住宅清洁能源供暖方案经济性分析

摘要：本文基于绿色可持续发展理念，针对住宅清洁能源供热方式和供热特点进行了研究。首先给出了煤、天然气和电采暖三种供暖方法的优缺点、经济效益、设备成本、运营成本、年度成本，同时讨论了集中供暖、分户自采暖和电采暖等国内采暖的现状。然后提出了清洁能源供暖的多种方案，如工业废热回收利用、优化管网运行模式、可再生能源和多能量互补加热，发现使用多能量互补加热系统具有低年成本和高经济效益的特点。最后分析了各种加热方式和应用范围的优缺点，并对一般加热方式、能耗类型、投资和运营成本以及环境保护和工程设计人员进行了综合比较，获得了清洁能源投资、运营成本以及促进住宅清洁的供暖方式。本论文的研究对于更加客观地了解住宅清洁能源供暖方案的经济性具有一定的参考价值。

关键词：清洁能源;运行费用;供暖方案

中图分类号：X701 文章标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）11-0-02

Abstract： Based on the concept of green sustainable development， this paper studies the heating mode and characteristics of residential clean energy. Firstly， the advantages and disadvantages， economic benefits， equipment cost， operation cost and annual cost of the three heating methods of coal， natural gas and electric heating are given. At the same time， the current situations of domestic heating such as central heating， household self heating and electric heating are discussed. Then put forward a variety of schemes of clean energy heating， such as industrial waste heat recovery and utilization， optimization of pipe network operation mode， renewable energy and multi energy complementary heating. It is found that using multi energy complementary heating system has the characteristics of low annual cost and high economic efficiency. Finally， the advantages and disadvantages of various heating methods and application areas are analyzed， and the general heating methods， energy consumption types， investment and operation costs， as well as environmental protection and engineering designers are comprehensively compared， and the heating methods of clean energy investment， operation costs and promoting residential cleanliness are obtained. The research of this paper has a certain reference value for more objective understanding of the economy of residential clean energy heating scheme.

Keywords： Clean energy;  Operating costs;  Heating scheme

随着近年来房地产行业快速发展，社会住宅繁多，能源供暖方案施工过程产生的粉尘和污染对人们生活产生了不利影响。而清洁能源研究是避免环境污染主要方法。近年来，中国北方的清洁供热计划和技术已被用于热电联产、集中供热、分布式供热、可再生能源、多能量辅助加热和其他加热方法。城市住房供暖过程管理研究刚刚起步，通过科学管理住宅能源供暖方案过程、优化施工组织设计，能节约能源，能够减少城市住宅供暖过程对环境的影响。本文从加热类型、能耗类型、投资运营成本和环境保护等方面比较了几种常见的加热方式，从供暖模式的角度来对比，考虑到居民的舒适度、最小能源消耗，最小投资和维护成本。

1 能源種类

能源是一种可以转化为多种形式的资源，如热能、电能和机械能等。由于我国人口众多，资源相对较少，如何提高能源效率是节能降耗的核心问题。供暖企业作为主要能源消费者，选择合理的能源作为热源是节能降耗的重要因素。

1.1 煤燃烧

燃煤锅炉房集中加热以煤炭燃烧作为主要热源。燃煤锅炉房的集中供热是中国最为传统的供暖方式之一，通常应用在较大的供热面积。除一些一线城市以外，中国其他城市仍然使用煤炭作为主要热源，但随着人们对环境问题的关注，越来越多的城市正在积极使用清洁能源供暖。

1.2 天然气及燃料油

使用天然气作为热源主要是区域燃气锅炉房和家用燃气壁炉。燃气锅炉房近年来用于主要城市和地区的集中供热系统，其优点是节能环保，缺点是风险大，设计、施工和运行要求都很高，而且很贵。但在一线城市中，近年来将煤炭作为主要能源的格局发生了变化，天然气发展迅速。

1.3 电采暖

电采暖、电热、低温辐射电热膜是家庭环境中相对常见的加热方法，其热效率基本上为95%以上。优点是占用室内空间较少、控制灵活方便、无污染、操作安全可靠。然而，直接加热对于节能是无用的，因为将电能转换成热能的效率小于30%。

2 天然气供暖现状

不同国家根据各国的资源配置、气候条件、建筑特点、生活方式和经济条件采用不同的加热方式，但天然气在许多国家越来越受欢迎，往往有更高的利用率。欧洲天然气供暖比例约为50%，其中法国、意大利、荷兰等国家主要使用家用热水供暖和供暖燃气锅炉;德国、丹麦、挪威、波兰等国加热系统通常使用多个热源网络，天然气主要用于热电联产和高峰锅炉。德国非常重视环境保护问题，天然气供暖的比例正在增加，以实现政府减少碳排放的目标。在中国，越来越多的城市正在推进天然气项目，天然气供暖是一种非常重要的供暖形式。2017年和2018年北京天然气锅炉供暖比例分别达到43.1%和44.9%，西安于2003年开始实施天然气项目，到2018年底城市居民95%使用天然气加热。

2.1 集中供暖

（1）城市中央供暖：可以减少该区域内的热源区域，并通过城市中央的大型热源向用户供热，缺点是加热季节不能灵活设置，长距离传输能量的热量损失大，需要在狭窄区域安装二次热管网，但保证了加热效果且维护很容易。

（2）家庭锅炉房的中央供暖系统：建造燃煤或燃气锅炉房并大面积供热的系统，可为一个或多个社区供热，虽然输配管道短、运输能耗低，可根据天气和家庭供暖需求调整供暖条件，但技术要求、投资成本、维护成本都很高。

2.2 分户自采暖

（1）单户锅炉加热：单户锅炉加热的优点是可以解决单户住宅系統热水和冷水问题，安装燃气、电锅炉、壁挂式锅炉，可单独调节室温，无需社区锅炉房或外部网络;缺点是是循环水泵在系统运行时噪声非常大，这将对生活环境产生一定的影响。

（2）家用电热装置：电热、低温辐射电热膜等。电热膜加热是用半透明聚酯薄膜加热的方法，通过温度控制装置，将产生的热量径向进入室内。

2.3 电采暖

电加热包括两种类型，分别是直接加热和间接加热。直接电加热，外加热产品，加热速度快，热效率高;间接电加热提供室内加热的电热膜和壁挂式电锅炉加热，加热缓慢，热舒适性极佳，电加热、电磁存储砖加热、蓄热等可根据居民的需要，将热量释放到室内空气中。为了全天24h加热，通常需夜间充电6-8小时。

3 洁净能源供暖方案

3.1 工业废热回收利用

目前，工业生产的能源效率在20%～60%之间，废热总量非常高，完全回收工业废热作为传统能源，能有效减少废物排放。将工业废热作为热源，如果主网的回水温度为60℃，工业废热的温度水平可以直接与主网络交换;如果废热温度低或温度波动很大，需经过压缩、吸收/吸附，同时需升级热泵。利用化学热泵是一种广为应用的办法，该方法相对成熟，出口温度超过90℃。由于工业废热与工业生产有关，工业生产的变化会影响废热产量，且与使用传统的中央供暖和热泵来确保供水温度相比，工厂和住宅之间距离会更长，配电成本、热损失、回收、输配电、能源供应系统更复杂，投资更高。但从政策和市场的角度来看，有必要从上述角度研究工业废热回收利用。

3.2 优化管网运行模式

目前，城市供热主要采用互供系统。一级网络调整方法通常有三种方式：音量调节、质量调节和相变流量调节模式，相变流量调节模式可增加液压工作条件的稳定性，同时可最大限度地降低供热网络的加热功耗。二级网络具有低覆盖率、热网络流量调节以及质量、数量和调节模式灵活等特点，可以最小化热量和功耗。

新建筑必须添加恒温阀来调节室内温度。而通过在主要和次要网络之间装上限制流量的加热站，静态平衡阀就可以自动完成相应的操作功能。二次配水管网供水温度的运行调整曲线预设为室温的函数，当二次配水管网的实际供水温度偏离设定值时，一次配水管网的电控阀相对开口会自动调整和更改，调整管网流量水平，然后调整二级管网的供水温度，以匹配用户的家用恒温阀调节。此时，二级网络处于可变流量操作，并且二级循环泵必须改变为变频泵。另外，通过对热源、热站等自动控制系统的监控，控制相应的加热参数，就可以有效地帮助调度员来控制整个供热系统，确保整个热网安全、高效、节能。

3.3 可再生能源

为了有效确保城市住宅供热区域的清洁化供暖，应该积极推进可再生能源的供热项目开展，例如借助于风能、太阳能、地热能和生物能等来实现供暖。由于目前对可再生能源的利用率比较低，且单纯利用可再生能源不能够达到供暖的要求，因此可以将可再生能源和传统能源相结合，从而建设二者相结合的综合能源系统。

3.3.1 风能

新疆是中国风力最强的地区，风能资源占全国的37%。当地政府调整风电电价，鼓励城乡居民使用电加热，大大降低了供暖成本。在分布式供暖的情况下，平坦部分为0.224元/ kW·h，谷部为0.112元/ kW·h，中央水平部分为0.18元/ kW·h，谷部为0.09元/ kW。在中国西北，根据内蒙古自治区、辽宁省、吉林省等地区的热负荷特性、环境保护和生态要求，采用电供热，可以符合该地区的供热需求。

3.3.2 太阳能

太阳能作为一种可再生能源，是人类可用能源的重要组成部分。中国的太阳能资源丰富且被广泛使用，但由于地理纬度、太阳辐射、季节、时间和天气的差异，部分地区只产生间歇性和不稳定的太阳能热量，再加上维护复杂且费用昂贵，所以，为了实现稳定的加热，需要在太阳能供暖中添加其他能源。

3.3.3 空气源热泵

空气源热泵使用反向卡诺原理将空气中的低温源转换为高温源以提供热水或热量。然而，空气源热泵的使用与室外环境密切相关。该设备的热设计部门规定室外最冷温度应≤-10°C且最冷区域的平均温度要在0～10°C。如果室外温度低于-5℃，则加热效果差甚至导致供暖不正常。为了改善空气源热泵在低温环境下的加热性能，目前的技术手段包括两级压缩、准两级压缩、双组分或三组分混合工作介质和级联供暖系统。通过添加燃料和氦，可以改善空气源热泵在低温环境下的加热性能，具体操作流程见图1。

3.3.4 地热热泵

地下换热器是近几年在北方流行的一种供热方式，是利用埋藏在地板和地砖下面的地热管中的水进行供暖的一种方式。原理与以往的暖气是相同的，都是采用热损耗来平衡室内温度。但是它与暖气的本质不同在于，地热热泵是将热管线埋藏在地下，减少空气中的热损失，而且较传统的地暖供热铺设面积更为广泛。

3.3.5 沼气

经济的快速发展导致农村地区对高质量能源的需求增加。沼气是一种方便、清洁、高质量的能源，它是在湿度、温度和厌氧条件（如秸秆和肥料）等特定条件下通过发酵产生的可燃气体。沼气的推广和应用对改善能源结构、生活环境和减少环??境污染非常重要。由于室温发酵温度为10～26℃，这使得在平均温度低于0℃的冬季，沼气池的正常运行受到限制。

4 结语

住宅清洁能源供暖的方式就是多能量互补加热，如何对能源进行互补，可参照以下几点：

（1）燃煤电厂的超低排放、管网运行的优化、工业废热的回收以及采暖设备性能的提高都是实现集中供热和清洁供暖的方法;

（2）分布式供热的独立控制非常强大，电加热适用于新疆、甘肃北部、内蒙古等风力发电区，燃气壁炉适用于未被热网络覆盖的城市区域，低溫空气源热泵适用于寒冷气候的酒店、办公楼、家庭;

（3）太阳能-沼气、太阳能-空气源热泵初期投资高、运行成本低，适用于太阳能资源丰富地区和农村地区;家用燃气锅炉系统的使用减少了投资，节省了运营成本，并能根据室外温度调节室内温度，以实现能源节约和环境保护。

采用多能量互补的加热系统不仅可以因地制宜，而且可以克服单独供暖方式的缺点，推荐大规模采用。

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收稿日期：2019-07-13

作者简介：毕海静（1978-），女，汉族，博士，研究方向为电力工程。