不同能源类型供热方式环保与经济性比较

作者：张凤霞，田贯三，魏景源

第一作者单位：山东建筑大学热能工程学院

摘自《煤气与热力》2016年10月刊

能源结构的改善和技术的不断进步，使供热能源类型呈现多样化，除应结合本地区特点优先发展可再生能源、工业余热供热外，利用传统能源供热方式的环保与经济性也是值得我们研究的课题之一。现阶段，用于供热的主要能源类型包括煤炭、天然气、电。本文基于荣成市供热专项规划及相关调研结果，选取以燃煤、天然气、电作为能源的7种供热方式，从能耗、污染物排放量、经济性等方面进行比较。本文中的集中供热对象为城市或城市部分地区；分散供热对象为单体建筑或小范围内建筑；分户供热对象为单个用户。

1、供热方式

结合荣成市专项规划选取的不同能源类型供热方式见表1。①燃煤供热以集中供热为主，主要包括燃煤热电联供集中供热、燃煤锅炉房集中供热。热电联供集中供热方式兼具发电、供热功能，有效提高了能源综合利用率。与燃煤小型锅炉房分散供热相比，燃煤锅炉房集中供热采用大型燃煤锅炉，不仅热效率得到大幅提高，而且烟气可得到有效处理，污染物排放指标理想。②天然气供热主要包括燃气锅炉房分散供热、燃气壁挂炉分户供热，后者既能供热又能提供生活热水，应用灵活方便。③电供热主要包括蓄热式电锅炉分散供热、电驱动热泵分散供热、电热膜分户供热等。蓄热式电锅炉可利用夜间低谷电进行蓄热，白天放热。电驱动热泵的低温热源可来自空气、地表水、土壤等，利用电能将低品位热能提升为高品位热能，本文选取电驱动空气源热泵分散供热进行比较。电热膜是电供热末端散热装置的一种，利用半透明聚酯薄膜通电后发热，产生红外线，加热房间内密实物体，再由这些物体通过辐射传热来升高室内温度。由于方式4、7为分户供热，具备灵活启闭供热系统的条件，因此分户供热的年运行时间取集中供热的60%。

表1   不同能源类型供热方式

2、供热方式比较分析

2.1能耗比较

①评价指标

由于各供热方式的能源类型不同，因此将各供热方式的能耗量折算成一次能源耗量（本文采用标准煤作为一次能源）。在不考虑热网输送等损失的前提下，采用一次能源利用率计算各供热方式单位供热面积年标准煤耗量。单位供热面积年标准煤耗量m_s的计算式为：

②一次能源利用率

a.方式1

燃煤热电厂平均发电效率为20%，供热效率70%^［1］，即10 MJ热量的燃料，可产生2 MJ电力和7 MJ热量。而对于普通发电厂，产生2 MJ电力需消耗5.7 MJ燃料。因此，将燃煤热电厂产出的电力按照普通电厂的发电效率除去燃料消耗，剩余的4.3 MJ燃料可产生7 MJ热量。从这个意义上讲，燃煤热电厂的供热效率为163%，即燃煤热电厂供热的一次能源利用率取1.63。

b.方式2

燃煤锅炉热效率一般与锅炉容量有关，大型燃煤锅炉的热效率一般为70%~80%，本文取75%，即燃煤锅炉的一次能源利用率取0.75。

c.方式3

燃气锅炉热效率为90%，即燃气锅炉的一次能源利用率取0.90。

d.方式4

燃气壁挂炉热效率为93%，即燃气壁挂炉的一次能源利用率取0.93。

e.方式5

蓄热式电锅炉直接将电转化为热能，热效率为100%。蓄热式电锅炉一次能源利用率I_PER，_b的计算式为：

f.方式6

电驱动空气源热泵制热性能系数为2.4~2.8，本文取2.6。电驱动空气源热泵一次能源利用率I_PER，p的计算式为：

将已知数据代入式（4），可计算得到电驱动空气源热泵一次能源利用率为0.842。

g.方式7

电热膜直接将电转化为热能，热效率为100%。电热膜的一次能源利用率与蓄热式电锅炉一次能源利用率同为0.324。

③计算结果

根据《荣成市供热专项规划（2015—2030）》，荣成市近期规划各类建筑物的综合供暖热指标为37.9 W/m²，供暖期120 d。不考虑热网输送等损失，根据各种供热方式的一次能源利用率，由式（1）、（2）可计算得到各供热方式单位供热面积年标准煤耗量见表2。由表2可知，蓄热式电锅炉分散供热能耗最高，电热膜分户供热能耗仅次于蓄热式电锅炉分散供热。燃煤热电联产集中供热的能耗最低，燃气壁挂炉分户供热、燃气锅炉房集中供热、电驱动空气源热泵分散供热、燃煤锅炉房集中供热的能耗依次升高。

表2   不同供热方式的单位供热面积年标准煤耗量

2.2污染物排放量比较

①燃煤污染物排放量

      根据《山东关于加快推进燃煤机组（锅炉）超低排放的指导意见》，燃煤热电机组进行超低排放后，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放质量浓度在烟气中氧体积分数为6%条件下，分别不高于5、35、50 mg/m³。燃煤锅炉进行超低排放后，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放质量浓度在烟气中氧体积分数为9%条件下，分别不高于10、50、200 mg/m³。

燃烧1 kg燃煤所需理论空气量V_air，_th，c的经验计算式为^［3］：

对于燃煤热电机组，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放质量浓度分别为5、35、50 mg/m³时，烟气中氧体积分数取6%，由式（8）可计算得出过剩空气系数为1.40。同理，对于燃煤锅炉房，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放质量浓度分别为10、50、200 mg/m³时，烟气中氧体积分数取9%，可计算得到过剩空气系数为1.76。

将已知数据代入式（5）~（8），可计算得到燃煤热电机组、燃煤锅炉房燃烧1 kg燃煤生成的实际烟气量分别为11.14、13.86 m³/kg。结合表2数据，可计算得到两种燃煤供热方式的单位供热面积污染物年排放量（见表3）。

表3   7种供热方式的单位供热面积污染物年排放量g/（m²·a）

②天然气污染物排放量

燃烧1 m³天然气所需理论空气量V_air，th，g的经验计算式为^［4］：

燃气锅炉过剩空气系数取1.2，燃气壁挂炉过剩空气系数取1.4，由式（9）~（11）可计算得到燃气锅炉、燃气壁挂炉燃烧1 m³天然气产生的实际烟气量分别为12.99、14.92 m³/m³。根据天然气低热值、标准煤低位发热量以及表2中数据，可计算得到燃气锅炉房分散供热、燃气壁挂炉分户供热的单位供热面积年天然气耗量分别为12.13、7.04 m³/（m²·a）。

GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》规定，新建燃气锅炉烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放质量浓度限值分别为20、50、200 mg/m³。结合表2数据，可计算得到两种燃气供热方式的单位供热面积污染物年排放量（见表3）。

③电供热污染物排放

电供热方式虽然未对供热区域的环境质量产生影响，但无论电来自燃煤电厂还是燃气电厂，仍需消耗化石类能源，从而产生污染物。考虑到荣成市未来一段时间内仍以燃煤火力发电为主，因此污染物排放量按照燃煤热电机组燃烧1 kg燃煤生成的实际烟气量（11.14 m³/kg）进行测算，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放质量浓度限值仍取5、35、50 mg/m³。由表2数据，可计算得到3种电供热方式的单位供热面积污染物年排放量（见表3）

④分析

7种供热方式的单位供热面积污染物年排放量见表3。由表3可知,燃煤热电联供集中供热的污染物排放量最I低,其次是电驱动空气源热泵分散供暖,这主要得益于燃煤热电联供、电驱动空气源热泵较高的一次能源利用率以及燃煤热电机组的超低排放。在设定条件下，燃气锅炉分散供热的污染物排放量最高，甚至超过能耗最高的蓄热式电锅炉分散供热，主要原因还是燃煤热电机组的超低排放起到了关键作用。

2.3经济性比较

经济性比较主要从单位供热面积建设造价、年运行费用两方面进行。建设造价主要包括热源、热网和用户室内装置的建设造价。由于电费、水费等与供热方式关系密切，且同一供热方式不同情况下也存在较大差异，量化困难^［5］，因此对于年运行费用的比较仅考虑年燃料费用。由荣成市供热专项规划归纳得到的各供热方式单位供热面积建设造价见表4。

 表4 各供热方式的单位供热面积建设造价、年运行费用

燃料价格按照荣成市的现行价格进行计算。燃煤价格按600 元/t计算。居民用气实行阶梯气价，本文取第一阶梯气价（2.8 元/m³），工业气价取3.8元/m³。居民生活用电分时电价为：8：00—22：00高峰电价0.576 9 元/（kW·h），22：00—8：00低谷电价0.376 9 元/（kW·h）。一般工商业分时电价为：8：30—11：30、16：00—21：00高峰电价1.113 5 元/（kW·h），23：00—7：00低谷电价0.414 4 元/（kW·h），其他时间为平峰时段电价0.763 9 元/（kW·h）。

燃气锅炉、燃气壁挂炉用气价格分别按工业、居民用气价格进行计算。蓄热式电锅炉按利用低谷电储热考虑，用电价格按0.414 4 元/（kW·h）计算。电热膜和空气源热泵供热用电价格分别按照居民生活用电、一般工商业分时用电价格计算。经计算可得到各供热方式的单位供热面积年运行费用（见表4）。

由表4可知，燃气壁挂炉分户供热的单位供热面积造价最低，电热膜分户供热最高。由于燃煤价格较低以及较高的一次能源利用率，燃煤热电联供集中供热的单位供热面积年运行费用最低。受天然气价格影响，燃气锅炉房分散供热的单位供热面积年运行费用最高，甚至超出蓄热式电锅炉分散供热。灵活的启闭方式，使得燃气壁挂炉分户供热、电热膜分户供热的单位供热面积年运行费用保持在合理水平，但这两种供热方式并不能保证良好的室内热舒适性。

3、结论与建议

①  应因地制宜优先发展可再生能源、工业余热供热。

②  坚持发展燃煤热电联供集中供热，燃煤热电联供集中供热不仅能耗低，且达到超低排放要求后，污染物排放量少，节能环保,较低的煤炭价格也使其在经济性上具有很大优势。

③  积极推进燃气壁挂炉和电驱动热泵等供热方式。燃气壁挂炉热效率高,年费用较低，用户可灵活控制室内温度,避免能源浪费.电驱动空气源热泵具有制热性能系数高的优点，但性能受冬季室外空气温度及相对湿度影响较大(表现为室外机结霜),需考虑配套辅助热源。

④  适当发展蓄热式电锅炉和电热膜等电供热方式。由于现阶段电力仍来自化石类燃料，且供热能耗高，因此并不能真正意义上降低污染物排放，不适宜大规模发展。随着我国电力技术的不断发展，可再生能源发电（如风电、太阳能发电）比例不断增加，适当利用电能供热对于充分利用电力资源、缓解雾霾天气十分有利。