碳中和背景下燃气热电联产与地源热泵耦合替代燃气锅炉供热研究

薛小军，侯智华，张红昌，徐 钢，陈 衡，陈宏刚

(华北电力大学 热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室，北京 102206)

2020年9月，我国明确提出2030年碳达峰和2060年碳中和的目标，受到全世界的关注[1]。这将进一步加快推进北京市供热方案重构，促进北京市供热方案的转型升级。近年来，为有效改善空气质量，北京市不断推进能源结构调整，天然气已取代燃煤成为能源消耗的重要构成部分。2019年北京市天然气供热面积占供热总面积的85%，天然气的大量使用引起了广泛关注[2]。一方面，作为一种清洁能源，天然气燃烧产生的污染物较少，但依然会排放大量的二氧化碳；另一方面，由于我国天然气资源自身供应不足，大量使用天然气势必会产生能源安全问题。

热泵供热系统由于其性能系数高、对环境影响小等优点，成为北京市近年来加快推进的清洁供热方式[3]。其中电热泵技术最为成熟，主要包括空气源热泵、地源热泵、污水源热泵和双源热泵等[4]。电热泵是一种利用电能将低温热源的热能转移到高温热源的装置，可以达到消耗一份电能制取多份热能的效果，不仅可以有效提高能量利用率，同时还可以减少燃料燃烧产生的二氧化碳。如果驱动电源来自于可再生能源，就可以实现供热过程中二氧化碳的零排放。

鉴于大量使用燃气供热带来的二氧化碳排放和能源安全等问题，以及热泵在供热方案中的优势，越来越多的学者开始关注燃气与热泵相结合的供热方式的节能减排效果。张迪等[5]提出了一种应用水源热泵的燃气锅炉烟气余热深度回收技术，该技术可以有效降低排烟温度，减少供热燃气的消耗，同时有助于缓解供热季雾霾的产生。姜镀辉等[6]对空气源热泵与燃气锅炉耦合供热方案进行了研究，指出该方案相较于单一热源供热方案具有良好的经济性，可克服空气源热泵在寒冷地区供热不稳定的问题。杨德友等[7]提出了燃气锅炉与电热泵辅助系统，提高了电网风电消纳能力，从而保证热网和电网的可靠运行。王春兰等[8]研究了利用天然气锅炉房和电能驱动空气源热泵替代散烧煤供热，并对替代前后供热方案的一次能源利用率、污染物排放量及供热经济性进行了对比分析。Olympios等[9]针对英国市场上的商用燃气联合热电系统、空气源热泵和地源热泵，研究了这些供热方式的成本、性能随规模和运营条件的变化情况。综上所述，许多学者已经对燃气供热和热泵供热进行了详细研究，而关于采用燃气热电联产与地源热泵耦合替代燃气锅炉供热的研究还较少。

基于以上背景，笔者提出将燃气热电联产与地源热泵耦合的供热方式。对北京市原有燃气锅炉供热方案(方案一)和燃气热电联产耦合地源热泵供热方案(方案二)进行了定量比较，分别对其热力学性能和碳排放性能进行分析，并完成了基于供热替代的情景分析，为供热领域节能减排提供新思路，有助于推进北京市供热领域碳减排工作。

1 供热方案

1.1 燃气锅炉供热方案

近年来，北京市在“减煤增气”政策的引导下，不断加快压减燃煤工作，同时大力发展燃气锅炉供热。燃气锅炉供热方案的能量转化示意图如图1所示。该方案具有以下特点：(1)大型燃气锅炉的化石燃料利用率高，可以达到90%左右[10]；(2)燃气锅炉产生的污染物较少，但会产生大量的二氧化碳；(3)我国供热季天然气价格较高，从而提高了燃气锅炉的供热成本。

图1 燃气锅炉供热方案能量转化示意图Fig.1 Schematic diagram of energy conversion of gas-fired boiler heating scheme

1.2 燃气热电联产耦合地源热泵供热方案

燃气热电联产耦合地源热泵供热方案利用燃气热电联产系统产生的电能驱动地源热泵，使其为供热用户提供热量。燃气热电联产耦合地源热泵供热方案的能量转化示意图如图2所示。该方案具有以下特点：(1)供热方案中的热电联产和地源热泵都会提供热量，且地源热泵性能系数较高，因此该方案消耗较少的天然气便可提供更多的热量，从而提高化石燃料利用率；(2)热电联产以天然气为燃料，排放的污染物较少，而地源热泵采用热电联产产生的电能驱动，不产生污染物排放；(3)热泵设备初投资较高，因此会增加该方案的初投资。

图2 燃气热电联产耦合地源热泵供热方案能量转化示意图Fig.2 Schematic diagram of energy conversion in the heating scheme of gas-fired cogeneration coupled with ground source heat pump

2 热力学性能分析

2.1 热力学分析方法

2.1.1 天然气消耗量计算

天然气消耗量是衡量2种供热方案性能优劣的重要指标，采用等热值法[8]对天然气消耗量进行计算。

对于燃气锅炉供热方案，其计算方法如下：

Q=QNCV×V×η

(1)

η=η1×η2

(2)

式中：Q为系统总供热量，MJ；QNCV为天然气低位发热量，MJ/m3；V为天然气消耗量，m3；η为系统供热效率；η1为燃气锅炉热效率，取0.94[11]；η2为热力管网效率，取0.95。

对于燃气热电联产耦合地源热泵供热方案，其计算方法如下：

(3)

式中：η3为燃料利用系数；R为热电联产机组的热电比；ηCOP为地源热泵性能系数；ηS为输配电效率。

2.1.2 化石燃料利用率计算

采用化石燃料利用率对2种供热方案的能源利用情况进行定量分析。供热方案中化石燃料利用率可反映化石燃料在数量上的有效利用程度：

(4)

式中：ηt为化石燃料利用率；Qh为采暖系统总供热量，MJ；Qin为系统输入化石燃料的能量，MJ。

(5)

式中：Eh、Ew和Eg分别为供热、回水和天然气，MJ。

Eh=qm,h×[(hh-hh,0)-T0×(Sh-Sh,0)]

(6)

式中：qm,h为供热水质量流量，kg/s；hh为供热水焓，kJ/kg；hh,0为供热水在环境状态下的焓，kJ/kg；T0为环境温度，℃；Sh为供热水的熵，kJ/(kg·K)；Sh,0为供热水在环境状态下的熵，kJ/(kg·K)。

Ew=qm,w×[(hw-hw,0)-T0×(Sw-Sw,0)]

(7)

式中：qm,w为供热回水质量流量，kg/s；hw为供热回水焓，kJ/kg；hw,0为供热回水在环境状态下的焓，kJ/kg；Sw为供热回水的熵，kJ/(kg·K)；Sw,0为供热回水在环境状态下的熵，kJ/(kg·K)。

Eg=V×QNCV

(8)

2.2 边界条件

为了对供热方案进行准确的热力学性能分析，根据供热方案已有的相关数据，总结热力学性能分析所需的基本数据[15]，见表1，其中选取的地源热泵性能系数已考虑由于系统耦合导致辅机增加而带来的影响。

表1 热力学性能分析基本数据Tab.1 Basic data for thermodynamic performance analysis

2.3 结果及讨论

根据等热值法以及表1中的基本数据，以单位供热量(1 GJ)为基准，分别计算2种供热方案的天然气消耗量和化石燃料利用率，结果如表2所示。

表2 单位供热量下的天然气消耗量与化石燃料利用率Tab.2 Natural gas consumption and fossil fuel utilization efficiency under heating capacity per unit

图3和图4给出了2种供热方案供热过程中的能流图，可以直观地对比其化石燃料利用率。由图3和图4可知，当输入100.0 MJ的天然气时，方案一的总供热量为89.3 MJ，而方案二的总供热量为198.3 MJ。因此，方案一和方案二的化石燃料利用率分别为89.3%和198.3%,后者是前者的2.22倍。由此可见，采用燃气热电联产耦合地源热泵供热方案替代燃气锅炉供热方案，可以节约大量天然气，同时也可以有效减缓冬季天然气供应紧张的形势。

图3 方案一的能流图Fig.3 Energy flow diagram of scheme 1

图4 方案二的能流图Fig.4 Energy flow diagram of scheme 2

图5 方案一的流图Fig.5 Exergy flow diagram of scheme 1

图6 方案二的流图Fig.6 Exergy flow diagram of scheme 2

3 碳排放性能分析

3.1 碳排放性能评估方法

采用单位供热量下供热方案的二氧化碳排放量来评估供热方案的碳排放性能。在具体计算二氧化碳排放量时，采用二氧化碳排放因子法。IPCC(政府间气候变化专门委员会)国家温室气体清单指南和中国省级温室气体清单编制指南给出了不同燃料燃烧时二氧化碳排放因子的计算方法[16]。根据天然气低位发热量、单位热值含碳量和碳氧化率可以计算得出单位体积化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量，即二氧化碳排放系数，其计算公式如下：

(9)

式中：F为单位体积化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量，kg/m3；C为化石燃料的潜在单位热值含碳量，取15.38 kg/GJ；O为燃料的碳氧化率，取99%。

3.2 结果及讨论

根据排放因子法可以得出天然气的二氧化碳排放系数为2.03 kg/m3。当供热方案提供单位供热量(1 GJ)时，根据表2可计算得出方案一和方案二的二氧化碳排放量，结果如图7所示。

图7 单位供热量下的二氧化碳排放量Fig.7 Carbon dioxide emission under heating capacity per unit

由图7可知，在相同单位供热量(1 GJ)下，方案一的二氧化碳排放量为62.52 kg，方案二的二氧化碳排放量为28.12 kg，后者较前者减排二氧化碳55.02%。由此可见，在相同供热量下，方案二的碳减排效果显著。如果全部采用方案二替代方案一供热，可以有效减少二氧化碳的排放。

4 北京市供热替代情景分析

对北京市供热替代进行情景分析，全部采用燃气热电联产耦合地源热泵供热方案替代现有燃气锅炉供热方案，分析替代前后的热力学性能及经济性能。

4.1 基本假设

选取北京市天然气供热方式作为研究对象，根据当地最近几年供热数据和热用户需求，取北京市供热季为120 d，采暖建筑耗热量指标为35 W/m2。为了便于对供热方案进行准确分析，对一些参数进行了设定：(1)选取2020年北京市燃气锅炉供热面积(52 201 hm2)进行供热替代情景分析；(2)以某9FB型燃气-蒸汽联合循环热电联产机组为研究对象，选取其设计供热工况下的参数进行研究，机组相关参数见表3[15]；(3)北京市天然气价格为2.78元/m3；(4)供热年综合成本包括年初始投资、运行维护费用和年燃料费用三方面，热泵系统运行寿命为20 a，系统运行维护费用为初投资的4%，供热方案年初投资只考虑地源热泵的初投资及补贴[17-18]；(5)最近几年全国出台的关于推进地源热泵建设的相关政策[19-20]指出，对新建、改扩建地源热泵项目热源和一次管网投资给予30%的资金支持[19]。

表3 机组设计供热工况基本参数Tab.3 Basic parameters of unit design heating condition

4.2 结果及讨论

具体情景分析结果如表4所示。当供热面积为52 201 hm2时，一个供热季的总供热量为1.894 27×1011MJ，因此燃气锅炉供热方案天然气消耗量为5.821×109m3，燃气热电联产耦合地源热泵供热方案的天然气消耗量为2.618×109m3。相比燃气锅炉供热方案，燃气热电联产耦合地源热泵供热方案可以减少化石燃料消耗量3.203×109m3，同时也可以减排二氧化碳6.516 2×106t。通过技术经济性分析可以看出，由于地源热泵的初投资较高，燃气热电联产耦合地源热泵供热方案的初投资明显高于燃气锅炉供热方案；而其供热年综合成本低于燃气锅炉供热方案，这是由于燃气热电联产耦合地源热泵供热方案的燃料费用较低，以及国家对地源热泵系统实行投资补贴政策。从情景分析可以得出，采用燃气热电联产与地源热泵耦合替代燃气锅炉供热，不仅可以减少天然气的消耗量以及二氧化碳的排放量，而且还具有良好的经济效益。

表4 2种供热方案情景分析结果对比Tab.4 Comparison of scenario analysis results of two heating schemes

目前,太阳能光伏发电技术由于其发电成本低、发电技术成熟且对环境影响较小，已成为新能源中最有发展前景的发电技术。假设地源热泵所用电能全部来自于光伏发电，则供热过程中没有化石燃料的消耗，同时也可以实现二氧化碳的零排放。由此可见，如果未来能实现全部采用光伏发电驱动地源热泵供热，则对碳中和的早日实现以及天然气供应紧张的缓解会有积极的影响。

5 结 论

(1)当供热方案提供单位供热量(1 GJ)时，燃气锅炉供热方案的天然气消耗量为30.73 m3，化石燃料利用率为89.3%，效率为14.74%；燃气热电联产耦合地源热泵供热方案的天然气消耗量为13.82 m3，化石燃料利用率为198.3%，效率为33.06%。后者比前者可以节约55.02%的天然气。

(2)当供热方案提供单位供热量(1 GJ)时，燃气锅炉供热方案的二氧化碳排放量为62.52 kg，燃气热电联产耦合地源热泵供热方案的二氧化碳排放量为28.12 kg。由此可见，燃气热电联产耦合地源热泵供热方案可以有效减少二氧化碳的排放。

(3)北京市供热替代情景分析结果表明，采用燃气热电联产与地源热泵耦合替代燃气锅炉供热，不仅可以有效减少天然气的消耗量以及二氧化碳的排放量，而且燃气热电联产耦合地源热泵供热方案具有良好的经济性。