区域供热系统中基础负荷热源的设计

通过扩展区域供热管网、建设输配管线，并结合储热系统对热源进行智能化设计，以匹配热负荷特性，可以实现废热资源的100%利用。这样不仅能够避免能源损失，还能通过非化石能源解决方案满足峰值供热需求，保持合理的供热价格，同时为用户提供安全可靠的供热保障。

本文探讨了下一代区域供热系统的热源优化设计方案及其对消费者和社会的潜在益处。

最初的区域供热热源设计

当城市区域的建筑被指定接入区域供热系统时，热源的选择与设计通常以满足供热需求并确保供应安全为核心目标。同时，区域供热系统还需通过整合不同用途的热源和技术，实现低碳或零碳排放，并确保供热价格可负担可承受。

区域供热系统的热源最初主要依赖于热电联产（CHP）机组的余热、垃圾焚烧产生的热量，以及在某些情况下来自工业生产的废热。在大多数情况下，这些热源已然存在，其可提供的热量往往高于区域供热管网的需求。图1展示了余热供应与区域供热系统所需的备用容量的组合，以确保在CHP机组停机检修或发生故障时，区域供热管网仍能维持稳定供应。

基础负荷（余废热）热源可提供区域供热系统的全部供热量，而备用容量仅用于供应安全保障。红线及蓝色阴影区域以下的部分表示实际供热量，覆盖了98%-100%的供热需求。

蓝色阴影区域表示在满负荷运行情况下，余热供应端基于现有装机容量所能额外提供的热量。这部分热量通常可达最大可能供热量的一半。如果供热企业需要进行发电、垃圾焚烧或工业生产，蓝色阴影区域中的未被利用的余热将会被浪费。若电力、垃圾处理或工业产品的市场价格足以覆盖其成本，那么这并不会造成直接的经济损失。然而，问题在于这些未利用的余热本可用于减少碳排放，同时优化能源系统中的资源利用效率。

假设发电厂、垃圾焚烧厂或工业企业因市场竞争而越来越依赖供热收入，在这种情况下，区域供热网络与废热供应商之间的协同关系可能不再如以往那样稳定。当供热需求下降（如夏季）时，（余废热）供应商可能不得不停止生产。对于热电联产和垃圾焚烧厂而言，这可能带来不利影响——如果热量无法售出，它们在电力市场或城市垃圾处理市场上的竞争能力将受到削弱。同时，区域供热公司也可能面临缺乏稳定、可靠的基础负荷热源的风险。

这一问题是可以解决的，相关解决方案将在后续章节中探讨。

优化后的原始热源设计

在大多数城市地区，区域供热管网并未覆盖所有建筑物。其中一些区域可能是工业区，当前使用天然气，而这些地区可以被区域供热所替代。此外，还可能存在基于锅炉或其他更昂贵热源的局部集中供热或邻近的区域供热网络。如果通过连接更多用户和/或建设通往邻近供热系统的输配管网来扩大供热覆盖范围，区域供热的热销售量将增加。这样，图 1 中部分未被利用的余热便可被输送给用户，而无需额外投资新的生产能力。图 2 展示了通过扩展供热系统来减少热损失的设计示例。在此设计方案下，基础负荷热源的供热能力可覆盖 50% 至 80% 的额定容量（MW），但最高可满足 95% 的总供热需求（MWh）。不同热源的占比可能会因当地条件和可用热源的不同而有所差异。与图 1 所示的示例相比，依据热需求曲线，蓝色阴影区域所表示的潜在热损失减少了 40% 至 70%。

这种设计在现今的区域供热系统中非常常见。如果热源是基于化石燃料的热电联产（CHP）电厂，通常会进一步减少热损失，尤其是在电价较低且夏季热需求也较低的情况下，热电联产系统可能无需持续生产热量。此外，增加储热系统通常能够带来显著益处，使热量的生产可以根据电力价格进行优化，同时使电力生产不再受制于热需求的波动。

储热系统还可减少对备用和峰值负荷热源的需求，从而降低备用及峰值负荷期间的燃料消耗。这一点对于实现低碳排放目标尤为关键，并可避免在峰值负荷期间使用昂贵的燃料（如石油和天然气）。

但是，如果余热或废热热源（如垃圾焚烧厂或工业设施）需要持续生产热量，则图 2中蓝色阴影区域所示的热损失将更难以消除。

未来的热源供热系统设计

为了将图 2 中所示的蓝色阴影部分（热量损失）降至极低水平，需要将持续运行的基础负荷热容量减少或控制在总峰值负荷热容量需求的 45% 至 55% 之间。假设生活热水的全年用热量占总产量的 25%，而热网损耗约为 20%，则夏季的最低热需求约占总需求的 45%，这应作为基础负荷热源的最低设计点。通常，将基础负荷容量设计得略高一些是有利的，尤其是当储热系统能够吸收部分额外的废热时，效果会更好。图 3 显示了基础负荷覆盖 55% 峰值负荷需求的情况。

当基础负荷容量设定为 55%（MW）时，所输送的热量约占总需求的 70%（MWh）。如果基础负荷热源需要持续运行，则潜在的热损失将降至极低水平。如果目标是尽可能减少峰值负荷热源的使用，那么原始热源设计将无法在冬季满足所有供热需求。因此，热源设计需要配备低碳的“中（部）负荷”热源，以在冬季提供额外的热量。

中（部）负荷热源可以采用热泵技术，利用空气、其他环境热源，或基础设施中的低品位废热，例如市政污水处理系统、供水系统、变压器、地下轨道交通、天然气压缩机、矿井等。此外，也可以使用允许的生物燃料。中（部）负荷技术的选择应与基础负荷技术互补，或至少不依赖相同的燃料。例如，如果基础负荷技术是依赖高电价的热电联产（CHP），那么选择依赖低电价的中（部）负荷技术（如利用环境热源或低品位废热源的热泵）将是更优方案。

这些中（部）负荷技术的容量可以高于预期的 40%，如图 3 所示。如果进一步提高中（部）负荷容量，不仅可以满足部分峰值负荷需求，还能为基础负荷机组提供备用容量，从而实现化石燃料峰值负荷的完全替代。此外，建议将多种中（部）负荷技术组合设计，例如同时采用热泵、废热回收系统和/或生物质锅炉。如果电力系统需要额外的电力容量，甚至可以考虑热电联产方案。图 3 所示的多种热源技术组合可以确保供热成本较低，因为当某项技术因价格上涨而变得昂贵时，可以减少其运行，而提高其他技术的利用率。

新区域供热系统的设计

在设计新建热网及其热源时，可考虑两种主要方法：

利用现有大型废热源
如果已有大型废热源可用，则建议优先利用该热源作为初始供热来源，其方式可类似于原始热源设计。然后，重点应放在扩展热网，直到需要调整热源配置，并补充中（部）负荷热源。在热网扩展阶段，所选择的备用负荷技术应适用于中（部）负荷运行，起初可能仅用于峰值负荷和备用负荷。最终，热网需求可能会达到类似图 3 所示的热源设计水平。

无现有大型废热源的情况
如果起初没有可用的大型废热源，则另一种方法可能更优且更具推荐性。在新建热网的初期，通常需要一定时间才能吸引足够的用户接入。因此，建议先采用中（部）负荷技术，并在建设热网的同时提供一定的基础负荷能力。这种方式可以为未来更优质的高品位废热基础负荷技术提供充足的时间，使其能够在稍后阶段以满负荷运行，从而顺利接替早期投运的设施。此外，这样的设计方案可以使基础负荷供应商从一开始就获得预期的销售和收入。

如果新区域内暂时没有适合的基础负荷废热来源，这种设计方法可以为吸引新的废热供应方（商）争取时间。例如，可吸引废弃物焚烧厂、数据中心、制氢厂、Power-to-X 设施等，它们通常需要全天候运行，并希望提供满负荷的热容量。尤其对于废物焚烧厂和大型、持续运行的废热供应商而言，高热量输送率至关重要，并且能够促使其积极投资废热回收方案。

当热网建设初期，中（部）负荷技术承担全部供热需求，而在后期，它们将在冬季提供补充热量，并在基于电力和/或热电联产的情况下，为电网提供灵活性，同时确保供热成本低廉。这是因为供热生产可以根据电力和燃料价格进行调节。如果供热系统的设计合理，并包含储热设施，那么它将类似于一块“热能电池”，能够有效降低社会和电网的容量需求，同时优化系统的平衡成本。

*本文最初发表于《Hot Cool》杂志，2022年第 8 期 | ISSN 0904 9681，后于 2023 年 7 月 4 日发布于丹麦区域供热委员会网站。