发展长输供热解决空间不匹配问题,建设大型跨季节储热解决时间不匹配问题,采用热量变换器解决温度不匹配问题。

我国拥有非常丰富的各类低品类余热,包括火电、工业余热和未来新兴产业的余热。同时,有世界上覆盖率非常高的集中供热管网。采用以低品位余热为主的零碳清洁供热模式是实现供热碳中和目标的途径。

余热供热需要解决以下三个问题:第一是余热和供热负荷需求地理位置不匹配问题,第二是余热产生和供热需求时间不匹配问题,第三是不同余热热源的温度和热用户需求温度的不匹配问题。

地理位置不匹配问题

余热资源目前大多远离城市负荷区,如何经济高效地把热量输送到热负荷的位置是需要解决的问题。

长距离输热管网具有距离长、高差大的特点,其沿程管道阻力和高差之合远超现在管道的承压等级,需要新的水力安全保障方法。采用多级热网泵的配置技术,用多级泵循环串联加压工艺解决管道承压等级问题,并通过一系列的安全保障措施,保证长输管网供热过程中不汽化、不超压,保证管网安全运行。

另外,长输管道输送距离长,散热损失大。为减少管道散热损失,针对管道自身的保温、局部热桥和局部管道组件,采用成套的保温技术控制沿程热量损失。而对于远距离输送投资大、成本高的问题,利用大温差供热技术降低热网回水温度,把回水温差扩大到100℃以上。相比传统热网,其热量输送能力提高60%以上,从而大幅降低了热量的输送成本。

此外,降低回水温度还提高了热源回收余热的效率,降低热量成本。与燃气供热相比,经济供热距离可以达到0公里以上。

另外,对于沿海核电和火电,将余热利用与海水淡化相结合,采用水热同产技术,利用电厂余热产生热淡水,并通过一根长输管线输送到城市附近,实现单管同时输送淡水和热量,相比传统的长输供热管道,省去了回水管道,从而进一步降低了输送成本。

水热同送的输送成本相比长输供热管网降低40%,不考虑输水成本情况下,水热同送经济供热半径为300公里以上。

上述两个技术解决了热量长距离经济输送的问题。

长输供热技术已经有比较多的应用。以山西太原太古长输供热工程为例,该长输供热工程从古交兴能电厂到中继能源站建设了378公里长的直连管道,高差180米,通过6级加压循环工艺设计,采用25MPa承压级别的管道,安全地实现了沿程阻力加高差共超过500米压差的压力需求。并且,采用了全套保温技术,大幅减少了散热损失,实现了378公里管道(有40%架空部分)沿程温降不到1℃。

未来长途输热技术将广泛应用于余热资源的跨区域输送,以京津冀为例,通过长输管线把河北曹妃甸电厂余热及北疆电厂的余热回收利用,并通过0余公里长的长输管道输送,就可以很好地帮助解决北京市零碳热源短缺难题。

需求时间不匹配问题

低品位余热利用的另外一个问题是时间上的不匹配。主要有两个方面:一是工业余热受到主要产品生产的影响。余热是产品生产过程中所必须排放的热量,余热利用也应当保证不影响其主要产品生产。因此,当工厂产量变化的时候会引起余热量的波动。

二是与特定工业的生产工艺过程有关系。流程工业全年的产量变化不大,因此其余热量也变化不大,而夏季没有供暖需求,因此这部分宝贵的余热没有得到利用。这时候如果有大型跨季节储热装置,就可以充分有效地回收全年的余热,平衡余热和供热负荷之间时间上不匹配问题。

对于热源侧,不管余热什么时候产生,我们都可以储存在跨季节储存罐里,对于用户侧来说,不管什么时候需要热都可以从跨季节储热装置取热,从而大幅度提高了供热系统的灵活性和可靠性。

大型跨季节储热直接采用水作为介质对于供热是比较合适的,因为供热系统本身就用水作为热量传输的介质,同样利用水作为储存介质可以减少换热引起的损失,提高供热系统能效。并且水容易获取且成本低,相比其他跨季节储热方式,储热密度也比较高。

大型跨季节储热水池可采用坑式储热水池。这种方式在很多国家都有比较广泛的应用,储热水池容积越大投资越低。例如15年建成的丹麦跨季节储热水池,容积21万立方米,是目前全世界最大的跨季节储热水池,每立方米的总建设成本约24欧元,折合人民币不到0元/立方米。大型跨季节储热容积越大投资越低,因此建设跨季节储热应尽可能提高其建设规模,这样就导致跨季节储热的占地较大,需要土地配套资源,因此需要部门的支持。

大型跨季节储热是未来城市低碳能源系统非常重要的一环,应该参考水库的建设机制,推动大型跨季节储热的发展。

需求温度的不匹配问题

低品位余热利用的第三个问题是温度的不匹配。不同种类热源的余热温度各不相同。并且,不同散热末端的采暖温度需求也不一样。此外,回收低品位余热还可以给非流程工业提供蒸汽。

为了满足不同温度余热的采集和用户的使用,需要研发并应用各种吸收式换热和吸收压缩复合式的热变换器,实现热量在不同温度间的变换和传递。对于非流程工业等蒸汽用户,通过高温热泵利用热网输送过来的热量产生低参数的蒸汽,各个工业再根据自己对于蒸汽压力的需求,使用蒸汽压缩机产生所需蒸汽。

未来北方城镇以余热为主的零碳清洁供热模式,将具备以下几个特征:降低热网回水温度,以高效回收各类余热供热;采用大温差长距离输热和水热同送技术,进行跨区域的余热输送;建设跨季节储热调峰回收利用各类热源全年的余热;通过以上技术,全面充分地回收低品位余热,解决北方城镇建筑冬季采暖热源和一些类型的工业生产过程的全年生产用热需求。

北方城镇零碳供热模式

接下来亟需开展的一项非常重要的工作就是全面降低热网回水温度。通过降低热网回水温度,可以回收各热源的余热,提高热源供热能力,从而及时有效地解决城市快速发展过程中所增加的热量需求。并且,这项工作也是未来实现供热碳中和所需要完成的工作之一。

综上,我国北方城镇应该发展以低品类余热为主的零碳清洁供热模式,需要解决空间、时间和温度三个不匹配问题:发展长输供热解决空间不匹配问题,建设大型跨季节储热解决时间不匹配问题,采用热量变换器解决温度不匹配问题。应尽快开展全面降低热网回水温度的工作,为实现供热碳中和奠定基础。(本文作者吴彦廷系清华大学建筑节能研究中心助理研究员,有改动)

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