北方城镇供热机遇与挑战

清洁供热技术路线-技术与挑战清华大学建筑节能研究中心夏建军04月16日1/40主要内容背景与现实状况当前存在问题清洁供热实现路径总结22/403背景城市能源系统发展形势国家级新区建设目标：“世界眼光、国际标准、中国特色、高点定位”，其功效之一就是探讨中国未来城市建设发展模式，为未来城市建设作示范；相关政策指标:巴黎协定2050年2K目标2030年中国碳排放达峰2030年欧洲一次能源非化石能源占比高于50%2050年全球人均碳排放量不高于2吨/（人·年）从低碳发展和环境治理需要出发，我国能源系统面临“供给侧和消费侧革命”；城市能源系统新建设就必须对这场变革做出充分示范。3/404四大挑战：挑战1：电力领域，怎样提升可再生电能百分比，处理“弃风”、“弃光”百分比，降低碳排放量。挑战2：供热领域，怎样降低供暖耗煤量，用清洁热源替换燃煤锅炉，打好蓝天保卫战。挑战3：供燃气领域，怎样缩小天然气利用冬夏峰谷差。挑战4：农村，怎样在农村等关键城市临近区域有效、清洁、经济地利用好生物质能源。城市发展面临能源与环境问题步骤气候改变与实现低碳发展治理雾霾与打赢蓝天保卫战实现能源结构调整实现中央提出能源供给侧和消费侧革命城市用能需要在用能发展前提下，在这四个方面有所突破，为处理中国能源问题，探索出一条新可行路径！背景4/405各类能源资源可用潜力5/40西北地域：风光火互补西北地域不但是风光电生产基地，还是煤炭和天然气生产基地，应该利用燃煤电厂和燃气电厂为风光电调峰，实现多能互补地域差异化城市电力调峰模式东北、华北、蒙东：热电协同北方地域冬季有巨大供热需求，而热电矛盾又是当下该地域弃风最主要矛盾。发展热电协同模式，实现热电解耦，同时利用供热系统蓄热能力帮助电力调峰，是该地域未来主要发展模式西南地域：水电自产西南地域是水电主要生产基地，完全能够处理当地电网和长距离输电线路调峰需要东中部地区：需求侧调峰东中部地区发达城市云集，是未来主要受电地区。由于资源禀赋和工业西迁，没有充分调峰电厂。所以，一方面在供给侧应该合理发展天然气调峰机组；其次发展电动汽车、公建蓄冷/蓄热系统、直流建筑及分布式蓄电等，并充分利用它们作为需求侧调峰伎俩。6/407预研究2：各类能源资源可用潜力定量化方法对北方地域共158个地市各类清洁热源最大供热能力进行调研和估算，并结合需求进行供需分析：▶清洁热源供需匹配展现一定地域不均匀性▶我国北方清洁热源挖掘潜力巨大，三分之二地市清洁热源即可满足当地供热需求7/40一、背景与现实状况小城镇静义小城镇是城镇过渡体主体与代表，具有过渡性和动态性。我国对小城镇概念还未有严格界定，各领域常见观点有：▶行政管理部门：县城+建制镇▶社会学界：县城+建制镇+乡村集镇（乡政府所设非建制镇）▶地理学界：县城+建制镇+自然集镇从供热角度出发，县城、建制镇与乡村集镇供热形式区分较大，故将小城镇范围定义为县城和建制镇8省、自治区、直辖市省级地级县级城市(县级市、市辖区)县、旗、林区、特区乡级小城镇（县城、建制镇）乡、民族乡等＋地级市、地域、自治州、盟8/409一、背景与现实状况我国小城镇发展概况当前约有全国1/4人口居住在小城镇;截止至，我国共有：县城1568个，建成区总面积200.4万公顷，总人口1.6亿建制镇1.78万个，建成区总面积390.8万公顷，总人口1.4亿在新型城镇化背景下，我国将连续加大对小城镇支持力度，尤其是到城镇化末期有望出现逆城市化过程，将使得小城镇人口呈增加趋势；预计2030年我国人口总量将到达14.5亿，生活在小城镇人口有望到达4.3~4.5亿左右，比当前净增加0.8~1亿人*数据起源于中国城镇建设统计年鉴9/4010一、背景与现实状况北方小城镇发展概况近年来，我国北方15省市小城镇在人口和建成面积总体展现连续增加趋势，仅有个别省市小城镇人口略微下降截止至，我国北方15省市共有：县城622个，建成区总面积102.1万公顷，总人口6569万建制镇7099个，建成区总面积144.3万公顷，总人口5638万*数据起源于中国城镇建设统计年鉴10/40一方面随着新型城镇化持续发展，生活在小城镇人口有望保持增加趋势；其次，小城镇居民对美好生活需求日益增长，小城镇居民对能源服务需求将迅速增长，生活能源消费量也将随之不停增加；目前对小城镇生活能源消费关注较少；国家还未出台关于小城镇能源消费针对性政策；相关统计资料也并未单独列出小城镇生活能源消费数据；研究小城镇生活能源消费特征趋势，对制定小城镇绿色低碳发展战略具有重要意义如何解决小城镇建筑能源与环境问题？未来小城镇建筑能源如何发展？11一、背景与现实状况11/4012一、背景与现实状况北方小城镇供热现实状况

其中，小城镇(县和建制镇)总集中供暖面积在至十年间由3.9亿m2增加到了15.7亿m2，占北方地域总集中供暖面积百分比由12.7%增加到了18.5%。

集中供热面积增加是北方各省市面临共同现实状况。▶供热面积*数据起源于中国城镇建设统计年鉴12/4013一、背景与现实状况北方小城镇供热现实状况▶热源形式我国小城镇集中供热热源主要以热电联产和燃煤锅炉为主，存在少许燃气锅炉和电采暖分析县城集中供热可得，热水锅炉占县城总集中供热量76%，热电联产仅占18%与城市相比，小城镇锅炉百分比更大，热源形式相对落后*数据起源于中国城镇建设统计年鉴13/408镇区县城小城镇集中供热系统热源现实状况：镇区分散供热以户用散烧煤、型煤（蜂窝煤和煤球）为主，应用百分比占75%以上，其它还包含燃气、电、生物质能（包含木柴、秸秆、稻壳、木炭等）和牛粪等；取暖热源主要为燃煤和生物质燃烧，近年来空气源热泵也逐步出现。二、存在问题14/4015不一样于大城市，小城镇平房和低层建筑百分比更大，体形系数大热负荷需求高破旧房屋百分比更大，施工质量和更新速度远低于大城市*北方小城镇居住建筑供暖现实状况调查对黑龙江、河北、辽宁、山东、新疆6个小城镇实地调研*：平房占比40.7%，楼房59.3%保守估算北方地域小城镇集中供热面积中，有近2亿m2平房破旧建筑共性问题——末端建筑二、存在问题15/4016北方小城镇供热现实状况我国城市地域集中供热单位面积耗热量约为0.2~0.4GJ/㎡，而统计数据与实测数据显示，小城镇单位面积耗热量显著高于城市地域:▶建筑耗热量*数据起源：中国城镇建设统计年鉴二、存在问题16/4017管理体制县市层面，详细供热事项由市、县人民政府及供热管理部门（各城市供热管理部门详细机构不一，有建设局、房产局、城管局或市政公用事业局等）等部门负责。镇区供热管理职责没有明确牵头部门，相关事项由相关部门按职能分工分别负责。集中供热管网管网老化严重，热力企业管理水平低下，热网热损大，漏水率高；末端缺乏有效调整伎俩，供热管网流量调整不均匀现象，存在大量过量供热和供热不足现象；二、存在问题17/4018气体污染主要为化石燃料燃烧、周围秸秆燃烧、工业废气排放固体废弃物污染生活垃圾：填埋、堆肥或者简易焚烧，轻易产生二次污染建筑和工业垃圾：简单处理后排放水体污染生活污水就地排放污染物治理缺乏合理规划，仍有较多回收利用空间可利用污染物资源：生活垃圾、污水等共性问题——污染物与排放处理二、存在问题18/4019小城镇分类与资源禀赋模式分类产业特点清洁与可再生资源特色综合开发型无突出产业特点，工业和农业都有一定发展生物质资源、工业余热农业主导型形成农业种植、养殖、加工、销售一条龙产业发展模式生物质资源工业基础型以矿产开采、加工制造等工业为主工业余热资源城郊结合型大中城市卫星城镇，发展城市工业配套产业、为城市提供农副产品工业余热资源生物质资源特色旅游型自然景观

生物质资源（山区景点等）太阳能资源（高原景点）历史文化景观/专业市场型交通便利，商业与服务业发达/因为自然、社会、经济及其产业基础不一样，各个小城镇发展机制和规模不尽相同,依据实践经验,当前小城镇发展模式及其对应供暖资源禀赋以下：发展模式及分类19/40资源能源禀赋经济性技术可推广性怎样处理城镇建筑能源与环境问题？未来城镇建筑能源怎样发展？在新型城镇化进程中，能源和环境问题是实现城镇可连续发展关键问题！12居住与用能特点三、清洁供热实现路径20/4021小城镇供热技术路线含有很强路径锁定效应，假如不能合理引导，小城镇生活能源消费将成为我国未来能源消费主要增加点。加紧推进居民住宅节能，降低建筑热需求主动推进制订北方小城镇清洁供暖技术路线因地制宜推进清洁能源和可再生能源应用三、清洁供热实现路径21/4022房屋保温性能差，热耗高且室内温度不达标加紧推进居民住宅节能，降低建筑热需求三、清洁供热实现路径22/4023处理思绪：对破旧建筑进行节能改造：加强围护结构保温性能，提升建筑物气密性改造成本约为60~100元/m2，可节约30%左右能耗，3~5年即可回收*利用小城镇平房分散，容积率低特点勉励各种主动/被动式节能技术：太阳房等平均换气次数节能楼房0.277非节能楼房0.397平房0.703三、清洁供热实现路径加紧推进居民住宅节能，降低建筑热需求23/40我国小城镇周围普通都有较为丰富清洁能源和可再生能源，提升这些能源利用水平是小城镇能源发展重点。在有条件小城镇发展集中采暖在存在燃煤电厂较大规模县城和建制镇，发展热电联产集中供热，并加大供热管网建设力度，提升互联互通能力，提升破旧管网保温性能；在钢铁厂等高耗能企业周围人口密集地域小城镇，能够利用低品位工业余热供暖，尤其是京津冀地域小城镇周围余热资源丰富；因地制宜推广太阳能、风能、地热能、生物质等能源风电、水电、光电丰富型：考虑区域电热泵供暖地热资源丰富型：考虑地热取暖并结合电热泵技术生物质资源丰富型：考虑生物质制气和压制颗粒等供暖方式充分挖掘小城镇垃圾污水资源等供热24三、清洁供热实现路径24/4025小城镇供热与北欧供热方式比较中国城市中国小城镇北欧国家热源形式热源能源消耗散煤占75%以上，生物质，电能为辅资源条件城市热需求较大，城市内部工业和电厂较少，化石能源和可再生能源相对匮乏大部分小城镇周围可利用可再生资源丰富生物质资源和余热资源利用模式与设施建设非常完善，可再生电力丰富供热末端特点以大型热力站为主，热力站面积通常在5~10万m2，为建筑群供热人口分散，建筑密度较低热力站设置在单个建筑或几个同类型建筑共用，瑞典二分之一高层建筑和14%单户住宅接入热网我国北方小城镇与北欧国家不论是管网建设，热源禀赋，建筑分布密度更含有相同性，而北方城镇供暖则较二者差异较大。所以小城镇供热路线能够借鉴北欧国家供热模式*AnassessmentofdistrictheatingresearchinChina瑞典（）瑞典（）中国（）中国（）25/4026热电联产集中供热首站西乌旗金山电厂蒸汽西乌旗金山电厂2*150MW机组，配置2*500t/h循环流化床锅炉单台采暖蒸汽量156t/h，蒸汽压力0.3MPa，蒸汽温度268℃。首站设计总蒸汽量268t/h，最大供热量201MW首站在县城南部供热面积310万平米，足够覆盖整个县城。供热煤耗27kgce/GJ替换原有3*14MW，1*29MW，1*58MW，3*29MW小锅炉，天天节约燃煤239t1km10km三、清洁供热实现路径26/40供热技术方案-工业余热利用27三、清洁供热实现路径27/4028在唐山中心区范围内形成大联网，搜集工业余热与电厂热量联合供热。向周围玉田、滦县等区县供热。未来能够向京津两地提供热量。经典案例分析28/4029应用案例：迁西钢厂低品位余热供热特点：1、末端吸收式换热降低回水温度；2、长距离输送；3、钢厂各种余热梯级利用；4、热网充分配合余热进行调整，确保供热安全和质量。效果：1、最终供热1000余万平米，满足迁西县城2030年需求，一期供热360万平米；2、第一期天天降低供热燃煤440t，天天降低工业用水t；3、全国首个完全利用低品位工业余热进行供热县城。迁西县余热利用项目教授评定会评定委员会来自国家发展改革委、工信部、住建部、环境保护部等主管部门领导和国内多名教授。评定委员会组长为发改委巡视员白荣春:“…该项目成功实现工业余热梯级利用于大规模城市供热领域，结果可广泛推广，节能减排效果显著。并认为这是中国破解能源和雾霾问题突破口，是城镇供暖革命性创新…”。29/40303.可再生能源丰富型城镇因地制宜，充分消纳可再生能源采取电直热系统一份电产一份热，能效低，“高能低用”电热泵技术一份电产多份热，实现高效利用-

风电、水电、光电丰富型：考虑区域电热泵供热电热泵低温热源可分为空气源、污水源以及地热源空气源热泵受室外温度影响，在严寒地域能效比较低污水源热泵水温较室外气温改变小，运行较稳定；须对污水做集中处理浅层地热源热泵须考虑土壤冬夏热平衡，深层地热须考虑当地地热资源电热泵适宜分散式小区区域供热电热泵设备体积小，安装灵活；区域式供热降低输配损耗热网供水温度越低，热泵效率越高；可配合建筑地暖供热三、清洁供热实现路径30/4031可再生发电利用（风电、水电）(a)室外机(b)改进型供暖室内机空气源热泵分散式（一室一机）、多联机等应优先发展，规模不宜过大外温在0℃左右时：是热泵传统上应用范围蒸发器化霜模式和判断方式外温在-10℃左右时：COP能够大于2压缩机压比及排气温度过高螺杆机、涡旋机补气增焓；转子压缩机双级压缩空气源热泵设备含有较优性能，且其工作过程仅需输入电力，含有方便灵活、适应性强等优势。当输入电力来自可再生能源,室外没有极寒天气（-20℃以下）时，则利用空气源热泵完全可实现可再生供暖模式。且投资相较于集中供暖形势较低。我国风电装机和水电装机分布图三、清洁供热实现路径31/4032水电资源丰富高原河谷地域（阿坝、迪庆）阿坝州双江口水电站（总装机MW）阿坝、甘孜两州因为所处地理位置独特，化石能源短缺。石油、天然气还未发觉规模储量，煤炭储量也比较贫乏。以阿坝为例，电力能源消费占能源消费总量62.5%，煤炭、成品油、石油液化气等仅占4%该地域均处于高原，道路交通极为不便，运输成本过高，使得该地域常规能源价格昂贵（部分城镇煤炭高达1700元/吨）阿坝州水能资源丰富，境内水电理论蕴藏量1933万千瓦，占全省14%；截至底，总装机544万千瓦；丰水期受到电网输送能力限制，尽管来水丰富，但发电出力也仅在40%~60%左右，弃水现象严重。迪庆水能蕴藏量达1650万千瓦，占全省15%阿坝迪庆所处位置四川西部云南北部辖区马尔康、金川等13个县管辖德钦、维西2县，州府香格里拉市人口92.03万人（）40.5万人()气象参数最冷月（1月）平均温度为-3.70℃历年平均最低温度-11.7℃迪庆州维西县：托巴水电站（总装机1400MW）乌弄龙水电站（总装机990MW）以迪庆为例香格里拉德钦维西小城镇数量423人口（万）37.7919.3015.46迪庆小城镇总人口72.56万（鉴），假定3人一户，每户供暖面积70m2（客厅和卧室），COP=3，供暖率80%户数户均供暖面积单位面积尖峰热负荷最大供供热量电负荷万户m2/户W/m2MWMW24.197050677.23225.74迪庆已完成集中供热项目投资超200元/m2空气源热泵仅100~150元左右经典案例分析32/4033太阳能资源利用那曲、狮泉河、昌都和青海玉树等地域这一参数也能到达12~14MJ/（m2·d），而全国其它城市极少有到达两位数。青藏高原一月份水平、垂直面太阳辐射分布图（MJ/㎡•月）青藏高原冬季日照率普通高于70%，日喀则更高达80%以上，是全国冬季日照率最高地域。太阳能资源丰富，太阳能辐射总量折合标煤约4500亿吨/年，居全国首位；风能资源储量约930亿千瓦时/年，折合标煤约3365万吨/年，居全国第七位。西藏自治区年太阳总辐射在-8200MJ/㎡之间，呈自西向东递减分布规律，全区平均为5808.3MJ/㎡。当地建筑围护结构大部分未按节能标准建造，部分建筑考虑太阳能被动房利用；建筑以低矮平房为主，主要聚集在山间平原地域高原地域小城镇围护结构高原地域小城镇建筑分布三、清洁供热实现路径33/4034太阳能空气集热器结合房间蓄能分散式供暖系统示意图邹秋生.高寒地域以太阳能利用为主供暖系统设计探讨洪亮.基于太阳能／燃气复合供暖技术集成与示范研究地域供热面积（m2）技术方式主要参数色达县第二完全小学2太阳能+空气源热泵辅助空气源热泵实际制热量759kW，COP2.4（标准工况制热量1260kW,COP4.0）拉萨市西藏能源研究示范中心员工宿舍太阳能+燃气室内温度在12到15℃，仅满足18:00到次日9:30,72%供暖能耗来自于太阳能，28%来自于燃气案例：色达二完小供暖总平面图西藏地域化石燃料匮乏，运输成本高，加上高原生态脆弱，化石燃料燃烧排放和污染影响巨大应合理采取被动与主动太阳能技术以拉萨为例，整年日照率高（大于73%）日照辐射强度大，一月份水平面总日射月平均日辐照量为16.556MJ/（m2.d），为当地普通建筑每平米采暖需要热量15倍。部分案例太阳能空气集热器进出口温度及集热效率太阳能资源利用-高寒地域经典案例分析34/4035生物质资源利用-内蒙内蒙古阿鲁科尔沁旗大型生物天然气利用项目全产业链运行路线图*中国建筑节能年度发展汇报打捆田间作业原料储存场厌氧发酵罐提纯车间国内首个大规模生态高效转化项目年消纳玉米秸秆5.5万t（或等量其它有机废弃物）项目运行期间BNG产气效率：207m3/t一期统筹管理农田5万亩，秸秆原料成本200元/t综合生产成本2.99元/m3，结合配套设施，居民供气成本4.19元/m3，汽车供气成本3.49元/m3赤峰地域民用天然气价格为6.6元/m3，车用天然气价格4.61元/m3农村瓶组站BNG子站经典案例分析35/40中深层地源热泵从西北开始，深入在北方多地发展起来新方式，已经有多个工程水在管道中闭式循环，不会造成任何污染或其它环境问题在地面处水温：20~30℃/15~22℃单井流量：25~35吨/h，250~350kW投资：150万~250万（井及套管）适应条件：热情况依靠地下深处传热恢复，不可供冷热性能几乎不受地域限制地质条件不一样钻井成本大不相同发展方向：流量优化，使得单井产热量最大蒸发器侧双机串联，提升主机COP全采暖季系统COP=5（考虑热源和用户输配电耗），发电煤耗按照310gce/kWh，供暖一次能源消耗为17.22kgce/GJ（未考虑风电），供暖一次能源成本为17.22元