大城市中心城區的供熱形式

前言

　我國能源資源總量居世界第3位，現為世界第3大能源生產國和第2大能源消費國，若保持現開采強度，煤炭的儲采比不足百年，已探明的石油和天然氣儲量僅夠開采幾十年。因此，我國常規能源資源并不豐富，應建立正確的資源認識，并具有相應的憂患意識。我國在能源利用效率方面與先進國家存在較大的差距，在國家能源發展戰略上要充分體現把提高能源利用效率作為基本出發點。

　熱力、暖通空調技術是基于對能源有效利用等可持續發展的觀點為原則而取得進展的。我國具有良好環保和節能特性的城市熱力供應系統。下面著重討論燃氣輪機熱電聯產用于區域集中供熱供冷系統的可行性及大城市中心商務區和高密度住宅區熱力供應的方式。

1國內外熱力供應現狀

　我國以煤炭為燃料的熱電聯產、集中供熱是當前東北、華北各大中城市發展熱力供應的主流模式。

　區域燃煤鍋爐房作為熱源的集中供熱系統是當前東北、華北各大中城市最主要的供熱方式，隨著國家經濟水平的提高，對環境保護的要求將越來越高。如今，北京已將部分區域燃煤鍋爐房改為燃氣或燃油鍋爐房，極大地增加了供熱成本。

　分散獨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。

　在長江流域的大中城市，民用住宅不設置供暖設施，所以長江流域的大中城市尚沒有建立起以熱電廠為熱源的熱網。

　在華南地區，因其地處亞熱帶區域，冬季無采暖需求，建筑物的空調負荷是其熱力供應的主要形式，目前在華南地區的大中城市，分散獨立的空調機房作為辦公樓、酒店、公共商業設施等建筑物中央空調系統的冷源是最普遍的形式。居民住宅則基本上都采用電力驅動的房間空調器。

　俄羅斯因其熱力供應系統在國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，其他都以燃氣作為燃料。為了保證城市的空氣質量，熱電廠盡量建在郊區，新建熱電廠都位于城市邊界環形公路之外，供熱介質進行遠距離輸送。莫斯科擁有全世界****的熱水熱網。

　日本的關東、關西地區與我國的華北、華東、華中地區的氣候條件相似，其城市熱力供應的形式對我國華北、華東、華中地區城市熱力供應系統的建設有一定的參考價值。日本自20世紀70年代初期開始，建設了許多區域集中供熱供冷系統(DHC)。

2 大城市熱力供應的形式

2．1設計觀念、建設方式的突破

　當前，我國在考慮建筑物的節能時，主要是以提高建筑物的圍護結構熱工性能、減少熱負荷為主要思路和出發點，其實提高供熱、供冷系統冷、熱源和系統的能源綜合利用效率具有同樣重要的意義。

2．2 DHC是熱力供應的發展熱點和方向

　從能源的有效利用和環境保護出發，對于大城市的高容積率區域(如中心商務區CBD)，以天然氣為燃料，熱電冷聯供(CCHP)的區域集中供熱供冷系統(DHC)是城市熱力供應的發展方向。建設以天然氣為燃料的燃氣冷熱電聯供系統，以淘汰常規的鍋爐供暖和電力空調制冷系統，不僅一次能源利用效率高，實現能源的梯級利用，還能緩解夏季空調制冷用電高峰，充分利用天然氣輸氣管網，而且可以大大減少污染物和溫室氣體的排放，有利于環境保護。

(1)大城市中心商務區熱力供應形式

　隨著我國西部地區天然氣資源的逐步開發，西氣東輸項目的實施完成及俄羅斯天然氣進入中國市場，通過天然氣規劃的實施，2005年以前將有14個城市、7200萬人口使用天然氣，用氣量達202億m3。到2010年，270個城市利用天然氣414億m3，到2020年城市利用天然氣將達到937億m3。上述情況使大城市中心商務區(CBD)以天然氣為輸入能源，熱電冷聯供(CCHP)的區域集中供熱供冷系統(DHC)作為CBD區域的熱力供應形式成為可能，區域集中供熱供冷系統以天然氣作為能源的輸入形式具有以下優勢。

①在我國東部地區大城市，空調負荷集中在電網負荷高峰期，空調使用期內平均負荷率只有40％。為空調設備供電的這部分輸配電設備一年里只利用幾百個小時，利用率極低，難以用正常的電費回收彌補其損失，導致發電及輸配電成本上升。夏季電力最高負荷中空調用電占35％以上．2003年夏季上海市用電負荷超過l 200萬kW，北京市用電負荷超過800萬kW，空調負荷的快速增加使我國電網的峰谷差增加，平均負荷率降低，造成發電輸電資源的浪費。我國現尚處于空調發展的初始階段，隨著空調的發展，其對電力負荷特性的影響還會加大，對電力工業經濟的影響不可低估，以天然氣作為能源輸入形式的區域集中供熱供冷系統可以平抑由于空調系統運行而造成的電網峰谷差。

②根據我國主要城市的供氣情況，燃氣消費季節性不平衡是城市燃氣發展中的一大難題。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，管網利用率只有30％左右，季節性的不平衡導致管網利用率極低并需投入高成本建設儲氣設施，造成燃氣成本加大，區域集中供熱供冷系統以天然氣作為能源的輸入形式能對天然氣起到填谷的作用，緩解天然氣消費的季節性不平衡問題，提高燃氣管網的利用率。

③電力空調設備的發展需要大量相應的發電、輸電和配電等電力基本建設投資，可以說用戶每安裝l套電力空調系統，國家需要投入比用戶購買空調設備還要多的錢來建電廠、電網以保證供電。如用戶每使用l kW負荷的電力空調投資為3 000元，國家為此發電設備投資按6 000元/kW計，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。為了滿足高速增長的空調用電需求，如此比例的電力投入是否合理，如果這筆巨額的電力建設費用分攤到用戶身上，則比其空調設備本身的投入還要多許多倍，否則，國家就要負擔這筆巨大的電力建設投資。采用以天然氣為輸入能源，熱電冷聯供(CCHP)的區域集中供熱供冷系統(DHC)從總體投資上更加經濟合理。

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

l—燃氣輪機；2—燃氣輪機直接驅動的發電機組；

3—燃氣輪機直接驅動的離心式冷水機組；4—余熱鍋爐；

5—背壓透平機組；6—凝汽透平機組；

7—背壓透平機組直接驅動的離心式冷水機組；

8—凝汽透平機組直接驅動的離心式冷水機組；

9—蒸汽型吸收式制冷機組；lO—蓄冷裝置

圖l集中供熱供冷(DHC)裝置主要設備及流程

(2)天然氣區域集中供熱供冷系統的技術問題

以天然氣熱電冷聯供區域集中供熱供冷系統(DHC)設計規劃中應解決如下技術問題。

①針對區域內各建筑物全年熱電冷負荷曲線的特性，要進行熱電冷聯供系統(CCHP)優化配置的研究。這里包括CCHP系統的優化設計及主要設備的優化配置模型，例如燃氣輪機容量的選擇，燃氣輪機所驅動的發電機容量的確定，背壓機組容量的確定，抽凝機組容量的確定，蒸汽型吸收式冷水機組容量的選擇，蓄冷裝置大小的確定等。研究不同外部環境下系統****配置及運行模式的選擇，整體系統****配置的建模計算方法。

　在東京新宿新都心地區的CCHP系統中，兩套由燃氣輪機直接驅動的發電機組分別向DHC中心和區域內的建筑物供電，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。根據負荷的特性，在系統的設計上采用了由背壓透平、離心冷凍機及雙效吸收式制冷機組合成的串級系統承擔基本負荷，由凝汽透平、離心冷凍機組成的系統承擔尖峰負荷，基本負荷的容量約占整個系統負荷容量的7％。

②熱電冷聯供系統協調控制研究。因一年乃至一天中不同時段電、熱、冷負荷的變化，要實現合理的熱、電、冷聯產系統的運行方式以達到****的經濟效益，需對系統進行優化控制，為此需要研究開發出一套將熱電聯產系統和供熱供冷系統作為一個整體優化協調的熱、電、冷聯產控制系統。

③對于中心商務區(CBD)的熱電冷聯供(CCHP)區域集中供熱供冷(DHC)系統，由于區域內建筑物在一天中的電力負荷、供熱空調負荷、及 DHC中心的用電負荷都有很大的變化，從降低系統的高峰負荷，減少設備的裝機容量降低投資，提高設備的利用率及使用效率出發，應研究采用蓄能技術。當前蓄能系統的種類較多，蓄能方法各異，蓄能介質和蓄能設備也不相同，應研究適合于熱電冷聯供(CCHP)區域集中供熱供冷(DHC)系統的蓄能模式和蓄能容量的確定方法，使DHC系統的綜合效益達到最優。

　在國外，蓄能技術已廣泛應用于區域集中供熱供冷(DHC)系統中，此類工程實例很多，如美國芝加哥有蓄冷量達232 MW．h的DHC系統實例，日本關東地區有蓄冷量達106 MW·h的DHC系統實例，在已有工程實例中，蓄能介質和蓄能設備多種多樣，有采用動態冰泥方式的，有采用管外結冰方式。

④在熱電冷聯供(CCHP)的區域集中供熱供冷(DHC)系統中，DHC中心的布局位置將直接影響 DHC中心自身的造價，同時也影響到管網系統的設計，而管網系統的設計則直接影響管網系統的投資費用，管網的動力消耗和熱力消耗，所以在DHC系統設計時，DHC中心的布局位置和管網系統的優化設計就顯得尤為重要。應建立優化設計方法，研究以DHC中心的投資費用，管網系統的投資費用、管網系統的動力消耗、管網系統的熱力損失為目標函數的數學模型及計算方法，綜合考慮動力消耗、熱力消耗、投資費用，使整個DHC系統的設計達到最優。

(3)高密度住宅區供熱供冷形式

　在我國現有的住宅中，家用空調器的使用最為廣泛，由于價格適中，安裝簡單方便，使用靈活，用戶可根據需要隨意開關自行掌握使用費用。

　因住宅小區中，各住戶居民的生活和工作規律不盡相同，有的家庭白天無人，無需空調，有的家庭有老人兒童，需使用空調。如住宅小區采用集中空調系統，為了滿足不同業主的需求，需要全天開機運行，造成系統部分負荷運行時問長，運行費用較高等弊端。由于系統在低負荷工況的運行效率低，能耗高，所以單位冷量的運行成本要高于經濟工況許多，所以即使采用按冷量計量裝置計量收費，也無法區分業主在系統低負荷階段及高負荷階段所消耗的冷量，無法公平計費。所以，適用于高密度住宅區的空調系統應該將目前集中空調系統和家用空調器的一些優點結合起來。

　我們提出一種將家用空調器的優點和中央空調系統的優勢相結合起來的空調系統。在這種系統，每一個建筑單元都安裝一套壓縮冷凝機組，冷凝器采用特殊設計的水冷形式，充分利用壓縮機高溫排氣，使冷卻水的出水溫度能夠達到42～45℃．壓縮機和冷凝器封裝在一個隔聲隔熱的機箱里，機箱可以做成如冰箱似的箱體，結合建筑物的整體布局計，放置于建筑單元內衛生問、廚房、公共走廊或門廳吊頂等輔助區域內。為了提高COP系數，末端置應采用直接蒸發風機盤管。在整個住宅小區，建設集中的冷卻水循環系統，向每一棟住宅的每個建筑單元提供冷卻水，每個建筑單元的冷卻水道上安裝計量裝置作為向業主收費的依據，集中冷卻水系統把每個建筑單元壓縮冷凝機組所排放熱量收集起來，作為生活熱水的熱源之一，進人生熱水系統，輸送到每個建筑單元。如果空調機組的排熱量少于或接近于加熱生活熱水所需的熱量，壓縮冷凝機組的熱回收系統與生活熱水系統相結合行設計，可以省去冷卻塔設備，省去了冷卻塔部分的初投資。如果空調排熱量遠遠大于生活熱水所需的加熱量，則應同時設置冷卻塔系統，但冷卻塔的容量減小許多，同樣降低了冷卻塔系統的投資費用。

　熱電冷聯供(CCHP)區域集中供熱供冷(DHC)系統的熱力供應形式也應是大城市高密度住宅區的民方向和趨勢，目前沒有在我國住宅建設中得到應用。住宅區DHC系統冷源設備的容量通常只選擇住宅區建筑物全部冷負荷的50％～60％，而且 DHC系統由于是規模化經營，設備折舊期長，折合到每l m3住宅面積上的建設費用和運行費用也并非特別高。據有關可行性研究的結論，初投資折合250-400元/m2，運行費用不高于現家用空調的運行費用，消費者應能夠承受DHC系統的初投資費用和運行費用。另外，在我國目前有關城市規劃及房地產法律法規的環境下，對實施DHC系統的投融資辦法、收費制度、設施的產權界定和折舊方式等一系列政策問題尚未解決的情況下。對于高密度住宅區采用DHC系統進行冷熱聯供的條件尚不成熟。

3結語

　應站在戰略的高度認識我國提高能源使用效率的重要性和緊迫性，從國家能源的有效利用和環境保護出發，趨利避害，吸收國際上各種先進的設計思想。隨著我國的社會進步和經濟發展，天然氣作為大城市主要能源形式將是一個必然趨勢，建設以天然氣為燃料的燃氣冷熱電聯供系統，實現大城市中心城區等建筑物密集區域的熱力供應，不僅一次能源利用效率高，實現能量的梯級利用，還能緩解夏季空調用電的高峰，提高電力設施的投資效益，緩解天然氣消費的季節性不平衡，提高燃氣管網的利用率，而且極大地減少了污染物和溫室氣體的排放，有利于環境保護。國家應在政策的制定上積極支持保護先進的熱力供應形式，由于建設以天然氣為燃料的燃氣冷熱電聯供系統涉及電力、燃氣、熱力、房地產等各集團的自身利益，政府部門和立法機構應積極參與制定相關政策，平衡來自各利益集團之間的矛盾。政府各級規劃部門也應積極倡導和采用先進的熱力供應形式，以提高我國城市熱力供應的水平。