【中國制冷網(wǎng)】黨的十九大指出：我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。當(dāng)前北方開展的清潔取暖重大工程的提出，正是源于對這一矛盾的深刻認(rèn)識。

　　我國城鎮(zhèn)供暖的主要矛盾發(fā)生變化

　　隨著我國城鎮(zhèn)化的飛速進(jìn)展，北方城市建筑冬季供暖也有了顯著改善。城市供暖的主要問題已經(jīng)從二十年前的室溫低、高投訴、熱費上繳率低等民生問題轉(zhuǎn)變成為目前的室內(nèi)過熱、高能耗和降低污染物排放等面向生態(tài)文明發(fā)展的新要求。

　　而目前仍接近人口50%的北方農(nóng)村，冬季室內(nèi)取暖卻逐漸顯現(xiàn)出多方面問題：盡管戶均耗煤量已超過城市居民水平，但冬季室內(nèi)溫度大多在10~16℃之間，不足以滿足室內(nèi)舒適性的基本要求;大量分散的散煤低效燃燒導(dǎo)致冬季室內(nèi)外空氣質(zhì)量惡化，并且還成為形成冬季北方大面積PM2.5的主要污染源之一。

　　據(jù)統(tǒng)計盡管京津冀地區(qū)農(nóng)村取暖散煤燃燒僅占當(dāng)時這一地區(qū)燃煤總量的不到25%，但其排放的粉塵和氮氧化合物卻占這一地區(qū)由于燃煤排放的粉塵和氮氧化合物總量的60%以上。

　　在農(nóng)村實現(xiàn)清潔取暖，已成為廣大農(nóng)民對美好生活的重要訴求。改變農(nóng)村的取暖方式，改善農(nóng)村冬季室內(nèi)外空氣質(zhì)量，是涉及“農(nóng)村生活方式革命”的重大任務(wù)。

　　由此，清潔取暖重大工程的主要目的是：

　　一、全面滿足北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑冬季供暖的要求;滿足人民對美好生活的追求;

　　二、大幅度降低冬季供暖燃燒形成的PM2.5相關(guān)污染物的排放，從而改善北方冬季霧霾現(xiàn)象;

　　三、降低北方地區(qū)由于冬季城鄉(xiāng)供暖導(dǎo)致的化石能源消耗總量和碳排放總量。

　　此外，隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的深度調(diào)整，工業(yè)用電在電力消費總量中的比例逐年降低，用電負(fù)荷側(cè)的峰谷變化和不可調(diào)控性日益嚴(yán)重;而隨著我國風(fēng)電、光電的飛速發(fā)展，不確定性可再生電源在電源總量中的比例逐漸加大。這兩個因素疊加，就使得由于北方電網(wǎng)缺少足夠的靈活電源而出現(xiàn)大量的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。2015年我國平均棄風(fēng)率已達(dá)20%，其中甘肅、新疆、吉林等地區(qū)棄風(fēng)率超過30%。這些棄風(fēng)現(xiàn)象都集中發(fā)生在冬季，與供熱期間大量燃煤電廠轉(zhuǎn)為熱電聯(lián)產(chǎn)運行方式，喪失了對電力的調(diào)峰能力密切相關(guān)。

　　既然棄風(fēng)現(xiàn)象與冬季供熱相關(guān)，如何在清潔取暖中同時解決這一矛盾，實現(xiàn)熱電協(xié)同，優(yōu)化電、熱、燃?xì)鈽?gòu)成的能源系統(tǒng)的運行，也成為清潔取暖工程中的又一任務(wù)。

　　直接電熱是“高能低用”

　　一些部門針對上述問題提出的解決方案是大力發(fā)展直接電熱型熱源方式，在城市發(fā)展大型電熱鍋爐和巨型蓄熱水罐，在農(nóng)村發(fā)展蓄熱式電暖氣。利用這些電熱裝置在電力負(fù)荷低谷期把多余的電力轉(zhuǎn)換為熱量，不僅為當(dāng)時的供熱需求提供熱源，還儲存熱量滿足電力負(fù)荷高峰期供熱的需求。這樣做從局部看確實避免了使用燃煤燃?xì)忮仩t供熱的污染物排放，又通過蓄熱解決了電力供給側(cè)和需求側(cè)不同步的矛盾，似乎是實現(xiàn)清潔取暖的有效途徑。

　　但是，通過直接電熱方式把電轉(zhuǎn)換為熱，是典型的“高能低用”。

　　我國目前70%的電力還是由燃煤火力發(fā)電產(chǎn)生，熱電轉(zhuǎn)換效率不足40%。電熱直接轉(zhuǎn)換的方式其轉(zhuǎn)換效率只能為100%，這就表明約60%的能源在這兩次轉(zhuǎn)換中白白浪費掉。

　　有些人認(rèn)為電熱方式使用的是風(fēng)電、光電，而非火電，這樣做可以避免棄風(fēng)、棄光，是可再生能源的有效利用。這種提法并不成立。當(dāng)我們使用所謂的風(fēng)電光電生成熱量的同時，同一電網(wǎng)上還有大量的燃煤火電廠在發(fā)電。怎么可以認(rèn)為這些電熱鍋爐消耗的電就不是這些燃煤電廠所產(chǎn)生呢?如果此時電力富裕，為什么不能停掉部分燃煤電廠，用風(fēng)電替代火電，從而減少燃煤消耗、減少污染物和碳的排放?因此，只要有燃煤電廠在發(fā)電，同一時刻的電熱鍋爐或電直熱裝置就應(yīng)該認(rèn)為是在使用煤電，是效率低，高排放的產(chǎn)熱方式。

　　我國已有成熟的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)

　　那么應(yīng)該怎樣高效地把電力轉(zhuǎn)換為熱量呢?目前至少有如下的成熟技術(shù)可供選擇：

　　一、熱電聯(lián)產(chǎn)

　　與單純的燃煤燃?xì)怆姀S相比，輸入等量燃料，熱電聯(lián)產(chǎn)運行輸出的電力僅減少20%~30%，卻可以在發(fā)電的同時得到幾倍于所減少的發(fā)電量的熱量。如果把輸出的熱量與減少的發(fā)電量之比定義為等效COP，則標(biāo)準(zhǔn)的抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)無論燃煤電廠還是燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的燃?xì)怆姀S，其COP都可以達(dá)到5到6。同時，燃煤電廠的總熱效率可達(dá)到80%以上，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電廠的總效率也可達(dá)到75%以上。近年來提出的“吸收式循環(huán)”新流程(2012年獲得國家發(fā)明二等獎)，燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)的等效COP可達(dá)到7.5，總的熱效率達(dá)到93%，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)的等效COP也可以接近7，總的熱效率達(dá)到88%，當(dāng)采用多種煙氣潛熱深度回收技術(shù)時，其總的熱效率按照低位熱值計算，還可以再提高10~14個百分點。這應(yīng)該是目前其它的熱電轉(zhuǎn)換方式都很難獲得的高效率，因此可以認(rèn)為熱電聯(lián)產(chǎn)是能量利用效率z*高的電-熱轉(zhuǎn)換方式。

　　二、地源熱泵

　　在地下埋管，通過埋管中的循環(huán)水與地下砂石黏土換熱，提取地層中的熱量，再通過熱泵提升熱量的品位，以滿足建筑供熱需求。對于埋深為100米左右的地下埋管，換熱后的循環(huán)水一般在10到15℃之間，熱泵的電熱轉(zhuǎn)換效率為3到4。近年來我國西北地區(qū)研發(fā)成功2000米到3000米深的地下埋管熱泵系統(tǒng)，循環(huán)水出水溫度可以達(dá)到20到30℃，從而其電-熱轉(zhuǎn)換效率COP可達(dá)4到5。

　　三、空氣源熱泵

　　從室外空氣中獲取熱量，再通過熱泵提取其熱量品位，以滿足建筑供暖需求。當(dāng)室外空氣溫度在0℃左右時這種方式可以實現(xiàn)的電-熱轉(zhuǎn)換效率COP可達(dá)到3。由于這種方式很少受條件限制，所以在長江流域地區(qū)一直是z*合適的建筑供暖熱源。

　　近年來我國在此方向的技術(shù)進(jìn)步迅速，通過新的壓縮機(jī)技術(shù)、變頻技術(shù)和新的系統(tǒng)形式，已經(jīng)把空氣源熱泵的適用范圍擴(kuò)展到零下20℃的低溫環(huán)境。在-20℃下幾種空氣源熱泵的COP已經(jīng)可以達(dá)到2，制熱量也可達(dá)到標(biāo)稱工況的70%以上。這就使得空氣源熱泵在絕大多數(shù)地區(qū)都可以作為高效的電-熱轉(zhuǎn)換方式，為建筑提供供暖熱量。中國的空氣源熱泵技術(shù)目前處于國際領(lǐng)先地位。

　　四、低品位余熱和生物質(zhì)

　　除了高效的電-熱轉(zhuǎn)換方式外，利用工業(yè)生產(chǎn)過程排出的低品位余熱供熱，也是清潔供暖的重要熱源。我國目前鋼鐵、有色、化工、煉油、建材五大高能耗產(chǎn)業(yè)在北方冬季排放的熱量足以承擔(dān)北方城鎮(zhèn)一半以上建筑冬季供暖的需求。如果僅利用其70%，也可以每年節(jié)約供暖用能1億噸標(biāo)煤。目前在唐山遷西、內(nèi)蒙赤峰都有成功的工業(yè)余熱供暖示范工程，每個工程供暖建筑面積都超過300萬平米。

　　再有就是利用生物質(zhì)能直接燃燒供熱或制取生物質(zhì)燃?xì)庾鳛楣釤嵩础＿@在生物質(zhì)資源豐富的內(nèi)蒙、東北等地區(qū)也有很多成功案例。

　　根據(jù)建筑特點選擇適宜的技術(shù)方案

　　以上列舉了清潔取暖的多種熱源方式，怎樣選擇和組合上述方式，才能實現(xiàn)清潔和經(jīng)濟(jì)的供暖，并且實現(xiàn)熱電協(xié)同，緩解目前冬季的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象呢?這又取決于被供暖建筑的密集程度。可簡單地把北方地區(qū)分為高密集度的城鎮(zhèn)建筑和低密集度的鄉(xiāng)村建筑兩類。

　　對高密集度的城鎮(zhèn)建筑

　　我國北方地區(qū)中等以上城市都已建成較完善的集中供熱管網(wǎng)，其80%以上的建筑都可以與城市集中供熱管網(wǎng)連接。這就使得這些地區(qū)可以充分利用目前的熱電廠資源，通過熱電聯(lián)產(chǎn)改造，為建筑提供熱量。

　　由于目前的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠是“以熱定電”的運行模式，冬季就不再為電網(wǎng)做電力調(diào)峰，從而導(dǎo)致前文所述的大量棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。但目前已經(jīng)提出有效的解決方案，對熱電聯(lián)產(chǎn)電廠做“熱電協(xié)同”改造，增加巨型蓄熱裝置、改變?nèi)峁に嚵鞒?，就可以使其在保障供熱的同時，電力輸出也可以在40%到100%范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。這就使熱電聯(lián)產(chǎn)電廠同時還可以是電網(wǎng)的靈活電源。因此針對目前我國北方電網(wǎng)缺少靈活電源的現(xiàn)狀，應(yīng)大規(guī)模開展燃煤電廠的熱電協(xié)同改造。

　　此外，熱電聯(lián)產(chǎn)電廠輸出的熱力與電力之比往往都低于其所在區(qū)域需求側(cè)z*大的熱力與電力之比，這就導(dǎo)致在嚴(yán)寒期用電低谷的時段熱電聯(lián)產(chǎn)熱量不足而電力過剩，供給側(cè)和需求側(cè)的熱電比出現(xiàn)嚴(yán)重不匹配。正是由于這一原因，盡管熱電聯(lián)產(chǎn)是能源轉(zhuǎn)換效率z*高的方式，在很多制造業(yè)比例較低的消費型城市還不能用熱電聯(lián)產(chǎn)方式為城市提供全部供暖熱量，必須輔助以其它的熱源形式，以使供給側(cè)和需求側(cè)之間熱電比匹配。為此需要在這些城市發(fā)展一定數(shù)量的熱泵供熱，從而增加需求側(cè)的用電量，并減少對熱電聯(lián)產(chǎn)熱源熱量的需求。

　　對于北京來說，合理的匹配應(yīng)該是熱泵提供三分之一建筑的供暖，熱電聯(lián)產(chǎn)提供其余三分之二建筑的熱源。這才是整體上一次能源消耗量z*少，各種污染物排放z*少的整個北京冬季建筑供暖的熱源方案。

　　對低密集度的農(nóng)村建筑

　　對于建筑密集度低的北方廣大農(nóng)村，集中供熱網(wǎng)的投資高，運行效率低，因此應(yīng)發(fā)展分散的供熱方式。

　　除了個別利用工業(yè)余熱和生物質(zhì)能的供熱外，z*現(xiàn)實的、高效的和可操作的方式就是分散的空氣源熱泵方式，這也是北京郊區(qū)經(jīng)過多次反復(fù)后，z*終作為清潔取暖方式而大量推廣的主導(dǎo)方式。

　　目前在農(nóng)村推廣的空氣源熱泵供暖有每戶一套的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和每室一臺的空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)兩種方式。前者用熱泵制取熱水，再通過熱水經(jīng)過房間散熱器循環(huán)實現(xiàn)供暖。由于房屋巨大的熱慣性，這種方式從全停開始啟動時需要十余個小時的加熱過程才能達(dá)到供暖溫度，這樣就要求系統(tǒng)長期連續(xù)運行;而熱泵熱風(fēng)機(jī)因為是直接向房間送熱風(fēng)，啟動后僅十余分鐘就可達(dá)到要求的供暖效果，所以適合于間歇供暖。我國目前農(nóng)村大多是常年老人和兒童居住，周末和假期全家團(tuán)聚。每戶多個房間平時只用一兩間，團(tuán)聚時才全部使用。因此可否高效地實現(xiàn)間歇供暖，成為選擇農(nóng)村清潔取暖方式的關(guān)鍵。北京郊區(qū)近年來的實踐表明，采用一室一臺的空氣源熱泵熱風(fēng)方式，每個冬季每平米農(nóng)舍耗電量為20到40kWh/m²，而采用一戶一套的空氣源熱泵熱水方式，每個冬季每平米農(nóng)舍耗電量為40到60kWh/m²。熱泵熱風(fēng)機(jī)的初投資每戶在一萬元左右，熱泵熱水機(jī)的初投資每戶在二萬元左右。

　　此外，熱泵熱風(fēng)機(jī)還可以按照“需求側(cè)響應(yīng)”方式運行，在電力部門的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)統(tǒng)一調(diào)度，在保證供暖需求的前提下，參與電力調(diào)峰。當(dāng)電力負(fù)荷處于峰值期間，電力調(diào)度可以通過分片地停止一部分熱泵熱風(fēng)機(jī)來消減用電負(fù)荷，由于建筑的熱慣性，連續(xù)停止熱風(fēng)機(jī)3個小時，房間溫度z*多下降2度，不會對供暖有太大影響;而在電力負(fù)荷處于低谷期間，又可以分片地運行一部分熱泵熱風(fēng)機(jī)來增加電力負(fù)載。連續(xù)運行3小時熱風(fēng)機(jī)，z*多也只能使房間溫度上升2度，也不會對室內(nèi)舒適性帶來太大的影響。

　　在農(nóng)村大規(guī)模采用這種方式運行，可以使安裝在農(nóng)村的巨量的空氣源熱泵成為巨量的電力峰谷差調(diào)節(jié)裝置，在實現(xiàn)農(nóng)村清潔取暖，改善生活狀況的同時，為破解電力系統(tǒng)的難題、緩解棄風(fēng)棄光現(xiàn)象找到一條新的途徑。由于參與電力削峰填谷，農(nóng)民也可以獲得低價電費的回報，這就又為減輕清潔取暖改造的經(jīng)濟(jì)壓力找到一條新的出路。