美、日两国区域供热技术的研究和应用

美、日两国区域供热技术的研究和应用

1欧洲的区域供热概况区域冷热供应是在区域热热基础上发展起来的。区域供热在欧美国家已经有一百多年的历史,美国从1877年、俄罗斯从1903年开始就有了区域供热工程。由于这项技术具有显著的经济合理性,所以在各国均有较大的发展,尤以前苏联最为突出,其区域供热事业是社会公共事业的一部分,每年以平均10%的幅度增长。20世纪70年代中期,其热电厂总容量已达60×106kW,总供热量约为3766×1012kJ,热网总长度约15000km,公共住宅的热化率为50%~60%。欧洲特别是挪威、瑞典和丹麦的供热技术非常具有特色,它们利用海水、湖水、地下水、工业废水和城市污水等作为热源,通过热泵装置获取热水作为冬季供热之用。在瑞典有上百个大型热泵站,总容量约为1200MW,其中容量最大的热泵站位于斯德哥尔摩,它由6台大型热泵组成,利用波罗的海的海水作为热源,供热能力达到160MW。区域供冷是在近几十年才逐渐发展起来的,其间经历了两次石油危机,发展并不太顺利。直到第二次石油危机后,能源和环境问题日益受到世界各国的重视,区域供冷供热的应用才再度成为研究的焦点。这项技术的研究和应用主要集中在美国和日本两个国家,欧洲由于气候原因,只在巴黎和汉堡等新市区的现代楼房街区中有所应用,所以其普及发展的可能性不大。本文主要介绍美国和日本区域供冷供热技术的研究和实际应用。1.1推进区域供热的发展美国学者早在20世纪40年代就正式提出了区域供冷的概念。20世纪60年代,世界第一个冷热联供系统在HarfordCity建成并投入运行。后来美国纽约蒸汽公司首次使用吸收式制冷机来增加汽轮机的夏季负荷,以求多发电又制冷。但由于当时只有单效吸收式制冷机,其热力系数很低(0.6~0.7),从经济性上无法和电压缩式制冷机相比,因此发展受到限制。而近些年来双效吸收式制冷机的研制成功,使这种系统再次受到重视。20世纪70年代纽约世界贸易中心采用该技术向其建筑物群集中供冷供热,供冷量达到172MW,成为当时世界上规模最大的一项区域供冷供热工程。一些新建的城市和地区已经使用或正在考虑使用区域供冷供热系统,目前有众多的学者从事有关区域供冷供热方面的研究,并在多项技术上保持优势。美国能源部(DOE)十几年来主要在以下几个方面支持发展区域供冷供热技术:(1)高质量传输介质主要是为了测试和评价几种媒质添加剂对减少管网阻力损失的影响。美国Argonne国家实验室所进行的测试已经取得了减阻60%的效果,如果试验最后能够成功,就可在传输同样热能的情况下减少一半的管道尺寸。此外,该实验室还使用相变材料来提高热媒的载能能力,这同样可以达到减小管道尺寸的效果。(2)设备及部件DOE和一些企业正在共同研制开发低成本、高可靠性的热量计,以利用低温热源的制冷制热技术来改进管道性能和研究高效换热器。马里兰大学正在研制基于Rambine循环的两级溶液循环热泵,以提高热泵的温升能力。Argonne国家正试图用一种热塑性材料来取代传统的钢材料。(3)区域供冷DOE正协助几个关于提高制冷效率、降低制冷和传输成本的研究项目,如利用水的潜热和使用冰浆作为媒质来供冷。Argonne国家实验室已着手开始建立冰浆泵送、传输和储藏的性能参数数据库。Brookhaven国家实验室则在设计一种新型蒸发器,期望能大幅度提高制冰能力。(4)系统分析评价根据不同地区的不同气候条件,对新建或已改造的区域供冷供热系统所采用的各种技术进行分析和比较。Brookhaven国家实验室以密尔沃基、威斯康辛、奥斯汀和得克萨斯作为研究对象,在考虑城市需求和特殊因素的情况下,试图构造出最佳区域供冷供热系统的方案。美国从1978年开始提出发展小型热电联产,现在正大力研究高效利用能源的冷热电联产。以技术开发和商业应用为目的,天然气行业、电力行业和暖通空调行业的制造商们正广泛而深入地参与该领域的合作。1999年3月,在美国芝加哥召开会议,规划了冷热电联产在楼宇应用中的技术发展步骤。(1)2000年制订技术与政策“引导图”,每3年实现市场占有率翻番,建立冷热电联产信息交流资料库,确定建筑物资源效率计量体系;(2)2005年确保行业法规朝有利的方向发展,即税收优惠、合理的电力费用和建立200个示范点;(3)2010年有20%的新建和5%的现有商用、写字楼类建筑物使用该系统;(4)2020年有50%的新建和15%的现有商用、写字楼类建筑物使用该系统;1.2东京新都心地区区域供热概况及新系统特征区域供冷供热在日本的发展可分为三个阶段。第一阶段是1970~1990年的创业期,当时区域供冷供热正处于技术和性能的实验阶段,此期间建造的有大阪万国博览会场、千里新城、东京新宿新都心地区和新东京国际机场等工程;第二阶段是1990~2010年的逐步推广期,这时区域供冷供热的技术已趋于完善,并尝试使用多种热能来源,如垃圾焚烧热利用、地铁废热利用、未处理排水热利用和海水利用等;第三阶段是2010~2030年的真正普及期,到那时将全面推广区域供冷供热,使其和电力、煤气和供水一样成为都市基本市政设施之一。以东京新宿新都心地区的区域供冷供热工程为例。作为新都市中心而发展起来的东京新宿新都心地区是一个有完整规划的高层建筑物群,为改善城市环境和节约能源,于20世纪70年代初就采用以煤气为能源的多种供冷供热技术,90年代初,经扩建已成为具有先进技术、规模巨大的区域供冷供热使用地区。从1972年开始,区域供冷供热站就以城市燃气为能源向该区供应冷冻水和蒸汽,稳定运行20年后,由于新都心地区建造了面积很大的东京都政府办公大厦(建筑面积达38.1万m2),对能源供应有了更大的需求,因此从1988年开始对其区域供冷供热站进行扩建工程,并于1990年2月竣工,1991年初正式供冷供热。该工程供冷容量达21万kW,是目前世界上最大的集中供冷系统。该区域配管的总长度约为8000m;冷冻水管直径范围∅150~1500mm;蒸汽管直径范围∅100~600mm;冷凝水管直径范围∅50~300mm。供给方式为四管制,冷冻水供回水温度为4℃/12℃,蒸汽压力为650~860kPa。经过扩建改造后的新系统具有以下特征:(1)为了提高供冷供热系统的运行效率,在综合考虑节能效果及分析冷热负荷、电力负荷曲线后,选用两套合适的机组,一套用于集中供冷,另一套为新宿ParkTower大楼所用(各4000kW);(2)利用热电联产的排热,考虑到蒸汽平衡,区域供冷供热采用4MPa的回收蒸汽,新宿ParkTower大楼用1MPa的蒸汽作为热源;(3)为提高冷冻机的全年运行效率,明确区别基本负荷和高峰负荷使用的两套系统,基本负荷使用燃气透平与热电联产相联合的高效运行系统,高峰负荷用单机容量大的系统。根据全年(1991)能量平衡的计算,对新宿区域供冷供热原有方式和新方式进行比较,可知新方式比原有方式节能33.5%。2空调设备年能耗据统计,我国建筑能耗占总能耗的25%,而制冷采暖的能耗约占其中的一半以上。制冷空调设备的年耗电量约占全国总耗电量的5%~6%,夏季占季节发电量的18%~20%,个别地区的比例更大。因此提高能源有效利用率、采取节能措施进行供冷供热是我国节能工作中的重要环节。2.1供热发电效率较高热电厂热能利用率高,符合能量梯级利用的原则,发展热电事业是节能的战略性措施。目前我国大型火力电厂的平均发电效率为34%,而热电供热时发电效率可达20%,剩下80%的热量中有70%以上可用于供热。同时热电厂采用先进的脱硫装置和消烟除尘设备,相同的产热量所造成的空气污染要远远低于中小型锅炉房。因此在条件允许的情况下,应优先发展以热电厂为热源的区域供冷供热系统。2.2供热区域的半径供给区域越大,单位区域面积上的热负荷越大,越有利于发挥区域供冷供热的规模优势,但同时区域半径越大,区域管道越长,埋管所需费用、管道热损失和输送费用也越大,因此供给区域半径存在着一个最佳值的问题。由于冷冻水可利用温差一般只有5℃,最大不超过10℃,考虑到冷量损失等因素,供冷冻水的区域半径不宜太大,根据负荷密度的大小,宜在1~2km以内,以高温水为热媒时,区域半径可适当加大。我国北方城市区域供热管网半径都比较长。当使用蒸汽为热媒时,应根据用户情况、管道敷设方式、保温和凝结水排除情况来合理确定区域半径。无论供冷热水,还是供蒸汽,都要求有一定的负荷密度,这样才能达到经济合理的要求。这个限值可用每米管道平均承担的热负荷来表示。根据美国的经验,在供冷时,至少应在14kW/m以上;对蒸汽供热,应在25t/m以上。由于区域供冷供热的区域管网敷设费用很高,从经济角度考虑,热负荷密度很小的地方不宜发展区域供冷供热。对北京某供热厂区域管网投资情况进行估算,管网敷设费用达到总投资的50%左右,以如此大的投资去满足不大的负荷要求,是很不合算的。2.3冷冻水系统设备热媒的种类和参数对区域配管的管径、配管方式等都有很大的影响。它们主要根据用户所需的热媒类型、热负荷密度、输送距离及用户侧设备类型来决定,有时也由机房设备配置来决定。供给区域大,输送距离长,供应热量多时,常采用高温水为热媒。由于历史的原因,美国多采用蒸汽系统,而欧洲各国及日本多采用高温水系统。在输送相同热量的情况下,高温水管径、热损失及含折旧费在内的综合年能耗费用均低于蒸汽系统,但需注意维持系统内的压力。冷冻水送水温度随区域规模、输送距离和所做用途的不同而有所差异,其所需管径和输送动力都较大。考虑到提高效率、接入形式和管道热损失等因素,近年来区域供冷的冷冻水温差有加大的趋势,开始采用8~10℃左右的温差。在有蓄冷池时,为减少蓄冷池容积,一般认为取10℃温差较合适。2.4系统投资及运转的经济性由于区域供冷供热供能范围广,使用对象多,用户特性(如使用时间、达到最大负荷的时间等)不一致,常会带来两个问题:(1)系统需要有较强的调节能力;(2)各用户最大热需求量之和与系统实际最大负荷有一定的差距。对于第一个问题,区域供冷供热必须配置计算机自动控制系统。一方面通过使用监测空调负荷的软件来控制设备提前运转或停转,另一方面,通过对各个参数的及时巡检来迅速适应负荷的变化,掌握各台设备的运转状况,及时消除设备故障隐患。第二个问题给系统投资和运转的经济性奠定了基础。从经济性出发,区域供冷供热系统应多发展负荷特性不同的用户,这样可使同时使用系数小于1.0,减少了区域冷热源机房的设备容量。以巴黎和汉堡的区域供冷供热系统为例,管网实际峰值负荷与用户累加负荷的比例,巴黎某系统仅为58%,汉堡某系统为64%。也就是说,如果按用户的累加负荷来选取冷热源设备的容量,这些机房将会有30%~40%的备用量。日本某住宅小区区域供冷供热系统的用户全都为家庭,同时使用系数为1.0;而千里中央区域供冷供热系统同时向地铁、商场、写字楼、宾馆和住宅供能,其同时使用系数为0.8~0.85。由于同时使用系数关系到整个系统的经济性及运转供能的可靠性,所以,应在详细调查用户负荷特性的基础上慎重地加以确定。2.5发展不同能源模式的区域供冷能源系统除热电联产外,还可根据各地的具体能源情况,发展不同热源形式的区域供冷供热(DHC)系统。(1)电力是能源的dhs由电力公司促进其发展,其基本技术为:1)大容量的热泵机组;2)蓄热技术;3)自然能(未利用能或可再生能)的利用及三要素的密切结合。(2)燃气锅炉蒸汽吸收式制冷机由城市燃气公司促进其发展,传统的方式有:1)燃气锅炉+蒸汽吸收式制冷机;2)燃气锅炉产生的高压蒸汽,由蒸汽透平驱动离心式制冷机供冷;3)直燃型冷热水机组。(3)采用大型水源热泵的区域加热模式在北欧国家热泵的应用主要是用来采暖,热源大多为河水或海水,充分利用自然能。(4)dhs模式是利用废除加热作为能量的方式来自发电厂、工艺过程、废水处理厂和城市垃圾焚烧炉的废热,可被再次利用作为DHC系统的热源。2.6设立合资股份有限公司由行政管理机构筹资,在区域供能规模较大时会遇到困难,这也是多年来困扰我国区域供冷供热发展的最大障碍。为了解决这一问题,应变单由国家拨款的方式为广泛吸收社会资金包括外资,成立合资股份有限公司。对于区域供冷供热这种建设资金逾亿的大型系统工程,可参照日本的经验。如日本横滨MM21区域热供给株式会社,有30多家股东,其中横滨市政府出资4%,此外与系统土地、能源等方面相关的三菱地所、东京电力、日本石油等也都以股东形式参加。2.7本文研究并制定了发展大型和中型dhs系统的政策和措施根据日本的经验,在大城市优先发展以热电厂为热源的大型DHC系统