微型熱電聯產在小區集中供暖場景的應用

劉 偉

上海航天智慧能源技術有限公司

0 背景

近年來隨著我國城市化快速發展，新建小區快速增多，但供暖也出現了問題。在集中供暖的北方地區，一些遠離熱源中心的小區由于周邊沒有供熱管網而面臨采暖的困境［1］。在沒有集中供暖的南方地區，居民采用分戶采暖方式，零散的采暖導致能源利用率低、能耗高，其供暖設備單位能耗是北方集中供暖的2.89 倍［2］。因此探討先進的供熱技術，加快小區集中供暖建設，對實現市政供熱、清潔供暖、增進人民生活質量有著重要的意義。

1 我國采暖市場分析

我國采暖以秦嶺-淮河為分界線，分界線以北以集中供暖為主，分界線以南以分戶為主。北方地區清潔供暖市場發展迅速，總采暖面積從2016年的206 億m2增長到2021 年283 億m2，清潔取暖率從34%增長到了70%，清潔能源供暖構成見圖1［3］。清潔供暖后環境污染治理取得顯著成效，2020年京津冀及周邊地區優良天數達63.5%，比2019年上升了10.4 個百分點［4］。南方地區居民普遍采用電暖或其他分戶取暖，且隨著生活水平的提高，供暖需求不斷增大，供暖市場潛力巨大，預計到2030 年，供暖家庭將達到3 246 萬～6 577 萬戶，累計新增投資822 億～9 476 億元，累計新增消費1 442 億～4 033億元［2］。

圖1 北方清潔能源供暖結構圖

供暖市場的快速發展也出現了一些問題，主要表現在：一是集中供熱比例逐年下降［5］。新建小區快速增加使很多小區位于熱源末端或熱源無法覆蓋，面臨無采暖保障的困境；二是供熱企業由于燃料成本增加成本壓力增大。以燃氣鍋爐為例，燃料價格約占總供熱成本的74%（如圖2所示）。隨著冬季天然氣價格的增長，企業供熱成本增加，而北方地區城市居民供暖有一定的公益屬性，存在供熱企業成本倒掛現象，如果沒有財政補貼，供熱企業面臨虧損風險［6］。

圖2 燃氣鍋爐供熱成本組成比例

2 微型熱電聯產適用性分析

微型熱電聯產是小型化、模塊化、布置在用戶側、能同時發電和供熱的系統，通常發電功率≤50 kW。與其他燃氣熱源系統相比具有系統簡單、運行費用低、運行安全等特點。燃氣熱源設備性能對比如表1所示。

表1 燃氣熱源設備性能對比

微型熱電聯產在發電的同時生產熱量，實現了能源梯級利用，具有良好的經濟效益。由于微型熱電聯產經濟效益主要體現在運行費用低，因此方案設計時應盡量使系統處于滿負荷連續運行工況。在采暖應用場景，根據我國地域差別，供暖季一般3-5 個月，微型熱電聯產通常按最低連續熱負荷配置容量，并與鍋爐或熱泵等常規熱源聯合供熱，如此既可避免采暖初期鍋爐或熱泵低負荷工況下效率低的問題，也可發揮微型熱電聯產應急電源的作用，解決在電網停電時循環水泵停運問題。

燃料價格對不同設備的成本影響很大。從圖3 可看出，微型熱電聯產和燃氣熱泵運行成本明顯低于燃氣鍋爐。受氣價、電價影響，微型熱電聯產與燃氣熱泵運行經濟性存在交叉點，當氣價低于3 元/m3、電價高于0.6 元/kWh，微型熱電聯產經濟性優于燃氣熱泵。

圖3 燃氣熱源設備經濟性分析

圖4 NY40微型熱電聯產系統接入圖

3 案例介紹

濟南某小區居民約1 000 戶，冬季供暖站承擔12 萬m2的供暖，目前熱源為2 臺1 700 kW 的燃氣熱水鍋爐，供暖時間為每年11 月15 日至次年3 月15 日，約120 d，氣價1.71 元/m3，電價1.3 元/kWh。為了實現節能減排，降低供熱站運營成本，根據場地實際情況，增加4 臺22 kW NY40 微型熱電聯產系統實現多熱源供熱。NY40 微型熱電聯產設備參數如表2所示。

表2 NY40微型熱電聯產設備參數

1）改造方案

NY40 微型熱電聯產系統并入低壓供熱區，采用再循環加熱模式，從原來循環水回水泵出口處引一路作為NY40 入口，經加熱后匯入循環泵入口。NY40 所發電量并入供熱站配電柜，滿足供熱站用電負荷需求。NY40 微型熱電聯產系統流程圖如圖4所示，項目現場圖見圖5。

圖5 項目現場圖

2）運行策略

4 臺NY40 燃氣發電熱水機與鍋爐聯合運行，采暖初期和末期熱負荷低時，NY40 運行，鍋爐停運；中間時段和燃氣鍋爐聯合運行，NY40 按設定工況連續運行，鍋爐則根據熱負荷的波動變工況運行。

3）經濟效益分析及節能減排計算

對經濟性進行測算（如表3 所示），建設4 臺NY40+燃氣鍋爐方案比原來僅燃氣鍋爐年運行費用低29.6 萬元，項目投資按90 萬元計算，投資回收期3年。

表3 年運行費用對比

節能減排計算如表4 所示，可以看出NY40 具有良好的節能減排效益，與燃氣鍋爐相比，年節約58 tce，減少CO2排放136 t。

表4 NY40節能減排計算

4 結論

1）微型熱電聯產是小型化、模塊化、布置在用戶側、能同時發電和供熱的清潔、高效能源系統，具有系統簡單、運行費用低、運行安全等特點，可有效解決城市供暖末端沒有熱源小區的供熱，解決分戶供熱能耗高、成本高等問題。

2）微型熱電聯產經濟效益主要體現在滿負荷連續運行工況。在采暖應用場景，微型熱電聯產通常按最低連續熱負荷配置容量，與鍋爐或熱泵等常規熱源設備聯合供熱。采暖初期和末期微型熱電聯產單獨運行，中間時段按設定工況與其他熱源設備聯合運行，有效解決了采暖初期鍋爐或熱泵低負荷工況下效率低、電網停電時循環水泵停運無法供暖的問題。

3）對濟南某小區集中供熱改造項目進行了分析，建設4 臺22 kW 微型熱電聯產+燃氣鍋爐方案比僅燃氣鍋爐年運行費用低29.6 萬元，增量投資回收期3 年，年節約58 tce，減少CO2排放136 t。微型熱電聯產在實際供暖中具有良好的經濟效益和節能減排效益，可在類似項目中推廣應用。