作 者： 曾智勇，董華佳，周厚國
摘 要：我國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]。
為了保護環(huán)境，改善空氣質(zhì)量，2016年國家八部委聯(lián)合下發(fā)《推進電能替代指導意見》，積極在北方推進“煤改電”清潔取暖?！懊焊碾姟惫こ恬詈蟽δ芟到y(tǒng)，不僅可以提高系統(tǒng)可靠性，而且可以降低系統(tǒng)運行成本。因而，儲能在“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：儲能；煤改電；電網(wǎng)峰谷差
0 引言
北方冬季供暖是我國的民生工程。"秦嶺-淮河"是我國地理上劃分南北的重要分界線，以秦淮一線為界，我國實行集中供暖的區(qū)域主要包括華北、東北、西北等地區(qū)。
18世紀進入工業(yè)革命以來，我國形成了以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主能源消費格局。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，保護環(huán)境，我國實行城市集中供熱，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。煤炭在燃燒過程中會產(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，國家《大氣污染防治行動計劃的通知》 中指出：加強工業(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，地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時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10蒸噸以下的燃煤鍋爐[2]。
2016年國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局、財政部、環(huán)境保護局等八部委聯(lián)合聯(lián)合下發(fā)《推進電能替代指導意見》，文中明確提出根據(jù)不同電能替代方式的技術(shù)經(jīng)濟特點，因地制宜，分階段推進，逐步擴大電能替代范圍，形成清潔、安全、智能的新型能源消費方式。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。以電代煤實質(zhì)是一種能源消費方式的轉(zhuǎn)變。以電能替代煤炭等傳統(tǒng)化石能源，有助于推動能源結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型，加快清潔能源開發(fā)利用，提高可再生能源消納能力，促進我國能源可持續(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，推動社會節(jié)能減排，滿足經(jīng)濟、社會、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的需求。
北京是我國率先實施“煤改電”的試點城市。截至2016年，北京累計完成58.25萬戶“煤改電”工程，減少散煤燃燒180萬噸/年，減排CO2468萬噸/年、SO24.34萬噸/年、NOx1.24萬噸/年，具有良好的環(huán)保效益。在試點城市取得成功經(jīng)驗之后，國家政府將北方地區(qū)冬季清潔取暖試點擴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，并出臺了一系列支持政策。
電供暖具有多種實現(xiàn)形式，例如電鍋爐、發(fā)熱電纜、電熱膜以及各種電驅(qū)動熱泵等。2016年以來，我國北方大力推進“煤改電”清潔供暖，在取得了一定的成績的同時，也存在著一些問題。
（1）設(shè)備安裝條件限制
“煤改電”工程主要針對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)施相對落后，由于工程實際需要，“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）電力負荷不匹配
“煤改電”會造成在局部區(qū)域電力需求量出現(xiàn)劇增，原有配電網(wǎng)設(shè)計與新增電力需求負荷不匹配。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成本大幅提高。
（3）取暖成本
在當前主要的取暖方式中，燃煤供暖是最廉價的。在“煤改電”試點前期，在一些政策補貼的推動下，不少用戶采購了直熱電鍋爐、蓄熱電鍋爐進行冬季取暖，后來因為承擔不起昂貴的電費成本不得不選擇了放棄，散煤取暖卷土重來。
空氣源熱泵有“大自然能量的搬運工”的美譽，具備節(jié)能環(huán)保、操作簡單、維護方便等顯著優(yōu)點，是實現(xiàn)北方“煤改電”的主要途徑之一。然而，空氣源熱泵在運行過程會產(chǎn)生較大的噪音，對住宅小區(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，運行不穩(wěn)定，在極端天氣甚至出現(xiàn)停機的情況，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)國家“煤改電”的需求，貫徹國家能源消費革命，提高電能占終端能源消費的比重，是推動提高全社會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程，“煤改電”尚有很長的道路需要走。
2 儲熱技術(shù)
儲能技術(shù)在我國發(fā)展已經(jīng)比較成熟了，大致可以分為4類：（一）抽水儲能；（2）儲熱；（3）電化學儲能；（4）機械儲能。由于供暖主要涉及熱能應(yīng)用，本文主要討論儲熱技術(shù)。儲熱的具體原理是利用其他形式能量轉(zhuǎn)換為熱能，并通過特定的蓄熱介質(zhì)將熱能在保溫良好的條件下儲存起來，當需要利用時再通過換熱把所儲存的熱量提取出來加以利用。儲熱，根據(jù)蓄熱介質(zhì)的狀態(tài)可以分為顯熱儲能和相變儲能。
相變材料儲熱具有較大的儲能密度，因而發(fā)展?jié)摿Ω?。由于材料成本和配套設(shè)備的限制，目前儲熱市場仍然以顯熱儲能為主。隨著新型儲熱材料的研發(fā)應(yīng)用和配套設(shè)備制造工藝的提升，儲熱技術(shù)應(yīng)用的成本逐年下降，越來越多商業(yè)化工程應(yīng)用得到推廣。
根據(jù)能源品位劃分，儲熱可以歸納為3個梯度：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、地熱能、污水能、電廠余熱、谷電棄電等。帶儲能的供暖系統(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省份，“2+26”城市中山東省占了7個。 在“宜氣則氣，宜電則電”、“新舊動能轉(zhuǎn)換”等政策推動下，山東省在城郊以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道開展了一系列“煤改電”工程。以山東濰坊市某“煤改電”工程為例，簡單闡述一下儲熱在“煤改電”供暖領(lǐng)域的應(yīng)用。
原來的工程項目采用空氣源熱泵對小區(qū)燃煤鍋爐進行“煤改電”清潔供暖改造。小區(qū)供暖面積7.2萬平方米，采用25臺額定制熱量140KW空氣源熱泵低溫機組進行供暖。系統(tǒng)主要設(shè)備配置及工藝流程簡圖如下。
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)工藝流程簡圖
Fig.2 Process flow chart of air source heat pump heating system
濰坊市屬于北溫帶季風區(qū)，四季的氣溫分布分明，1月份為全年的最冷月，日均最低溫達到-8℃。工程投入使用第一年的供暖季，空氣源熱泵在極端嚴寒天氣出現(xiàn)部分機組結(jié)霜嚴重，能效降低，甚至停機保護的情況，用戶室內(nèi)溫度達不到供暖指標要求。
第二年，為了保障供暖效果，對空氣源熱泵采暖系統(tǒng)進行了升級改造，增加了儲能系統(tǒng)。儲能系統(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熱材料“駱駝二號”。“駱駝二號”的設(shè)計儲熱溫度在60-130℃，化學性質(zhì)穩(wěn)定，無腐蝕，損耗率小，使用壽命周期長，是一種高品質(zhì)的傳熱、儲熱材料。儲熱包含了熱能儲存和熱能轉(zhuǎn)換兩個過程。
熱能儲存：谷電時段，利用電加熱器加熱熱池罐中“駱駝二號”，將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲存。
熱能轉(zhuǎn)換：在峰電時段或者空氣源熱泵出力不足的情況，“駱駝二號”與供暖管道中的循環(huán)水進行換熱，將儲存的熱能傳遞到供暖循環(huán)水中，再通過給水泵輸送到用戶末端進行供暖。
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 帶儲能的供暖系統(tǒng)工藝流程簡圖
Fig.3 Process flow chart of heating system with energy storage
表3 儲能模塊工況切換表
Tab.3 Switching Table of Energy Storage Module Working Conditions
增加儲能模塊之后，上述“煤改電”清潔供暖系統(tǒng)的運行可靠性提高，即使在極端寒冷天氣依然能夠通過延長儲能系統(tǒng)的運行時間使得用戶室內(nèi)溫度維持在18±2℃。在個別空氣源熱泵機組出現(xiàn)停機保護時，還可以啟動電加熱進行直接熱量補充。此外，儲能系統(tǒng)可以跟隨供暖系統(tǒng)總熱負荷隨機性和波動性的特點，靈活調(diào)節(jié)儲存熱能的總量，以及合理控制儲存熱能的換熱，充分利用“峰谷電價”杠桿最大化能源利用的經(jīng)濟效益。上述工程案例，當?shù)胤骞入妰r比為4.12:1，通過儲熱不僅可以削峰填谷，利于調(diào)節(jié)當?shù)仉娏?yīng)負荷平衡，提高能源利用效率，還能降低供暖系統(tǒng)的電費成本。根據(jù)供暖系統(tǒng)改造前后2年的運維數(shù)據(jù)統(tǒng)計，增加儲能模塊之后，供暖季谷電利用占比由原來的32.6%提升到了44.0%，單位面積能耗增加了4.5%，單位面積電費降低了14.2%。具體數(shù)據(jù)詳見表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，但實際電力需求在各個時段是不一樣的。用電高峰期的用電量稱峰值，低谷時的用電量稱谷值。目前我國各電力系統(tǒng)的負荷峰谷差一般為最大負荷的30%～40%。就目前的技術(shù)而言，電力供給端難以實現(xiàn)跟隨電力需求適時調(diào)整產(chǎn)能輸出和富余產(chǎn)能的儲存，導致了每天供電系統(tǒng)產(chǎn)能會出現(xiàn)大量的剩余，造成了極大的能源浪費。谷電儲能是一種平衡電網(wǎng)負荷、綜合發(fā)揮電力資源的有效措施[5]。
21世紀初，為了解決供暖供熱行業(yè)高能耗、高污染問題，國家開始支持引導谷電蓄能的發(fā)展，并出臺了一系列有關(guān)優(yōu)惠政策。例如，我國目前在大部分地區(qū)，尤其是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，實行了峰谷電費大額差價的政策，力圖通過強化價格杠桿，引導削峰填谷。另一方面，隨著我國可再生能源風能、太陽能、地熱能、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)電負荷的峰谷波動。
據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016年我國棄風率達到53%，棄光率達到32%，大量投資所建設(shè)起來的可再生能源白白浪費了。儲能作為電力需求側(cè)響應(yīng)機制的一部分，可以提高電網(wǎng)對可再生能源電力的消納能力，優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，促進能源升級轉(zhuǎn)型。
2016年12月，國家能源局發(fā)文推進北方地區(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題。按照企業(yè)為主、政府推動、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)基本實現(xiàn)清潔取暖方式替代散燒煤。“煤改氣”和“煤改電”是實現(xiàn)清潔供暖的主要途徑。
2017年部分城市在推進“煤改氣”清潔供暖的過程中，出現(xiàn)了嚴重的“氣荒”現(xiàn)象，居民供暖得不到保障。我國天然氣主要依賴進口，根據(jù)權(quán)威機構(gòu)預測，2019年我國將成為全球最大的天然氣進口國[6]。由于氣源問題在短期得不到有效解決，“煤改氣”經(jīng)過了2年的試點工程驗證，社會上質(zhì)疑的觀點越來越多。
此外，天然氣本質(zhì)上依然是化石能源，在燃燒過程中會排放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”城市清潔供暖大勢所趨的方向。隨著“煤改電”清潔供暖工程的大范圍推廣，儲能憑借自身的獨特優(yōu)勢，將會迎來大放異彩的發(fā)展浪潮。
5 結(jié)語
電能替代是我國能源消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的關(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。從這個意義上講，“煤改電”清潔供暖低碳環(huán)保毋庸置疑?！懊焊碾姟瘪詈蟽δ艿那鍧嵐┡┡到y(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”電價杠桿降低運行成本。儲能在“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)濟效益和社會效益。
參考文獻：
[1] 《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021）》，發(fā)改能源，〔2017〕2100號
[2] 《大氣污染防治行動計劃的通知》，國發(fā)〔2013〕37號
[3] 《推進電能替代指導意見》，發(fā)改能源，〔2016〕1054號
[4] 趙一.煤改電，改出藍藍的天[J].國家電網(wǎng),2014(1):71-73.
[5] 張繼皇，孫利，楊強.相變儲能技術(shù)在谷電蓄熱供暖中的應(yīng)用研究[J].電力需求側(cè)管理，2016(2):26-29.
[6] 王旻昊.我國天然氣進口量趨勢預測[J].中國化工貿(mào)易,2014(6).
