北方采暖新模式:低品位工业余热应用于城镇集中供热方豪，夏建军，江亿(清华大学建筑节能研究中心，北京100084)［摘要］我国北方城镇集中供热热源日益紧缺，与之成鲜明对比的是高耗能工业昼夜不停地向环境排放着低品位废热。本文分析了低品位工业余热用于我国北方城镇集中供热的可行性，并结合工业余热的特点，指出其在供热系统中应起的作用。阐述低品位工业余热供热的技术路线，针对不同的末端形式，给出相对应的供热系统结构，分析表明低温辐射末端是这种新型供热方式下的理想末端形式。为了进一步提高工业余热利用率，提出北方地区土壤源蓄热并用于采暖季供热的设想。最后通过实际案例，说明了低品位工业余热用于城镇集中供热的巨大节能节水效益。［中图分类号］TK11+5;TU832．1+1［文献标识码］Aa)，即0.41GJ/(m2·a)［1］，以此推算，目前每年北方城镇集中供热能耗超过17亿GJ，约折合5900万吨标煤。按照当前集中供热面积每年新增约5亿m2的增长趋势，每年需要新增2亿GJ的供热量。供热需求的“火箭式”增长，凸显我国北方城镇供热热源紧缺的严峻形势:大部分城市在集中供热热源供热能力方面存在瓶颈［2］。以内蒙古自治区赤峰市为例，2010年该市城区集中供热面积近2000万m2，每年新增供热面积200～300万m2，而该市现有集中供热热源的总供热能力约1900万m2，供需矛盾突出。另一方面，我国工业能耗占全国能源消耗总量的2/3强。尽管目前通过改进工艺、动力回收、热泵技术等方式对工业余热进行部分回收［3］，但工业的能源利用率依然低下，至少有50%的工业能耗以各种形式的余热废弃［4］。国家能源统计数据表明，工业部门中能耗排名前五的分别为:石油、炼焦及核燃料生产，化工材料及化工产品生产，非金属矿物制品生产，黑色金属冶炼及锻压，有色金属冶炼及锻压等，占工业总能耗的2/3，其余40个工业部门仅占1/3。这五类工业部门大半分布在我国北方的地级城市［5］，由于自身特性，余热品位相对较高(但仍属于低品位的余热)，且具有较高的回收可行性。工业余热中以低于300℃的低品位余热为主。以我国北方一家铜冶炼厂为例，如图2所示，1背景随着生活水平的提高，我国城镇居民对冬季室内采暖水平的要求不断提高;而城镇化进程的推进又产生大量的新增集中供热面积。如图1所示，至2010年，我国城镇集中供热面积已经突破43亿m2。其中北方城镇集中供热面积为41.8亿m2，约为图1城镇集中供热面积增长趋势若以平均效率为70%的燃煤锅炉作为主要热源，考虑供热过程中的不均匀损失及过量供热等问题，北方地区单位面积采暖能耗约为114kWh/(［收稿日期］2012-06-11［作者简介］方豪(1988.3-)，男，博士生［联系方式］fangh10@mails．tsinghua．edu．12建筑科学第28卷在200℃以下，其中又以100℃以下的低品位余热居多。区。对小城镇而言，工业区与中心城区一般距离5km以内;而在大中城市，这一距离一般在10km以上。工业余热回收后，必须借助热网才能经济而可靠地长距离输配给热用户。此外工业余热的特点是存在间断性［4］，必须与其他形式的热源(如热电联产，区域锅炉房)通过多热源环网等方式配合才能保证供热。一方面，北方的热网规模发展迅速。另一方面，随着多热源环网供热研究与实践的深入，多热源供热的运行调节也趋于稳定可靠［6，7，8］。这些因素都2)相关技术与设备成熟图2典型铜冶炼厂的低品位工业余热实现低品位工业余热回收并供热的最经济而高效的技术与设备主要包括两类。一类是热交换设备，主要是间壁式换热器。根据两侧介质的不同，可分为水—水换热，酸—水换热，气—水换热等，分别用于回收工业生产中炉体、酸性产品、排气等冷却过程的余热。目前市场上这类设备已有很成熟的产品且制造商之间竞争激烈。另一类是热功转换设备，主要是热泵。根据驱动源的不同，可分为电驱动热泵与蒸汽(或高温水)驱动吸收式热泵等。依靠热泵可以提取热交换方式无法回收的低温余热(一般在20～30℃)。由于工业部门往往可以提供富余的蒸汽，或者通过梯级取热可以得到较高温的热水(90℃)，因此相比较电驱动热泵，吸收式热泵更适合在低品位工业余热回收中推广应用。此项技术已有多项转化为专利，市场上也有多家企...