阐述新能源及清洁能源在集中供热领域的应用

阐述新能源及清洁能源在集中供热领域的应用

田润林 刘德浩 刘长昊

天津市津安热电有限公司  天津  300204

摘要：现如今，集中供热及新能源供热已经成为我国城市重要的基础设施之一，集中供热及新能源供热的地位越来越高，其已经成为我国城市的重要发展部分。针对此，本文提出太阳能、地热能、生物质能以及风能等能源在集中供热系统中的技术应用及其发展趋势，以供参考。

关键词：新能源；清洁能源；集中供热

引言：清洁能源的应用是保护环境的重要举措，将其应用在供暖行业就有着积极作用，在满足其实际需求的同时，也对环境保护有着积极意义。通过对清洁能源的应用研究，对集中供热工程发展来说益处较多。

1、新能源和清洁能源概述

在我国气候变化能源危机的加剧背景下，传统能源的使用所受到的限制与挑战较多，在此背景下，新能源和清洁能源的开发与利用为我国转型主要发展方向，因我国为世界上能源消耗和碳排放最大的国家之一，积极推动新能源、清洁能源的应用，其对于实现碳达峰和碳中和目标具有重要意义。在众多应用领域中，集中供热作为一种提高能源使用效率、降低环境污染的有效方式，在新能源和清洁能源利用中应用意义较为明显。

首先，新能源是指除了传统的化石能源（如煤炭、石油和天然气）之外的能源类型，主要包括太阳能、风能、地热能、生物质能等，这些能源具有可再生、清洁的特点。而清洁能源为生产和使用过程中，对环境污染小、对生态影响低的能源，包括新能源以及如核能这类污染物排放极低的非可再生能源。

其次，在我国集中供热应用背景中，该供热方式依赖于燃煤锅炉，这导致了严重的空气污染和温室气体排放。随着中国政府对环境保护和气候变化的重视，推动清洁能源替代燃煤成为集中供热领域的重要任务，其涉及能源结构的调整，也包括供热系统的技术改造、创新应用等[1]。

2、新能源和清洁能源在集中供热中的技术应用

2.1 太阳能集中供热系统

2.1.1集热器技术

首先，在集成器平板技术中，其是由一块或多块平板构成，每块平板的标准尺寸大约在2米长×1米宽。平板表面涂有吸热涂料，可吸收太阳光并将其转化为热能。其效率大约在70%—80%之间，其表明可将70%—80%的太阳辐射能转换为可用热能。平板集热器因其结构简单、成本相对较低而被广泛应用于住宅和商业供热系统中。

其次，真空管热的集热器是由一系列并排的真空管组成，每个管内部装有吸热管。真空管直径约为0.15米，长度可达1.8米。真空层能有效减少热损失，因此此集热器在寒冷地区和冬季表现更优，其转换效率可达到60%—70%，在高温需求下表现应用优势更大，且因其热效率较高，并且可适宜低温环境，对此该集热器适合于需要较高温度热水或蒸汽的工业应用。两种集热器在设计时均需要结合太阳角度变化，以此保障可以最大化日照接收面积，如平板集热器常见的倾斜角度设计为当地纬度加15°，以优化冬季太阳能的捕获效率[2]。

2.1.2热能转换与分配系统

热能转换与分配系统的应用主要是将集热器捕获的热能有效地转换并输送到最终用户。此系统包括热交换器、循环泵、管网以及控制系统，确保供热系统高效、稳定运行。

第一，热交换器的核心作用是传递集热器中的热能到供热网络的传热介质（水或防冻液）中。点。

第二，循环泵：循环泵负责驱动供热网络中的传热介质循环，从而将热能输送到用户端。泵的选型考虑因素包括系统的最大流量需求、管网阻力等，以保证能量输送效果。

第三，管网：供热管网是连接热源、热交换器和最终用户的重要组成部分。管网设计需考虑热损失、流体阻力、经济性等因素，此外在进一步降低热损失的过程中，还可采用预制直埋保温管，保温层厚度一般为30—50mm，以达到能源损耗的目的。

第四，控制系统：现代太阳能集中供热系统配备智能控制系统，可根据实时天气预报、用户热负荷变化等数据自动调整系统参数，如循环泵的转速、热交换器的工作状态等，以达到节能和提升舒适度的目的。

2.2 地热能供热技术

2.2.1 地热能提取技术

地热能提取技术分为浅层与深层两种，前者主要通过地源热泵系统（GSHP）实现，该系统利用地下浅层（一般不超过200米深）的恒温特性来提取热能。地源热泵系统包括地下的水平或垂直埋管，通过循环冷媒在埋管与建筑内部的热泵单元之间传递热能。例如，地源热泵系统包含长达数百米的管道，埋于地下1.5至2米深处，系统的能效比（COP）一般在3.0到5.0之间，即每消耗1单位电能可提供3到5单位的热能[3]。

后者适用于温度较高的地热资源，其设置需要进行钻井，其达到数千米深的地热储层提取热水或蒸汽，该方法适用于大规模的供热或发电项目，且需注意的是深层地热井成本较高，但所提供的热能输出更为稳定。

2.2.2 地热能供热系统设计

地热能供热系统的设计需考虑到特性、系统热负荷需求等因素，以地源热泵系统为例，其设计关键在于合理配置地下埋管系统和热泵单元，以实现高效的热能转换：

第一，在地源热泵系统中，地下埋管的长度根据建筑的热负荷需求和地下土壤的热导率进行设计。一般而言针对常见的50kW热负荷的建筑，需要的地下埋管长度大约为800—1000米，埋深通常在1.5至2米之间。管道材料采用高密度聚乙烯(HDPE)，直径约为25—32毫米，以确保足够热交换面积。

第二，热泵单元能效比（COP）是衡量其性能关键指标，现代地源热泵单元的COP值一般在3.0到5.0之间，即每消耗1kWh电能可产生3到5kWh的热能。对此在选择热泵单元时，需考虑到供热需求大小以及其变化。

第三，在热能从地源提取后，需通过热交换系统将热能传输给建筑内的供暖、热水系统。在此过程中，需考虑到管网设计中的流体动力学特性，如管道直径需选择在20至100毫米之间，以平衡系统的压力损失、建设成本。

2.3 生物质能供热技术

生物质能供热技术主要利用农作物残渣、林业废弃物、动植物油脂及城市有机垃圾等，通过直接燃烧或生物化学转换过程产生热能，用于建筑采暖、生活热水和工业热过程。

首先，直接燃烧是生物质能应用最为直接和普遍的方式，通过专用的生物质锅炉或炉灶直接燃烧固体生物质（如木材、秸秆等），产生热能用于供暖或热水。

其次，气化通过将固体生物质在缺氧条件下转化为可燃气体，再进行燃烧产生热能。这种方式比直接燃烧更为清洁高效，可有效减少污染物排放。

最后，生物质发酵是将生物质资源通过微生物发酵转化为生物燃气，如沼气，然后利用这些燃气进行燃烧产生热能。

2.4 风能和其他新能源的探索性应用

首先，可直接使用风电通过电阻加热元件产生热能，用于供暖或生活热水。这种方式简单直接，但效率并不高，因为电能转化为热能的过程中会有能量损失。然而，当风电过剩时，此方式可作为消纳风电的一种途径，提高风能利用率。

其次，还需结合风电与热泵技术，使用风电驱动热泵系统从环境中提取热能。与传统热泵相比，风电热泵系统的优势在于可利用可再生能源，降低化石能源消耗。

结束语：综上所述，在集中供热工程中需进一步发挥能源技术的创新应用优势，展望未来，随着技术进步和成本下降，新能源和清洁能源在集中供热以及更广泛的能源应用领域将发挥更为主要的作用。

参考文献：

[1]高光跃. 北方地区多能互补供热技术路线的研究[J]. 区域供热,2022(3):38-44.

[2]魏星,鞠凯,王治国. 大型固体电蓄热炉在城镇供热中的应用探究[J]. 节能技术,2022,40(5):438-443.

[3]王开亭,李小斌,张红娜,等. 集中供热系统中应用湍流减阻剂的节能减排综合性能评价[J]. 综合智慧能源,2022,44(9):40-50.

作者简介：田润林(1995.5-)，男，汉族，天津，硕士研究生，工程师，研究方向：集中供热、清洁能源、新能源应用。