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北方地区冬季清洁供暖现状和实现途径清华大学建筑节能研究中心夏建军2017年6月29日主要内容•背景•当前存在的问题•清洁供热实现途径•总结2背景严寒和寒冷地区、部分夏热冬冷地区，15个省、市、自治区我国冬季供暖面积以年均约10%的增速飞速增长,至2015年已达131亿平方米当年北方城镇供暖能耗为1.91亿吨标煤，1.供暖面积持续增加3我国北方地区供暖面积增长情况供暖需求的飞速增长导致我国北方地区供暖热源能力的扩容无法及时跟进近年北方雾霾严重引发广泛关注，传统化石能源供暖受到限制约占建筑总能耗1/4。2.供暖供需关系极度紧张北方集中供热现状•城镇集中供热以热电联产为主（占52%），其中燃煤热电联产占48%•其次是锅炉（占45%），其中燃煤锅炉占33%•其他类型热源仅占4%2016年北方地区各类热源供热面积比例数据来源：住建部调研2013~2016年北方各省分热源供热面积北方各省集中供热现状•从2013到2016，各省市的城镇集中供热面积均有所增长•热电联产、燃气锅炉及其他新型供热方式的供热面积及比例有所提高•燃煤锅炉的总量及比例有所压减数据来源：住建部调研估算值问题和挑战（雾霾问题）•冬季供暖期是雾霾天气频发季节•冬季供暖化石能源燃烧是导致雾霾的主要原因之一•供暖期的排放源：–燃煤锅炉房（1500万吨），–燃气锅炉房（100亿m3），–农村散煤燃烧（1800万吨）•工业及发电燃煤和污染–发电煤耗：年耗煤量8500万吨–工业煤耗：2亿吨•等效污染排放指数和冬季相对排放量总计4亿吨，供暖占55%–燃煤发电排污：1=3000万吨7.5%–燃煤发电排污：1=3000万吨7.5%–大型燃煤供暖锅炉：2=2000万吨5%–工业煤耗平均排污：3=1.5亿吨37.5%–20吨以下燃煤供暖锅炉：4=2000万吨5%–农村散煤：10=1.8亿吨45%2016年底中央财经领导小组第十四次会议•习近平强调，推进北方地区冬季清洁取暖等6个问题，都是大事，关系广大人民群众生活，是重大的民生工程、民心工程。•推进北方地区冬季清洁取暖，关系北方地区广大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容。要按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针，宜气则气，宜电则电，尽可能利用清洁能源，加快提高清洁供暖比重。72017年政府工作报告•加大生态环境保护治理力度。加快改善生态环境特别是空气质量。•坚决打好蓝天保卫战。今年二氧化硫、氮氧化物排放量要分别下降3%，重点地区细颗粒物(PM2.5)浓度明显下降。•要加快解决燃煤污染问题。全面实施散煤综合治理，推进北方地区冬季清洁取暖，完成以电代煤、以气代煤300万户以上，全部淘汰地级以上城市建成区燃煤小锅炉。加大燃煤电厂超低排放和节能改造力度，东中部地区要分别于今明两年完成，西部地区于2020年完成。抓紧解决机制和技术问题，优先保障可再生能源发电上网，有效缓解弃水、弃风、弃光状况。•治理雾霾人人有责，贵在行动、成在坚持。全社会不懈努力，蓝天必定会一年比一年多起来。清洁供热当前面对的困惑•雾霾治理–替代燃煤，调整能源结构，煤改电、煤改气•城镇化发展–供暖需求，低成本高质量•农村建设•农村建设–解决供暖问题，改善生活环境•电力过剩问题–弃风，热电比失调需求侧与供给侧热电比是否不匹配？•热电比：城市冬季对热量的需求量/对电力的需求量•当热电联产为城市的主要热源时，热电厂输出的热力与电力有一定的比例关系–当需求端热电比小于供给端时：可以从外界输入电力–当需求端热电比大于供给端时：需要额外增加热量供给（锅炉或其它）它）–当接入风电，进一步减少了供给侧热电比，电厂只好同步减少电力和热量•实际案例：–近几年东北地区由于电力消费降低，导致供热量不足，只好弃风并停掉红沿河部分核电机组–2016-2017供热季北京出现电力负荷下降，导致热电厂减少热量输出。为了保证供热，春节期间弃风供热季城市热力与电力需求之比的变化0.000.501.001.502.002.503.003.50020406080100120140保定新区热电比无风电风电10%风电20%•非供热季节需求侧热电比为零•供暖季需求侧热电比随外温变化，天气越冷，要求的热电比越大•城市功能不同，需要的热电比不同，消费型特大城市热电比高，工业生产型城市热电比低0.001.002.003.004.005.006.00020406080100120140通州热电比无风电风电10%风电20%0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.80050100150200石河子热电比无风电风电10%风电20%几个北方城市冬季需求侧的热电比城市供热面积/亿m2最大供热量最大电负荷最小电负荷热电比哈尔滨1.939650MW3060MW2000MW3.15/4.8长春2.2811400MW3000MW2000MW3.8/5.7沈阳2.814000MW4430MW3000MW3.16/4.3乌鲁木齐1.788900MW4900MW3500MW1.82/2.55呼和浩特1.36500MW1580MW1000MW4.11/6.5银川1.04500MW2500MW1500MW1.8/3太原1.89000MW3600MW2500MW2.5/3.6太原1.89000MW3600MW2500MW2.5/3.6张家口0.844620MW1930MW1350MW2.39/3.4北京832000MW15820MW10000MW2.02/3.2石家庄29200MW5580MW3500MW1.65/2.6济南1.56750MW5000MW3200MW1.35/2.1青岛1.67200MW6500MW4200MW1.11/1.7烟台0.94050MW6240MW4100MW0.65/0.95供给侧不同电源热源形式热电比的不同机组种类最大发电量最大抽汽发电量最大抽汽量乏汽量不回收乏汽热电比回收乏汽热电比MWMWMWMW机组A燃煤抽凝机组315243391.593.721.62.0机组B燃煤抽凝机组350290417.1140.601.41.9机组C燃煤抽凝机组330261363.5185.31.42.1机组D燃气蒸汽联合循环机组860790539.360.50.680.76供给侧和需求侧热电比的矛盾•不同类型的城市需求侧热电比不同，工业比例高的城市热电比可在1.5以下，纯消费城市热电比最高可达到5。东北地区由于产业结构调整，导致需求侧热电比增大，这是目前电力过剩的原因•需求侧热电比还随气候变化。极寒天气热电比最大，初末寒期小•热电联产的供给侧热电比与电厂形式有关。燃煤热电联产热电比在1.5~2之间，而改为燃气热电联产后，热电比不到1。这是近年北京和天津“煤改气”之后出现电力过剩导致热量不足的原因•采用大型蓄热电锅炉，可以减电增热，缓解供需之间热电比的矛盾，但只要有纯发电的热电厂在运行，电锅炉就是在“用三份煤出一份热”，浪费能源，增加排放！电采暖•1.电直热方式–电热膜、发热电缆和碳晶等（分散末端）COP=1–大型蓄能式电锅炉（集中）部分热量在热源、输配环节损失，COP1–针对分散末端，发电煤耗按照310gce/kWh，供暖的一次能源消耗为86.11kgce/GJ–目前北方地区风电占供电比例仅约10%，未来若增加到30%，供–目前北方地区风电占供电比例仅约10%，未来若增加到30%，供暖一次能源消耗可降低至60.28kgce/GJ，仅相当于COP=1.4的电热泵–煤价按照1000元/tce，按照发电煤耗310gce/kWh，计算电价为0.31元/kWh，供暖的一次能源成本为60.28元/GJ，难以承受城乡能源系统必须面对的问题•找到“灵活电源”，可以实现大范围电力调峰，从而解决城市用电的峰谷差问题，并全额接纳风电•找到更多的热源，加大源侧的热电比，慎重建设燃气热电联产•增大需求侧电力比例，减小热量比例，从而降低需求侧热电比•在农村加大高效率用电负荷，实现高效的“煤改电”北方热泵供暖的低温热源•利用工业低品位余热的电动热泵•中水、污水水源热泵•海水水源热泵•浅层地埋管换热式地源热泵•中、深层地埋管地源热泵•中、深层地埋管地源热泵•空气源热泵–-5℃以上的夏热冬冷地区空气源热泵–-5℃到-20℃范围的寒冷地区空气源热泵–低于-15℃的严寒地区空气源热泵我国工业能耗占全社会总能耗的2/3，但能源利用热效率不足50%，工业节能需求巨大。6.2%13.9%13.1%34.0%石油、炼焦及核燃料生产化工材料及化工产品生产非金属矿物制品生产黑色金属冶炼及锻压《工业节能“十二五”规划》（2012.2.27）:到2015年，规模以上工业增加值能耗比2010年下降21%左右，“十二五”实现节能量6.7亿吨标准煤。城市周边大量工业余热被闲置1827.3%5.5%黑色金属冶炼及锻压有色金属冶炼及锻压其他40个工业部门数据来源：《中国能源统计年鉴2010》，中国统计局五大高耗能工业企业余热量大且集中、品位相对较高、利用潜力巨大。192012年北方五大类工业部门能耗：7.83亿吨标煤低品位余热：3.13亿tce我国北方低品位工业余热资源采暖季1.14亿tce010203040506070工业用水量/亿立方米1、能耗角度估计2、水耗角度估计20工业总能耗：24.64亿吨标煤五大类工业部门能耗：15.67亿吨标煤2012年，北方采暖地区工业用水总量260.3亿m3五大类工业占比1/6（保守估计）主要用于冷却（约70%）约30亿m3/年r=2500kJ/kg，总余热量0.94亿tce工业能耗数据来自《中国统计年鉴2013》；五大类高耗能工业部门能耗数据来自《中国能源统计年鉴2013》；五大类高耗能工业部门的低品位余热比例按照40%估计；采暖季按照120天计算，工业生产按照330天计算。全国高用水行业：火力发电、纺织印染、石油化工、造火力发电、纺织印染、石油化工、造纸、钢铁，占比纸、钢铁，占比2/32/3。其中火力发电占。其中火力发电占3/43/4。。北方五大类高耗能工业部门用于冷却的水耗“径流量”~30亿m3/年南水北调中线设计输水量径流量95亿m3/年v.s.北方地区工业余热总量约1亿吨标煤2015年底，国家发改委、住建部制定了《余热暖民工程实施方案》“到2020年，通过集中回收利用低品位余热资源，替代燃煤供热20亿㎡以上，减少供热用原煤5000万吨以上…选择150个示范市（县、区），探索建立余热资源用于供热的经济范式、典型模式…”并指出余热暖民工程实施的第一项任务：21并指出余热暖民工程实施的第一项任务：开展余热资源和热负荷需求调查“深入开展余热资源和热负荷需求调查摸底工作，全面梳理本地区相关行业余热资源的种类、品质、数量、连续性、稳定性、分布和利用状况，准确掌握本地区供热需求现状。”迁西钢厂低品位余热供热22特点：1、末端吸收式换热降低回水温度；2、长距离输送；3、钢厂多种余热梯级利用；4、热网充分配合余热进行调节，保证供热安全和质量。效果：1、最终供热1000余万平米，满足迁西县城2030年需求，一期供热360万平米；2、第一期每天减少供热燃煤440t，每天减少工业用水2000t；3、全国第一个完全利用低品位工业余热进行供热的县城。充分挖掘目前热电厂的余热资源•目前北方地区仍有35%的热电厂在冬季没有热电联产–天津盘山220万kW–张家口200万kW–唐山地区360万kW–内蒙托克托200万kW，元宝山电厂，大板电厂，，，，，–目前承担冬季为电厂调峰功能，改为“热电协同”模式，即可供热•目前80%的热电联产电厂仍在排放冷凝乏汽余热•目前80%的热电联产电厂仍在排放冷凝乏汽余热•北方的核电也可以改造为热电联产方式：红沿河、海阳•一批工业自备电厂也可以对外供热：如电解铝企业的自备电厂浅层地源热泵•由于直接抽水取热的模式在多地禁止，地源热泵成为浅层地热应用的主要方式•近年来在国内飞速发展•近年来在国内飞速发展–北京通州副中心•是否需要