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中国城市能源供应系统需要创新

摘要:本文对占建筑能耗80%的暖通和热水供能模式进行了热力学第二定律分析,指出了把传统模式的佣效率从不到10%提高到65%以上的理论依据和新技术途径。主要是:在围护结构优化节能的配合下,采用低佣损耗的空调末端新技术,规模化的区域供冷技术,以及冷热电多联供的新一代城市能源供应系统。文章提出了借鉴国外成熟经验,实现中国城市建筑物能源供应系统创新的挑战和机遇;指出主要的障碍是观念和机制;分别提出了新建城区和现有区域的实施步骤,以及政府应起的主导作用。

 

关键词:  城市能源系统  热力学分析  冷热电联供  集成创新

一、           现状和问题

 

经济持续快速发展使我国能耗以10%左右的速度增加。2006年,GDP占世界5%的中国耗用了占世界15%的近25亿吨标煤能源。换句话说,单位GDP 能耗是世界平均值的3倍。能源利用效率33.5%,远世界平均水平。世界能源终端利用分布大体上是工业、建筑物、交通各占3成左右。而还处于工业化发展阶段的中国则是:工业60%多、建筑物20%多、交通10%多。低能效在建筑物方面的表现是:单位建筑面积能耗比同气候条件的发达国家高2-3倍。以空调能耗来说,发达国家住宅单位空调耗电20-30 W/m2,而中国则近100 W/m2

 

据建设部统计,我国近年来新增建筑的95%是不节能的。可以看到:一个个新兴的城市,到处是玻璃幕墙,落地飘窗,分体(或楼宇中央)空调,室内末端都是风机盘管,电或燃气热水器;北方则还有大量小锅炉-金属散热片供暖,水温80-60℃或更高,采暖费用多仍按每年每平方米缴纳---还是30年前石油1美元/桶时候的局面。城市发展规划只考虑功能区块、交通、供电、上下水和绿化,没有城建能源规划;新建房屋以“毛坯房”交工,能源供应设施任业主随意而为---还是30年前的模式。尽管近30多年来,随着能源价格成十倍上涨,能源利用,包括建筑节能技术日新月异:节能建材、新型围护结构和系统节能技术、冷热电多联供、分布式能源、集中供热、区域供冷、蓄冷、新型空调末端技术等,许多都是革命性的进展。我国北京、上海等大城市的若干项目也都有采用。然而并没有像家电、计算机和汽车制造那样,很快地被我国所掌握、推广和创新,取得建筑节能效果。其原因并不是技术问题,而是观念和机制问题。现代城市的建筑节能,决不是个体行为,而是由市政当局的观念、政策、体制和规划所驱动的系统工程。因此,当我们看看30年来的欧洲,再展望30年后16亿中国人的90%将会居住的城市建筑的能源状况时;我们会意识到:改变必须从现在开始!

 

二、           热力学分析指出的创新方向

 

根据建设部的统计,我国建筑用能各部分所占比例如下表.表中给出了反映各种终端用能品位的能级系数。

 

表 1  我国建筑能耗各部分所占的比例

 

能耗构成

采暖通风空调

热水供应

电气

炊事

比率

65%

15%

14%

6%

 

采暖        空调

 

 

 

目标温度/环境温度°C

18-20/-10      26/35

60/10

 

 

能级系数

0.099      0.0301

0.081

1.0

 

 

注1、佣计算以当时环境温度为基准;2、热水佣基准温度取年均值

 

    建筑物采暖空调和生活热水用能是为人提供一个舒适的环境,而这个舒适环境的温位是非常接近于室外大气和水体环境的。它们所需求的是非常接近于环境温度的低品位的能量,其能级系数均在0.1以下。然而,传统的、也是目前我国为建筑物提供能源服务的系统的实际模式是:北方采暖主要以直接燃煤的小供暖锅炉和热电厂的1 MPa蒸汽;空调绝大部分用电,热水则是用电或燃气,都是能级系数为1.0的高品位能源;能源转换和传递的温差很大,也就是有效能(即佣)损失大,佣效率低。

 

随着技术的不断进步和化石能源加速消耗导致剩余储量减少,能源和设备的比价必然地逐步升高。增加投资和换热面积以减少传热温差和佣损失的节能和经济效益十分显著。近30年工业中液相流体间的传热温差来已从80-100℃降低到20℃左右,深冷情况下低至1℃。在建筑物采暖和空调系统的末端也有同样的趋势。表2、3和4分别给出了采暖、空调和热水能源供应的传统模式与高能价下经济合理的模式的第二定律效率即佣效率分析比较。

 

表2  采暖用能的佣分析和优化改进方向

 

技术

小锅炉集中供热

热电机组(50MW)

余热辐射供暖(CC+WHB)

目标温度,℃

能级系数ε

18-20/-10

0.099

18-20/-10

0.099

18-20/-10

0.099

热媒温度,℃

能级系数ε

1Mpa,250-180

0.329

80-60

0.233

38-42

0.132

热源

能级系数ε

煤/天然气

1.0

1Mpa,250-180,℃

0.329

凝汽器,0.01MPA,50,℃               0.186

供热/热媒佣效率,%

30.1

42.5

75.0

供热/热源佣效率,%

9.9

47. 1

60.6

一次能源利用总效率,%

50

60

(包括发电30%)

80

(不包括烟气用于热水)

 

备注:1、“目标温度”指室内温度。2、CC+WHB:天然气联合循环+余热锅炉

 

  3、能级系数是以冬季平均的环境温度为基准温度计算的(-10℃)。

 

表3  空调用能的佣分析和优化改进方向

 

技术

分体空调

中央空调

区域供冷+DES

独立新风+辐射供+DES

目标温度,℃

能级系数ε

26/35

0.0301

26/35

0.0301

26/35

0.0301

26/35

0.0301

冷媒温度,℃

级系数ε

7--12

0.09

5-12

0.094

4--15

0.09

4-12,12-22

0.045

一次能源

能级系数ε

1.0

1.0

电,0.1MPa抽汽               1.0, 0.329

电,0.1MPa抽汽               1.0, 0.329

供冷/冷媒佣效率,%

33.4

32.0

33.4

66.9

COP,

供冷/一次源佣效率,%

 3.0,

 9.03

 4.0,

12.04

 4.7,

 14.14

  5.5,

  16.56

天然气一次能源制冷总能效℃,%

94.5

电按31.5%计

126

电按31.5%计

225

电按50%计

275

电按50%计

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