微型热电联产在小区集中供暖场景的应用

刘 伟

上海航天智慧能源技术有限公司

0 背景

近年来随着我国城市化快速发展，新建小区快速增多，但供暖也出现了问题。在集中供暖的北方地区，一些远离热源中心的小区由于周边没有供热管网而面临采暖的困境［1］。在没有集中供暖的南方地区，居民采用分户采暖方式，零散的采暖导致能源利用率低、能耗高，其供暖设备单位能耗是北方集中供暖的2.89 倍［2］。因此探讨先进的供热技术，加快小区集中供暖建设，对实现市政供热、清洁供暖、增进人民生活质量有着重要的意义。

1 我国采暖市场分析

我国采暖以秦岭-淮河为分界线，分界线以北以集中供暖为主，分界线以南以分户为主。北方地区清洁供暖市场发展迅速，总采暖面积从2016年的206 亿m2增长到2021 年283 亿m2，清洁取暖率从34%增长到了70%，清洁能源供暖构成见图1［3］。清洁供暖后环境污染治理取得显著成效，2020年京津冀及周边地区优良天数达63.5%，比2019年上升了10.4 个百分点［4］。南方地区居民普遍采用电暖或其他分户取暖，且随着生活水平的提高，供暖需求不断增大，供暖市场潜力巨大，预计到2030 年，供暖家庭将达到3 246 万～6 577 万户，累计新增投资822 亿～9 476 亿元，累计新增消费1 442 亿～4 033亿元［2］。

图1 北方清洁能源供暖结构图

供暖市场的快速发展也出现了一些问题，主要表现在：一是集中供热比例逐年下降［5］。新建小区快速增加使很多小区位于热源末端或热源无法覆盖，面临无采暖保障的困境；二是供热企业由于燃料成本增加成本压力增大。以燃气锅炉为例，燃料价格约占总供热成本的74%（如图2所示）。随着冬季天然气价格的增长，企业供热成本增加，而北方地区城市居民供暖有一定的公益属性，存在供热企业成本倒挂现象，如果没有财政补贴，供热企业面临亏损风险［6］。

图2 燃气锅炉供热成本组成比例

2 微型热电联产适用性分析

微型热电联产是小型化、模块化、布置在用户侧、能同时发电和供热的系统，通常发电功率≤50 kW。与其他燃气热源系统相比具有系统简单、运行费用低、运行安全等特点。燃气热源设备性能对比如表1所示。

表1 燃气热源设备性能对比

微型热电联产在发电的同时生产热量，实现了能源梯级利用，具有良好的经济效益。由于微型热电联产经济效益主要体现在运行费用低，因此方案设计时应尽量使系统处于满负荷连续运行工况。在采暖应用场景，根据我国地域差别，供暖季一般3-5 个月，微型热电联产通常按最低连续热负荷配置容量，并与锅炉或热泵等常规热源联合供热，如此既可避免采暖初期锅炉或热泵低负荷工况下效率低的问题，也可发挥微型热电联产应急电源的作用，解决在电网停电时循环水泵停运问题。

燃料价格对不同设备的成本影响很大。从图3 可看出，微型热电联产和燃气热泵运行成本明显低于燃气锅炉。受气价、电价影响，微型热电联产与燃气热泵运行经济性存在交叉点，当气价低于3 元/m3、电价高于0.6 元/kWh，微型热电联产经济性优于燃气热泵。

图3 燃气热源设备经济性分析

图4 NY40微型热电联产系统接入图

3 案例介绍

济南某小区居民约1 000 户，冬季供暖站承担12 万m2的供暖，目前热源为2 台1 700 kW 的燃气热水锅炉，供暖时间为每年11 月15 日至次年3 月15 日，约120 d，气价1.71 元/m3，电价1.3 元/kWh。为了实现节能减排，降低供热站运营成本，根据场地实际情况，增加4 台22 kW NY40 微型热电联产系统实现多热源供热。NY40 微型热电联产设备参数如表2所示。

表2 NY40微型热电联产设备参数

1）改造方案

NY40 微型热电联产系统并入低压供热区，采用再循环加热模式，从原来循环水回水泵出口处引一路作为NY40 入口，经加热后汇入循环泵入口。NY40 所发电量并入供热站配电柜，满足供热站用电负荷需求。NY40 微型热电联产系统流程图如图4所示，项目现场图见图5。

图5 项目现场图

2）运行策略

4 台NY40 燃气发电热水机与锅炉联合运行，采暖初期和末期热负荷低时，NY40 运行，锅炉停运；中间时段和燃气锅炉联合运行，NY40 按设定工况连续运行，锅炉则根据热负荷的波动变工况运行。

3）经济效益分析及节能减排计算

对经济性进行测算（如表3 所示），建设4 台NY40+燃气锅炉方案比原来仅燃气锅炉年运行费用低29.6 万元，项目投资按90 万元计算，投资回收期3年。

表3 年运行费用对比

节能减排计算如表4 所示，可以看出NY40 具有良好的节能减排效益，与燃气锅炉相比，年节约58 tce，减少CO2排放136 t。

表4 NY40节能减排计算

4 结论

1）微型热电联产是小型化、模块化、布置在用户侧、能同时发电和供热的清洁、高效能源系统，具有系统简单、运行费用低、运行安全等特点，可有效解决城市供暖末端没有热源小区的供热，解决分户供热能耗高、成本高等问题。

2）微型热电联产经济效益主要体现在满负荷连续运行工况。在采暖应用场景，微型热电联产通常按最低连续热负荷配置容量，与锅炉或热泵等常规热源设备联合供热。采暖初期和末期微型热电联产单独运行，中间时段按设定工况与其他热源设备联合运行，有效解决了采暖初期锅炉或热泵低负荷工况下效率低、电网停电时循环水泵停运无法供暖的问题。

3）对济南某小区集中供热改造项目进行了分析，建设4 台22 kW 微型热电联产+燃气锅炉方案比仅燃气锅炉年运行费用低29.6 万元，增量投资回收期3 年，年节约58 tce，减少CO2排放136 t。微型热电联产在实际供暖中具有良好的经济效益和节能减排效益，可在类似项目中推广应用。