张国凯 山东建筑大学设计集团有限公司
自2017 年来，国家积极推进北方地区冬季清洁供暖工作，在节能减排方面取得了显著成效。山东省人民政府办公厅2018 年印发了《山东省冬季清洁取暖规划（2018-2022 年）》（简称《规划》），认真贯彻落实清洁取暖工作。根据《规划》，至2022 年山东省取暖用能可再生能源占比40%、燃煤占比60%。结合山东省清洁供暖实际改造情况和有碳排放的清洁供暖方式，本文选取燃煤热电联产、燃气壁挂炉、地源热泵、空气源热泵4 种清洁供暖方式作为重点研究对象。
1.1 燃煤热电联产
大型清洁化燃煤热电联产是山东省集中供暖的主要形式。近年来，山东省全面淘汰35t/h 以下燃煤锅炉；
关停单机容量30 万kW 以下非所在地区唯一、不可替代民生热源燃煤机组及配套锅炉；
大力挖掘现状60 万kW 及100 万kW 机组的供热潜力，利用其乏汽、循环冷却水余热供暖。
1.2 燃气壁挂炉
燃气壁挂炉作为集中供暖的有效补充，适用于独栋别墅、城中村和燃气管网已覆盖或者容易通达的乡镇与农村新型社区的分散供暖。因为其既能满足供暖需求，又能满足老百姓的生活做饭需求，所以“气代煤”在山东省清洁供暖改造中接受程度较高。但农村地区建筑条件差、农民安全意识差及燃气管网建设落后等因素，一定程度上限制了燃气壁挂炉的发展。
1.3 地源热泵
地源热泵主要指利用浅层地热能供暖，可用于分布式或者分散取暖。考虑其冬夏季热平衡性，尤其适用于学校、医院及大型商场等类型的公共建筑。
1.4 空气源热泵
空气源热泵可以集中、可以分散。集中式空气源热泵适合作为城镇集中供热管网和燃气管网覆盖不到的相对独立区域及农村地区的新型社区和学校、医院、便民服务中心等公共建筑。分户式空气源热泵或热泵热风机适合于建筑密度低且经济可承受的城中村、农村社区等建筑。
2.1 二氧化碳排放因子
本文介绍的清洁供暖方式涉及到的化石燃料有煤炭、天然气，其中煤炭以原煤、天然气以油田天然气为例计算二氧化碳排放因子（见表1），计算公式见式（1）。
表1 原煤、油田天然气的二氧化碳排放因子
式中EF—二氧化碳排放因子，kg co2/kg；
Q—燃料的平均低位发热量，GJ/kg；
CC—燃料的单位热值含碳量，t c/GJ；
OF—燃料碳的氧化率; 44/12—二氧化碳与碳的相对分子质量之比。
消耗外购电力产生的二氧化碳排放因子主要与电力等价值、煤电发电量与清洁能源发电量的比例有关，本文采用《二氧化碳排放核算和报告要求 热力生产和供应业》DB11/T 1784—2020 中推荐值0.604 tco2/MWh。
2.2 碳排放总量计算公式
确定燃料的二氧化碳排放因子后，再根据建筑物的热负荷及每种供暖方式的效率确定燃料的总量，最后计算每种供暖方式的二氧化碳排放量见式（2）。
式中 E—二氧化碳排放量，kg；
B—燃料的总量，kg。
2.2.1 燃煤总量的计算（热电联产）
式中B煤—原煤的总量，kg；
A—建筑物的面积，m2；
q1—单位建筑面积能耗，GJ/m2；
b—热电联产供热标准煤耗，kg/GJ，可取38 kg/GJ；
29307/20934—标准煤发热量与原煤平均低位发热量之比。
2.2.2 天然气总量的计算（燃气壁挂炉）
式中B气—天然气的总量，m3；
A—建筑物的面积，m2；
q1—单位建筑面积能耗，GJ/m2；
ξ—燃气壁挂炉的效率，可取0.9；
38.931×10-3—油田天然气平均低位发热量，GJ/m3。
2.3.3 外购电力总量的计算（热泵）
式中B电—外购电力的总量，MWh；
A—建筑物的面积，m2；
q2—热指标，W/m2；
N—采暖期天数，山东可取120d；
COP—制热量与其消耗功率之比(见表2)，W/W。
表2 热泵机组性能系数（COP）限定值
济南市某老旧小区在“三供一业”移交过程中，进行了节能减排改造。小区供暖总建筑面积9.6万m2，改造前综合热指标（q2）50 W/m2，单位建筑面积能耗（q1）0.37GJ//m2，改造后综合热指标（q2）38W/m2，单位建筑面积能耗（q1）0.28GJ/m2。其中，q1与q2的转化计算见式（6）。
式中ti—室内计算温度，℃，可取18℃；
ta—采暖期室外平均温度，℃，济南可取1.4℃；
to.h—采暖室外计算温度，℃，济南可取-5.3℃。
小区改造前是由2台29MW 的燃煤热水锅炉作为热源，由于其热效率低且污染严重，本次改造关停两台锅炉。在新的热源方案确定时，进行了不同供暖方式的二氧化碳排放量计算（见表3）。根据计算结果，地源热泵供暖方式二氧化碳排放量最低，但小区夏季并不集中制冷，考虑其冬夏季热平衡性，同时老旧小区地埋管敷设较困难，因而此供暖方式并不适合该小区。空气源热泵供暖方式二氧化碳排放量大于燃气壁挂炉供暖方式，这是因为现阶段消耗的外购电力中煤电发电量的占比较大，随着我国下一步清洁能源发电量的增加，外购电力的二氧化碳排放因子下降，空气源热泵供暖方式前景广阔。另外，通过对比每种供暖方式改造前后的二氧化碳排放量，可以明显发现节能改造对减少碳排放的贡献巨大。综上，确定小区利用集中式空气源热泵的供暖方式。
表3 济南市某老旧小区节能改造前后二氧化碳排放量对比
根据山东地区相关数据资料及通过相关计算，对比4 种供暖方式碳排放得出：①燃煤热电联产集中供暖＞空气源热泵＞燃气壁挂炉＞地源热泵，因此有条件的地区应大力推广地热供暖。②随着我国光伏发电量、风力发电量及核能发电量的占比增加，空气源热泵供暖方式二氧化碳排放量将大幅减少，因此空气源热泵供暖方式发展前景广阔。③进行节能改造后，每种供暖方式的二氧化碳排放量均大幅降低，因此应降低建筑物的能耗，大力推广老旧小区建筑的节能改造。
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