作 者： 曾智勇，董華佳，周厚國(guó)
摘 要：我國(guó)北方冬季取暖能源以燃煤為主，主要方式有3種：①熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖，②區(qū)域鍋爐集中供暖③戶內(nèi)分散采暖[1]。
為了保護(hù)環(huán)境，改善空氣質(zhì)量，2016年國(guó)家八部委聯(lián)合下發(fā)《推進(jìn)電能替代指導(dǎo)意見(jiàn)》，積極在北方推進(jìn)“煤改電”清潔取暖?！懊焊碾姟惫こ恬詈蟽?chǔ)能系統(tǒng)，不僅可以提高系統(tǒng)可靠性，而且可以降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。因而，儲(chǔ)能在“煤改電”中的應(yīng)用愈加受到重視，商業(yè)推廣日益廣泛。
關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能；煤改電；電網(wǎng)峰谷差
0 引言
北方冬季供暖是我國(guó)的民生工程。"秦嶺-淮河"是我國(guó)地理上劃分南北的重要分界線，以秦淮一線為界，我國(guó)實(shí)行集中供暖的區(qū)域主要包括華北、東北、西北等地區(qū)。
18世紀(jì)進(jìn)入工業(yè)革命以來(lái)，我國(guó)形成了以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主能源消費(fèi)格局。其中，供暖工程所消耗的能源主要依賴煤炭。為了節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，我國(guó)實(shí)行城市集中供熱，主要方式有熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱，區(qū)域鍋爐集中供熱。由于集中供熱熱力管網(wǎng)輻射范圍有限，不乏一些城郊結(jié)合部、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村地區(qū)采用小型燃煤鍋爐、散煤采暖。煤炭在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生溫室氣體CO2以及S02、粉塵等，是京津冀地區(qū)重污染天氣形成的重要原因之一。
2013年，國(guó)家《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知》 中指出：加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)大氣污染綜合治理，全面整治燃煤小鍋爐；加快推進(jìn)集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”工程建設(shè)，到2017年，除必要保留的以外，地級(jí)及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時(shí)10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時(shí)20蒸噸以下的燃煤鍋爐；其他地區(qū)原則上不再新建每小時(shí)10蒸噸以下的燃煤鍋爐[2]。
2016年國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局、財(cái)政部、環(huán)境保護(hù)局等八部委聯(lián)合聯(lián)合下發(fā)《推進(jìn)電能替代指導(dǎo)意見(jiàn)》，文中明確提出根據(jù)不同電能替代方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，因地制宜，分階段推進(jìn)，逐步擴(kuò)大電能替代范圍，形成清潔、安全、智能的新型能源消費(fèi)方式。以電代煤成為治理環(huán)境污染的重要舉措被寫入政府工作報(bào)告[3]。
1 “煤改電”的概況
電供暖是指直接利用電力向用戶供暖，是一種安全、清潔、舒適的取暖方式。以電代煤實(shí)質(zhì)是一種能源消費(fèi)方式的轉(zhuǎn)變。以電能替代煤炭等傳統(tǒng)化石能源，有助于推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型，加快清潔能源開(kāi)發(fā)利用，提高可再生能源消納能力，促進(jìn)我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展?！懊焊碾姟笨梢詮母旧限D(zhuǎn)變北方供暖過(guò)度依賴燃煤的傳統(tǒng)熱力發(fā)展方式，在源頭控制大氣污染，緩解環(huán)境污染壓力，推動(dòng)社會(huì)節(jié)能減排，滿足經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的需求。
北京是我國(guó)率先實(shí)施“煤改電”的試點(diǎn)城市。截至2016年，北京累計(jì)完成58.25萬(wàn)戶“煤改電”工程，減少散煤燃燒180萬(wàn)噸/年，減排CO2468萬(wàn)噸/年、SO24.34萬(wàn)噸/年、NOx1.24萬(wàn)噸/年，具有良好的環(huán)保效益。在試點(diǎn)城市取得成功經(jīng)驗(yàn)之后，國(guó)家政府將北方地區(qū)冬季清潔取暖試點(diǎn)擴(kuò)展至京津冀及周邊地區(qū)，囊括了京津冀大氣污染傳輸通道 “2+26”城市，并出臺(tái)了一系列支持政策。
電供暖具有多種實(shí)現(xiàn)形式，例如電鍋爐、發(fā)熱電纜、電熱膜以及各種電驅(qū)動(dòng)熱泵等。2016年以來(lái)，我國(guó)北方大力推進(jìn)“煤改電”清潔供暖，在取得了一定的成績(jī)的同時(shí)，也存在著一些問(wèn)題。
（1）設(shè)備安裝條件限制
“煤改電”工程主要針對(duì)是城市集中熱力管網(wǎng)輻射不到的城郊或者農(nóng)村地區(qū)。以上地區(qū)公共基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)落后，由于工程實(shí)際需要，“煤改電”的相關(guān)設(shè)備，例如空氣源熱泵、變壓器很多情況下需要安裝在胡同內(nèi)、馬路邊、街巷等地，施工難度大，難以做到整體規(guī)劃[4]。
（2）電力負(fù)荷不匹配
“煤改電”會(huì)造成在局部區(qū)域電力需求量出現(xiàn)劇增，原有配電網(wǎng)設(shè)計(jì)與新增電力需求負(fù)荷不匹配。電力增容工程需要繁雜的辦理手續(xù)，而且電力基礎(chǔ)設(shè)施投資使得整體工程造價(jià)成本大幅提高。
（3）取暖成本
在當(dāng)前主要的取暖方式中，燃煤供暖是最廉價(jià)的。在“煤改電”試點(diǎn)前期，在一些政策補(bǔ)貼的推動(dòng)下，不少用戶采購(gòu)了直熱電鍋爐、蓄熱電鍋爐進(jìn)行冬季取暖，后來(lái)因?yàn)槌袚?dān)不起昂貴的電費(fèi)成本不得不選擇了放棄，散煤取暖卷土重來(lái)。
空氣源熱泵有“大自然能量的搬運(yùn)工”的美譽(yù)，具備節(jié)能環(huán)保、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等顯著優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)北方“煤改電”的主要途徑之一。然而，空氣源熱泵在運(yùn)行過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，對(duì)住宅小區(qū)產(chǎn)生噪音污染。此外，空氣源熱泵的能效受環(huán)境溫度影響明顯，運(yùn)行不穩(wěn)定，在極端天氣甚至出現(xiàn)停機(jī)的情況，供暖效果得不到保障。
圖1 空氣源熱泵結(jié)霜
Fig.1 Frosting of Air Source Heat Pump
創(chuàng)新電能替代，積極響應(yīng)國(guó)家“煤改電”的需求，貫徹國(guó)家能源消費(fèi)革命，提高電能占終端能源消費(fèi)的比重，是推動(dòng)提高全社會(huì)電氣化水平的重要途徑。任何技術(shù)的革新都需要探索的過(guò)程，“煤改電”尚有很長(zhǎng)的道路需要走。
2 儲(chǔ)熱技術(shù)
儲(chǔ)能技術(shù)在我國(guó)發(fā)展已經(jīng)比較成熟了，大致可以分為4類：（一）抽水儲(chǔ)能；（2）儲(chǔ)熱；（3）電化學(xué)儲(chǔ)能；（4）機(jī)械儲(chǔ)能。由于供暖主要涉及熱能應(yīng)用，本文主要討論儲(chǔ)熱技術(shù)。儲(chǔ)熱的具體原理是利用其他形式能量轉(zhuǎn)換為熱能，并通過(guò)特定的蓄熱介質(zhì)將熱能在保溫良好的條件下儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)需要利用時(shí)再通過(guò)換熱把所儲(chǔ)存的熱量提取出來(lái)加以利用。儲(chǔ)熱，根據(jù)蓄熱介質(zhì)的狀態(tài)可以分為顯熱儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能。
相變材料儲(chǔ)熱具有較大的儲(chǔ)能密度，因而發(fā)展?jié)摿Ω?。由于材料成本和配套設(shè)備的限制，目前儲(chǔ)熱市場(chǎng)仍然以顯熱儲(chǔ)能為主。隨著新型儲(chǔ)熱材料的研發(fā)應(yīng)用和配套設(shè)備制造工藝的提升，儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用的成本逐年下降，越來(lái)越多商業(yè)化工程應(yīng)用得到推廣。
根據(jù)能源品位劃分，儲(chǔ)熱可以歸納為3個(gè)梯度：①高品位能源（≥1000℃）；②中品位能源（160-550℃）；③低品位能源（0-160℃）。供暖熱源的溫度范圍一般在50℃-120℃，從能量品位層次劃分來(lái)看，屬于低品位能源。由于供暖所需能源品位要求不高，可利用的能源很廣泛。例如，空氣能、地?zé)崮?、污水能、電廠余熱、谷電棄電等。帶儲(chǔ)能的供暖系統(tǒng)可以耦合這些能源，將不穩(wěn)定的、不連續(xù)的能源輸入轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的、連續(xù)的高質(zhì)量能源輸出。
3 帶儲(chǔ)能的清潔供暖系統(tǒng)
山東省是《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017-2021年)》中清潔供暖改造的重點(diǎn)省份，“2+26”城市中山東省占了7個(gè)。 在“宜氣則氣，宜電則電”、“新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換”等政策推動(dòng)下，山東省在城郊以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道開(kāi)展了一系列“煤改電”工程。以山東濰坊市某“煤改電”工程為例，簡(jiǎn)單闡述一下儲(chǔ)熱在“煤改電”供暖領(lǐng)域的應(yīng)用。
原來(lái)的工程項(xiàng)目采用空氣源熱泵對(duì)小區(qū)燃煤鍋爐進(jìn)行“煤改電”清潔供暖改造。小區(qū)供暖面積7.2萬(wàn)平方米，采用25臺(tái)額定制熱量140KW空氣源熱泵低溫機(jī)組進(jìn)行供暖。系統(tǒng)主要設(shè)備配置及工藝流程簡(jiǎn)圖如下。
表1 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)主要設(shè)備配置表
Tab.1 Main Equipment Configuration Table of Air Source Heat Pump Heating System
圖2 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖
Fig.2 Process flow chart of air source heat pump heating system
濰坊市屬于北溫帶季風(fēng)區(qū)，四季的氣溫分布分明，1月份為全年的最冷月，日均最低溫達(dá)到-8℃。工程投入使用第一年的供暖季，空氣源熱泵在極端嚴(yán)寒天氣出現(xiàn)部分機(jī)組結(jié)霜嚴(yán)重，能效降低，甚至停機(jī)保護(hù)的情況，用戶室內(nèi)溫度達(dá)不到供暖指標(biāo)要求。
第二年，為了保障供暖效果，對(duì)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，增加了儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)由熱池模塊和換熱模塊組成。熱池模塊包含了熱池罐、緩沖罐、電加熱器以及特種儲(chǔ)熱材料“駱駝二號(hào)”?！榜橊劧?hào)”的設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱溫度在60-130℃，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)腐蝕，損耗率小，使用壽命周期長(zhǎng)，是一種高品質(zhì)的傳熱、儲(chǔ)熱材料。儲(chǔ)熱包含了熱能儲(chǔ)存和熱能轉(zhuǎn)換兩個(gè)過(guò)程。
熱能儲(chǔ)存：谷電時(shí)段，利用電加熱器加熱熱池罐中“駱駝二號(hào)”，將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存。
熱能轉(zhuǎn)換：在峰電時(shí)段或者空氣源熱泵出力不足的情況，“駱駝二號(hào)”與供暖管道中的循環(huán)水進(jìn)行換熱，將儲(chǔ)存的熱能傳遞到供暖循環(huán)水中，再通過(guò)給水泵輸送到用戶末端進(jìn)行供暖。
表2 改造后供暖系統(tǒng)主要設(shè)備配置表
Tab.2 Main Equipment Configuration Table of Air Source Heat Pump Heating System after Revamping
圖3 帶儲(chǔ)能的供暖系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖
Fig.3 Process flow chart of heating system with energy storage
表3 儲(chǔ)能模塊工況切換表
Tab.3 Switching Table of Energy Storage Module Working Conditions
增加儲(chǔ)能模塊之后，上述“煤改電”清潔供暖系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性提高，即使在極端寒冷天氣依然能夠通過(guò)延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間使得用戶室內(nèi)溫度維持在18±2℃。在個(gè)別空氣源熱泵機(jī)組出現(xiàn)停機(jī)保護(hù)時(shí)，還可以啟動(dòng)電加熱進(jìn)行直接熱量補(bǔ)充。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以跟隨供暖系統(tǒng)總熱負(fù)荷隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，靈活調(diào)節(jié)儲(chǔ)存熱能的總量，以及合理控制儲(chǔ)存熱能的換熱，充分利用“峰谷電價(jià)”杠桿最大化能源利用的經(jīng)濟(jì)效益。上述工程案例，當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)比為4.12:1，通過(guò)儲(chǔ)熱不僅可以削峰填谷，利于調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)仉娏?yīng)負(fù)荷平衡，提高能源利用效率，還能降低供暖系統(tǒng)的電費(fèi)成本。根據(jù)供暖系統(tǒng)改造前后2年的運(yùn)維數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，增加儲(chǔ)能模塊之后，供暖季谷電利用占比由原來(lái)的32.6%提升到了44.0%，單位面積能耗增加了4.5%，單位面積電費(fèi)降低了14.2%。具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表4和表5。
4 應(yīng)用前景
電力供應(yīng)系統(tǒng)的發(fā)電和輸電設(shè)備的配置都是按照峰值電量需求配置的，但實(shí)際電力需求在各個(gè)時(shí)段是不一樣的。用電高峰期的用電量稱峰值，低谷時(shí)的用電量稱谷值。目前我國(guó)各電力系統(tǒng)的負(fù)荷峰谷差一般為最大負(fù)荷的30%～40%。就目前的技術(shù)而言，電力供給端難以實(shí)現(xiàn)跟隨電力需求適時(shí)調(diào)整產(chǎn)能輸出和富余產(chǎn)能的儲(chǔ)存，導(dǎo)致了每天供電系統(tǒng)產(chǎn)能會(huì)出現(xiàn)大量的剩余，造成了極大的能源浪費(fèi)。谷電儲(chǔ)能是一種平衡電網(wǎng)負(fù)荷、綜合發(fā)揮電力資源的有效措施[5]。
21世紀(jì)初，為了解決供暖供熱行業(yè)高能耗、高污染問(wèn)題，國(guó)家開(kāi)始支持引導(dǎo)谷電蓄能的發(fā)展，并出臺(tái)了一系列有關(guān)優(yōu)惠政策。例如，我國(guó)目前在大部分地區(qū)，尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，實(shí)行了峰谷電費(fèi)大額差價(jià)的政策，力圖通過(guò)強(qiáng)化價(jià)格杠桿，引導(dǎo)削峰填谷。另一方面，隨著我國(guó)可再生能源風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、潮汐能等的快速發(fā)展?？稍偕茉吹牟贿B續(xù)性和不穩(wěn)定性，必然加劇發(fā)電負(fù)荷的峰谷波動(dòng)。
據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016年我國(guó)棄風(fēng)率達(dá)到53%，棄光率達(dá)到32%，大量投資所建設(shè)起來(lái)的可再生能源白白浪費(fèi)了。儲(chǔ)能作為電力需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制的一部分，可以提高電網(wǎng)對(duì)可再生能源電力的消納能力，優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)能源升級(jí)轉(zhuǎn)型。
2016年12月，國(guó)家能源局發(fā)文推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖，解決好人民群眾普遍關(guān)心的冬季安全供暖及霧霾問(wèn)題。按照企業(yè)為主、政府推動(dòng)、居民可承受的方針，“宜氣則氣、宜電則電”，加快提高清潔供暖比重，2016-2021年在有條件地區(qū)基本實(shí)現(xiàn)清潔取暖方式替代散燒煤?！懊焊臍狻焙汀懊焊碾姟笔菍?shí)現(xiàn)清潔供暖的主要途徑。
2017年部分城市在推進(jìn)“煤改氣”清潔供暖的過(guò)程中，出現(xiàn)了嚴(yán)重的“氣荒”現(xiàn)象，居民供暖得不到保障。我國(guó)天然氣主要依賴進(jìn)口，根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2019年我國(guó)將成為全球最大的天然氣進(jìn)口國(guó)[6]。由于氣源問(wèn)題在短期得不到有效解決，“煤改氣”經(jīng)過(guò)了2年的試點(diǎn)工程驗(yàn)證，社會(huì)上質(zhì)疑的觀點(diǎn)越來(lái)越多。
此外，天然氣本質(zhì)上依然是化石能源，在燃燒過(guò)程中會(huì)排放NOx，加劇NOx大氣污染。2018年12月，環(huán)保部甚至出現(xiàn)了喊?！懊焊臍狻钡暮袈?。綜上所述，“煤改電”將是“2+26”城市清潔供暖大勢(shì)所趨的方向。隨著“煤改電”清潔供暖工程的大范圍推廣，儲(chǔ)能憑借自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將會(huì)迎來(lái)大放異彩的發(fā)展浪潮。
5 結(jié)語(yǔ)
電能替代是我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵一環(huán)。電是二次能源,也是一種清潔、零排放、高品質(zhì)的綠色能源。從這個(gè)意義上講，“煤改電”清潔供暖低碳環(huán)保毋庸置疑。“煤改電”耦合儲(chǔ)能的清潔供暖供暖系統(tǒng)，不僅能夠提高系統(tǒng)的安全可靠性，削峰填谷，提高電網(wǎng)效率，還能利用“峰谷”電價(jià)杠桿降低運(yùn)行成本。儲(chǔ)能在“煤改電”清潔供暖工程發(fā)揮著不可替代的作用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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