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分布式清洁能源多源互补清洁供热研究现状

2025-03-21 4 上传者：管理员

摘要：本文对国内外太阳能、地热能、生物质能、空气能等可再生能源多源互补清洁供热的组合形式及研究现状进行了概述，总结了相关技术的研究进展，提出了以生物质清洁燃烧为主的多能互补以及与建筑负荷动态匹配控制是未来该方向的研究热点。

关键词：
多源互补
清洁供热
清洁能源
环境污染
生物质
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随着城乡一体化进程的加快,有关重要基础民生项目的供热问题越发引起社会的关注｡然而,当前集中供热管道无法企及的城乡接合区域供热水平参差不齐,存在小锅炉分散面广､煤燃料能耗高且效率低､环境污染严重等问题｡同时小区规模小､布局分散､热损耗大､供热运行成本高等问题也十分突出[1-2]｡如何实现该类区域供热系统的合理减碳已成为建设领域的研究热点｡

1、清洁能源多源互补供热技术市场需求迫切

住房和城乡建设部等15部门印发的《关于加强县城绿色低碳建设的意见》中明确指出,要大力发展绿色建筑和建筑节能,推动适应当地资源禀赋和需求的可再生能源发展,推动北方区域清洁供热和清洁取暖｡而对于清洁取暖的改造方式以气､电为主,电代煤鼓励采用空气源热风机､空气源热泵等热效率高的方式,对输气管道无法接入和配变电容量不足的城乡地区,鼓励推广集中式生物质､太阳能和地热能等方式供暖｡

1.1以电､燃气为能源的清洁供暖方式存在局限性

目前,以电供暖方式主要有低温空气源热泵､蓄热地暖气､地源热泵等;以天然气为能源的供暖方式主要有燃气壁挂炉｡单独采用电､燃气等常规清洁能源供热,虽然能源密度较高,可以满足用户的需求,但是需要消耗大量的常规能源｡并且随着“煤改气”清洁供暖的稳步推进,天然气需求量大增,2021年我国天然气进口量约1373亿m3,对外依存度仍为45.2%,其供应保障能力较弱｡再者,由于天然气管道的铺设非常复杂,成本较高,因此天然气管网覆盖范围相对较小,很多区域尤其是山区仍然无法到达｡

当前,空气源热泵､蓄热式电暖器等已成为“煤改电”清洁供暖政策推广的主流产品[3]｡然而,我国北方地区普通型家用电制热储热供暖装置须达到9~10kW,大规模高压电制热储热供暖系统则须达到几百千瓦甚至几兆瓦｡这就涉及大规模的电网增容改造,以及房屋保暖改造等基础设施建设,导致电制热供暖成本较高｡而单独采用太阳能､空气能等可再生能源供热,虽然其运行费用较低,但是由于可再生能源往往能源密度较低,且太阳辐照､室外温湿度条件不稳定,尤其是极端天气下,热泵系统衰减严重,亟须其他热源补充,导致供热系统无法稳定､可靠地满足用户用热需求｡

1.2供热领域对清洁供暖新技术需求迫切

目前,供热领域对热舒适性高､经济性更优的多源互补清洁供暖新技术需求迫切｡但是我国部分地区存在新能源和可再生能源新技术推广应用不足､优先使用意识不强､工程建设质量不高等问题,且缺乏相应的运行优惠政策,新能源和可再生能源供热的节能优势难以充分发挥,低碳供热技术研发迫在眉睫｡此外,由于城乡接合区域普遍存在住宅设计不规范､建筑能耗大､冬季清洁供暖成本高､室内环境热舒适度相对差,以及环保节能多技术耦合应用协作难等问题[4-5]｡因此,急需寻找一条科学可行的基于清洁能源综合利用—多源互补的清洁供暖技术路线来满足市场需求｡

2、多源互补清洁供暖技术研究现状

伴随着国家对可再生能源的重视,可再生能源形式的频出,其中一个非常重要的趋势是从“单一能源到多能源互补”｡多源互补清洁供暖技术可将多种清洁能源组合利用,实现区域低碳供暖｡该技术能够有效降低能源消耗,减少污染物排放,提高供暖效率,对于城乡区域经济发展和生态环境保护都有积极作用｡多能源组合不仅可以实现节能减排的目的,还可以弥补不同能源之间的缺点,通过能源的合理配置,可以提高居民舒适､绿色的生活品质[6]｡

2.1国外多源互补清洁供暖技术的应用

欧洲是多源互补清洁供暖技术的主要应用地区之一,该技术已经得到了政府的大力支持和鼓励｡生物质锅炉与多源耦合供暖技术是欧美地区节能改造的主要应用技术｡例如,德国､丹麦等国家在采用太阳能､地源热泵､生物质锅炉等多种清洁能源的基础上,实现了多源互补供暖系统的建设｡英国的Graveney地区对数个建筑使用生物质锅炉与太阳能集热器替换了原本的燃油锅炉｡在奥地利,超一半的供热厂使用了生物质能与太阳能耦合技术,其太阳能集热设备从100~7000m2不等[7-8]｡

北美地区也是多源互补清洁供暖技术的重要应用地区｡例如,加拿大､美国等国家在利用太阳能､地源热泵､生物质锅炉等清洁能源的同时,采用了智能控制系统､高效换热器等技术手段,提高了供暖系统的能效[9]｡美国同样重视生物质锅炉与多种能源的耦合供暖,如美国康奈尔大学使用生物质能源结合地源热泵系统,替代了原有的燃气锅炉为整个大学供暖｡该系统实现了热泵系统承担平日热负荷,生物质锅炉承担冬季峰值热负荷,其系统总的均化能源成本只有燃油锅炉的一半｡美国明尼苏达州的SaintPaul市早在2004年就建立了使用木材废料做生物质能源的热电联产系统,总投资超过4千万美元,满足当地65%的用热需求,降低了91万t碳排放[10]｡

2.2国内多源互补清洁供暖技术的应用

多源互补清洁供暖技术在我国的应用也较为普遍,属于东北和华北村镇地区清洁供暖改造的主要推动方向｡山东省德州市平原县确定了符合当地实际的“秸秆收储体系+分布式生物燃料加工中心+生物质燃料+多能互补”的清洁取暖模式｡山东省青岛市即墨经济开发区2019年在冬季供暖时,将大地作为热泵机组的低温热源,通过埋地盘管获取土壤中热量,为室内供暖及供应热水｡这种采用地源热泵､石墨烯改性远红外技术和电热膜等技术的新型供暖方式,使即墨经济开发区实现了冬季供暖清洁能源全覆盖｡山东省邹平市某社区原来供暖采用两台1000kW水源热泵机组作为抽水和回灌｡供暖期间,同时出现抽水井水量不足､回灌不及时导致回灌水溢流等现象,致使水源热泵不能正常工作｡2019年将原有供热系统进行改造,增加太阳能和空气源热泵,实行多热源联合运行方案,取得了较好的效果[11]｡

青岛理工大学研发的“生物质锅炉+空气源热泵”清洁能源互补集中采暖项目在山东省德州市临邑县进行了示范,成功解决了单一热泵供暖峰时供暖不足的问题｡该供热系统是综合利用空气能､生物质能等多种可再生能源构建清洁供暖系统,为建筑提供生活热水和供暖用热｡系统构建过程中,有机融入多源互补清洁供暖技术,变负荷变工况下生物质低氮稳定燃烧技术,锅炉供暖与建筑负荷动态匹配条件下的应用系统优化及协同控制技术,实现各产能子系统间､各控制单元间的高效融合与优化组合[12]｡推动能源清洁供暖提质增效,突破采用单一热源的局限性,降低污染物排放,提高系统能源利用效率,减少了用户用热费用,为解决城乡接合部区域清洁低碳取暖提供了重要的技术路径｡

3、多源互补清洁供热技术的未来发展趋势

目前,实现多能互补与建筑负荷动态匹配下供暖系统协同控制技术的重点,是将多能互补供暖系统与建筑热负荷进行高效匹配｡对于考虑住户行为的供热负荷预测技术,国外研究明显领先于国内研究,而我国只有香港等地开展了相应的实验研究｡得克萨斯大学奥斯汀分校Dong和Lam[13]利用机器学习模型研究开发了基于住户行为习惯和天气预测模型,可实现80%的预测准确性,并基于该模型建立了建筑的模型预测控制策略｡该策略可以根据用户行为模式自动调节室内设定温度,通过在无人夜晚停止供暖系统的使用,可以降低30.1%的供热能源消耗｡英国的Scott[14]等人使用运动检测技术建立了住户的行为预测算法,根据该算法预测住户对建筑的使用情况并调节相应的供暖系统启停,可以节约35%左右的能源消耗｡香港理工的Lam与Wang[15]开发了基于住户交互的暖通空调控制系统,发现根据用户对温度的不同要求进行控制,可降低系统13%的能耗｡

多能互补与建筑负荷动态匹配条件下的协同控制技术已经成为建筑节能领域的热点研究方向｡国内学者通过对建筑能源系统进行动态建模和优化,设计了多能互补供能系统和多能协同控制策略,实现了太阳能､地源能､热泵､风能等多种能源的协同利用,并取得了一定的成果｡尽管目前已有研究探索了多能互补系统的建立方法,但是还未有研究提出考虑建筑负荷匹配的系统控制方法｡对建筑负荷进行有效的匹配,离不开对建筑供热负荷的准确预测,尤其是对住户行为进行有效预测,完成以居住者为核心的控制预测｡因此结合当前我国发展现状研究,基于建筑负荷动态匹配,对多源互补供暖设备进行控制技术乃是未来研究的主流趋势之一｡

4、结论与展望

多能互补已经成为区域分布式供暖的一个重要发展趋势,可以实现能量的梯级利用和能量的最大化利用｡当前对于多源互补清洁供暖技术的研究涉及多个方面,主要包括清洁能源的选择､供热系统的设计和运行控制等｡可用于城乡区域的多能互补供暖的能源形式主要有太阳能､生物质能､空气源/地源热泵､风能､燃气等｡每种能源使用时都有各自的优势和劣势,为了最大限度地实现科学用能,需要对多种能源匹配方式进行综合研究｡然而,当前对于多能源系统联合供暖的研究涉及的多是太阳能和另一种能源的耦合,囿于太阳能､风能的间歇性供应特征,其难以作为主要供暖形式｡而热泵具有初期投资大的特点,在很多城乡区域的推广受限｡因此,围绕生物质清洁燃烧,以生物质清洁燃烧供暖形式为主,耦合太阳能､热泵等多种清洁能源互补供应,对实现我国城乡区域清洁､低碳､经济性供暖具有重要研究意义｡

参考文献:

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[11]胡竞帆.低碳社区分布式多能互补供能系统优化研究[D].天津:天津大学,2021.