能源转型背景下的新型供热系统构建

周梅

（上海同济城市规划设计研究院有限公司）

1 引言

能源转型背景下，能源呈现多元发展的态势，新兴能源持续替代传统能源，清洁能源成为我国未来能源增量的主体。供热能源逐步向多元、低碳、可持续方向转变，驱动供热系统的转型升级。文章将深入研究各类清洁能源的特点，分析对应供热形式在应用中的注意事项及适用场景，在此基础上提出能够适应多元清洁能源接入的分层分区新型供热系统的总体结构，为城市供热规划提供借鉴思路。

2 清洁供热能源及其供热形式研究

清洁供热能源主要有太阳能、中深层地热、浅层地热、风能、污水余热、工业余热等以及可由外部引入的天然气、可再生电能等。

2.1 太阳能

太阳能是一种分布广泛、零污染的能源，具有能流密度低及不稳定的特点。太阳能供热系统利用太阳能集热器吸收热能，经转换分配后为用户供热，由于太阳能间歇性的特征通常需要设置辅助备用热源及蓄热系统。

根据蓄热系统形式可分为短期蓄热供热系统及季节蓄热供热系统，其中短期蓄热供热系统仅储存数天集热量用户供热。集热器一般安装在建筑物屋顶等，供热及蓄热规模均较小，设施占用空间相对较小，宜靠近用户端应用。季节蓄热供热系统利用全年太阳能热能为用户供热，可作为主力热源，集热器通常安装在地面或街区相邻建筑屋顶。每平方米集热器可供应的建筑面积约为短期蓄热系统的4倍～7倍，对应的贮热水箱（池）的容积为其数十倍。供热规模及储热设施容积均较大，需占用较大空间，投资较大。集热器规模越大，单位集热器成本越低[1]，建议推广大型季节蓄热供热系统。

大型季节蓄热供热系统适合应用在太阳能资源条件较好、供暖时间较长、人均土地资源较多的地区；中小型季节蓄热系统适宜在供热负荷密度小、供热规模小、集热板及储热设施空间布局受限较小的农村地区城市中使用，尤其是在低层节能建筑中应用。短期蓄热供热系统可应用在生活热水需求较大的建筑或作为补充热源预热街区供热管网。

2.2 中深层地热

中深层地热能蕴藏于中、新生代沉积盆地中的地下热水中（埋深通常在3000m以内），具有热流密度大、热物参数稳定的优点，能够连续供能，可作为供热系统的主力热源。

我国中深层地热供热的主要方式为水热型地热供热，通过抽取地下水换热的方式提取热量。开采过程中要求地热水同层回灌，否则将引起地下水位下降及地面沉降等问题[2]，因此需要严格监管。

中深层地热单井供热面积约为10万m2～30万m2，适宜作为街区供热系统热源，为地热资源可开采地区的用户供暖，由于打井初期投资较高，实际运行中一般用于解决基础负荷需求，深冷期通常采用其他方式进行调峰。

2.3 浅层地热

浅层地热能蕴藏在岩土体、地下水等中低位热能，温度变化较小，可作为空调及采暖系统的稳定冷热源。

供热方式有水源热泵供热及土壤源热泵供热两种。浅层水源热泵易造成地下水污染及地面沉降等问题，一般地区宜限制应用。土壤源热泵通过与土壤间接热交换提取能量，对环境影响较小，适用于大部分地区。

土壤源热泵系统在冷热负荷不平衡的情况下长时间运行，将使土壤逐渐升温或降温，影响换热效果，不利于植物生长。因此，为避免上述问题，土壤源热泵一般多应用在冬夏有稳定热冷负荷的公共建筑中，当住宅建筑采用土壤源热泵系统供能时，需采用集中供热及供冷系统。

土壤源热泵需要在地下埋管，占用大量地下空间。采用垂直埋管形式时，每平方米埋管面积可供应的建筑面积约为2m2～3m2，能流密度较低，宜采用分布式的形式靠近用户端。

2.4 风能

风能具有蕴藏量大等优点，但与太阳能一样能流密度较低，稳定性较差。与风能发电相比，风能供热发展较为缓慢，尚处于技术研发阶段，目前主要的研究方向为风力致热。

风力致热将机械能直接转换为热能，较风电供热，能够减少能源转换过程中的能量损失，能源转换效率更高，是一种有前景的风能利用技术。研究较多的三种形式有液体搅拌致热、液体挤压致热和电涡流致热，但技术仍不成熟，存在制热效果不佳、效率低等问题[3]。

受风能资源分布、噪声、景观等的影响，风能供热项目宜与城区保持一定距离，未来可探索风力资源较为丰富的三北地区及沿海地区，采用长输热网的形式将风能转换的热能输送至城区作为集中热源。

2.5 污水余热

城市污水冬季温度一般在12℃～16℃之间波动，夏季温度一般在22℃～26℃之间波动，具有冬暖夏凉、水量大、水温水质稳定的特点[4]，可以利用热泵技术提取其中低品位能源为用户供热及供冷。

按污水与热泵的热交换器是否接触，可分为直接换热式和间接换热式污水源热泵。直接换热式系统效率高、节能效果好，是污水源热泵系统的发展趋势[5]。由于结垢和阻塞等问题尚未解决，国内工程仍以间接式系统为主，多采用二级污水。

考虑污水资源分布，污水源热泵供能站宜临近污水处理厂或污水干管布局，当污水量较小时，一般小于等于3000m3/h，可作为街区供热系统热源。当污水量较大，一般大于3000m3/h，可作为区域供热系统热源之一。污水源热泵冬夏均可供能，因此，为提高经济性，宜应用于冬夏均有供能需求的公共建筑。

2.6 工业余热

工业余热资源广泛分布于冶金、化工、建材、机械、电力、纺织、造纸等行业，具有资源品质差异大、分布不均、形态多样等特点。其中，低品位的余热企业自身通常都难以消纳，因此回收利用较少，可以作为供热热源，变废为宝。

低品位工业余热供热系统的形式可分为两类[6]：高炉冲渣水等温度较高的余热资源（一般80℃以上），可通过特殊换热设备回收余热中的热量为用户供热；冷却循环水等低温余热资源（一般30℃～40℃），可通过热泵提升品位后为用户供热。

目前，低品位余热资源回收利用的障碍是余热资源与供热用户空间不匹配，余热资源多的工业区周边缺少采暖用户，需要通过长距离热力管道将余热送往居住区。因此，从经济性和实施可操作性方面考虑，工业余热资源适宜统一收集，形成规模后通过大温差输配系统为用户供热。

2.7 可再生电能

电能具有能流密度大、输送损耗小、供能稳定等优点，是基础保障能源之一。高品位电能转换为低品位的热能供热将造成资源浪费，因此通常不提倡采用电采暖。可再生电能采暖可缓解弃风、弃光等现象，能够提高设备利用效率，符合能源发展方向，是值得推广的供热方式。

蓄热式电锅炉在直热式电锅炉的基础上增加蓄热装置，可有效消纳可再生电能，为用户稳定供热，是目前电采暖的主要方式。直热式电锅炉有电阻式电锅炉及电极式电锅炉等。其中，电阻式电锅炉单台锅炉容量最大可达2.8MW，采用低压供电。电极式电锅炉单台锅炉容量最大可达40MW，采用10kⅤ高压供电，需配置专用110kⅤ变电站供电。

蓄热式电锅炉适宜在可再生能源发电基地周边城市推广使用。由于电能传输损耗较小，因此一般对于新建区适宜推广分散式蓄热式电锅炉采暖。而对于老城区配电网改造难度较大，通常已建有集中供热系统，适宜采用容量较大的电极式锅炉及水蓄能替代原来的燃煤锅炉，实现清洁集中供暖。

2.8 天然气

天然气是替代高碳能源的主力之一，具有能流密度高、供能稳定性好等优点，可弥补可再生能源的不稳定性，主要供热方式有燃气锅炉供热、天然气分布式能源供热等。

燃气锅炉具有初期投资低、启动迅速、系统紧凑等优点，宜作为调峰、备用热源。但运行成本受燃气价格影响较大，仍有一定温室气体排放，需要设置烟囱。为便于集中管理，尽量减少对城市景观影响，减少火灾隐患点，提高供热系统安全性，一般不建议大规模发展街区式锅炉房，可适当发展区域调峰燃气锅炉房供热。

天然气分布式能源系统，即燃气冷热电三联供系统，通过回收燃气发电过程中的废热为用户供热、供冷、供电，综合利用效率能达到80%以上，是燃气最高效的利用方式之一。但同样系统的经济性受天然气价格影响较大，另外90%以上的核心设备需从国外进口，初期投资及设备运营维护成本较高。包括楼宇型和区域型两种类型。楼宇型一般适用于负荷需求稳定、持续时间较长、用户相对集中的酒店、医院、商业等楼宇（群）。区域型一般适用于冷、热（包括蒸汽和热水）、电需求较大的工业园区、产业园区、大型商务区等。为便于管理，有效整合资源，天然气分布式能源系统可与城市供热系统调峰锅炉房合建。因系统初投资较高，宜主要用于解决用户基础负荷需求。

2.9 小结

天然气、电能能流密度高、供热技术成熟、输送网路完善，设备开启灵活，可作为基础保障能源及调峰能源，采用区域集中形式利用，其中电能由于传输损耗较小亦可根据配电网情况，靠近用户端分散应用。本地资源中，中深层地热、工业及污水余热资源供能相对稳定，可根据资源量情况作为街区及更大范围地区的主供热源。太阳能、风能稳定性最差，可与其他稳定能源形成互补系统为用户辅助供热，亦可通过建设大规模蓄热设施，作为主力能源为用户供热。其中，风能由于资源分布及利用时噪声等因素，通常采用规模化集中利用形式。太阳能可根据资源丰富程度、空间资源情况等采用规模化集中利用形式或用户端分散利用形式。

3 分层分区新型供热系统构建

结合供热能源特点、城市功能，在传统供热系统的基础上进行功能拓展及层级梳理，搭建既能支持各类清洁能源分层分区接入，又能与传统供热系统有效衔接的多级供热系统。各级系统设置相应的供热站，集合各级供热系统内主要能源供应、转换、储存设施。

3.1 城市供热系统

城市供热系统统筹收集转换市（县）域范围的资源为城市供热，设置城市供热站，满足工业余热、风能等距离城市较远、需要规模化利用能源的接入需求。供热站一般设置工业余热回收利用设施、风力致热设施等，通过高温热水管网向下级供热站输送热能，供能面积通常在200hm2以上。为提高经济性，建议采用大温差长输热网输送热能。

3.2 区域供热系统

区域供热系统设置区域供热站，作为区域供热分区的基础保障热源及其他区域供热分区的备用热源，具备接入天然气、可再生电能等外部输入的清洁能源以及城区工业区工业余热、大型污水处理厂余热等本地大型清洁能源，接收上级供热站输送的热能的功能。西藏、青海、新疆等太阳能资源优越的地区，可以将太阳能接入此级供热站。供热站一般设置燃气锅炉、天然气分布式能源、工业余热回收利用设施、污水源热泵、换热设施、大型蓄热式电锅炉、大型季节蓄热太阳能供热设施等，通过热水管网向下级供热站输送热能，供能面积宜控制在200万m2以内。当接入能源品位较高时，可采用高温热水作为介质，相反可采用低温热水作为介质。

3.3 街区供热系统

街区供热系统设置街区供热站，作为街区供热分区的热源，调节转换来自区域供热站的热能，并能满足中深层地热、小型污水处理厂余热、分散工业余热等适宜相对集中利用的本地能源的就近接入。供热站一般设置中深层地热取用设施、污水源热泵、工业余热回收利用设施、换热设施等，通过低温热水管网向下级供热站输送热能，供能面积宜控制在50万m2以内。在普遍层高较低，且屋顶面积充足的街区，太阳能以及负荷较小、具备大量空地可埋管的浅层地热可接入此级供热站。酒店、医院、商业等楼宇群的街区供热站可设置天然气分布式能源系统。

3.4 用户供热系统

用户供热系统设置用户供热站，作为用户供热分区的热源，接收来自街区供热用户站的热能，并能满足集中供热系统用户接入和浅层地热、太阳能、电能等适宜靠近用户端应用能源的就地转换利用。供热站一般设置分集水器、土壤源热泵、小型太阳能供热设施、小型蓄热式电锅炉等，供能面积宜控制在10万m2以内。供热站通过低温热水为用户供热。

4 传统系统升级改造建议

传统区域燃煤锅炉房、热电厂供热系统可逐步改造为多级新型供热系统。热电厂改造为城市供热站，同时接收工业余热、风能等大型清洁热源。调峰锅炉房或区域燃煤锅炉房改造为区域供热站，因地制宜设置区域燃气锅炉房、大型余热供热设施、大型蓄热式电锅炉等。根据各街区的资源情况，拓展换热站功能，增设中深层地热取用设施、污水源热泵、工业余热回收利用设施等，为本地清洁能源接入创造条件。公共建筑的设备用房可改造为用户供热站，增设蓄热设施、热泵设施等，接入太阳能、浅层地热等。

5 结语

文章总结了多种清洁供热能源对应供热方式的特点，并分析研究了各类供热方式的适用场景，提出了支持多元清洁能源分层分区接入的新型供热系统的构建思路。但仅从供热能源转变的单一角度研究新型供热系统变革方向，具有一定的局限性。下一阶段可研究用户需求的变化及人工智能等新技术对供热系统影响。此外，文章仅仅提出了系统的初步结构，多热源运行模式、供热管网介质参数选择等仍需要深入研究。