清洁能源与集中供热耦合系统：多能互补技术方案与运行成本优化

0 引言

根据国家统计数据显示，我国集中供热主要依靠热电联产、燃煤锅炉对煤炭等化石燃料的燃烧。面对国家2030年实现碳达峰的严峻形势，各供热企业都已意识到，不能过分依赖传统煤炭等化石燃料为主的热源形式，积极探索分散式清洁能源、集中供热深度耦合、多能互补的技术方案，才能有效应对极端天气、负荷增长、既有热源能力逐渐饱和等供热企业面临的困境，实现供热系统清洁、高效运行。

1 集中供热系统发展方向分析

近年来，各地以热电联产及燃煤锅炉为热源的企业供热能力逐渐趋于饱和。为满足企业未来发展，应逐步构建清洁能源与集中供热深度耦合、多能互补的新型供热系统，且清洁能源及其设施占比应尽量最大化。但构建新型供热系统将增加企业的建设和运行成本，各种系统形式差异大也加重了企业的运行、维护负担。因此，各企业应结合自身实际，充分利用电价优惠政策、地热能等资源，建立符合自身实际状况的新型供热系统，使其以能耗最低、最经济的运行方式合理开展。

2 清洁能源与集中供热耦合系统技术方案分析

实现各种分散式清洁能源与集中供热系统耦合、多能互补的供热方式，从技术方案的角度分析主要有独立运行；共网运行；独立、共网运行可灵活切换三种方式。

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2.1 独立运行技术方案

独立运行方案为采用某种形式的热源为独立热源进行供热运行。考虑集中供热系统热量来源充足、稳定、经济，一般首选集中供热系统。针对集中供热系统无法覆盖的偏远区域，可结合地区实际状况因地制宜，选取较为稳定、经济的清洁热源形式。

图1 地源热泵系统独立运行示例

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2.2 共网运行技术方案

2.2.1 串联运行方案

该方案以串联方式连接作为区域供热热源。如图2所示，将联通阀门5、6关闭，阀门1、2、3、4开启，形成第一、二热源串联的共网运行系统。

图2 某区域供热系统图

该系统特点是能够最大限度利用第一热源，使其发挥最大供热能力，第二热源作为补充及保障。一般情况下，第一热源适用于集中供热系统，如不具备集中供热条件，可选取空气源热泵系统；第二热源应为供热能力稳定，但能源成本较高的系统，多种热源串联共网运行，实现低成本热源能量的极限利用，并保障供热系统安全、充足、稳定运行。

2.2.2 并联运行方案

该方案指多种形式的热源以并联方式连接，如图3所示，为燃气锅炉和污水源热泵的并联共网系统，当阀门1、2、3、4开启时，燃气锅炉和污水源热泵同时为区域提供热量。

图3 污水源热泵与燃气锅炉并联共网系统

该系统特点是第一热源供热能力稳定、能源成本较低、但供热能力不足，需第二热源联合供热。优点是每个热源按照既定的供热能力按一定比例进行配置，初投资较低，运行稳定。

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2.3 独立、共网运行可灵活切换的技术方案

该方案通过阀门调整，可实现独立、共网运行的灵活切换。以上图2所示系统为例，当联通阀门5关闭、6开启，阀门1、2关闭、阀门3、4开启时，是以空气源热泵独立运行；当联通阀门5开启、6关闭，阀门1、2开启、阀门3、4关闭时，则是以集中供热热源独立运行；当连通阀门5、6关闭、阀门1、2、3、4均开启时，则是不同形式的热源共网运行系统。

该系统一方面使各种形式的热源互为补充，在热量出现缺口时，能够快速反应，保证供热系统能够安全、稳定提供充足热量；另一方面企业可根据实际状况和需求选取经济的热源模式和运行方案，从而有效降低成本投入。

3 运行方案分析

3.1 集中供热与清洁能源供热系统耦合运行实例

在集中供热系统覆盖范围内，首选能耗最低、运行最为稳定的集中供热系统。如为应对热源供热能力不足，可适当进行其他形式清洁能源进行热量补充。如下图4所示，为集中供热系统与电空气源热泵系统相互耦合的共网运行实例。

图4 集中供热、清洁能源共网运行系统

当出现极寒天气，或是其他因素导致集中供热系统出现波动不能有效满足区域采暖需求时，可以采用集中供热系统为主、空气源热泵补充热量的形式，从而满足采暖负荷需求。

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3.2 清洁能源系统耦合运行实例

以河北省某采暖区域为例，实供面积5万平方米，所需热负荷2.25MW。因该区域无法引入集中供热系统，因此初期采用燃气锅炉作为热源进行供热。通过对近两年运行成本的统计计算，其平均直接运行成本为45元/㎡左右，在工业用天然气价格上涨为4.9元/m³后，仅耗气成本一项将亏损41.89元/平米。

因此，结合该区域实际状况，探索新的热源模式以降低供热生产成本。建立电空气源热泵为主、燃气锅炉为辅的共网运行系统，如下图5所示。

图5 电空气源热泵与燃气锅炉串联的共网系统

依据该区域负荷及冬季室外气温状况，绘制热负荷延续曲线如下图6所示。当冬季室外气温高于-4℃、负荷低于1.6MW时，以电空气源热泵为单一热源独立供热；当室外气温降至-4℃及以下时，热泵已提供最大负荷但仍不能满足采暖需求，此时启动燃气锅炉补充热量。

图6 河北省某区域热负荷延续曲线图

通过对共网系统运行成本的分析测算，该耦合系统年运行费用约为42.13元/㎡（不包含建设投资），较2021-2023年燃气锅炉单独运行时降低6.38%。考虑燃气价格上涨影响，将节约年运行成本129.83万元。

经实际验证，该系统运行稳定，可在气温波动时快速响应，能够满足不同条件下的采暖负荷需求，是多热源系统耦合实现多能互补，同时随着能源价格波动，适时调整热源供热方式，优化运行成本的良好实践。

4 结论

分散式清洁能源与集中供热系统深度耦合、多能互补的技术方案，是有效应对供热企业热源能力饱和、削减企业碳排放的重要手段。各企业应结合负荷规划及自身实际状况，结合不同热源的优点对多种系统运行方案进行合理规划，根据实际需求和运行成本选取最佳的运行方式。