【中國制冷網(wǎng)】黨的十九大指出：我國社會(huì )主要矛盾已經(jīng)轉化為人民日益增長(cháng)的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。當前北方開(kāi)展的清潔取暖重大工程的提出，正是源于對這一矛盾的深刻認識。

　　我國城鎮供暖的主要矛盾發(fā)生變化

　　隨著(zhù)我國城鎮化的飛速進(jìn)展，北方城市建筑冬季供暖也有了顯著(zhù)改善。城市供暖的主要問(wèn)題已經(jīng)從二十年前的室溫低、高投訴、熱費上繳率低等民生問(wèn)題轉變成為目前的室內過(guò)熱、高能耗和降低污染物排放等面向生態(tài)文明發(fā)展的新要求。

　　而目前仍接近人口50%的北方農村，冬季室內取暖卻逐漸顯現出多方面問(wèn)題：盡管戶(hù)均耗煤量已超過(guò)城市居民水平，但冬季室內溫度大多在10~16℃之間，不足以滿(mǎn)足室內舒適性的基本要求;大量分散的散煤低效燃燒導致冬季室內外空氣質(zhì)量惡化，并且還成為形成冬季北方大面積PM2.5的主要污染源之一。

　　據統計盡管京津冀地區農村取暖散煤燃燒僅占當時(shí)這一地區燃煤總量的不到25%，但其排放的粉塵和氮氧化合物卻占這一地區由于燃煤排放的粉塵和氮氧化合物總量的60%以上。

　　在農村實(shí)現清潔取暖，已成為廣大農民對美好生活的重要訴求。改變農村的取暖方式，改善農村冬季室內外空氣質(zhì)量，是涉及“農村生活方式革命”的重大任務(wù)。

　　由此，清潔取暖重大工程的主要目的是：

　　一、全面滿(mǎn)足北方地區城鄉建筑冬季供暖的要求;滿(mǎn)足人民對美好生活的追求;

　　二、大幅度降低冬季供暖燃燒形成的PM2.5相關(guān)污染物的排放，從而改善北方冬季霧霾現象;

　　三、降低北方地區由于冬季城鄉供暖導致的化石能源消耗總量和碳排放總量。

　　此外，隨著(zhù)我國產(chǎn)業(yè)結構的深度調整，工業(yè)用電在電力消費總量中的比例逐年降低，用電負荷側的峰谷變化和不可調控性日益嚴重;而隨著(zhù)我國風(fēng)電、光電的飛速發(fā)展，不確定性可再生電源在電源總量中的比例逐漸加大。這兩個(gè)因素疊加，就使得由于北方電網(wǎng)缺少足夠的靈活電源而出現大量的棄風(fēng)棄光現象。2015年我國平均棄風(fēng)率已達20%，其中甘肅、新疆、吉林等地區棄風(fēng)率超過(guò)30%。這些棄風(fēng)現象都集中發(fā)生在冬季，與供熱期間大量燃煤電廠(chǎng)轉為熱電聯(lián)產(chǎn)運行方式，喪失了對電力的調峰能力密切相關(guān)。

　　既然棄風(fēng)現象與冬季供熱相關(guān)，如何在清潔取暖中同時(shí)解決這一矛盾，實(shí)現熱電協(xié)同，優(yōu)化電、熱、燃氣構成的能源系統的運行，也成為清潔取暖工程中的又一任務(wù)。

　　直接電熱是“高能低用”

　　一些部門(mén)針對上述問(wèn)題提出的解決方案是大力發(fā)展直接電熱型熱源方式，在城市發(fā)展大型電熱鍋爐和巨型蓄熱水罐，在農村發(fā)展蓄熱式電暖氣。利用這些電熱裝置在電力負荷低谷期把多余的電力轉換為熱量，不僅為當時(shí)的供熱需求提供熱源，還儲存熱量滿(mǎn)足電力負荷高峰期供熱的需求。這樣做從局部看確實(shí)避免了使用燃煤燃氣鍋爐供熱的污染物排放，又通過(guò)蓄熱解決了電力供給側和需求側不同步的矛盾，似乎是實(shí)現清潔取暖的有效途徑。

　　但是，通過(guò)直接電熱方式把電轉換為熱，是典型的“高能低用”。

　　我國目前70%的電力還是由燃煤火力發(fā)電產(chǎn)生，熱電轉換效率不足40%。電熱直接轉換的方式其轉換效率只能為100%，這就表明約60%的能源在這兩次轉換中白白浪費掉。

　　有些人認為電熱方式使用的是風(fēng)電、光電，而非火電，這樣做可以避免棄風(fēng)、棄光，是可再生能源的有效利用。這種提法并不成立。當我們使用所謂的風(fēng)電光電生成熱量的同時(shí)，同一電網(wǎng)上還有大量的燃煤火電廠(chǎng)在發(fā)電。怎么可以認為這些電熱鍋爐消耗的電就不是這些燃煤電廠(chǎng)所產(chǎn)生呢?如果此時(shí)電力富裕，為什么不能停掉部分燃煤電廠(chǎng)，用風(fēng)電替代火電，從而減少燃煤消耗、減少污染物和碳的排放?因此，只要有燃煤電廠(chǎng)在發(fā)電，同一時(shí)刻的電熱鍋爐或電直熱裝置就應該認為是在使用煤電，是效率低，高排放的產(chǎn)熱方式。

　　我國已有成熟的熱電轉換技術(shù)

　　那么應該怎樣高效地把電力轉換為熱量呢?目前至少有如下的成熟技術(shù)可供選擇：

　　一、熱電聯(lián)產(chǎn)

　　與單純的燃煤燃氣電廠(chǎng)相比，輸入等量燃料，熱電聯(lián)產(chǎn)運行輸出的電力僅減少20%~30%，卻可以在發(fā)電的同時(shí)得到幾倍于所減少的發(fā)電量的熱量。如果把輸出的熱量與減少的發(fā)電量之比定義為等效COP，則標準的抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)無(wú)論燃煤電廠(chǎng)還是燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的燃氣電廠(chǎng)，其COP都可以達到5到6。同時(shí)，燃煤電廠(chǎng)的總熱效率可達到80%以上，燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)的總效率也可達到75%以上。近年來(lái)提出的“吸收式循環(huán)”新流程(2012年獲得國家發(fā)明二等獎)，燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)的等效COP可達到7.5，總的熱效率達到93%，燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)的等效COP也可以接近7，總的熱效率達到88%，當采用多種煙氣潛熱深度回收技術(shù)時(shí)，其總的熱效率按照低位熱值計算，還可以再提高10~14個(gè)百分點(diǎn)。這應該是目前其它的熱電轉換方式都很難獲得的高效率，因此可以認為熱電聯(lián)產(chǎn)是能量利用效率z*高的電-熱轉換方式。

　　二、地源熱泵

　　在地下埋管，通過(guò)埋管中的循環(huán)水與地下砂石黏土換熱，提取地層中的熱量，再通過(guò)熱泵提升熱量的品位，以滿(mǎn)足建筑供熱需求。對于埋深為100米左右的地下埋管，換熱后的循環(huán)水一般在10到15℃之間，熱泵的電熱轉換效率為3到4。近年來(lái)我國西北地區研發(fā)成功2000米到3000米深的地下埋管熱泵系統，循環(huán)水出水溫度可以達到20到30℃，從而其電-熱轉換效率COP可達4到5。

　　三、空氣源熱泵

　　從室外空氣中獲取熱量，再通過(guò)熱泵提取其熱量品位，以滿(mǎn)足建筑供暖需求。當室外空氣溫度在0℃左右時(shí)這種方式可以實(shí)現的電-熱轉換效率COP可達到3。由于這種方式很少受條件限制，所以在長(cháng)江流域地區一直是z*合適的建筑供暖熱源。

　　近年來(lái)我國在此方向的技術(shù)進(jìn)步迅速，通過(guò)新的壓縮機技術(shù)、變頻技術(shù)和新的系統形式，已經(jīng)把空氣源熱泵的適用范圍擴展到零下20℃的低溫環(huán)境。在-20℃下幾種空氣源熱泵的COP已經(jīng)可以達到2，制熱量也可達到標稱(chēng)工況的70%以上。這就使得空氣源熱泵在絕大多數地區都可以作為高效的電-熱轉換方式，為建筑提供供暖熱量。中國的空氣源熱泵技術(shù)目前處于國際領(lǐng)先地位。

　　四、低品位余熱和生物質(zhì)

　　除了高效的電-熱轉換方式外，利用工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程排出的低品位余熱供熱，也是清潔供暖的重要熱源。我國目前鋼鐵、有色、化工、煉油、建材五大高能耗產(chǎn)業(yè)在北方冬季排放的熱量足以承擔北方城鎮一半以上建筑冬季供暖的需求。如果僅利用其70%，也可以每年節約供暖用能1億噸標煤。目前在唐山遷西、內蒙赤峰都有成功的工業(yè)余熱供暖示范工程，每個(gè)工程供暖建筑面積都超過(guò)300萬(wàn)平米。

　　再有就是利用生物質(zhì)能直接燃燒供熱或制取生物質(zhì)燃氣作為供熱熱源。這在生物質(zhì)資源豐富的內蒙、東北等地區也有很多成功案例。

　　根據建筑特點(diǎn)選擇適宜的技術(shù)方案

　　以上列舉了清潔取暖的多種熱源方式，怎樣選擇和組合上述方式，才能實(shí)現清潔和經(jīng)濟的供暖，并且實(shí)現熱電協(xié)同，緩解目前冬季的棄風(fēng)棄光現象呢?這又取決于被供暖建筑的密集程度?？珊?jiǎn)單地把北方地區分為高密集度的城鎮建筑和低密集度的鄉村建筑兩類(lèi)。

　　對高密集度的城鎮建筑

　　我國北方地區中等以上城市都已建成較完善的集中供熱管網(wǎng)，其80%以上的建筑都可以與城市集中供熱管網(wǎng)連接。這就使得這些地區可以充分利用目前的熱電廠(chǎng)資源，通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)改造，為建筑提供熱量。

　　由于目前的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠(chǎng)是“以熱定電”的運行模式，冬季就不再為電網(wǎng)做電力調峰，從而導致前文所述的大量棄風(fēng)棄光現象。但目前已經(jīng)提出有效的解決方案，對熱電聯(lián)產(chǎn)電廠(chǎng)做“熱電協(xié)同”改造，增加巨型蓄熱裝置、改變取熱工藝流程，就可以使其在保障供熱的同時(shí)，電力輸出也可以在40%到100%范圍內靈活調節。這就使熱電聯(lián)產(chǎn)電廠(chǎng)同時(shí)還可以是電網(wǎng)的靈活電源。因此針對目前我國北方電網(wǎng)缺少靈活電源的現狀，應大規模開(kāi)展燃煤電廠(chǎng)的熱電協(xié)同改造。

　　此外，熱電聯(lián)產(chǎn)電廠(chǎng)輸出的熱力與電力之比往往都低于其所在區域需求側z*大的熱力與電力之比，這就導致在嚴寒期用電低谷的時(shí)段熱電聯(lián)產(chǎn)熱量不足而電力過(guò)剩，供給側和需求側的熱電比出現嚴重不匹配。正是由于這一原因，盡管熱電聯(lián)產(chǎn)是能源轉換效率z*高的方式，在很多制造業(yè)比例較低的消費型城市還不能用熱電聯(lián)產(chǎn)方式為城市提供全部供暖熱量，必須輔助以其它的熱源形式，以使供給側和需求側之間熱電比匹配。為此需要在這些城市發(fā)展一定數量的熱泵供熱，從而增加需求側的用電量，并減少對熱電聯(lián)產(chǎn)熱源熱量的需求。

　　對于北京來(lái)說(shuō)，合理的匹配應該是熱泵提供三分之一建筑的供暖，熱電聯(lián)產(chǎn)提供其余三分之二建筑的熱源。這才是整體上一次能源消耗量z*少，各種污染物排放z*少的整個(gè)北京冬季建筑供暖的熱源方案。

　　對低密集度的農村建筑

　　對于建筑密集度低的北方廣大農村，集中供熱網(wǎng)的投資高，運行效率低，因此應發(fā)展分散的供熱方式。

　　除了個(gè)別利用工業(yè)余熱和生物質(zhì)能的供熱外，z*現實(shí)的、高效的和可操作的方式就是分散的空氣源熱泵方式，這也是北京郊區經(jīng)過(guò)多次反復后，z*終作為清潔取暖方式而大量推廣的主導方式。

　　目前在農村推廣的空氣源熱泵供暖有每戶(hù)一套的空氣源熱泵熱水系統和每室一臺的空氣源熱泵熱風(fēng)機兩種方式。前者用熱泵制取熱水，再通過(guò)熱水經(jīng)過(guò)房間散熱器循環(huán)實(shí)現供暖。由于房屋巨大的熱慣性，這種方式從全停開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)需要十余個(gè)小時(shí)的加熱過(guò)程才能達到供暖溫度，這樣就要求系統長(cháng)期連續運行;而熱泵熱風(fēng)機因為是直接向房間送熱風(fēng)，啟動(dòng)后僅十余分鐘就可達到要求的供暖效果，所以適合于間歇供暖。我國目前農村大多是常年老人和兒童居住，周末和假期全家團聚。每戶(hù)多個(gè)房間平時(shí)只用一兩間，團聚時(shí)才全部使用。因此可否高效地實(shí)現間歇供暖，成為選擇農村清潔取暖方式的關(guān)鍵。北京郊區近年來(lái)的實(shí)踐表明，采用一室一臺的空氣源熱泵熱風(fēng)方式，每個(gè)冬季每平米農舍耗電量為20到40kWh/m²，而采用一戶(hù)一套的空氣源熱泵熱水方式，每個(gè)冬季每平米農舍耗電量為40到60kWh/m²。熱泵熱風(fēng)機的初投資每戶(hù)在一萬(wàn)元左右，熱泵熱水機的初投資每戶(hù)在二萬(wàn)元左右。

　　此外，熱泵熱風(fēng)機還可以按照“需求側響應”方式運行，在電力部門(mén)的統一協(xié)調下，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)統一調度，在保證供暖需求的前提下，參與電力調峰。當電力負荷處于峰值期間，電力調度可以通過(guò)分片地停止一部分熱泵熱風(fēng)機來(lái)消減用電負荷，由于建筑的熱慣性，連續停止熱風(fēng)機3個(gè)小時(shí)，房間溫度z*多下降2度，不會(huì )對供暖有太大影響;而在電力負荷處于低谷期間，又可以分片地運行一部分熱泵熱風(fēng)機來(lái)增加電力負載。連續運行3小時(shí)熱風(fēng)機，z*多也只能使房間溫度上升2度，也不會(huì )對室內舒適性帶來(lái)太大的影響。

　　在農村大規模采用這種方式運行，可以使安裝在農村的巨量的空氣源熱泵成為巨量的電力峰谷差調節裝置，在實(shí)現農村清潔取暖，改善生活狀況的同時(shí)，為破解電力系統的難題、緩解棄風(fēng)棄光現象找到一條新的途徑。由于參與電力削峰填谷，農民也可以獲得低價(jià)電費的回報，這就又為減輕清潔取暖改造的經(jīng)濟壓力找到一條新的出路。