清洁供热样本——丹麦区域供热经验分享
区域能源是通过集中代替单体供热或供冷而创造价值的，热水或冷水作为一种能量运输工具使用。
丹麦区域供热经验：可再生能源供热、热电耦合区域能源是通过集中代替单体供热或供冷而创造价值的，热水或冷水作为一种能量运输工具使用。区域能源是将具有一定价值温度的水从供能端输送到耗能端的运输过程。
注：大体相当于中国常说的集中供暖，中国还比较少探讨集中供冷（除了楼宇级别的中央空调）。
可再生能源供热
这些可再生能源包括生物质(木头、垃圾、稻草和生物油)、沼气、太阳能、地热能和电(热泵和电锅炉)。
供热能源的多样化
区域供热在选择热源时是非常灵活的——其范围基本上涵盖了所有的热源,甚至包括像风能,太阳能和工业余热之类的波动源。在使用多种热源的大型区域供热系统中,区域供热可以依照当地情况、价格信号以及绿色目标转换燃料源。因此,每当有新燃料源可供使用时,采用区域供热系统可避免更换单户小锅炉。
减少化石燃料
直至最近,丹麦主要的能源燃料仍曾是天然气。热能生产一部分来源于热电联产厂,另一部分来源于锅炉。
区域供热站受到许多法律法规的监管。由于这些管制,有些供热站不被允许使用天然气燃料太阳热能、热泵和余热被认为是节能的有效方式。太阳能被重点考虑与研究,最终被选作为一种新的热源以减少天然气需求。
由于电力价格低廉，为了盈利,生产热已经变得越来越重要。这一变化是一个重新审视另类产热方法的机会。
在丹麦沃延斯的区域供热企业,大部分热能来源于一种新的生产设施——太阳能电池板。目前在沃延斯,太阳能供热站及坑道储热供应当地热用户年热量需求的45%。该供热站的热价为40欧元/兆瓦,低于丹麦天然气产热的平均热价60欧元/兆瓦。
现在，哥本哈根98%的能源是由区域供热提供的。
太阳能区域供热
用太阳热能替代部分化石燃料无论是从经济方面还是环境方面都行得通。
在多宁隆德,一块未被使用的地皮被用来建立太阳能热厂。太阳能装置覆盖了37537平方米的集热器区域。地下的季节性储热设备总容量为62000立方米。该装置的年产热量为18000兆瓦时。太阳集热器的安装贴合景观的整体轮廓,以免破坏环境。除此之外,它不会产生任何噪音和释放任何气味。
在丹麦的多宁隆德,结合季节性热能存储的大型太阳能供热的安装涵盖了区域供热年需求的40%。
在多宁隆德,1350个区域供热用户采用太阳能供热替换使用了40年的燃油锅炉，他们为使用这项清洁和可再生的技术的感到高兴和自豪,因为这项技术既可以保护环境,同时还可以将他们的采暖费用降低20%。
2982个太阳能收集器的安装覆盖了37573平方米的太阳能热场。一个大型的季节性热能存储站被建立了起来。这是一个由焊接衬管所组成并配有保温盖的62000立方米的水池。它就像一个热水瓶,帮助将能量从夏天储存到冬天。
在夏季,工厂每天生产的热量是需求量的10倍,多余的热量将被储存起来,供以后使用。从为五月到十月,仅使用太阳能,该厂可满足40%~50%的年太阳能热量需求。在冬季,供热应由过天然气和生物油来补充。该厂已经将其供应的每户年二氧化碳的排放量降低大约2吨。
多宁隆德区域供热项目得到了欧洲太阳能协会颁布的2015年欧洲太阳能奖。这个奖项认可并吸引公众关注太阳能领域的先驱者和领导者,同时,这个奖项也驱动基于可再生能源和分散能源的转变。
垃圾中的供热资源
垃圾是一种包含了巨大的潜能的资源。社会可以从垃圾中提取越多的价值越好。那些无法减少、再利用或循环的垃圾也可以用于能源回收。现代的垃圾发电厂可以在处理垃圾的同时,产出电能和热能供给附近的建筑。最好且最现代化的系统可以通过先进的技术使得能源利用效率接近百分之百。通过使用过滤器和其他先进设备,这些垃圾发电厂对环境造成的影响可以降至最低,其环境影响程度之低,以至于垃圾发电厂可位于像丹麦哥本哈根这样的大城市的中心。
在斯堪的纳维亚,大多数垃圾焚烧发电厂配备有烟气冷凝器。为了进一步地提高能源回收率,烟气冷凝器通常与热泵系统结合安装。
生活垃圾像和其他形式的生物质(如木屑)水分含量约为35%。在废弃物燃烧过程中,水分蒸发消耗掉了相当大一部分燃料能量。这部分能量以及水分可以被焚烧发电厂烟气冷凝装置所回收。
烟气冷凝增加了20%-25%的能源回收
不管是在换热器,还是在吸收式热泵中,烟气冷凝能量回收都能获得巨大收益。该系统在洗涤塔中冷凝烟气,摄取热量,并将其输送到区域供热管网。这个过程包括2个步骤。首先,烟气被引入到一个换热器中降温至50°C。然后,吸收式热泵进一步将烟气冷却至约30°C。通过增加吸收式热泵,可以从垃圾中额外回收20-25%的热量。因此,投资很快就能获得回报。该系统可应用于新的及现有的垃圾发电厂。
Filbornaverket垃圾焚烧发电厂
在2013之前,瑞典赫尔辛堡市民的生活垃圾被运输到瑞典的其他垃圾发电厂。不过现在他们能够自己从生活垃圾中获取电能和热能。Filbornaverket垃圾焚烧发电厂的主要燃料是来自于生活、工业以及商业活动垃圾中的可燃部分。该发电厂可以利用本地区的大量可燃垃圾为当地电网和热网生产电能及热能。Filbornaverket每年约燃烧200000吨垃圾,热效率接近100%。这是因为它拥有非常先进的烟气冷凝系统。
余热利用，地下水含水层和热回收
余热：工业生产中多余的热量与冷量经常被浪费,但在区域供热或供冷系统中,它们是可以很容易被利用的宝贵能源。在工业或商业建筑十分靠近热网的地区,与当地的公共事业公司就利用余热问题展开合作是有很大益处的,这不仅仅体现在经济效益上,更重要的是,余热可以代替热生产中化石燃料的使用。
2013年,工业公司格兰富与Bjerringbro区域供热公司合作开发了一套区域供热利用热的系统,热量提取于工厂中用于给生产机器降温的制冷压缩机。压缩机的运行对能源的需求程度很高,并且很昂贵,大量的余热也需要通过冷却塔的冷却进入空气中。
新工厂的建设要基于三个要素:
对于制冷机中余热的利用；
对于地下水含水层内热量的间接存储；
对于提高储能温度的热泵的使用。
产生的余热应用于当地的区域供热系统。
在夏季并不需要从格兰富工厂提取热量,因此,制冷压缩机中产生的所有冷凝器热量热通过管道输送到存储站,储存于距离压缩机750米远含水层。在秋季,当区域供热系统需要从热存储站中提取热量的时候,夏季储存的80%到85%的热量依然可以使用。为了提高区域供热网路中的温度,Bjerringbro区域供热公司采用了热泵技术。在冬季,区域供热公司可直接从存储站与压缩机提取余热。
在格兰富的工厂里，地下水起到冷却的作用。初始水温是6到12°C,回水温度是18°C。通过热泵,水温可以提升到46到67°C,供于区域供热网路。热泵制热的性能系数(COP)是4.60。在夏季,当热需求量比较低时,余热将会被储存起来供以后使用。
热电耦合
1979年丹麦首个供热法案规定:
情况允许时,热量必须由热电联产产生;
电力与热能系统的一体化。
由于太阳能和风能等波动源发电的比例正在不断增加。内部连接和蓄电可以缓解电能供应量的一些波动,但这还远远不够,也并不是最经济有效的选择。电力与热能系统的一体化可以成为该问题的解决方案的一部分。如果在区域供热网络的产热过程中引用电锅炉和大型的工业热泵,那么这些网络可作为大型的能源存储站。当电价由于风力涡轮机和太阳能光伏发电板的生产过剩而下降时,剩余的可再生电力可以被应用于热生产中。
丹麦清洁供暖经验：向第四代区域供热过渡
2014年,在丹麦几乎有50%的区域供热是由可再生能源所产出的。这些可再生能源包括生物质(木头、垃圾、稻草和生物油)、沼气、太阳能、地热能和电(热泵和电锅炉)。
区域供热系统概述
热量可被直接生产或从许多来源收集得来,通过高效的区域供热管道输送到最终用户。储热让短期或长期的热分离成为可能。随着生产设施的完善,区域供热系统的经济性将不断优化。终端用户将享受从最好的可用能源处提供的热量分配,而不只有一种燃料选择。
区域能源是一个很成熟的理念，它可以促进绿色发展，并将成为灵活能源系统的核心部分。
不同供热方案的综合分析清晰的显示:区域供热在许多地域都是最好的解决办法。
丹麦能源气候和建筑部长LarsChr.Lilleholt表示，区域供热和热电联产系统的高效性和灵活性,是丹麦到2050年摆脱化石燃料这个目标的关键。
区域能源成功的关键
丹麦能源署总监Morten Bæk认为，区域供热和热电联产的广泛使用,是其在过去几十年里提高能源效率并减少碳排放的主要原因之一。
区域供热——丹麦绿色转型的基石
丹麦最早的热电联产电厂是1903年建成的。它是一个垃圾焚烧厂,可同时以处理垃圾,并为附近的医院提供电力和热量,在1920年到1930年期间,基于当地电力生产过程中过剩的热量,一个集体的区域供热系统发展起来了。从此,来自热电联产(CHP)的区域供热开始在丹麦较大的城市展开,到1970年代,30%左右的家庭由区域供热系统供热。
减少对能源的依赖和消费者成本
在1973年和1974年的能源危机时,人均能源消费大幅上升。能源危机证明了节约能源是减少对进口燃料的依赖、降低消费成本的关键。因此丹麦决定,不仅是大城市,就连中小型城市也要扩大高效的热电联产系统。
1979年的第一部供热法
直到1979年，在丹麦还没有关于供热的法律规范。大多数热消费者装有燃油锅炉或者其他形式的私人采暖设备。为了实现这一政策目标，丹麦在1979年通过了它的第一部供热法。这项法律包含了关于丹麦供热计划形式和内容的管理条例，标志着丹麦公共供热新时代的开始，并一直延续到今天。
供热法案的主要原则:
地方主管部门负责审批新的供热项目;
地方当局必须确保选用的供热项目有最高的社会经济效益;
情况允许时,热量必须由热电联产产生;
集体供热价格必须根据“必要成本”提供消费价格,这意味着热价不能高于或低于实际生产成本。
高能效是长期规划的结果之一
今天,63%的丹麦住户与区域供热息息相关,他们的的供暖与生活用水都来自区域供热。当使用热电联产发热和发电时,其整体能源效率要远高于分别发热与发电的方式。热电联产的效率可高达85-90%,与单独发热和发电相比,可节省约30%的燃料。区域供热和热电联产已经成为并将继续成为丹麦绿色转型的一个关键因素。
城市向低温区域供热转型
Albertslund区域供热公司COWI首席项目经理Theodor Møller Moos表示，现有的供应区域从第二代到第四代区域供热利用低温区域供热是可行的,既可节约能源又可减少对化石燃料的依赖。
Albertslund区域供热公司成立于1964年,区域供热面积随城市的发展不断增加。成立伊始,该区域供热管网的运行供应温度为110°C。多年后,该温度已经降低,现在系统的运行流动温度在约90摄氏度左右。
第四代
Albertslund区域供热公司正在建立一个新的低温区域供热系统。这是一个到第四代区域供热的更新,其供应温度从90降低到55°C,拥有相当大的优势。较低的回温可在热电联产站高效运行,低温系统意味着管网中较少的热损失。低运行温度还促进与低温热源的直接式与通过热泵的连接,例如工业流程热、太阳能和地热能。
挑战
通常情况下，由于高保温水平和整体低热量的需求，新公寓可以通过改变生产生活用水的单位，由低温区域供热供应。
然而，1970年代的公寓住宅保温性较差,并需要较高的流动温度才能达到适宜的舒适度。因此,它们还不适用供应温度低至55°C的区域供热。Albertslund市政府有一个宏伟的能源和气候战略，包括改造现有的公寓，提高其能源效率，并转换为低温区域供热。
分配系统
公寓串联与改造方案与高温分配系统的终止相符。低温循环由原区域供热系统供应,通过分流阀将温度混至55摄氏度。
公寓系统
公寓安装低温瞬时热水器，为消费者供应45摄氏度的生活热水。德国标准DVGWW55要求热交换器和热水系统中在任何情况下只存有少量水，依据该标准的设计可控制军团菌。经过翻新后，公寓采用地暖供热。区域供热系统的整体供应温度为55摄氏度，用户回水温度大约为30°C。
哥本哈根大区区域供热系统
Ramboll高级市场经理Anders Dyrelund表示，为22个城市中100万居民的划算的低碳热供应市政府和消费者拥有的区域供热公司已经建立了一个集成的区域供热系统。热量由垃圾焚烧炉(25%)和发电厂(70%)生产,锅炉房只生产5%的热量。该系统正在向第四代区域供热转变。
历史
从1903年到1979年,基于对发电厂、垃圾焚烧炉以及重油锅炉(单个锅炉的一个很好的替代)的余热回收,区域供热稳步发展。自1979年以来,由供热法案管理,与电力和垃圾领域共生,该系统显著增长。最近,许多天然气供热地区改为区域供热,而考虑到二氧化碳排放成本,为达到高能效比的供热,热输送也在扩展。
所有权
热传导和垃圾管理公司由市政当局拥有,而20个供热公司则由市政府或消费者拥有。因此,所有公司都有很强的兴趣在一起合作,为哥本哈根大区的用户找到最具成本效益的解决方案。
区域供热系统
输配系统、储热罐、热负荷分配单元对资源的优化利用和竞争激烈的价格是至关重要的。该系统提供7500万平方米的供热面积,全年的产能是10000GWh热量,销售8500GWh。该系统的主要组成部分是160千米长、25杆的输配系统(最高温度110°C)和三个24000立方米的储热罐。该系统通过热交换器连接到分布系统。由传输公司组织的热市场单元负责优化热电联产厂、垃圾焚烧炉、50多个峰锅炉厂和其他小热厂的产热。
未来发展
该系统在向第四代区域供热过渡:
热电联产厂逐步将燃料由煤炭天然气转为主要是秸秆和木材。
设置大型储热罐和储热坑，增加储热容量。
区域供冷系统将从5个增加到20多个，主要是冷水储存、冷热的热电联产和季节性存储(ATES)，与区域供热共生。超过1000GWh的用户耗热有望从单体燃气锅炉转变为区域供热系统。
热输配系统将在两个或以上城市扩展到附近的分配公司。
安装更多的大型热泵和电动锅炉,以结合波动的风能。
原蒸汽系统的其余部分将在2020年后不久被热水系统完全取代。
由于热电联产厂过热的水将只作为工业能源，唯一的超热网络(165oC)将部分转移到温度较低的网络。
用户将更新他们的供热系统以降低回水温度和对供水温度的需求。
相应的，在网络中的温度和热损失将被减少。
批注：丹麦第四代区域供热的特点最核心的几个特点。
1、低温供热。
2、小型热电联产。
3、可再生能源。
4、储热储冷（短时存储和季节性存储）。
作者认为，有必要借鉴丹麦经验规划中国的供热能源转型，设立高比例可再生能源供热远期目标，考虑低温供热对整个供热系统变化的影响，大力推进可再生能源供热。能源互联网有利于实现热电的高效耦合，提高对可再生能源的消纳能力，是十分重要的创新方向。
丹麦清洁供热经验：储热将热能消耗与电力生产分离
这两年冬天，中国北方进入供暖季后，风电光伏弃风弃光率大增，原因是燃煤热电厂必须要供热，以热定电，供热增加，发电也增加，结果把风电光伏的额度挤掉了。丹麦区域能源体系中有强大的储热能力，使热能消耗与电力生产分离，也就是说以热定电不再是教条，火电厂可以深度调峰，在供热得到保障的同时，风电光伏可以发得更多。
丹麦区域供热委员会业务发展经理Morten Jordt Duedahl储热有很多优势。储热能够提高区域供热系统的经济性，一方面将热能的消耗从电力生产中分离出来，另一方面可以应用可持续性更强的热源。
储热的价值
区域供热的一个特征是，热水可以被储存，或者是日储存，或者是从夏季到冬季的跨季储存。储热不同于其他存储或任何产品,因为它断开了生产时间与消耗时间的联系。对于区域供热而言,这意味着从热电联产厂，太阳能集热器，剩余风电和工业余热等方式中得到的热可被储存起来，在需要的时候直接使用。在丹麦，集中和分散区域供热的热电联产(CHP)地区均有储热设施。
逐日储热的解决方案主要可让热电联产厂依据其电力需求优化配置其热电联供，并且仍然能够在需要时提供热量。
随着大规模的储热，利用更多本被浪费的能量成为可能。大规模热存储考虑到从将热量从温暖季节储存到到寒冷季节。热量可从多种来源收集，例如：太阳能集热器、热电联产以及非稳定生产的工业流程等。
日常储热
丹麦区域供热网的一个非常重要的元素是短期储热。短期储热的主要目的将电力生产从热电联产中分离出来。如此，热电联产厂可以在不影响供热的基础上根据电力市场价格波动合理配置热电联产。这样一来，热电联产厂将只在当电力价格比较高时(通常在早上和下午)生产电(与热)，并简单地将区域供热热水存储起来直至需要的时候。在丹麦,大型和小型的区域供热系统都利用短期储热。短期储热引入一种灵活的经济性和环保型能源系统，对于优化整个系统至关重要。
日常储热也用于区域供热系统的外部产热，而外部产热不能被区域供热公司所控制。这些热源可以是那些一天或一周中生产量不一的工厂余热，例如,只有在渔船卸货时才生产的渔业。在这期间如果有多余的热量，它们可以储存在较小的日常储热库中。
季节性储热
如今,在丹麦的季节性储热主要应用于大规模的太阳能集热,在夏季它能够产出比即时需要更多的热量。季节性储热库通常是一个坑，即在地面上的大洞,在底部设有内衬,洞中充满水,并被一个浮动的保温层所覆盖。其他解决办法是地下水存储系统,多余的热量可以在较低的温度下存储，然后通过热泵在较高的温度下被利用。地下水储热系统对于那些没有多余空间建设矿井储热的城市而言有重要意义。这两个储热系统的可以储存热量数周或数月，直到在秋季和冬季热量需求上升时被消耗掉。
对于丹麦许多的区域供热系统而言，季节性储热将变得越来越重要，充分利用本被浪费的能量，是绿色转型中的一个重要元素。
风电供热与储热
在丹麦，超过42%的电力来自风力发电。由于风力发电的波动性，丹麦经常有售价非常低廉的剩余电力，而目前没有有效的方式可以直接存储电力。
通过短期和长期储热的结合，多余的电力可以用于区域供热。在电价合适时，区域供热企业可以通过锅炉或者热泵直接使用电来生产热水。
大规模储热
Ramboll能源高级顾问Flemming Ulbjerg表示，全球最大的坑道储热系统容积为205000立方米,结合70000平方米的太阳能供热站,是一种高效且成本低廉的减少二氧化碳排放量的方法。
减少化石燃料与消费价格
在丹麦沃延斯的区域供热企业,供应丹麦的大部分热能来源于一种新的生产设施——太阳能电池板。
由于电力价格低廉,为了盈利,生产热已经变得越来越重要。这一变化是一个重新审视另类产热方法的机会。目前在沃延斯，太阳能供热站及坑道储热供应当地热用户年热量需求的45%。该太阳能储热的总投资是1600万欧元。该工厂的热价为40欧元/兆瓦,低于丹麦天然气产热的平均热价60欧元/兆瓦。
季节性储热提高了灵活性
在四月中旬至九月底的夏季期间,该太阳能热力站可供应100%的热需求,主要主要生活用热水。此外，该太阳能供热站在夏季拥有巨大的过剩产能，并将余热储存到大性坑式储热库。
从十月开始,热量供应部分来源太阳能供热站，部分来源于坑式储热库。热库储热同行在年底被用尽。计算得出储热损失只占总需求的6%–8%。除去储热库的热损失，有45%的净太阳能传递给热网。
从十月开始,热量供应部分来源太阳能供热站，部分来源于坑式储热库。热库储热同行在年底被用尽。计算得出储热损失只占总需求的6%–8%。除去储热库的热损失，有45%的净太阳能传递给热网。
季节性储热库有几个游泳池那么大。在用几个月的时间将水填满储热库之后,下一步是用一个浮动保温层覆盖储热库表面。随后加热水和储壁也要花费几个月的时间。当储热库被完全加热后即可以投入使用。
注：本文主要内容摘录自《丹麦绿色转型白皮书》系列之《区域能源》白皮书。除作者批注外，版权均由绿色国度（State of Green)所有。
