优先利用分布式能源及工业余热的多能互补供热模式

使用节能模式的热水器，热水供应间歇式进行 #生活技巧# #居家生活技巧# #节省能源技巧# #夜间自动关闭电器#

0　引言

当前随着城市化建设的快速发展，集中供热面积近年来以大约10%的增速逐年递增，2015年已经达到67.2亿m2[1]。经过国家多年的推广节能环保，目前，集中供热方式主要以能源利用效率最高的热电联产为主，占比达到60%以上，而区域锅炉房、分散锅炉房等供热方式占比逐年降低。但是所消耗的能源仍以煤炭为主，给环境造成了非常大的负担。在冬季供暖季，空气中的PM2.5浓度会比非供暖季增加50%以上；而且即便是将供暖季所增加的能源消耗全部转化为清洁能源，全年的PM2.5浓度也仅是从2013年的101.3降为88.8 μg/m3，2014年的98.6降为81.9 μg/m3[2]。可见，要想大幅减少PM2.5的浓度还要从减少一次能源的消耗来入手。

工业余热的有效利用可直接减少一次能源的消耗。作为世界第一的工业大国，我国工业能源消耗在总能源消耗中的比重达到70%多。在工业生产过程中会产生大量的工业余热，其中部分高品位余热通过回收重新利用于工业生产，但仍有50%的工业能耗以工业废热的形式直接废弃了[3]；而如果能把这部分废热加以回收利用，可以有效降低一次能源的使用量。

工业余热的回收利用技术可分为热交换技术、热功转换技术、余热制热制冷技术。其中热功转换技术可将回收的热能转换为方便使用的电功，但是只适合回收中高温余热；而热交换技术适合回收各温度的余热，余热制热制冷技术适合回收低温余热。供热季回收热量可用于集中供热，如赤峰市利用铜冶炼厂工业余热供热的案例[4]。

分布式能源系统是相对于集中式供能系统而言的：传统集中式供能系统采用大容量设备、集中生产，然后通过专门的输送设施(大热网、大电网)等，将各种能量输送到较大范围内的众多用户；而分布式能源则是直接面向用户，按用户的需要就地生产并供应能量，具有多种功能，可满足多重目标的中小型能源转换利用系统。

分布式能源的主要特点是：通常具有资源非常丰富，开发过程不会对环境造成污染和破坏，更不会影响生态平衡等优点；且无需建设输送环节，进而可减少能量输送成本，增加用户能量供应的安全性。

以供应生活热水为例，据有关数据显示，生活热水的能耗在建筑能耗的占比中仅次于采暖、空调、照明，达到10%～20%。随着生活水平的提高，居民对生活热水的需求量越来越多，如果能就近安装分布式能源供热系统或工业余热回收系统供给居民生活热水，那么就可以有效降低能源损耗，为节能减排做贡献。

本文首先分析居民生活热水的用量和能源消耗；并对不同供应生活热水方式的特点进行分析，对其使用便利性、能源消耗以及居民的使用费用进行对比，得出了最具性价比的供应生活热水方式。

1　生活热水用量

随着居民收入水平的提高，居民对生活品质的追求也越来越高，其中生活热水是生活品质里的一个重要指标。

有关调研指出，居民生活中一些重要生活用水适宜水温如表1所示。

表1

生活用水适宜水温

Table 1

Suitable water temperature of domestic water

经研究表明，居民年平均洗浴热水日用量为32 L[5]。刷牙按照每日1 L的使用量。洗脸用水可由下式计算得出：

式中：V为用水量；D为自来水管直径；v为水的流速；t为使用时间。这里取一般家庭使用的直径，为1.5 cm；水流速度v取0.5 m/s；时间取1 min。最后可得V＝5.3 L。洗衣用水与洗浴用水所占比例相当[6]，取30 L/d。综上可得居民年平均热水日用量在68.3 L左右。

居民每天平均使用生活热水所需热量由下式计算得出：

式中：Ti为某种用水方式的热水水温；T0为未加热时的水温；Vi为用水体积；ρ为水的密度；c为水的比热容。

令T0＝15 ℃，ρ＝1 000 kg/m3，c＝4 200 J/(kg·℃)，将表1中数据代入式(2)可得Q＝6.88×106 J。

2　供应生活热水方式

目前居民使用热水主要方式有集中式和分布式两种，集中式热源多为电热联产、区域锅炉和工业余热等，分布式能源主要有燃气热水器、电热水器、太阳能热水器、空气能(源)热水器等。

2.1　燃气热水器

燃气热水器以燃气为能源，通过燃烧的方式加热冷水，具备加热冷水快速的优点；但在安装位置选择上，需要比较开阔的空间，不能安装在浴室，还需要排烟管道来排除废气；同时存在排放一氧化碳的风险。

综合条件下，非冷凝式燃气热水器的效率为82.5%，冷凝式燃气热水器的效率为97.2%[7]。

目前，为安全起见，国家已禁止生产烟道式的燃气热水器，必须采用强排式，把废气通过一个风机排放到室外。所以，当前的燃气热水器需要消耗额外的电量，功率大概在40～60 W之间。

2.2　电热水器

电热水器能通过电加热的方式来加热冷水，在安装位置方面具有很高的灵活性；但及时性上不如燃气热水器，如果一直打开会增加耗电量；同时内胆容易生成水垢，增加了后期维护费用；并且存在漏电的潜在危险。电热水器的效率在95%左右。

2.3　太阳能供应热水

太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，并以真空管式太阳能热水器为主，其占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环，从而把冷水加热为热水。

随着传统能源成本的不断上升及环境的持续恶化，太阳能热水工程解决方案越来越多地被应用于居民住宅、别墅、酒店、旅游风景区、科技园区、医院、学校、工业厂区、农业种植养殖区等众多领域，针对不同领域热水使用情况进行合理设计与配置，达到能源的综合利用，降低成本投入。

太阳能热水工程主要由太阳能集热器、储热系统、控制系统、换热系统、辅助能源系统、保温材料、管路系统及配件等部分组成。太阳能集热器吸取太阳的热量，加热管道中的水，加热后的水靠循环泵通过管路输送至储热装置，通过整体能源系统的设计可为锅炉、热泵等提供基础热水，通过管路输送至各热点使用。

2.4　空气能(源)热泵供应热水

空气能(源)热泵是一种热泵技术，有“大自然能量的搬运工”的美誉，有着使用成本低、易操作、采暖效果好、安全、干净等多重优势。

以无处不在的空气中的能量作为主要动力，通过少量电能驱动压缩机运转，实现能量的转移，无需复杂的配置、昂贵的取水、回灌或者土壤换热系统和专用机房，能够逐步减少传统采暖给大气环境带来的大量污染物排放，保证采暖功效的同时可实现节能环保的目的。

空气能(源)热泵采用热泵加热的形式，水、电完全分离，无需燃煤或天然气，因此可实现一年四季全天24 h安全运行，不会对环境造成污染。

相比太阳能、燃气、水地能(源)热泵等形式，空气能(源)热泵不受夜晚、阴天、下雨及下雪等恶劣天气的影响，也不受地质、燃气供应的限制。

空气能(源)热泵使用1份电能，同时从室外空气中获取2份以上免费的空气能(源)，能生产3份以上的热能，高效环保，相比电采暖每月节省75%的电费，为用户省下如此可观的电费，很快就能收回机器成本。

空气能热水器的适用范围一般为－7～45℃，所以寒冷地区的使用会受到限制。

2.5　集中供热方式

采用集中供热的方式来供应生活热水，有多种方式，如使用已有的集中供热的管网和热源；或者建设专用的供应生活热水的管网，但共用热源等。此种方式供应生活热水，既没有电热水器漏电和维护的问题，也没有燃气热水器废气排放的风险；同时，能源综合利用效率比分散式的要高。当前集中供热管网热损失以北京为例在10%左右，但通过使用新的保温材料热损失可降到3%左右[8]。

集中供热热源应优先选择工业余热，其次为热点联产及区域锅炉。

现有集中供热管网，一般只有供暖管网，没有单独的热水管网。供应生活热水的管网可使用原有的供暖管网，而在用户处增加小型家用换热器，从而实现现有管网的最大化利用，减少初始投资；或者一级管网共用，二级管网分开，适当增加初始投资，但在运营成本上会有所下降。

相对于用户较为分散区域，集中供热管道铺设将会造成较高成本及增加铺设难度。

3　各种供应生活热水方式性价比分析

由居民每人每年所用热水量，可以得出其所需要的热量为2.51×109 J。

对于燃气热水器，此处以天然气燃料为例，热值取37.68×106 J/m3；效率以冷凝式燃气热水器为例，取97.2%；天然气价格以北京为例，为2.28元。

对于电热水器，加热效率取95%；居民用电价格以北京为例，为0.488 3元/(kW·h)。

对于太阳能热水器，在太阳光保证率为70%的情况下，电价为0.488 3元/(kW·h)[9]。

对于空气能热水器，消耗电能从空气中获取热量来加热冷水，耗电量取电热水器的25%，电价为0.488 3元/(kW·h)。

对于集中供热方式，根据热源分析两种情况——热电联产和余热回收，而管网则使用原有供热管网，在居民家中安装小型家用换热器。热电联产集中供热模式中，每吉焦热量电厂出厂价格为23.6元，经过管网输送后价格大约为40元[10]。

综合前面对各种供应生活热水方式的分析，将其结果整理到表2中进行对比。可看到，在每年使用费用方面，太阳能热水器最少(无使用费用)，其次是空气能(源)热泵，只有85元左右；再次是以热电联产为热源的集中供热方式，在100元左右；然后是天然气热水器和以余热回收为热源的集中供热方式；使用成本最高的是电热水器，远高于其他方式。

表2

各种生活热水供应方式的比较

Table 2

Comparison of kinds of domestic hot water supply

4　结论

采用集中供热方式，特别是采用工业余热作为热源的集中供热模式，对用户来说使用费用最低、最安全、最方便；但集中供热模式受地理环境、供热设施建设条件等影响较大，个别分散用户不利用集中供热系统的建设，且热能输送过程中能量损失较大。

分布式供热系统在环境保护上，将部分污染分散化、资源化，可争取实现零排放或者适度排放的目标；在能源的输送和利用上分片布置，可减少长距离输送能源的损失，有效提高了能源利用的安全性和灵活性。特别是太阳能供热系统和空气能(源)热泵供热系统，在使用中可真正实现零排放、无污染，对减少一次能源消耗、减少大气及环境污染起到了非常重要的作用。

而采用集中供热为主(优先采用工业余热作为热源)分布式能源供热为辅的多能互补供热模式，弥补了单纯集中供热系统的缺点，且充分发挥了分布式能源的优势。特别是太阳能供热系统及空气能(源)热泵供热系统，更是纯净的分布式新能源。

所以优先利用分布式能源及工业余热的多能互补供热系统，比单独的集中式供热或者分布式能源供热系统具有明显优势。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部. 2015年城乡建设统计公报[EB/OL]. [2017-08-08]. .

URL    

[本文引用:1][2]LIANG Xuan, ZOU Tao, GUO Bin, et al. Assessing Beijing's PM2.5 pollution: severity, weather impact, APEC and winter heating[J]. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical & Engineering Sciences, 2015, 471(2182): 20150257.[本文引用:1][3]连红奎，李艳，束光阳子，等. 我国工业余热回收利用技术综述[J]. 节能技术，2011, 29(2): 123-128.LIAN Hongkui, LI Yan, SHU Guangyangzi, et al. An overview of domestic technologies for waste heat utilization[J]. Energy Conservation Technology, 2011, 29(2): 123-128.[本文引用:1][4]方豪，夏建军，宿颖波，等. 回收低品位工业余热用于城镇集中供热：赤峰案例介绍[J]. 区域供热，2013(3): 28-35.FANG Hao, XIA Jianjun, SU Yingbo, et al. Recovery low-grade industrial waste heat utilization for centralizing heating in urban and rural area: introduction to the case of Chifeng[J]. District Heating, 2013(3): 28-35.[本文引用:1][5]王珊珊，郝斌，彭琛，等. 居民生活热水使用情况调研与分析[J]. 建设科技，2016 (16): 20-24.WANG Shanshan, HAO Bin, PENG Chen, et al. Investigation and analysis on the utilization of hot water in residential areas[J]. Construction Science and Technology, 2016(16): 20-24.[本文引用:1][6]袁远. 北京市家庭生活用水规律与模拟模型研究[D].

北京：

北京化工大学，2004.YUAN Yuan. Study on household water use orderliness and simulation model of Beijing[D].

Beijing:

Beijing University of Chemical Technology, 2004.[本文引用:1][7]艾效逸，傅忠诚，詹淑慧，等. 燃气热水器的理论热效率及其分析[J]. 煤气与热力，2007, 27(3): 30-35.AI Xiaoyi, FU Zhongcheng, ZHAN Shuhui, et al. Theoretical thermal efficiency of gas water heater and analysis[J]. Gas & Heat, 2007, 27(3): 30-35.[本文引用:1][8]付瑶. 关于减少集中供热管网热损失的探讨[J]. 区域供热，2016(5): 107-109.FU Yao. Discussion on reducing heat loss of central heating pipe network[J]. District Heating, 2016(5): 107-109.[本文引用:1][9]吕伟. 太阳能供暖性能和保证率的计算分析[J]. 制冷与空调，2013, 27(4): 381-383.LÜ Wei. The calculation of solar heating performance and the solar guaranteed rate[J]. Refrigeration & Air-condition, 2013, 27(4): 381-383.[本文引用:1][10]回翼，柳颖. 热电联产集中供热运营模式及运行成本的探讨[J]. 区域供热，2014(1): 105-108.HUI Yi, LIU Ying. Discussion on operation mode and operating cost of central heating system in heat and power cogeneration[J]. District Heating, 2014(1): 105-108.[本文引用:1]

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