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清洁能源采暖不同应用的技术

清洁取暖受到了大家的关注,而且,北京、河北、山西、山东等多个北方省市,以煤改电和煤改气作为主要技术路径,正在积极开展煤改清洁能源工作。

太阳能、生物质能、空气能、地热能与余热作为常见的供暖用可再生能源,伏妹儿来帮大家分析一下不同清洁能源的应用。

1、燃气


燃气往往受到管网限制,只有部分城郊农村可以应用。在农村地区敷设燃气管网受到成本和可靠性限制,往往采用液化气气或压缩气的方式,通过罐装或在村庄设置小型供气站的供能。山西、内蒙等地区煤层气丰富,正在尝试将煤层气提纯或与天然气掺混后作为清洁供暖主要能源加以应用。

燃气供暖主要通过燃气锅炉集中供暖、燃气壁挂炉+散热器或地面辐射装置供暖,分布式燃气热电联产等多种方式实现。燃气供暖技术传统成熟,产业支撑和市场化能力较强,用户接受程度高,在城市煤改清洁能源工程中应用最为广泛,但其应用受到供气管网和气源可靠性影响,越来越严格的低氮排放要求也对其在农村地区的应用前景蒙上了阴影。

2、电力


市政电力用于供暖也受到电网容量限制,尤其在电网比较薄弱的农村地区,要实施煤改电项目往往都需要进行电网的升级改造。部分企业提出将农村光伏扶贫项目发出的电用来供暖由于发电量较小,成本太高,与光热利用相比能效较低等原因是不适宜的。在部分弃风弃光比例较高的农村地区,可考虑利用这部分电力直接供暖。

电力供暖分为电直热和电蓄热两种方式。

常见的电直热方式有直热式电暖器、发热电缆、电热膜、碳晶、热轨、碳纤维等,以户式系统为主。电直热升温快,控制方便,施工简单,但是运行费用较高,一般不建议采用,在部分局部或间歇供暖的场合可以有选择地加以应用。

电蓄热是指带蓄热装置的电供暖系统,常见的电蓄热方式有蓄热电暖器、蓄热电锅炉、电锅炉+水蓄热、电锅炉+相变蓄热等,既可以用于户式系统,也可用于集中供暖,其中蓄热电暖器是目前煤改电推广的主要设备之一。电蓄热系统利用夜间谷电将全天耗热量生产出来,可充分利用峰谷电价,有效降低运行费用;但系统对电力增容的要求更高,一般为电直热系统的2-3倍,系统初投资较高,必须要有优惠的峰谷电价加以匹配才能实施,还需要有良好的放热控制措施才能达到理想效果。


3、热泵


空气源热泵供暖系统是目前煤改电项目中应用较广的技术,它利用逆卡诺循环原理,通过输入电力从低品位的空气中提取热能,输送给供暖装置使用。空气源热泵可分为热风型和热水型。热风型热泵一般分室设置,室内机直接置于房间内,控制灵活方便,利于主动节能,没有防冻需求,但农户对室内机噪音和热风供暖的接受性还需要进一步评估;热水型热泵一般和常规热水供暖系统配套,一户一系统,末端散热方式与原土暖气相同,农户易于接受,但不易实现分室调节,长期不住室内系统有防冻要求。目前以北京为代表的煤改电项目中热水型热泵占了绝大多数。

与电直接转化为热相比,空气源热泵能效高,一份电力可产生多份热量,对电网增容要求相对要低很多,在既有农村建筑中更易于实施。但是,空气源热泵也存在低温环境下性能下降的问题、结霜融霜、室外机噪音等问题需要解决,在严寒和高湿度地区应用还有待进一步验证。

笔者团队对15个北京空气源热泵供暖项目进行了整个供暖季的监测,系统季节cop低1.64,高2.99;末端采用地面辐射的由于供水温度低,cop相对较高;由于暖冬和大马拉小车现象普遍,变频压缩机表现明显由于定频压缩机;有无缓冲水箱对系统能效影响不大,系统谷电时段耗电量占整个电耗的40%-50%。

4、地热能


地热能供暖可以分为中高温地热直接供暖和浅层地源热泵供暖两种方式。

中高温地热直接供暖直接利用地热资源供暖,仅需输配系统能耗,系统能效高;但其应用范围和规模受地热资源限制,采用地热井成井成本较高,采用取水换热方式回灌有一定难度,存在地热田被污染的风险;采用地下直接换热方式对管材承压要求高,换热效率低,换热面积大,初投资昂贵。

浅层地源热泵供暖与空气源热泵类似,都具有能效高,一份电力可产生多份热量,对电网增容要求不高的特点,由于浅层地源热泵以浅层地热能作为热源,其性能较稳定,受环境温度变化影响小。浅层地源热泵供暖系统一般可分为地下水、地表水和地埋管地源热泵三种形式,其中地下水地源热泵受水资源保护约束,很难取得许可;地表水在冬季温度较低,易于解冻,较少使用;地埋管地源热泵系统投资一般较高,在单纯供暖时需要注意地下土壤的热平衡问题和地埋管的打孔场地问题。

5、太阳能


太阳能热利用在我国具有悠久的历史和很好的应用研究基础,太阳能供暖作为太阳能热利用领域中的一个重要方向,一直受到众多的关注。太阳能供暖可以分为被动式供暖和主动式供暖两种,根据热媒不同主动式供暖又可分为太阳能热水供暖和太阳能空气供暖两种类型。实施太阳能供暖一般需要建筑满足节能设计标准,主被动系统结合使用。


太阳能被动式供暖最典型的应用就是被动太阳房,从上个世纪八十年代开始就在北方地区得到了大量应用,有效地改善了广大北方农村室内热环境。被动太阳房增投资不高,效果明显,但主要起改善作用,要确保室内舒适需要与其他辅助能源和主动系统配合使用。此外,被动太阳房还需对集热、蓄热、热分配和防过热进行综合设计,在保障供暖季舒适的同时避免非供暖季过热问题。


太阳能热水供暖系统是在太阳能生活热水系统基础上发展起来的,集热技术成熟,产业和市场支撑较好,可分户或几种实施,也可与季节蓄热结合区域供暖。但是由于集热器暴露在室外,需要考虑防冻措施,在非供暖季系统闲置时还需要考虑防过热措施。在严寒或单纯供暖导致地下土壤过冷的项目中,也可与地埋管热泵系统复合应用,利用太阳能在非供暖季为地下补热,实现太阳能全年度的综合应用。


太阳能空气供暖系统是近年来针对单层、闲置易冻农房发展起来的,它以空气为工作介质,价格便宜,简单可靠,不存在冬季冻结问题和非供暖季过热问题,在非供暖季还可强化室内通风,改善室内环境。但是以空气作为工作介质,集热效率相对较低,存在空气流道积尘的隐患,对蓄热体的要求也更高。


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