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 ％

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， %

（包括发电 30%）

（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

电

1.0

电

1.0

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

备注： 1、能级系数是以夏季平均的环境温度为基准温度计算的（ 35℃）。 2、网电按全国平均发电效率 35%，输变总损失 10%计； DES 按联合循环就地直供计。 3、设在大区域内抽汽吸收制冷能效与电压缩制冷相当。 4、采用盐水、膜除湿技术时，独立新风 +辐射供 +DES系统的佣效率更高。

表 4 生活热水用能的佣分析和优化改进方向

技术

电热水器

燃气热水器

烟气、低压凝汽潜热

目标温度 /环境温度，℃

能级系数ε

60/10

0.081

60/10

0.081

60/10

0.081

热媒温度

级系数ε

>1000

1.0

>1000

1.0

烟气 120-50，潜热 70

0.163 ， 0.175

供热 /热媒佣效率， %

49.7 ， 46.3

供热 /热源佣效率， %

8.1

65.6

一次能源利用总效率， %

（包括发电 30%）

>90

（包括烟气、潜热用于热水）

上述热力学分析指出的改变“高能低用”模式，提高佣效率的方向和途径是：一、末端设施创新，减少传递佣损、在技术经济优化条件下，使供冷（热）媒温度尽可能接近目标温度；二、冷热电联供：优化一次能源转换传递全过程；按“温度对口，梯级利用”的科学用能原理，先作功发电，再用低品位的烟气和蒸汽冷凝潜热供低品位的建筑物用能。三、扩大系统规模，发挥大机组、满负荷高效运行、不同用户负荷在时间和空间上互补的优势，提高转换效率。四、采用热泵等各种先进技术，进行柔性的、能适应外部经济、技术、气象等条件变化的大系统集成优化规划设计。这样，就可以使一次能源利用的佣效率大幅度提高。

三、实现创新的技术集成系统^{【
1】}

在上述热力学分析指导下，相应的各种技术一直不断在应用中创新。包括：

1 、空调末端的新技术：正在国外兴起的独立新风的空调系统已把降温和除湿两个功能分开。降温是通过埋设在混凝土地板或天花板中的交联聚乙烯管通循环的冷水辐射供冷。由于传热面积很大和连续运行，供水温度与目标温度之差只需 4 -5 ℃ 左右。以21 -22 ℃ 左右的水温，保持 26 ℃ 的室温，佣耗很小；而且人体的感觉也更舒适。除湿可以采用盐水除湿、吸附除湿、膜分离除湿等多种方法降低耗能^{【
2】}。即使仍然采用传统的冷水除湿，也能够藉除湿与降温设施分开，实现冷水的“梯级利用”而把循环制冷水的温度差拉大到 15 -18 ℃ ；从而大幅度提高制冷的能效（COP），降低长距离输送的投资、功耗和冷损。对不适宜采用辐射供冷、还须用风机盘管的建筑，采用这项技术也有拉大温差，冷能梯级利用的效果^{【
3】}。

地板或天花板辐射供暖也有同样的效果。只不过由于供暖负荷更大，（目标温度与环境温度差夏季 9℃，冬季 29℃ ,相差 3倍多，散热也多），供水温度与目标温度之差也就需要大些，在 20℃以上；即水温 40℃左右。由于热媒水温低，就有可能利用汽轮机冷凝潜热（ 38 -42 ℃ ）的废热源；而且腐蚀、结垢等问题也可基本消除。