0 引言
根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)集中供熱主要依靠熱電聯(lián)產(chǎn)、燃煤鍋爐對(duì)煤炭等化石燃料的燃燒。面對(duì)國(guó)家2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的嚴(yán)峻形勢(shì)，各供熱企業(yè)都已意識(shí)到，不能過分依賴傳統(tǒng)煤炭等化石燃料為主的熱源形式，積極探索分散式清潔能源、集中供熱深度耦合、多能互補(bǔ)的技術(shù)方案，才能有效應(yīng)對(duì)極端天氣、負(fù)荷增長(zhǎng)、既有熱源能力逐漸飽和等供熱企業(yè)面臨的困境，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)清潔、高效運(yùn)行。
1 集中供熱系統(tǒng)發(fā)展方向分析
近年來，各地以熱電聯(lián)產(chǎn)及燃煤鍋爐為熱源的企業(yè)供熱能力逐漸趨于飽和。為滿足企業(yè)未來發(fā)展，應(yīng)逐步構(gòu)建清潔能源與集中供熱深度耦合、多能互補(bǔ)的新型供熱系統(tǒng)，且清潔能源及其設(shè)施占比應(yīng)盡量最大化。但構(gòu)建新型供熱系統(tǒng)將增加企業(yè)的建設(shè)和運(yùn)行成本，各種系統(tǒng)形式差異大也加重了企業(yè)的運(yùn)行、維護(hù)負(fù)擔(dān)。因此，各企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身實(shí)際，充分利用電價(jià)優(yōu)惠政策、地?zé)崮艿荣Y源，建立符合自身實(shí)際狀況的新型供熱系統(tǒng)，使其以能耗最低、最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式合理開展。
2 清潔能源與集中供熱耦合系統(tǒng)技術(shù)方案分析
實(shí)現(xiàn)各種分散式清潔能源與集中供熱系統(tǒng)耦合、多能互補(bǔ)的供熱方式，從技術(shù)方案的角度分析主要有獨(dú)立運(yùn)行；共網(wǎng)運(yùn)行；獨(dú)立、共網(wǎng)運(yùn)行可靈活切換三種方式。
獨(dú)立運(yùn)行方案為采用某種形式的熱源為獨(dú)立熱源進(jìn)行供熱運(yùn)行。考慮集中供熱系統(tǒng)熱量來源充足、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)，一般首選集中供熱系統(tǒng)。針對(duì)集中供熱系統(tǒng)無法覆蓋的偏遠(yuǎn)區(qū)域，可結(jié)合地區(qū)實(shí)際狀況因地制宜，選取較為穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的清潔熱源形式。
圖1 地源熱泵系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行示例
2.2 共網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)方案
2.2.1 串聯(lián)運(yùn)行方案
該方案以串聯(lián)方式連接作為區(qū)域供熱熱源。如圖2所示，將聯(lián)通閥門5、6關(guān)閉，閥門1、2、3、4開啟，形成第一、二熱源串聯(lián)的共網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)。
圖2 某區(qū)域供熱系統(tǒng)圖
該系統(tǒng)特點(diǎn)是能夠最大限度利用第一熱源，使其發(fā)揮最大供熱能力，第二熱源作為補(bǔ)充及保障。一般情況下，第一熱源適用于集中供熱系統(tǒng)，如不具備集中供熱條件，可選取空氣源熱泵系統(tǒng)；第二熱源應(yīng)為供熱能力穩(wěn)定，但能源成本較高的系統(tǒng)，多種熱源串聯(lián)共網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)低成本熱源能量的極限利用，并保障供熱系統(tǒng)安全、充足、穩(wěn)定運(yùn)行。
2.2.2 并聯(lián)運(yùn)行方案
該方案指多種形式的熱源以并聯(lián)方式連接，如圖3所示，為燃?xì)忮仩t和污水源熱泵的并聯(lián)共網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)閥門1、2、3、4開啟時(shí)，燃?xì)忮仩t和污水源熱泵同時(shí)為區(qū)域提供熱量。
圖3 污水源熱泵與燃?xì)忮仩t并聯(lián)共網(wǎng)系統(tǒng)
該系統(tǒng)特點(diǎn)是第一熱源供熱能力穩(wěn)定、能源成本較低、但供熱能力不足，需第二熱源聯(lián)合供熱。優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)熱源按照既定的供熱能力按一定比例進(jìn)行配置，初投資較低，運(yùn)行穩(wěn)定。
2.3 獨(dú)立、共網(wǎng)運(yùn)行可靈活切換的技術(shù)方案
該方案通過閥門調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立、共網(wǎng)運(yùn)行的靈活切換。以上圖2所示系統(tǒng)為例，當(dāng)聯(lián)通閥門5關(guān)閉、6開啟，閥門1、2關(guān)閉、閥門3、4開啟時(shí)，是以空氣源熱泵獨(dú)立運(yùn)行；當(dāng)聯(lián)通閥門5開啟、6關(guān)閉，閥門1、2開啟、閥門3、4關(guān)閉時(shí)，則是以集中供熱熱源獨(dú)立運(yùn)行；當(dāng)連通閥門5、6關(guān)閉、閥門1、2、3、4均開啟時(shí)，則是不同形式的熱源共網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)。
該系統(tǒng)一方面使各種形式的熱源互為補(bǔ)充，在熱量出現(xiàn)缺口時(shí)，能夠快速反應(yīng)，保證供熱系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定提供充足熱量；另一方面企業(yè)可根據(jù)實(shí)際狀況和需求選取經(jīng)濟(jì)的熱源模式和運(yùn)行方案，從而有效降低成本投入。
3 運(yùn)行方案分析
3.1 集中供熱與清潔能源供熱系統(tǒng)耦合運(yùn)行實(shí)例
在集中供熱系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)，首選能耗最低、運(yùn)行最為穩(wěn)定的集中供熱系統(tǒng)。如為應(yīng)對(duì)熱源供熱能力不足，可適當(dāng)進(jìn)行其他形式清潔能源進(jìn)行熱量補(bǔ)充。如下圖4所示，為集中供熱系統(tǒng)與電空氣源熱泵系統(tǒng)相互耦合的共網(wǎng)運(yùn)行實(shí)例。
圖4 集中供熱、清潔能源共網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)
當(dāng)出現(xiàn)極寒天氣，或是其他因素導(dǎo)致集中供熱系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)不能有效滿足區(qū)域采暖需求時(shí)，可以采用集中供熱系統(tǒng)為主、空氣源熱泵補(bǔ)充熱量的形式，從而滿足采暖負(fù)荷需求。
3.2 清潔能源系統(tǒng)耦合運(yùn)行實(shí)例
以河北省某采暖區(qū)域?yàn)槔?/span>實(shí)供面積5萬平方米，所需熱負(fù)荷2.25MW。因該區(qū)域無法引入集中供熱系統(tǒng)，因此初期采用燃?xì)忮仩t作為熱源進(jìn)行供熱。通過對(duì)近兩年運(yùn)行成本的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，其平均直接運(yùn)行成本為45元/㎡左右，在工業(yè)用天然氣價(jià)格上漲為4.9元/m³后，僅耗氣成本一項(xiàng)將虧損41.89元/平米。
因此，結(jié)合該區(qū)域?qū)嶋H狀況，探索新的熱源模式以降低供熱生產(chǎn)成本。建立電空氣源熱泵為主、燃?xì)忮仩t為輔的共網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)，如下圖5所示。
圖5 電空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t串聯(lián)的共網(wǎng)系統(tǒng)
依據(jù)該區(qū)域負(fù)荷及冬季室外氣溫狀況，繪制熱負(fù)荷延續(xù)曲線如下圖6所示。當(dāng)冬季室外氣溫高于-4℃、負(fù)荷低于1.6MW時(shí)，以電空氣源熱泵為單一熱源獨(dú)立供熱；當(dāng)室外氣溫降至-4℃及以下時(shí)，熱泵已提供最大負(fù)荷但仍不能滿足采暖需求，此時(shí)啟動(dòng)燃?xì)忮仩t補(bǔ)充熱量。
圖6 河北省某區(qū)域熱負(fù)荷延續(xù)曲線圖
通過對(duì)共網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本的分析測(cè)算，該耦合系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用約為42.13元/㎡（不包含建設(shè)投資），較2021-2023年燃?xì)忮仩t單獨(dú)運(yùn)行時(shí)降低6.38%。考慮燃?xì)鈨r(jià)格上漲影響，將節(jié)約年運(yùn)行成本129.83萬元。
經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可在氣溫波動(dòng)時(shí)快速響應(yīng)，能夠滿足不同條件下的采暖負(fù)荷需求，是多熱源系統(tǒng)耦合實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，同時(shí)隨著能源價(jià)格波動(dòng)，適時(shí)調(diào)整熱源供熱方式，優(yōu)化運(yùn)行成本的良好實(shí)踐。
4 結(jié)論
分散式清潔能源與集中供熱系統(tǒng)深度耦合、多能互補(bǔ)的技術(shù)方案，是有效應(yīng)對(duì)供熱企業(yè)熱源能力飽和、削減企業(yè)碳排放的重要手段。各企業(yè)應(yīng)結(jié)合負(fù)荷規(guī)劃及自身實(shí)際狀況，結(jié)合不同熱源的優(yōu)點(diǎn)對(duì)多種系統(tǒng)運(yùn)行方案進(jìn)行合理規(guī)劃，根據(jù)實(shí)際需求和運(yùn)行成本選取最佳的運(yùn)行方式。
