實(shí)現(xiàn)200億㎡北方城鎮(zhèn)供暖零碳化

實(shí)現(xiàn)200億㎡北方城鎮(zhèn)供暖零碳化零碳熱源從何而來(lái)？目前北方城鎮(zhèn)建筑供熱面積約160億㎡，平均按照0.3GJ/㎡的話，總的供熱量需求為48億GJ。熱量的主要來(lái)源：45%為熱電聯(lián)產(chǎn)余熱，40%為燃煤和燃?xì)忮仩t，15%為熱泵和分散的燃?xì)忮仩t。到2060年，北方城鎮(zhèn)供熱面積約為200億㎡，建筑做好節(jié)能改造后，平均按照0.25GJ/㎡計(jì)算，總的供熱量約為50億GJ。建筑零碳化的實(shí)施方案為——一是完全依靠各類電動(dòng)熱泵，實(shí)現(xiàn)全面電氣化，但是由于安裝位置的限制，高層建筑會(huì)被整的亂七八糟。另外會(huì)使得冬季電負(fù)荷增加2億kW，電量增加4000億kWh，目前冬季供熱的電力缺口為6.5～7億kW，再加上這兩個(gè)億就差8～9億kW，所以就惡化了冬天的電力缺口。二是依靠各類余熱熱源，變廢為寶，可能可以比較好的解決這個(gè)問(wèn)題。未來(lái)的零碳熱源通過(guò)建筑節(jié)能改造后，未來(lái)的建筑用熱總量為50GJ，電力缺口為6kW，零碳熱源主要有以下幾個(gè)方面：中國(guó)核電一共有2億kW，北方地區(qū)沿海（從山東往北計(jì)算）至少會(huì)有5000萬(wàn)kW，1.5億kW在南方，冬天的余熱都排放到海里，實(shí)際上有0.6億kW的余熱，全年的總量應(yīng)該有15億GJ。調(diào)峰火電全國(guó)一共6～7億kW，北方地區(qū)有3億kW，熱電聯(lián)產(chǎn)如果利用好了會(huì)有3.6億kW的功率，全年的余熱總量為20億GJ。此外，北方冶金、化工、有色、建筑領(lǐng)域全年余熱總量約為15億GJ，數(shù)據(jù)中心和垃圾焚燒領(lǐng)域全年余熱總量約為10億GJ。以目前的技術(shù)，很難把所有的余熱都利用起來(lái)，比如只回收70%，供熱功率可以達(dá)到3.6億kW，而建筑供熱的總需求量為6億kW，光靠余熱是不夠的，僅能滿足60%的建筑用熱需求，其他的40%采用熱泵供熱，增加的電功率為0.8億kW。但是，如果采用跨季節(jié)儲(chǔ)熱，把全年的余熱量全部利用起來(lái)的話，則可以滿足熱量需求的85%，其他15%采用熱泵供熱，增加的電功率僅為0.3億kW。實(shí)現(xiàn)零碳熱源必須破解的三大問(wèn)題采用跨季節(jié)儲(chǔ)熱就需要安裝大規(guī)模的跨季節(jié)儲(chǔ)熱裝置，這是現(xiàn)在沒(méi)有的，已經(jīng)提到了議事日程上。要想把這些余熱利用好就必須解決三大問(wèn)題：一是熱源產(chǎn)熱和終端用戶用熱在時(shí)間上不同步。熱源根據(jù)生產(chǎn)需要排出熱量，比如全年排熱，而終端僅冬季需要用熱。以數(shù)據(jù)中心為例，全年都排熱，拿這個(gè)余熱來(lái)采暖，僅僅冬天使用的話只能利用它的1/3不到，而如果把余熱儲(chǔ)存起來(lái)都在冬天使用，供熱面積可以提高三倍以上。要想做到全部余熱的利用就需要建設(shè)大規(guī)模的跨季節(jié)儲(chǔ)能裝置，實(shí)現(xiàn)熱源端與用熱側(cè)之間的解耦。二是熱源的分布位置與用熱終端地理位置不一致，比如北京沒(méi)有，但是唐山有很多，那就需要長(zhǎng)距離跨地域經(jīng)濟(jì)輸送熱量。長(zhǎng)距離輸熱的經(jīng)濟(jì)距離與管徑成正比，800cm的管能輸送30公里，而1.6m的管就能輸送60公里，規(guī)模加大了距離也就拉長(zhǎng)了；采用大溫差熱水循環(huán)，比如40℃提高到80℃，使經(jīng)濟(jì)輸送距離達(dá)100公里以上；通過(guò)“水熱同送”技術(shù)，單管輸送，使得經(jīng)濟(jì)輸送距離可提高到200公里；全國(guó)統(tǒng)一規(guī)劃，一張藍(lán)圖分片實(shí)施。三是熱源輸出的參數(shù)與終端用熱的參數(shù)不匹配。如果不同參數(shù)的熱量摻混，或“就高不就低”，就會(huì)造成巨大浪費(fèi)。通過(guò)基于吸收式或電動(dòng)熱泵的熱量變換裝置，可以改變參數(shù)變換熱量。大規(guī)模跨季節(jié)儲(chǔ)熱的可能性儲(chǔ)熱的方式主要有相變儲(chǔ)熱、地下埋管和地下土壤蓄熱、儲(chǔ)存熱水、冬儲(chǔ)冰供夏用和夏儲(chǔ)熱水供冬季用。這些方式都有做過(guò)嘗試，比如在內(nèi)蒙古的山上做了一個(gè)世界上最大的地埋管儲(chǔ)熱項(xiàng)目，把工廠的余熱儲(chǔ)存起來(lái)供冬季使用，但是發(fā)現(xiàn)會(huì)把余熱的品位降低，并不合適。通過(guò)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，建設(shè)大型儲(chǔ)熱水庫(kù)是最有可能實(shí)現(xiàn)的，在水庫(kù)上面加一個(gè)蓋，儲(chǔ)存90℃的熱水，流經(jīng)用熱側(cè)后最終降到了15℃返回，中間有75℃的溫差。有人可能會(huì)質(zhì)疑，夏天儲(chǔ)存的熱水到冬天就變成涼水了。其實(shí)并不是這樣，一杯水可能一下就涼了，要是一立方米的水箱里面放入90℃的熱水，一下午它的溫度也降不下來(lái)，要是把一個(gè)大禮堂一樣大的水箱都儲(chǔ)存上熱水，一個(gè)禮拜甚至十天溫度都降不下來(lái)，這符合傅里葉定律。按照傅里葉數(shù)，F(xiàn)0＝at/R2，尺度增加一倍，時(shí)間能增加4倍，因此只要尺度足夠大（大于30m），就能減少熱損失和品位損失，最小的規(guī)模為10萬(wàn)立方米以上。建設(shè)大型儲(chǔ)熱水庫(kù)要考慮到土地資源造價(jià)，僅建筑供暖，按照1立方米/平米建筑計(jì)算，1000萬(wàn)平米建筑需要1000萬(wàn)立方米的土地，如果找一些山頭和荒地，建設(shè)大型儲(chǔ)熱水庫(kù)的成本能夠控制在100元/立方米以內(nèi)。1958年開(kāi)始，中國(guó)建了大量的水庫(kù)，解決水害的問(wèn)題，同時(shí)保證農(nóng)業(yè)灌溉的用水需求，其實(shí)并不需要如此大的容量，不可能完全開(kāi)發(fā)利用，需要尋找合適的地理?xiàng)l件，充分利用溝、塘和地下空間，還可以進(jìn)行整修，加浮蓋后開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能光伏。水庫(kù)為了解決用水、防洪、發(fā)電問(wèn)題可以占用土地建設(shè)，蓄熱水庫(kù)為了實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，解決熱源問(wèn)題，且表面可以發(fā)電，同樣可以占用土地建設(shè)，前提是做好科學(xué)選址和環(huán)境評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)綜合開(kāi)發(fā)利用。我國(guó)北方需要儲(chǔ)熱30億GJ，庫(kù)容約100億立方米，很多人會(huì)覺(jué)得投資成本太高了，但是建設(shè)大型儲(chǔ)熱水庫(kù)相比儲(chǔ)電相比，成本不到其1/10，如果儲(chǔ)電的目的就是用熱，那為何不直接儲(chǔ)熱呢，所以從新的角度來(lái)看待這個(gè)問(wèn)題，這就變成合理的事情，也是該去做的事情。跨季節(jié)供熱的收益建設(shè)大規(guī)?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱裝置回收全年的余熱，避免春夏秋季熱量的浪費(fèi)，收益為投資的2～3倍。熱量回收、輸送裝置、系統(tǒng)得以全年利用，系統(tǒng)回收期縮短，原來(lái)系統(tǒng)只工作三四個(gè)月，另外八九個(gè)月全歇著，現(xiàn)在全年運(yùn)行，系統(tǒng)利用的投資就減少了。建筑冬季供熱、工業(yè)生產(chǎn)用熱都會(huì)大范圍波動(dòng)，無(wú)蓄熱裝置時(shí)必須按照可能的最大負(fù)荷安排熱源和輸配功率，而有了蓄熱裝置后，可以使系統(tǒng)容量減少到原來(lái)的1/2到1/7。通過(guò)大型水庫(kù)蓄熱，可以使熱量供給的可靠性大幅度提高，保證民生需求。對(duì)于熱源來(lái)說(shuō)，供熱系統(tǒng)是其冷卻系統(tǒng)，大容量蓄熱裝置可以提高熱源冷卻的保證率?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱的成本雖然高，但是遠(yuǎn)低于儲(chǔ)氫、儲(chǔ)電、儲(chǔ)水發(fā)電、儲(chǔ)高壓氣等方式。長(zhǎng)距離經(jīng)濟(jì)輸熱從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，輸熱距離不斷延長(zhǎng)，目前銀川、石家莊、太原、呼和浩特、西安、濟(jì)南、鄭州、烏魯木齊等北方省會(huì)城市都在做長(zhǎng)途輸熱工程。經(jīng)濟(jì)輸送距離與管徑成正比，規(guī)模越大、流量越大，距離越短。保溫材料的進(jìn)步和局部冷橋的處理使得管道散熱降低，管徑越大、流速越快，相對(duì)熱損失越小。大溫差輸熱技術(shù)，供水溫度從120/60℃發(fā)展到120/20℃，使得同樣流量下熱量提高70%，顯著改善了經(jīng)濟(jì)性。水熱同送，單管輸送，成本進(jìn)一步降低至一半。熱量變換避免摻混損失，實(shí)現(xiàn)供熱匹配未來(lái)就是一根大管網(wǎng)，由跨季節(jié)儲(chǔ)熱、工業(yè)余熱等聯(lián)合輸送到區(qū)域熱網(wǎng)，滿足建筑供熱等用熱需求，這樣一來(lái)就必須統(tǒng)一參數(shù)，比如90/20℃，于是就要做熱量變換。熱源提供者送入熱網(wǎng)的溫度必須統(tǒng)一調(diào)整到要求的溫度，比如120℃；熱量使用者返回?zé)峋W(wǎng)的溫度必須統(tǒng)一調(diào)整到要求溫度，比如20℃。那么，可以通過(guò)第一、第二類吸收式換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量變換，就和變壓器一樣，實(shí)現(xiàn)不同溫差的熱水溫度的變換，現(xiàn)在已經(jīng)有好幾個(gè)企業(yè)在大量生產(chǎn)，年產(chǎn)值也有幾十億。末端要用蒸汽怎么辦？通過(guò)閃蒸罐將熱水閃蒸成低壓蒸汽，然后經(jīng)過(guò)水蒸氣壓縮機(jī)壓縮到工業(yè)要求參數(shù)的蒸汽，而且是小裝置，冷凝水的回收利用也很靈活，這都是靠集中供熱的余熱經(jīng)過(guò)末端的電動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。長(zhǎng)江流域及以南地區(qū)建設(shè)大型能源站合適嗎？能源站配置：大規(guī)模集中冷源，100萬(wàn)～300萬(wàn)平米規(guī)模，7～12℃供冷；燃?xì)忮仩t或引入熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱熱源。運(yùn)行管理模式：按照面積收費(fèi)，如50元/㎡/年；“全時(shí)間、全空間”模式運(yùn)行；按照計(jì)量冷熱量或風(fēng)盤運(yùn)行時(shí)間收費(fèi)，風(fēng)機(jī)盤管運(yùn)行小時(shí)數(shù)很低，約30%；溫差降到2～3k，泵耗占比接近40%。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)機(jī)盤管的開(kāi)啟數(shù)量比上面多聯(lián)機(jī)的室內(nèi)機(jī)開(kāi)啟數(shù)量還要少，根本就不開(kāi)，結(jié)果整個(gè)系統(tǒng)的某一個(gè)瞬間只有10%的末端開(kāi)著，更可怕的是系統(tǒng)的電磁閥可是不關(guān)的，即使風(fēng)機(jī)停了，水依然在走，水泵的能耗特別多，只有2℃的溫差，結(jié)果水泵的電耗和主機(jī)的電耗有得一比。而按照規(guī)定需要5℃的溫差，像這種大規(guī)模的項(xiàng)目，得設(shè)計(jì)8～10℃的溫差。因此，上述兩種運(yùn)行管理模式都不行。那為什么還要做的？得到的答案是節(jié)省建筑空間和節(jié)省總的初投資。節(jié)省總的投資是對(duì)的，但節(jié)省建筑空間是偽命題，用直徑一米的管子把水送到各個(gè)樓里面去，把地下空間全占了。供熱項(xiàng)目的管道都是50℃的溫差，而它只有5℃的溫差，流量特別大，所以地下空間并不省。可以給樓里面節(jié)省一點(diǎn)機(jī)房的面積，但還是有換熱器和水泵在運(yùn)行。為什么已經(jīng)“屢戰(zhàn)屢敗”還要“屢敗屢戰(zhàn)”？投資商通過(guò)“綠色”獲得低價(jià)空間，高價(jià)收取運(yùn)行費(fèi)獲利，因?yàn)楣┙o端和使用端二者不均衡，末端弱勢(shì)，不管是后來(lái)租房子的商業(yè)建筑，還是把房子賣給了老百姓，到時(shí)候規(guī)定就是這個(gè)價(jià)錢，最后也沒(méi)人去算賬，因此使用者的地位是不平等的，無(wú)選擇權(quán)，不知情。儲(chǔ)能是建設(shè)零碳能源系統(tǒng)的關(guān)鍵電力：風(fēng)電光電的輸出由自然狀況決定，而非需求決定；熱力：各類余熱熱源的輸出量是由其生產(chǎn)者的主營(yíng)業(yè)務(wù)決定，與使用側(cè)的需求無(wú)關(guān)；儲(chǔ)能已成為可再生和零碳能源發(fā)展的核心和關(guān)鍵，初期：源側(cè)的初投資是主要矛盾，少量不可調(diào)能源并不影響系統(tǒng)調(diào)控；目前：不可調(diào)控源的比例增加到一定程度，調(diào)控成為主要矛盾，只能