淺析可再生能源供熱與區(qū)域熱電協(xié)同

引言供熱制冷能源消費(fèi)約占全球終端能源消費(fèi)總量的50%，是能源需求結(jié)構(gòu)中重要的組成部分。提高可再生能源在供熱中的利用比重，是實(shí)現(xiàn)發(fā)展綠色清潔能源系統(tǒng)的重要組成部分。在一些國家和地區(qū)，可再生能源已成為供熱系統(tǒng)的主要能源來源，特別是在北歐地區(qū)，

如瑞典的可再生能源供熱已占熱力需求量的68%以上，

而芬蘭、丹麥等國家的可再生能源供熱比例也在30%以上，一些產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)驗(yàn)和機(jī)制都可以成為中國發(fā)展可再生能源供熱的重要參考。清潔化的供熱制冷是中國能源轉(zhuǎn)型向綠色低碳能源系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。國家提出的推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的戰(zhàn)略，明確提出了到2030年非化石能源在一次能源消費(fèi)總量達(dá)到20%的發(fā)展目標(biāo)。中國北方地區(qū)一段時(shí)期以來受到空氣污染的影響，尤其是冬季供暖期。為此，

習(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第14次會(huì)議上提出了“推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖”的重要精神，2017年政府工作報(bào)告也明確了“堅(jiān)決打好藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”重點(diǎn)工作任務(wù)。清潔化供暖既是中國能源轉(zhuǎn)型向綠色低碳能源系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，也是提高冬季空氣質(zhì)量的民生工程。近年來，中國風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模持續(xù)高速增長(zhǎng)，然而隨之而來的嚴(yán)重“棄風(fēng)”、“棄光”問題已成為制約可再生能源電力有效利用的瓶頸。通過熱電協(xié)同技術(shù)和機(jī)制，一方面可以有效地提升可再生能源消納空間，另外一方面也為可再生能源供熱提供了更加靈活的技術(shù)形式以及為整個(gè)電力系統(tǒng)提供更高的靈活性和可靠性?？稍偕茉垂峒夹g(shù)可再生能源供熱技術(shù)是通過將風(fēng)、光、生物質(zhì)、地?zé)崮艿刃问娇稍偕茉崔D(zhuǎn)化為熱力，以蒸汽、熱水、供暖等形式提供供熱服務(wù)。表1對(duì)常見的可再生能源供熱技術(shù)種類進(jìn)行了匯總，太陽能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能和其他類型的熱泵技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)由可再生能源向熱源形式的轉(zhuǎn)變，其中熱泵依靠電力驅(qū)動(dòng)，通過收集環(huán)境當(dāng)中的熱能，實(shí)現(xiàn)較高的電和熱之間的能源轉(zhuǎn)換效率，可再生能源電力供熱則需建立與棄風(fēng)棄光問題聯(lián)動(dòng)的機(jī)制。圖1根據(jù)不同技術(shù)的單位投資成本和技術(shù)適用的供熱規(guī)模，對(duì)不同可再生能源供熱技術(shù)進(jìn)行了比較。熱泵技術(shù)和電鍋爐主要應(yīng)用的場(chǎng)景為分散式供熱，在用戶側(cè)實(shí)現(xiàn)其他形式的能源向熱能的轉(zhuǎn)換；熱電聯(lián)產(chǎn)和中深層地?zé)釤犭姀S提供的熱源規(guī)模較大，一般應(yīng)用于集中供熱場(chǎng)景，通過供熱管道對(duì)用戶供熱；而太陽能供熱技術(shù)的供熱能力和太陽能集熱器的面積成正比，理論上在集熱器鋪設(shè)面積滿足的情況下可以提供任意容量的熱源；電鍋爐的規(guī)模可大可小，儲(chǔ)熱式電鍋爐能較好地實(shí)現(xiàn)靈活性調(diào)節(jié)作用。本章將根據(jù)技術(shù)類型分別介紹常見的可再生能源供熱技術(shù)。圖1

可再生能源供熱技術(shù)供熱規(guī)模和投資匯總1.1

太陽能熱利用1.1.1

太陽能熱水（中低溫）太陽能熱水利用太陽能集熱器吸收太陽輻射能、加熱流經(jīng)太陽能集熱器的水，并將熱能儲(chǔ)存在儲(chǔ)水罐中實(shí)現(xiàn)供熱。太陽能供熱水技術(shù)成熟，在中國已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)發(fā)展，每平方米集熱器可產(chǎn)50～80L熱水，其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)閼粲锰柲軣崴鳎继柲芄崴夹g(shù)市場(chǎng)整體的90%，而賓館、浴室等集中供熱水的應(yīng)用占市場(chǎng)整體的近8%。投資回收期約為2～6年，集熱器投資為1

200～1

500元/m2。太陽能集熱器也可以應(yīng)用在工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。在工業(yè)領(lǐng)域，既可滿足部分工業(yè)生產(chǎn)和工藝流程中中低溫的熱力需求，也可用于工藝預(yù)熱和備熱；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，太陽能可被用于溫室、太陽房、干燥器等應(yīng)用。1.1.2

太陽能供暖太陽能供暖技術(shù)成熟，但受到冬季太陽能資源強(qiáng)度較弱的影響，需較大的屋頂面積安裝太陽能集熱器，應(yīng)用條件受到一定的限制，多應(yīng)用在別墅、低層住宅上。單位太陽能集熱器面積可滿足5～10m2建筑的供暖需求。太陽能供暖的初始投資較大，但運(yùn)行成本低。1.2地?zé)崮?.2.1

中深層地?zé)崮芄嵬ㄟ^人工鉆井的方式開采地?zé)崴蛘羝Y源，通過供熱系統(tǒng)將地?zé)崴蛘羝臒崮軅鬏數(shù)接脩舳?。由于地?zé)崴|(zhì)當(dāng)中通常含有大量雜質(zhì)，一般采用間接供熱機(jī)制，通過熱介質(zhì)和地?zé)崴畵Q熱再經(jīng)供熱系統(tǒng)傳輸出去。中深層地?zé)崮芄峒夹g(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，單位建筑面積投資為90～150元/m2，但存在一次性投資大、投資回收期長(zhǎng)、運(yùn)維成本較高的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，此項(xiàng)技術(shù)受地?zé)豳Y源和地理?xiàng)l件的約束較大。1.2.2

淺層地溫能熱泵淺層地?zé)崮芄崾侵竿ㄟ^熱泵技術(shù)從淺層巖土體、地下水、地表水中提取低位熱量，為用戶提供供熱制冷服務(wù)。主要技術(shù)類型有：地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)等。目前這些淺層地?zé)崮軣岜眉夹g(shù)已基本成熟，進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的階段。熱泵技術(shù)的供熱容量級(jí)別可以從10kW到10MW級(jí)別，可以應(yīng)用于住宅、辦公樓、學(xué)校、醫(yī)院、工業(yè)廠房等不同場(chǎng)景，但熱泵的容量受到埋管面積或水域面積的限制。熱泵能效比一般為3～4，熱泵系統(tǒng)單位投資大約為100～300元/m2，初期投入較大，但運(yùn)行成本較低。1.3

生物質(zhì)能1.3.1供熱鍋爐生物質(zhì)鍋爐供熱通常以生物質(zhì)固體燃料為主要原料，如成型壓塊燃料、成型顆粒燃料、碎木燃料和農(nóng)作物秸稈等。中國生物質(zhì)鍋爐的主要燃料形式為成型燃料，而國外生物質(zhì)鍋爐多以林業(yè)廢棄物和農(nóng)業(yè)秸稈作為主要燃料。中國目前生物質(zhì)成型燃料年產(chǎn)量為600萬t，其中約80%用于生物質(zhì)燃料供熱。生物質(zhì)鍋爐的容量一般小于20蒸噸/h，目前在運(yùn)項(xiàng)目中，最大規(guī)模為80蒸噸/h，

可供應(yīng)蒸汽50萬t。生物質(zhì)供熱鍋爐既可用于城市居民供暖的燃煤鍋爐替代，也可用于農(nóng)產(chǎn)品加工、溫室、建筑設(shè)施的熱力和熱水供應(yīng)。其單位投資大約為50萬～70萬元/蒸噸。我國尚沒有直接燃用秸桿的生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)成型燃料的價(jià)格又普遍高于煤炭?jī)r(jià)格、且產(chǎn)量相對(duì)較少，對(duì)于生物質(zhì)供熱鍋爐的廣泛應(yīng)用和燃煤替代造成了一定障礙。1.3.2

熱電聯(lián)產(chǎn)生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)采用生物質(zhì)為燃料，在發(fā)電的同時(shí)將發(fā)電余熱用于供熱。通過熱電聯(lián)供提高系統(tǒng)整體能源轉(zhuǎn)換效率，降低運(yùn)行成本。在現(xiàn)有的技術(shù)中，低真空+抽氣供熱的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好。生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)對(duì)于生物質(zhì)資源的依賴性較強(qiáng)，需要充足的生物質(zhì)資源保證熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，另外和集中式供熱的其他方式相似，熱負(fù)荷距離熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的距離應(yīng)在20km以內(nèi)，以保證較小的熱損失和較為合理的一次管網(wǎng)建設(shè)成本。對(duì)于1個(gè)130蒸噸/h、發(fā)電容量2.5萬kW的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，可以保證125萬m2的供熱面積，其單位投資約為50萬～70萬元/蒸噸。1.4熱泵1.4.1空氣源熱泵空氣源熱泵通過熱泵技術(shù)從環(huán)境大氣中吸取豐富的低品位能量，使用方便安裝簡(jiǎn)單。然而此項(xiàng)技術(shù)受到環(huán)境溫度影響較大，其系統(tǒng)能效比（COP）會(huì)隨著環(huán)境溫度的降低以及室內(nèi)外溫差增大急劇降低，因此在北方地區(qū)應(yīng)用受到限制。低溫空氣源熱泵通過對(duì)壓縮機(jī)工作頻率變化以及串并聯(lián)的改變使得空氣源熱泵在低溫情況下依然可以保持較高的系統(tǒng)能效比，因而在北方地區(qū)也得以適用。1.4.2污水源熱泵污水源熱泵是指通過熱泵技術(shù)從工業(yè)余熱、污水、再生水等水源總提取低位熱能，為用戶提供供熱制冷技術(shù)。應(yīng)用上普遍使用間接式的方法，減輕水中雜質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的影響。由于間接式系統(tǒng)中供熱水源和熱泵機(jī)組是隔離的，因此對(duì)于熱泵沒有特殊要求，但對(duì)于水源條件，如水溫、水量、水質(zhì)有一定要求。另外，熱源與用戶之間的距離也是影響污水源熱泵應(yīng)用的重要因素，要求熱源和用戶之間的距離小于20km，且一次管網(wǎng)的投入也較高。污水源熱泵技術(shù)單位投資成本約為150～350元/m3，系統(tǒng)能效比（COP）一般為3～4，初期成本投入較大，但運(yùn)行費(fèi)用較低。儲(chǔ)能技術(shù)為了使電力系統(tǒng)和熱電協(xié)同技術(shù)更好地適應(yīng)可再生能源發(fā)電以及供熱的波動(dòng)性和不確定性，同時(shí)提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性和效率，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用是系統(tǒng)中重要的組成部分。特別是在冬季，供熱作為剛性需求捆綁了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行靈活性的時(shí)期，儲(chǔ)能裝置可以通過能量轉(zhuǎn)移的方式釋放系統(tǒng)的靈活性，放松“以熱定電”的技術(shù)約束。2.1儲(chǔ)熱技術(shù)固體儲(chǔ)熱、熔鹽儲(chǔ)熱和水儲(chǔ)熱3種技術(shù)方式均進(jìn)入了規(guī)?；膽?yīng)用階段。表2對(duì)于3種技術(shù)的技術(shù)特征、運(yùn)行特點(diǎn)和成本進(jìn)行了對(duì)比。2.2電動(dòng)汽車和電化學(xué)儲(chǔ)能電動(dòng)汽車不僅僅是綠色出行和實(shí)現(xiàn)交通部門電氣化的主要手段，也是電力系統(tǒng)中重要的分布式儲(chǔ)能設(shè)備。同時(shí)退役電池的梯次利用、其他商業(yè)模式的電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備也作為分布式儲(chǔ)能資源，應(yīng)用于區(qū)域能源系統(tǒng)中，起到平抑波動(dòng)、削峰填谷的作用，成為提供系統(tǒng)靈活性、提高能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行效率的重要組件。在過去6年間，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的平均成本已經(jīng)下降了約77%，從2010年的1000美元/kWh下降至227美元/kWh，并且樂觀分析，預(yù)計(jì)到2020年價(jià)格將低于190美元/kWh，到2030年將低于100美元/kWh。隨著電化學(xué)儲(chǔ)能電池價(jià)格的走低和其市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，分布式儲(chǔ)能設(shè)備將在用戶側(cè)，尤其是區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中作為終端的靈活性組件實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，滿足用戶以及更高級(jí)別系統(tǒng)的要求。圖22010—2016年歐洲和中國電動(dòng)汽車動(dòng)力電池平均價(jià)格2.3抽水蓄能和其他儲(chǔ)能方式抽水蓄能因其儲(chǔ)能容量大、運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活的特性在可再生能源友好型、靈活和安全性的電力系統(tǒng)中扮演著重要的角色，然而抽水蓄能項(xiàng)目受限于地形地質(zhì)條件等因素較大。截止到2016年底，全國抽蓄電站裝機(jī)2669萬kW，計(jì)劃“十三五”期間新投產(chǎn)1700萬kW左右，2020年裝機(jī)達(dá)到4000萬kW。目前已建成的抽水蓄能電站單位千瓦投資在3500～4700元之間。和飛輪儲(chǔ)能等其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，抽水蓄能的技術(shù)成熟性、容量以及經(jīng)濟(jì)性具有明顯優(yōu)勢(shì)。在電化學(xué)儲(chǔ)能成本降至500元/kWh之前，抽水蓄能仍是大規(guī)模儲(chǔ)能項(xiàng)目的首選。熱電協(xié)同技術(shù)中國北方許多地區(qū)風(fēng)光資源豐富，近幾年“三北”（西北、東北、華北）地區(qū)風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)增長(zhǎng)迅猛，但是也面臨著本地消納能力不足、風(fēng)光波動(dòng)性影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的問題，同時(shí)風(fēng)光電力外送也受到省間壁壘、外送通道容量、通道剛性運(yùn)行要求的約束，棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。尤其是在冬季，熱電機(jī)組調(diào)峰能力受限而風(fēng)電大發(fā)的事情，矛盾更加嚴(yán)重。面對(duì)冬季霧霾天氣等環(huán)境因素對(duì)人民生活影響，在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的背景下，中國北方地區(qū)冬季供暖面臨著調(diào)整熱源結(jié)構(gòu)和保障供熱民生的雙重壓力。北歐提出的第四代區(qū)域供熱理念，構(gòu)建清潔的分布式智能能源網(wǎng)。從熱源結(jié)構(gòu)上，充分利用可再生能源，完全摒棄化石燃料；從用戶角度，其分布式可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)生的能源可以并入?yún)^(qū)域供熱網(wǎng)，從熱力公司向用戶的單向供熱轉(zhuǎn)為根據(jù)用戶需求的雙向互動(dòng)選擇；采用低溫區(qū)域供熱系統(tǒng)，供水溫度在50～60℃，以提高能源效率和靈活性。熱電聯(lián)產(chǎn)、熱泵技術(shù)、電鍋爐、儲(chǔ)熱、需求側(cè)響應(yīng)等熱電協(xié)同技術(shù)是其重要組成部分。相較于熱力，電力具有傳輸距離長(zhǎng)、損耗小的優(yōu)勢(shì)，但是也有瞬時(shí)平衡、不宜儲(chǔ)存的缺點(diǎn)。將電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)相融合、熱電系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，可以綜合二者優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的資源優(yōu)化配置。熱電協(xié)同可以幫助熱力系統(tǒng)改善熱源結(jié)構(gòu)，降低化石能源在熱源結(jié)構(gòu)中的比例，同時(shí)也可以提高區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中本地電力消納水平，在冬季供暖期為電力系統(tǒng)提供更多的靈活性設(shè)備，有效提高可再生能源利用比例。3.1集中供熱在集中供熱系統(tǒng)中，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可以作為熱電協(xié)同的關(guān)鍵性組件實(shí)現(xiàn)2個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。通過在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的產(chǎn)熱回路中加入熱泵、儲(chǔ)水罐等設(shè)備，調(diào)節(jié)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在保證其高效工況下產(chǎn)熱量和電量比例調(diào)節(jié)的靈活性，以實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在電力系統(tǒng)中的調(diào)峰容量不受供熱干擾，同時(shí)不影響整個(gè)機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換效率和機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行壽命。電力負(fù)荷低谷期，電壓縮式熱泵消耗過剩電，制取低溫水與高溫水，分別儲(chǔ)存在蓄熱罐中；而在電負(fù)荷高峰期時(shí)，釋放高溫水用于替代部分供熱量，減少機(jī)組抽汽量，增加高峰發(fā)電能力。通過這些手段電廠發(fā)電調(diào)節(jié)范圍可增至50%～90%，同時(shí)可以更好地回收電廠余熱。3.2分散供熱在一些熱力用戶相對(duì)分散的地區(qū)，集中供熱的管路熱損耗大、供熱效果不好，通過分散供熱，可以有效地減少小型采暖鍋爐的應(yīng)用，控制空氣污染。通過各種類型的熱泵技術(shù)替代小型采暖鍋爐，一方面增加了本地電力需求，可在供熱領(lǐng)域消納更多的可再生能源電力（風(fēng)電、光伏）；另一方面，以分布式熱泵作為熱電協(xié)同的關(guān)鍵性組件，結(jié)合分布式儲(chǔ)熱或儲(chǔ)能設(shè)備，可以幫助分布式光伏和分散式風(fēng)電更好地實(shí)現(xiàn)小范圍的能源利用平衡。通過在北方地區(qū)試驗(yàn)，低溫空氣源熱泵等熱泵技術(shù)單位面積采暖電耗為18～40kWh/m2，與其他化石能源供熱相比，成本相對(duì)較高。但考慮大氣污染控制、散煤替代等方面的制約因素日益提高，淺層地溫能熱泵技術(shù)、空氣源熱泵技術(shù)已成為北方地區(qū)農(nóng)村清潔供暖的重要技術(shù)手段。儲(chǔ)熱式電鍋爐將用電低谷時(shí)段的電力轉(zhuǎn)換為熱力，能有效增加低谷時(shí)段的電力消納能力，緩解電力系統(tǒng)中可再生能源比例不斷上升帶來的挑戰(zhàn)。在棄風(fēng)嚴(yán)重的“三北”地區(qū)，電鍋爐供熱的應(yīng)用規(guī)模都在不斷增加，相關(guān)的政策機(jī)制也在探索中。張家口市探索建立了“政府、電網(wǎng)、發(fā)電企業(yè)、用戶”的四方協(xié)作機(jī)制，通過政府補(bǔ)貼、降低電網(wǎng)輸配電價(jià)和利用用電低谷時(shí)段供暖的方式，實(shí)現(xiàn)用戶供暖電價(jià)為0.15元/kWh左右，2017年底前實(shí)現(xiàn)500萬m2的電供暖。3.3需求側(cè)響應(yīng)在用戶側(cè)通過集成多個(gè)熱泵、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，可以首先實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)的負(fù)荷平衡，同時(shí)也可以通過多級(jí)或規(guī)?；募蓪?shí)現(xiàn)更高電壓等級(jí)電力平衡或?yàn)殡娋W(wǎng)提供輔助服務(wù)。4熱電協(xié)同項(xiàng)目珠海橫琴新區(qū)的橫琴能源站項(xiàng)目以1座燃?xì)怆姀S、9座集中制冷站為基礎(chǔ)，開展了光伏、電制冷、電廠余熱、水蓄冷和冰蓄冷等多能互補(bǔ)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成優(yōu)化的綜合能源供應(yīng)開發(fā)與服務(wù)，天然氣一次能源利用效率達(dá)到73%，2017年總冷量需求達(dá)到20萬冷噸·時(shí)。對(duì)比單獨(dú)采用中央空調(diào)的建筑，該區(qū)域供冷供熱項(xiàng)目一