碳中和及其相关工作从热用户角度应该关注几个方面:

4.3.1老旧系统及老旧小区改造

一是大力实施老旧供热系统更新改造、供热系统节能改造、供热基础设施数字化、智能化建设以及建筑节能与用能改造,全面提高供热运行安全和保障能力,全面提升供热系统效能和用户采暖质量,构建安全、低碳、清洁、高效、智慧、经济的供热系统。

二是以“全生命周期”理念,以低碳、高效为目标,以安全、经济为前提,借助国家“碳中和”、“新基建”以及老旧小区改造政策,推进供热系统老旧设备改造、系统节能以及低碳替代改造,全面提升供热系统技术与装备水平。

4.3.2不断提升精细化调控水平

2019124日,住房和城乡建设部发布了“关于发布国家标准《近零能耗建筑技术标准》[15]的公告”,《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350-2019201991日起实施。规范中定义了超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑,其中零能耗建筑充分利用建筑本体和周边的可再生能源资源,使可再生能源产能大于等于建筑全年全部用能。其中,近零能耗建筑供暖年耗热量,严寒地区≤18kWh/m2·a),寒冷地区≤15kWh/m2·a)未来落实建筑领域提升节能标准的要求,在保证技术经济性好的前提下,尽快达到超低能耗标准,乃至更高水平的建筑节能标准;这也就要求集中供热企业要进一步提高自己的调控水平,将建筑能耗的控制精度持续控制建筑能耗的一定范围之内,才有生存的空间。

4.3.3 推行室温采集全覆盖,实现末端精确感知

用户室温数据是集中供热系统的神经末梢、是进一步提高精细化管理的必要数据、是未来实现大数据分析调整的必备数据、是提高用户满意度、是变被动处理为主动解决的必要手段,是我们用心工作、让用户安心,让党和政府放心的一项有效措施。为了解决现在室温采集设备难以准确定位及设备挪动时的数据剔除难题,且初投资高,后期难以维护的难题。为此,变化一种思路,与移动、联通、电信三家运营商进行了初步商讨了基于用户宽带路由器的室温采集回传方式,拟初步确定方案如下:由三大运营商进行无线温湿度检测仪以及配套安装售后服务,设备安装符合室温采集要求,并可以与路由器正常通信,通过低功耗蓝牙连接路由器上传至数据中台,实现与智慧热网平台对接并进行大数据综合展示、分析与应用。

4.3.4热用户增值服务

坚决控制能源消费总量,落实节能优先方针,把节能增效贯穿供热全过程和各个领域,转变供热运营方式,构建以用户需求侧为导向的安全、高效、智能化的供热调控系统,完成供热从“生产运行型”向“综合服务型”转变;通过技术和市场手段,以及社会宣传引导,普及“热”的基本特性和供热采暖基本常识,积极倡导健康、适度、绿色、低碳的采暖方式,提升节能意识和节俭消费观念,培育供热能源节约型市场,在提升供热品质的同时实现节能增效。

5新技术及制度保障

5.1科技创新及体制保障

能源技术革命是实施碳中和战略的核心驱动力,推动科技创新、产业创新、管理创新以及商业模式创新,全面提升供热系统技术与装备水平,这是实施供热碳中和战略的重要支撑[16];推动能源体制革命,深化供热体制改革,明确供热基本属性以及基本特性,解决历史沉积的价格以及投资体制问题,形成主要由市场决定供热价格的市场机制和政府补偿机制,建立公平的供热市场以及法治与监管体系,为实施供热碳中战略和保障供热事业可持续发展保驾护航。

5.2统筹协调及综合治理

碳中和战略涉及人口、资源、环境、安全、技术、经济以及消费等社会的方方面面, 绝非一城一池、一行一业之事,要坚持全局与系统观念。一方面,需要自上而下的引领指导和自下而上的配合支持;另一方面,也需要横向的综合协调与协同作战,分步实施,决不能搞“单打一”,孤军奋战,特别是在涉及电力资源安全保障、热电协同发展、建筑节能降耗、技术装备升级、社会节能响应,供热资源整合、智慧城市、智慧能源以及相关政策、法规、标准等方面,都需要资源共享、统筹协调,综合治理,融合发展。

5.3数字化转型及智慧供热

热力企业面向“双碳”,打造“双建”:即建立供热企业级编码规范、建立供热企业评价体系(安全、经济、绿色三个维度,绿色主要是针对双碳设计的评价体系)。

市场方向:国家发改委于20201231日,发布《碳排放交易管理办法(试行)》,其中第二十一条,明确协议转让、单向竞价,参与者既可以是机构,也可以是个人。

故而,我们的借住集中供热事业的基础和优势,面向用户,提供能量。集中供热,过去是面向热用户,现在及将来是面向能量用户,尤其是伴随着用户侧电气化改造,逐渐形成电用户。

国家电网若想增加电量供给,需要在它的上游发电端增加投入,在下游增加电容量,他们在上游优势比我们大,但是不具备我们换热站的土地储备优势。

第一步:换热站升级为区域能源站,打造综合能源微网。所有新增设备均按照统一编码,编码充分考虑“双碳”属性,同时在评价体系,对“碳捕捉、碳核定、碳存储、碳交易”均做出评价;

第二步:依据“编码规范”和“评价体系”,打造数据中台,建设统一数据库、大数据算子库。实现目标:数据安全且共享,数据价值能挖掘,运维+碳交易同平台的软件体系;

第三步:一定是轻资产运维,赚高附加值的钱。源侧,提供源侧(余热、热泵、电热泵、储能、储电)技术咨询及标准;用户侧,提供用户侧电气化改造的技术咨询及标准;

盈利模式:通过区域能源站,或者是综合能源微网,提供比电网更便宜的电,同时在清洁能源能量端,积累碳排放指标。面向用户(包括个人用户,甚至主要是个人用户),趸售电、热、碳排放指标。

为此,供热将从传统生产运行模式向舒适、个性、数字、智能、综合化服务型转变,实现经营业态转型;供热将从传统的粗放式管理向精细化、信息化、智能化、精准供热方向转变,实现智慧供热目标。

5.4新能源供热

5.4.1能源岛的建设

能源岛旨在横向构建冷热电多能互补、纵向优化源网荷储的综合能源系统,实现清洁能源高效利用和多种能源互联互济网,该模式下如何结合地域条件,选择合理的能源类型,实现多能流系统的耦合及冷、热、电多种能源产品和用户能源行为显得尤为重要[17]。太原市正在逐步推进能源岛的建设,利用分布式光伏、地热能、生物质能、储能、其他清洁能源[18]等,通过合理优化消纳控制方案,实现零污染、零排放,水资源零损失的零碳能源供热。

5.4.2深层地源热泵的建设

地源热泵一直是清洁供热的主力构成,但是一直未曾在太原市大规模应用。为此,太原热力集团与中国科学院院士、太原理工大学教授赵阳升合作开展针对太原市区增强型(EGS)地热勘探、开采与规模供暖示范工程项目。项目目的是获得太原市寒武纪地层高温地热资源开采的关键工程参数,为100万平米级别规模供暖工程设计提供技术参数,同时为今后项目的应用与推广奠定基础。

地热供热示范项目属可再生绿色低碳清洁能源,项目开展实施后环境效益明显。该项目技术的大规模推广应用将来有望替代太原市燃煤供暖,实现太原市能源利用转型,加快能源革命推进步伐,节能减碳效益显著。

5.4.1大型太阳能供热装置

太阳能供热一般小型化应用比较多,大型的太阳能供热在我国新疆和德国等都有类似的工程,但是仍然采用的是真空管技术,单位成本仍然过高,随之太阳能直热的效率要远高余太阳能发电,但综合能源成本反而比太阳能发电还高。

3—德国大型太阳能供热案例

为此,为了降低太阳能集热器的制造成本,解决平板集热器热损大,不抗冻的难题,做出普通老百姓能够安的起、用的起的太阳能供暖系统。新型平板集热器的板芯,正是利用了这一自然景观,吸热板的一面是吸热涂层,另一面就是徐徐而下的流水,我们称这一技术为背流,因为这个技术是迄今为止,太阳能集热器制造中,制造成本最低、热转化效率最高的生产技术,没有之一,对全球正在实施的“碳达峰”“碳中和”意义非凡。因为它能比现有平板集热器的制造成本下降了50%以上,同时,在冬季,低温供暖时,它比现有平板集热器的有效得热量大辐度提高,说句吹牛逼的话,这是太阳能集热器制造行业,一次划时代的技术革命。

一块1000mm*2000mm的新型平板集热器得热量相当于22~23支Φ58mm*1800mm的全玻璃真空管的得热量。

4—背流平板式太阳能集热器

清洁供热领域要把新发展理念准确全面的贯彻到清洁供热工作当中,把创新驱动作为清洁供热的第一动力,加大新技术、新产品、新工艺的研发应用,通过不断的节能降碳技术改造,推动清洁供热产业再上新台阶。太阳能供热只要成本控制的合适,完全可以作为大型蓄热体的夏季热源进行储热,其比电厂余热更加清洁低碳。

5.5余热及碳排放的政策

推行关于余热的政策:关于电厂余热回收的碳排放交易政策[19],将来大温差改造,类似于电动车的碳排放奖励,电厂余热回收的碳排放奖励,区别纯火力发电厂与余热回收电厂之间的区别。

6.结论

1)大型集中供热企业应该顺应、把握行业发展趋势与方向,力求在发展中不断完善自己,超越自己,实现跨越式发展。目前作为主体电源的火力发电逐渐转变为基础性和调节性电源,在很长以及未来一段时间内,其余热仍然是大型集中供热的主力热源,但是其负荷的不稳定下一步将会进一步凸显,应采用技术措施妥善处置。

2)对于大型供热管网,应该转变思路,进一步提高其灵活性,想斯德哥尔摩等供热管网看齐,提高其作为低品位能源输配的灵活性,并充分降低回水温度,提高输送效率,为深度回收余热做准备。  

3)对于天然气,应进一步控制使用总量,高效使用,跟随燃气结构逐渐置换。

4)节能降耗是大型集中供热系统的优选,与企业精细化管理之路不谋而合。

5)做好余热和自然热源利用是供热行业实现双碳目标的必由之路,蓄热将来会迎来飞速发展,在蓄热发展的基础上,应该进行技术创新,尝试各种各种新能源,做到低碳壮行。

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通讯作者:齐卫雪,19861230日生,工程师,qiweixue1230@163.com18935135386。投稿方向:低碳、零碳供热模式研究。


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