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周宏春:清洁供热产业系列讨论之八:电供热的长短利弊简单分析

发布者:CHIC | 日期:2020-07-17 | 来源:宏春观察 | 阅读:761

清洁供热,因近年来的环境保护推动(有别于原来的城镇供暖)而得到快速发展。清洁供暖就是要求供暖对环境的不利影响要最小化,或者说供暖不能污染环境;对农村而言供暖不能把室内搞的“乌烟瘴气”的。

一、一般概述

“煤改电”,有人喜欢用“煤代电”的说法;简单地说,就是用电供暖来代替煤供暖,目的是减少供暖的环境污染。

总体上看,“煤改电”的出发点是好的,得到不少居民群众的拥护,也得到国家能源局的首肯和支持,因而可能是未来供暖发展的趋势。

另一方面,“煤改电”的不足也非常明显。从能源利用效率看,由于目前发电的热效率一般不足40%,电网损失一般在7%左右,终端利用效率(即使电机效率达到98%)不可能百分之百,综合效率只有30%多一些。从这个意义上说,以尽可能少的电源消耗获得最大的供暖效率,是努力方向。

从经济性看,电供暖不仅需要购买电动热泵的一次性投资,日常运行也需要耗电,总体上单位面积供暖的费用是偏高的。

电供热可以分为直接供热技术,如发热电缆、电热膜、蓄热电暖器等方式(以下简称“电直热”)、电动热泵供热技术,如采用各类电驱动热泵(以下简称“电动热泵”)和电用锅炉(蓄热)集中式供暖设施等类型。

二、电直热方式

电直热方式,就是把电能直接转换成热。

每个人都有这样的经验,靠近白炽灯会有暖和的感觉;家庭浴室里用的热霸也会给人这种感觉。

这就是最简单的电直热方式。好处是灵活,需要的时候开一下,不用的时候就关掉。

听过一个介绍,现在的电直热,可以让一个人坐的空间变暖。

电直热方式,可以在电力负荷低谷期把多余的电力转换为热量,不仅能为当时的供热需求提供热源,还能储存热量以满足电力负荷高峰期供热需求。局部看,确实避免了使用燃煤燃气锅炉供热的污染物排放,通过蓄热解决了电力供给侧和需求侧不同步的矛盾,似乎是实现清洁取暖的有效途径。

事实上,直接把电转换为热是典型的“高能低用”,存在以下问题:

①不节能:能量高质低用,COP≤1,考虑发电结构,一次能源效率约为0.4。即使是可再生能源电力,也不属于高效利用的途径;

②不经济:100平方米的供热初投资约1~1.5万元,电网负荷需求约是电动热泵方式的3倍。运行成本高(0.4元/kWh电价约合为110元/GJ供热成本),如果不是夜间优惠电价用户难以承受;优惠电价应激励高效利用方式,尽管“消纳电”可以提高电的利用效率;

③基础设施支撑不了:农村电网基础设施薄弱,用电负荷水平低;如果农村采用电直热方法,电力基础设施难以支撑需要投入改造,成本高。

因此,在燃气、热力等基础设施缺乏、资源匮乏及特殊要求,如文物建筑,局部取暖等情况下,电直热不宜普遍推广,而应当尽量少用、分散应用。

三、电动热泵方式

在国内外都看过电动热泵,占地小(一般在地下室),噪音不大,给人的感觉比较好。

电动热泵是一种将低温热源热能转换成高温热源的装置。热源品位往往较低,可以分为空气、地表水(江河水、湖泊水、海水等)、地下水、城市自来水、土壤、废热等。通过1份电力回收2份低品位热量,热泵能效COP=3,一次能源效率约1.2(发电效率40%)。

简单地说,就是利用热泵周围环境中的热量,因而可以节省能源消耗。

从技术发展和应用看,各类热泵受资源规模、利用条件限制,各有适用场合和对象,总结成表1。一般地,电动热泵适宜用作分散供热系统;如果较大规模或较长距离输送,由于低温侧和高温侧输送温差远小于集中供热(温差50℃以上),输配电耗巨大,造成系统COP低;若低于2甚至1,则不利于节能,运行费用也高。

1.空气源热泵

通过热泵提取空气中的热量,以满足建筑供暖需求。当室外空气温度在0℃左右时可以实现的电-热转换效率COP达到3,因而是北方“煤改电”中应用最广泛的方式;在长江流域也是最合适的建筑供暖热源,有些公司一直在推广。

近年来,我国空气源热泵领域技术进步迅速,已处于国际领先地位。通过新的压缩机技术、变频技术和新的系统设计,空气源热泵适用范围已扩展到-20℃的低温环境,在绝大多数地区都可以作为高效的电-热转换方式,为建筑提供供暖热量。

低温空气源热泵采暖技术主要有:户式型热泵机组(简称热水机)、低温多联机组,一户多间、采暖面积大,需散热器或地暖末端;房间型房间式采暖器(简称热风机),单房间热风采暖,无需散热器末端,具有分室设置的单一室内末端。

宁波美科公司开发了二氧化碳热泵,在东北、西北寒冷地区(最冷气温在-25℃以下)已有成功案例,突破了二氧化碳热泵循环加热基础水温高制热效率低的瓶颈,效能优于国际同类产品的水平。

空气源热泵应用,需关注以下问题:一是空气源热泵容量设计平衡点,按照满负荷设计时机组初投资大幅增加,水泵风机等附属设备能耗增加,低负荷率运行时间长,机组季节COP会降低;二是室内末端应为低温供热,如地板辐射采暖以提高热泵效率。三是可作为虚拟调峰电厂运行,多个低温空气源热泵实现联动控制,主动启停模式控制,由于建筑具有较好的热惯性,热泵短期启停对室温影响不大。通过平衡电网负荷需求,保证不稳定风电入网以减少“弃风”,有效解决冬季电网负荷峰谷变化问题,同时提高电厂能源利用效率。

2.水源热泵

自然冷源包括地表水(江河水、湖泊水、海水等)、地下水、城市中水、污水等。以地下水作为低位冷热源,因回灌技术和现实问题,近年来发展受阻;在25~50米海水温度基本恒定5~8℃,受地域限制,须使用耐腐蚀的热交换器和循环泵,海水有机物和盐类导致结垢,且海水温度较低,海水输送温差更小,难以较远距离输送(如图1所示)。

图1 地下水源和海水源热泵利用原理示意图

污水源热泵,是从污水(生活废水、工业废水、矿井水、河湖海水、工业冷却水、生产工艺排放废水)中提取热量,实现对用户供暖的热泵系统,冬季污水温度比环境温度高,热泵蒸发温度提高,能效比也会提高;其中一种是以不经过处理的污水为热源,另一种是以再生水为热源,一般用于城市污水处理厂周边的供热。

中节能建筑节能公司在贵阳等多地采用了河水源、污水源热泵技术;恒有源公司的地热供暖也采用了热泵技术。相对而言,这种供热方式,成本可以接受,而且灵活性比较大,办公大楼等场所在当天不需要全时供暖的地方非常适用。

3.浅层地源热泵

地源热泵成为浅层地热应用的主要方式,近年来在国内发展飞速。在地下埋管,通过埋管中循环水与地下砂石黏土换热,提取地层中热量,再通过热泵提升热量品位,以满足建筑供热需求。关键是由地下埋管系统提供的全年冷量与热量一定要基本平衡。对100米左右的地下埋管,换热后的循环水一般在10到15℃之间,热泵的电―热转换效率为3到4。近年来,我国研究人员研发成功用于西北地区2000米到3000米深的地下埋管热泵系统,循环水出水温度可达20到30℃,电-热转换效率COP可达4到5。

由于大面积垂直埋管,地下埋管系统与外部环境的热交换能力差,要求冬季蓄入地下的冷能在夏季被全部利用;反之,夏季蓄入地下的热量能在冬季全部利用。如果不能平衡,如以供热为主的建筑,取热量大于排热量,土壤温度会下降,系统性能衰减,地下系统温度逐年升高(冬季取热量小,夏季取冷量大)或降低(冬季取热量大,而夏季取冷量小),几年后系统可能因性能恶化而报废。

热平衡可采用辅助设备补热(锅炉,可靠性高,能效比低,高能低用)或减少取热(太阳能,绿色环保,初投资高,运行维护困难)、热管或风冷换热器等复合补热。

另一方面,以土壤为介质,进行季节性蓄能,必须有足够体积的土壤。对一些高层建筑而言,如果一边没有可用来埋管的足够地表场地,就很难找到足够体积的土壤来蓄能。只有在低容积率条件下,才适合采用地源热泵。高容积率的场合或由于蓄热管道深埋造成投资过高,或因蓄能土壤体积不足而造成性能不佳。

4.复合源热泵

常规热泵仅能利用一种低品位的自然能源,很难兼顾冬夏制热、制冷需求,太阳能与空气源组合的热泵系统,风冷换热器弥补太阳能集热器不稳定及夜间或阴雨天气无法使用的缺陷,优势互补,保障了热泵系统的高效稳定运行。

风冷换热器可以弥补冷却塔冬季无法使用的不足,冷却塔弥补了风冷换热器在夏季散热效率低的缺陷,二者搭配使用,优势互补,可以保障热泵系统高效稳定运行。

采用风冷换热器与地埋管组合的泵系统,风冷换热器与地埋管结合,可有效解决地源热泵不平衡问题。对传统的热泵技术应用中无法全年高效运行、除霜效率低等问题,清华大学李先庭教授团队提出冬夏季均高效运行的新型热泵——柔性热泵系统(图2)。

图2 柔性热泵系统示意图

四、小结

作为“煤改电”的重要供暖方式,电直热的优点在于灵活,对哨所、兵站等场所非常适用,问题在于成本高、能源利用效率低,不宜大面积推广。

电动热泵,可以提高热效率,采用不同的环境温度,因而有水源热泵、气源热泵之分。哪家企业做的好,从2020年7月1日起,中国清洁供热产业委员会(CHIC)将与国家认监委(CNCA)批准的第三方认证机构—北京信标认证有限公司(BBC)共同开展清洁供热服务认证,详见中国清洁供热产业网。

江亿院士提出的一份电相当于四份热,若不科学地用一份电生成一份热,实际是极大浪费。要通过灵活电源和末端用能模式的革命,解决用电峰谷调节问题;尽量减少末端燃料的直接燃烧应用,尤其是为北方供暖找到新的清洁热源。在此基础上,化石能源未来只能用于工业生产、部分交通、供热调峰等领域。

这些重要建议,值得能源和供热领域的专家、企业家思考!


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