集中供热与供冷技术

集中供热与供冷技术调研

集中供热技术

集中供热是指由集中热源所产生的蒸汽、热水，通过热力管网供给一个城市或部分区域生产、采暖和说或所需的热量方式。集中供热是现代化城市重要的基础设施，也是城市公用事业的一项重要设施。

热网分为热水管网和蒸汽管网，由输热干线、配热干线和支线组成，其布局主要根据城市热负荷分布情况、街区状况、发展规划及地形地质等条件确定，一般布置成枝状，敷设在地下。主要用于工业和民用建筑的采暖、通风、空调和热水供应，以及生产过程中的加热、烘干、蒸煮、清洗、溶化、致冷、汽锤和汽泵等操作。

我国的集中供热事业已经有了较大的发展，截止到2000年底，全国有58

个城市建设了集中供热设施，总供热面积达110766万平方米，“三北”地区集中供热普及率已超过25%；全国供热企业拥有供热管道43748千米，其中蒸汽供热管道7963千米，热水供热管道35785千米。

集中供热系统包括热源、热网和用户 3 部分。热源主要是热电站和区域锅炉房（工业区域锅炉房一般采用蒸汽锅炉，民用区域锅炉房一般采用热水锅炉），以煤、重油或天然气为燃料；有的国家已广泛利用垃圾作燃料。工业余热和地热也可作热源。核能供热有节约大量矿物燃料，减轻运输压力等优点。下面介绍几种目前比较先进的供热技术。

一、热电联产供热技术

热电联产是指在单一过程中同时生产电力和有用的热，而电和热的用户同时又是能的生产者，它是电能和以低压蒸汽和热水形式出现的热能这两种能量的联合生产。

热电联产已被公认为一种成熟的节能技术，它是将火力发电厂汽轮机中已作完一部分功的蒸汽从汽轮机汽缸中部抽出来供给热用户，是本应排至凝汽器中放弃的蒸汽凝结热转供给用热户而不舍弃至大气中。

目前发展的热电联产技术主要有以下几种:

1、基于蒸汽轮机的常规热电联产技术

只要能将汽轮机发电机做完一部分功的蒸汽抽出或不废弃排汽的凝结热而加以利用，做到既发电又供热，都认为是热电联产。汽轮机热电联产的方式有好几种，目前火力发电厂热电联产的机组型式主要有两类，即背压机组及抽汽供热机组，而抽汽供热机组又可分为调整抽凝式、凝抽式及纯凝汽打孔式。

蒸汽轮机热电联产方式的优点是锅炉容量大，参数高，热效率也高。热能利用率高，综合供煤耗低。缺点是需要大量稳定热用户，大型热网造价越来越高，建设周期长。普遍存在冬季热负荷高，夏季热负荷低的问题。

2、基于燃气-蒸汽联合循环的热电联产技术

燃气轮机发电出现于20世纪50年代，发展至80年代，由于燃气轮机单机功率和热效率的提高，燃气-蒸汽联合循环技术日趋成熟，全球天然气的进一步开发以及人们对节能高效技术的迫切需求，燃气轮机在世界电力系统的地位明显提升。

一个燃气蒸汽系统包括四部分的主要机组和设备：燃气轮机机组，它包括空气压缩机、燃气轮机和发电机。其他附加设备不影响系统的分类；常规蒸汽锅炉机组机器辅助设备，锅炉的型号不影响系统的分类；蒸汽发生器和蒸汽轮机机组。

燃气轮机排气温度较高，一般为(500-600)℃，将排气用于余热锅炉，可产生蒸汽再进行发电，其具有能源利用率高、占地面积少、造价低、建设周期短、运行和维修成本低、以及能适应于缺水地区等优点。

3、基于内燃机的热电联产技术

内燃动力机械在经过热加工转换以后，原作为损失的排气热量(约占输入燃料能量的50%-70%)可通过热交换器或热回收系统向用户供热。热电效率可高于大型装置，并有利于实现分散型热电联产，是独立建筑物及小型工业和工厂有条件应用。

内燃机热电联产技术的优点是：

①使用清洁燃料，提高了能源转化效率，显著减少了用能对环境污染。

②设备应用计算机远程监控的水平较高。选用先进发动机使设备紧凑合理，可实现流水组长生产线。

③发电效率高，通常在32%-40%。这对电力需求较大的用户十分合适。

④使用多种低热值燃气，应用范围大。

缺点是：

①发动机使用气体或液体燃料，尚不适用于直接用煤作燃料；

②运行维护成本高，大修费用高；

③由于内燃机作功需要震爆，导致噪音很大，通常超过100dB；

④余热回收复杂，需要对烟气，汽缸冷却水、中冷器三段热量进行回收；

4、生物质燃料热电联产技术

生物质燃料热电联产技术使用可再生能源如木屑、革类、垃圾处理残留物农作物肥料处理残留物。在木材产业发达的国家已经大力发展以生物质为燃料建立的热电厂，这项技术也适用于发展中农业国。我国是一个农业大国，农林生产中所产生的生物质种类多，产量巨大，故而，有很大的发展潜力。

5、城市垃圾燃料热电联产

城市垃圾的能源化利用技术包括垃圾焚烧、垃圾填埋沼气、垃圾热解气化热电联产(MSW CHP)，国内对垃圾能源利用的利用方式主要是在锅炉中进行燃烧，产生能量，利用该能量进行发电、供热或生产。在国外从城市垃圾中回收能量已有近40年的发展历史，技术处于领先地位的国家主要是德、法、美、日等。我国部分城市也已开始建设垃圾焚烧炉，垃圾燃料热电联产技术已得到人们的广泛的重视，并将由极大的发展。

二、冷热电联产供热技术

所谓冷热电联产是指热电厂除了想用户供热、供电之外，还要向用户提供热水和制冷。CCHP(冷热电联产)是将制冷、供热(采暖和供热水)及发电三者合而为一的设施。

冷热电三联产系统一般包括：动力系统和发电机(供电)、余热回收装置(供热)、制冷系统(供冷)等。CCHP既能生产电能，还可以提供制冷、供热和卫生热水，这样有90%以上的燃料可以转变为有用能量。不过其系统也有缺点，一是冷热电联供系统规模小，安装在楼宇里，只能使用天然气或油品，而大型发电厂和大型热电联产可以使用煤炭作燃料；二是冷热电联供系统不能一家一户安装，只能适应一栋楼宇或小区，不像家用空调或取暖器那样灵活。

我国目前能源利用正在向优质化发展，许多大中城市为降低燃煤污染已经提出建立无煤区，国家正在加快天然气、煤层气的开发，还准备在沿海地区进口液化天然气，使用CCHP的条件将逐步具备。

三、太阳能供热采暖技术

太阳能供暖系统由太阳能集热器（平板太阳能集热器、真空管太阳能集热器、U型管太阳能集热器、热管太阳能集热器）、水箱、连接管道、控制系统等辅材构成。是指将分散的太阳能通过集热器，把太阳能转换成热水，将热水储存在水箱内，然后通过热水输送到发热末端（例如：地板辐射采暖、散热器采暖），提供供热的需求。

在国外，太阳能供热采暖技术比较成熟，其发展已经规模化，主要应用于低层节能型建筑，通常与低温地板辐射采暖相结合。而我国目前应用最广泛的还是太阳能热水器，太阳能供热采暖还处于起步阶段。在我国太阳能供热采暖的发展前景仍然是广阔的，太阳能建筑一体化是目前太阳能应用于建筑的主流模式，太阳能光伏发电，大阳能集热器供热采暖，地源热泵水源热泵等技术应用于建筑，将使建筑使用能耗大为降低，这也是目前建筑节能的一项主要举措。

四、低温核供热技术

低温核供热技术是近年发展起来的一种单纯供热的核反应堆，这种核供热堆是一种具有良好的固有安全性，对环境污染小，供热效率高，安全、经济又清洁的能源。核供热既可满足用户对温度的需求，同时由于降低了低压参数，是反应堆安全性大大提高。正常运行时对周围环境的放射性辐照量比燃煤热电厂还低，

更不排放烟尘、CO

2、SO

2

等有害物质，而且由于它的能量密度高，可以占很少的

地方，集中产出大量的热量，对解决集中供热中燃烧带来的环境污染和运输问题，缓解煤炭紧张具有现实意义。

低温核供热反应堆一般采用目前发展工艺最为成熟的水-水反应堆，即堆的冷却剂和慢化剂都是水。按照结构特点的不同，水-水型反应堆又可分为池式和壳式两大类。

核供热堆因其简单、安全、对解决局部能源短缺、减小污染以及缓和运力紧张等方面有着显著地优点，所以受到越来越多的地区的注意。但和供热堆本身还存在着如何更有效的发挥效益的问题。因为供暖时季节性负荷，即使在中国的最北方，每年供暖时间也不超过半年，也就是说，如果只用于供暖，那么该对将有半年闲置。这不仅损失了经济利益，也给维护带来了一系列的问题。

五、地热供热技术

地热能的开发利用包括发电和非发电利用两个方面。世界各国利用地热能的经验表明：高温地热资源(>150℃)主要用于发电，发电后排出的热水可进行逐级多用途利用；中温(150℃-90℃)和低温(90℃-20℃)的地热资源则以直接利用为主，多用于采暖、干燥、工业、医疗及人们的日常生活等方面。

据统计，目前我国地热直接利用热功率仅次于日本，居世界第2位，占世界总量的27%。发达国家最大的地热直接利用项目是地热采暖，占33%。利用地热水采暖不烧煤，无污染，可昼夜供热水，可保持室温恒定舒适。地热采暖虽初投资高，但总成本只相当于燃油锅炉供暖的四分之一，不仅节省能源、运输、占地等，有大大改善了大气环境，经济效益和社会效益十分明显，是一种比较理想的采暖能源。世界各国对地热采暖也非常重视。日本、冰岛、法国、美国、新西兰等都大量利用地热采暖。我国北方城市如北京、天津、辽宁、陕西等采暖面积也逐年增多，已有一定规模。

但地热采暖也有以下不足：1.耗水量大，资源浪费大；2.恶化开采条件，导致地面沉降；3.热能利用率效率低，浪费严重，导致热污染。

六、热泵供热技术

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思义，热泵也就像泵那样，可以把不能直接利用的低位热源(如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等)转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能(如煤、燃气、油、电等)的目的。

热泵的工作原理十分简单，就是从低温热源吸取热量再向高温热源排放，并在此过程中消耗一定的有用能，从而利用其排放的热量向所需对象供热。

根据供热时所采用的地位热源分类，热泵可分为：空气源热泵、水源热泵和低源热泵。根据热泵的工作原理不同将其分为：机械式、吸收式和化学式。下面比较几种热源泵。

1.空气源热泵技术研究开展的比较早，因此其技术较为完善，并且使用和安装都很方便。我国大部分热泵场均以空气源热泵型作为主要产品。但是由于空气源热泵的运行性能受室外气象条件的影响较大，其制冷量和制热量随建筑物冷热负荷变化的自适应性欠佳，同时，还存在诸如冬季室外换热器结霜等问题。因而，空气源热泵不适合用于寒冷地区。

2.水源热泵的热容量大，传热性能好，所以换热设备较为紧凑。一般此类热泵的制冷供热能力高于空气源热泵。缺点是空调房必须靠近水源，对水质的要求也比较严格。

3.地下水源热泵和土壤源热泵都是利用丰富的地热资源，可统称为地源热泵。作为一项旨在解决空调冷热源问题的新技术，地元热泵以其高效、节能、舒适，而且安装施工简单、运行维护方便优点，近年来越来越受到人们的重视。但到目前为止，地源热泵并未如空气源热泵一样得到广泛的推广和应用，其原因除相对较高的安装费用外，更重要的是缺乏可靠的地源泵设计方法和实际运行经验。

地源热泵的优点：1.保护环境；2.利用可再生能源；3.机组效率高，节省运行费用；4.一机多用，节约设备用房。

地源热泵的缺点：1.土壤导热系数小，换热强度弱，需要较大的换热面积；

2.系统初投资较大，且维修不便；

3.土壤性质有较大的地区差异，引起导热系数的差别较大；

4.在连续运行过程中，盘管与土壤的换热引起土壤温度变化，从而造成热泵蒸发和冷凝温度变化，连续运行能力不强。

集中供冷技术

集中供冷系统是一种利用设置中心制冷站制取冷水并通过输配管网向一定

范围内的用冷单位提供冷量的集中供冷系统，由冷源、制冷站、输配管网和末端用户四部分组成。

目前，日本是亚洲应用区域供冷技术非常成功的国家。20世纪90年代，瑞典斯德哥尔摩的市内大型区域供冷项目投入使用，经过多次扩充，到2004年底市内发展到9个区域供冷系统，总供冷能力达到324MW，需求单位超过500个，供冷面积为700×104m2 ，管道长度达76k m。

全世界已建成的区域供冷工程主要集中在美国、日本和一些欧洲国家，仅美国和瑞典就有逾100个。法国和瑞典的区域供冷技术比较先进，特别是瑞典在利用海水作为冷源方面，其首都斯德哥尔摩市利用海水免费制冷，正常情况下仅采用免费制冷就能满足用户要求，系统整体能效比达12-14，这是其他供冷系统难以比拟的。直接利用低温海水、湖水、地下水等天然冷量进行制冷的技术被称为免费供冷(Free Cooling )，通过换热将室内热量传给温度较低的天然冷源。

但为了获得来源稳定的低温水，不仅需要敷设较长的管道，还要增加一些附属设备，因此系统造价较高。

虽然我国的区域供冷技术才刚刚起步，但呈现出良好的发展势态，广州大学城、北京中关村西区、上海外滩中央商务区、大连小平岛等项目正在建设或酝酿当中。

集中供冷的技术条件

1.电驱动空气源制冷机组

大型离心式制冷机组的制冷性能系数较高，但由于以电为主要能源，在电力紧张的地区不宜采用，小型区域供冷工程可以考虑采用这种方案。

2.溴化锂吸收式制冷机组

蒸汽溴化锂吸收式制冷机组由低品位热能驱动，节能效果明显。一些地区可根据地域特点及能源状况采用直燃型溴化锂吸收式冷热水机组进行区域供冷、热，从目前的石油、燃气的供应状况及价格来看，这种方案的造价较高，但随着我国天然气供应量的增大，这种方案会在一些地方推广。蒸汽双效溴化锂吸收式制冷机利用热电厂的蒸汽实现热电冷三联产，缓解某些地区电力紧张的局面。1989年，英国曼彻斯特机场建设热电冷三联产系统，向3座候机楼供电和热水，共耗资5×108英镑。

3.水源热泵机组

沿海城市可考虑使用海水源热泵机组，机组制冷性能系数可达4.2～5.5J，节能效果显著。大连小平岛区域供冷项目，总规划建筑面积为118×104m2，供冷面积为86×104m2，冷负荷为89MW，热负荷为78MW，采用海水源热泵机组供冷。

集中供冷应用中存在的问题

①系统造价高

区域供冷系统的造价很高，业主难以承受。日本在这方面的做法值得我们借鉴，日本政府从立法、政府补助、建立示范工程、低利率融资及给予建筑补助金等方面促进节能事业的发展。

②末端用户冷负荷差异较大由于不同建筑类型的冷负荷差异巨大，使区域供冷系统冷负荷波动较大。在进行区域供冷系统规划时，应根据建筑类型进行最优组合实现最小的负荷波动，有利于系统的高效运行。该问题可采用遗传运算法进行优化。

③潜在的环境问题

虽然区域供冷缓解了对臭氧层的破坏，并减轻了分散式空调系统造成的城市热岛效应，但它在利用海水、湖水作为冷源时，却带来了不可预计的生态问题。目前，对大多工程的分析结果是水体温升并未对藻类植物及海洋生物造成明显的影响，然而对水体环境及微生物的长期影响并没有深入分析。