区域供热（也称为热网或远程供暖）是一种通过绝缘管道系统分配集中位置产生的热量的系统，用于住宅和商业供暖需求，例如取暖器和加热水。热通常从热电联产电厂燃烧化石燃料和生物质燃料取得，但也使用只供热锅炉站，地热供暖，热泵和中央阳光加热，或核电厂发电的废热。和地区锅炉房相比，区域供暖站可提供更高效与更好的污染控制。根据一些研究，热电联供区域供热(CHPDH)，是便宜的方法减少碳排放，并且是所有化石发电厂中碳足迹最低的发电厂之一。[1]
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第五代区域热网并不采用现场燃烧，所以它在现场排放的二氧化碳和二氧化氮为零，它们使用电力作为热的传递，电可能由可再生能源产生或由偏远的化石燃料发电站产生。在斯德哥尔摩多能源系统中使用了热电联产和集中式热泵的组合。当有大量间歇性电力生产时，这允许通过电力产生热量，当间歇性电力生产的可用性较低时，进行热电联产和区域供热。[2]
历史
区域供暖可追溯至古罗马帝国的热水浴和温室。在法国绍德赛格的热水分发系统通常被认为是第一个真正的区域供暖糸统。它使用地热能的热提供约30户的供热，于14世纪开始运行。[5]
在安纳波里斯的美国海军学院于1853年开始蒸汽供暖服务。
虽然这些和许多其他系统已经运行了几个世纪，第一个商业上成功的区域供暖系统美国液压工程师Birdsill Holly，在1877年的纽约洛克波特市推出，他被认为是现代区域供热的创始人。
所有现代区域供暖系统通常都是因需求驱动的，意味着著供热者对消费者的需求做出反应和确保向用户提供所需的热量有足够的温度和水压。
第五代区域供热具有明确的特色，使它们与前几代不同。每代供热系统的特征可指出现有区域供热系统的发展状况。
第一代区域供热是以蒸汽为基础的系统，以煤作为燃料，于1880年代首次在美国推出，在一些欧洲国家中十分受欢迎。这是最先进的直到1930年代，使用混凝土管，在十分高的温度下运行，因此效率不高。
由于热加压蒸汽管，也有一些可靠性和安全性问题。现时，这代的技术已经过时。但是仍有一些系统使用，如纽约和巴黎。最初构建的其他系统随后被升级为新代的供热系统。[6]
第二代区域供热于1930年代发展，但直至1970年代才建设。它以煤和石油为燃料，能量通过加压热水来传递。这糸统通常提供高于100°C的热水，使用混凝土内的水管，大多在现场组装，和配备重型设备。
最主要的原因是这些系统是节约能源，这系统使用热电联产厂的热。虽然也在其他国家使用，典型的发电系统是在第二次世界大战后在某些东欧国家兴建的苏式区域供热系统。[6]
第三代区域供热于1970年代发展，随后在世界各地的大多数使用这系统。这代被称为“斯堪地那维亚区域供热技术”(英语: Scandinavian district heating technology)因为很多区域供热组件制造商位于斯堪地那维亚。
第三代区域供热采用预制组件，预制隔热管道，管道直接埋在地下并以较低温度运行，通常低于100°C。
在两次石油危机导致石油供应中断后，建立这些系统的主要动机是，通过提高能源效率来保障供应。因此，这些系统通常使用煤，生物质燃料和垃圾作为能量来源，而不是石油。
例如，自1970年代以来，巴黎一直在使用来自地表以下1-2公里的55-70°C 地热供暖。[7]
目前正在开发第四代区域供热，[6]丹麦已经在向第四代区域供热过渡。[8]
第四代区域供热旨在通过为电力系统提供高度灵活性来应对气候变化并将高比例的可变可再生能源整合到区域供热中。[6]
根据Lund等人的评论，这些系统必须具备以下能力:
- 1. 能够为现有建筑、能源改造现有建筑和新建低能耗建筑提供空间供暖和生活热水的低温区域供热。
- 2. 在网络损耗低的网络中分配热的能力。
- 3. 能够回收低温热源，整合太阳能、地热等可再生热源。
- 4. 能够成为智能能源系统的组成部分(集成智能电力、天然气、流体和热力管网等)包含成为第四代区域供冷系统的一个组成部分。
- 5. 能够确保与运营相关的适当规划、成本和激励结构以及与向未来可持续能源系统转型相关的战略投资的能力。
与先前的区域供热相比，水温度降低以提高系统的能源效率，供应侧温度为 70 °C 或更低。
潜在的热源是工业废热，热电联产发电厂的废热，生物质电厂，地热和太阳热(中央太阳加热)，大规模的热泵，冷却目的和数据中心的废热，与其他可持续能源。
有了这些能源和大规模的热能储存，包括季节性热能储存(英语:Seasonal Thermal Energy Storage, STES)，第四代区域供热糸统有望为平衡风能和太阳能发电提供灵活性，例如，当有大量风能时，使用热泵将多馀的电力整合为热能，或者在需要备用电力时从生物质发电厂提供电力。[6]
因此，大型热泵被视为可再生能源占比高达 100% 的智能能源系统和先进的第四代区域供热系统的关键技术。[9][6][10]
第五代区域供热与供冷网络(5GDHC)，[11]亦被称为冷区域供热(英语:Cold district heating)，在接近地面环境温度的情况下分配热量。
这原则上可以最大限度地减少散去至地面的热和减少对广泛隔热的需求。
每一个在网络上的建筑在它们的机房中使用热泵，在需要热量时从环境电路中提取热量，并在需要冷却时反向使用相同的热泵来排出热量。
在同时期，冷却和加热需求 这使得冷却产生的废热可以用于需要加热的建筑物的热泵。[12]环境回路内的总温度通过与含水层或其他低温水源的热交换来控制以保持在10°C至25°C的温度范围内。
虽然用于环境地温网络的管道网络按管道直径安装比前几代便宜，因为它不需要和上代管道回路相同的隔热程度，但管道网络的较低温差导致管径明显大于前几代。
由于每个连接第五代区域供热和供冷系统的建筑物都拥有它们的热泵，因此该系统可用作热泵的热源或散热器，取决于它运行于供热或是供冷模式。与前几代一样，管道网是一种基础设施，原则上为各种低温热源提供开放通道，例如环境热量、来自河流、湖泊、海洋或潟湖的环境水，以及来自工业或商业来源的废热。[13]
基于上述描述，很明显第五代区域供热与供冷与前几代区域供热之间存在根本区别，特别是在热量产生方面。
在比较不同代之间的效率时，这个关键系统具有显著影响，因为热量产生的方式将比较从简单的分配系统效率比较转变为供应系统效率比较，其中热量产生效率以及配电系统效率需要包括在内。
具有低温内部热分配系统的现代建筑可以安装高效的热泵，在45 °C时提供热量输出。
一些较旧的拥有内部热分配系统的建筑，如使用散热器将需要高温热泵来提供热量输出。
一个较大的第五代区域供热与供冷网络例子是荷兰海尔伦的Mijnwater。[14][15]在这个例子中，显著的特点是通往城市边界内一个废弃的充水煤矿的独特通道，为系统提供了稳定的热源。
第五代网络(平衡能源网络, 英语:Balanced Energy Network, BEN)在2016年作为研发项目安装在伦敦南岸大学的两座大型建筑物中。[16][17]
产生热
用于各种区域供热系统的热源包括：为热电联产而设计的的发电厂，包含燃烧电厂和核电厂，燃烧化石燃料，生物质燃料;地热，太阳热;从海水，河水，湖水，污水，工业过程的废热中提取热的工业热泵。
许多区域供热的核心元素是只热锅炉房。此外，热电联产也通常与锅炉共存。两者的共同点是它们通常基于初级能源载体的燃烧。两套糸统的不同之处在于在热电联产厂中，电能和热能都能同时被产生，但在只热锅炉房中，只产生热。
在化石燃料燃烧厂中，热的输出大小通常可以满足冬季高峰热负荷的一半，但全年将提供90%的热量供应。大量在夏天产生的热会被浪费。锅炉容量将能够单独满足全部热量需求，并且可以覆盖热电联产厂故障时使用者的需求。单独调整热电联产厂的规模以满足全部热负荷是不经济的。在纽约市地下蒸汽系统中，这大约是2.5GW。[18][19]德国拥有全欧洲最多的热电联产厂。[20]
在经济方面，热电联产与区域供热结合是有很高的能源效率，但会在现场排放二氧化碳和二氧化氮。一个简单的热电厂的效率通常只有20-35%，[21]但有馀热回收能力的更先进的设施可将其效率提升至接近80%。[21]基于较低的热值，有些可能会通过冷凝烟气来接近100%的效率。[22]
核电厂的废热有时用于区域供热。传统热电联产的原理和区域供热对于热电厂和核电厂来说是一样的。与传统方法(热电厂)相比，核电厂的废热作的区域供热的碳排放量要少得多。中国山东的海阳核电站计划在2021年底为整个海阳市全区(450万平方米)提供区域供热。[23]该项目将取代燃煤电厂，预计每年减少6万吨二氧化碳排放。[24]小型模块化反应堆也可用于区域供热。[24]奇异日立核能的首席工程师Christer Dahlgren在Energy Impact Center的播客上发表讲话时指出，Titans of Nuclear，区域供热可能是未来建造新核电站的动力。[25]Energy Impact Center自己的小型模块化反应堆的蓝图设计，OPEN100，可以整合到区域供热系统中。[26]
俄罗斯的一些传统核电厂在2005年合共提供了11.4PJ区域供热。随著核电厂的落成，俄罗斯的核能区域供热计划在十年内增加近三倍。[27]其他来自乌克兰，捷克，斯洛伐克，匈牙利，保加利亚，和瑞士的核能供热热电联产站，每个发电站的发电量约100MW。于1974年关闭的瑞典 Ågesta 核电站是核能供热、发电的一种用途。在瑞士Beznau核电站为约20,000人供热。[28]
- 历史
自14世纪以来，庞贝和绍德赛格都使用地热区域供暖。[29] 美国 直接使用地热作区域供暖糸统，利用地热储层和分发热水至多幢建筑物作多种用途，这在美国很少见，但它已在美国存在超过一个多个世纪。
在1890年，在爱达荷州博伊西以外的地方钻了第一口井以获取热水资源。1892年，在通过木质管道将水输送到该地区的家庭和企业后，这是第一个地热区域供暖系统。
根据2007年的一项研究，[30]在美国有22座地热供热糸统。截至2010年，其中两个系统已经关闭。[31]以下图表列出了目前在美国运行的地热供热糸统。
| 糸统名称 | 城市 | 状态 | 启动年份 | 客户数目 | 装机容量，MWt | 年发电量，GWh | 糸统温度， °F | 糸统温度， °C |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Warm Springs Water District | Boise | ID | 1892 | 275 | 3.6 | 8.8 | 175 | 79 |
| Oregon Institute of Technology | Klamath Falls | OR | 1964 | 1 | 6.2 | 13.7 | 192 | 89 |
| Midland | Midland | SD | 1969 | 12 | 0.09 | 0.2 | 152 | 67 |
| College of Southern Idaho | Twin Falls | ID | 1980 | 1 | 6.34 | 14 | 100 | 38 |
| Philip | Philip | SD | 1980 | 7 | 2.5 | 5.2 | 151 | 66 |
| Pagosa Springs | Pagosa Springs | CO | 1982 | 22 | 5.1 | 4.8 | 146 | 63 |
| Idaho Capital Mall | Boise | ID | 1982 | 1 | 3.3 | 18.7 | 150 | 66 |
| Elko | Elko | NV | 1982 | 18 | 3.8 | 6.5 | 176 | 80 |
| Boise City | Boise | ID | 1983 | 58 | 31.2 | 19.4 | 170 | 77 |
| Warren Estates | Reno | NV | 1983 | 60 | 1.1 | 2.3 | 204 | 96 |
| San Bernardino | San Bernardino | CA | 1984 | 77 | 12.8 | 22 | 128 | 53 |
| City of Klamath Falls | Klamath Falls | OR | 1984 | 20 | 4.7 | 10.3 | 210 | 99 |
| Manzanita Estates | Reno | NV | 1986 | 102 | 3.6 | 21.2 | 204 | 95 |
| Elko County School District | Elko | NV | 1986 | 4 | 4.3 | 4.6 | 190 | 88 |
| Gila Hot Springs | Glenwood | NM | 1987 | 15 | 0.3 | 0.9 | 140 | 60 |
| Fort Boise Veteran's Hospital Boise | Boise | ID | 1988 | 1 | 1.8 | 3.5 | 161 | 72 |
| Kanaka Rapids Ranch | Buhl | ID | 1989 | 42 | 1.1 | 2.4 | 98 | 37 |
| In Search Of Truth Community | Canby | CA | 2003 | 1 | 0.5 | 1.2 | 185 | 85 |
| Bluffdale | Bluffdale | UT | 2003 | 1 | 1.98 | 4.3 | 175 | 79 |
| Lakeview | Lakeview | OR | 2005 | 1 | 2.44 | 3.8 | 206 | 97 |
近年来[33]，丹麦和德国[34]越来越多地使用太阳热供区域供暖。这糸统通常包含综合季节性热能存储，以确保每天以及夏季和冬季之间一致的热输出。一个好的例子是在丹麦Vojens[35]为50MW， Dronninglund 为 27 MW，Marstal 为 13 MW。[36][37]这些糸统逐渐地增加，可满足村庄每年10%至40%的热需求。太阳能热板安装在野外的地上。[38]储热方式为坑式储热、钻孔集群和传统水箱。在加拿大亚伯达省Drake Landing太阳能社区(Drake Landing Solar Community)中，使用在车库顶上的太阳能热板和钻孔集群作储热，达到了97%的太阳能年供暖需求的世界纪录。[39][40]
第一个热泵在1977年安装在斯德哥尔摩，以提供来自IBM服务器的废热作区域供热。至今安装了660MW的热泵，利用处理过的污水，海水，区域供冷，数据中心和其他热源。[2]例子为在挪威的Drammen Fjernvarme地区供热项目(英语:Drammen Fjernvarme District Heating project)中在8 °C的水中产生14MW的热，工业热泵为区域供热网络提供热源。工业热泵的使用方式包括：
1.作为主要基本热源负载，来自低热源的水，如河水，峡湾，数据中心，发电站排水口，污水处理厂出水口(全部的水温度介乎0 ˚C 至25 ˚C)，使用热泵以提高网络中水的温度至60 ˚C - 90 ˚C。这些设备虽然使用电力，但它传递的热为输入电力的3-6倍。使用热泵从未经处理的污水作区域供热源的例子是在挪威奥斯陆，热输出为18MWth。[41]
2. 作为从发电厂的冷却回路中回收热量的一种方式，以提高烟气热回收水平(因为区域供热厂的回水管现在由热泵冷却) 或通过冷却封闭的蒸汽回路，并人为降低冷凝压力，从而增加发电效率。
3. 作为冷却烟气洗涤工作液(通常是水)，从60 ˚C流入，温度降至流入前20 ˚C的温度。使用热泵回收热，可以出售并以更高的温度（例如约 80 ˚C）流入至管网。
对于在大型热泵中使用氢氟烃作为冷媒(制冷剂)存在担忧。虽然并不经常测量泄漏，但它的感应相对来说是十分低的，约1%(相比超市冷却糸统的25%)。一个30MW的热泵一年可以泄漏75kg的R134a或其他冷媒。[42]氢氟烃(HFCs)的全球暖化潜势很高，等同于一辆汽车一年行驶800,000公里的排放量。
然而，最近的技术进步允许热泵使用拥有十分低的全球暖化潜势(GWP)的天然热泵制冷剂。取决于运行条件，二氧化碳制冷剂(R744, GWP=1)或氨(R717, GWP=0)有比传统制冷剂更高的热泵效率的益处。在挪威德拉门的14MWth区域供热网络的例子中，是海水热源热泵使用R717制冷剂提供热，自2011年开始运行。90 °C的热水在区域供热回路中分发(返回时为65 °C)。热从18米深，8至9 °C的海水中全年提取，平均性能系数(COP)为3.15。在这个过程中，海水被冷却到4°C；但是这个热源并没有利用，冷冻水可用于空调的区域系统中，性能系数可达到更高。[42]
在未来，工业热泵将通过一方面利用来自风能、太阳能等的过剩可再生电能（否则由于满足电网需求而溢出），另一方面通过使更多的可再生热源（湖泊和海洋热、地热等）。此外，通过在高压电网上运行，可以预计有更高的效率。[43]
随著丹麦和德国等欧洲国家在所有能源用途中的可再生能源达到非常高的水平(到2050 年分别达到80%和100%)，可再生电能的过剩生产时间将会增加。以势能(如抽水蓄能)的方式储存能量是非常昂贵并且降低了总往返效率。但是，以热的形式储存在区域供热糸统中，供有需要的建筑物使用，成本要低得多。在电能下降的同时，高压电网MW大小的热泵将最大限度地提高效率，同时不会浪费过多的可再生电力。[44]例如将电力部门和供热部门相结合(参见:Power-to-X)，被认为是拥有高比例的可再生能源能源系统的关键因素，因为它允许以廉价储热为主要形式储存和使用。因为热力部门平衡了可再生能源的可变生产与灵活的负荷和储热，所以可以最大限度地减少高成本的储电和使用。[45]斯德哥尔摩现在有大约660MW的热泵连接至其区域供热糸统。[2]
蓄热器和储存器
越来越多的大型热库与区域供热网络一起使用，以最大化效率和财务回报。这允许热电联产机组在最高电价时运行，电力生产的回报率比热量生产高得多，同时储存多馀的热。这也允许在夏天收集太阳热，并在淡季将太阳能热重新分配到非常大但成本相对较低的地下隔热水库或钻孔系统中。在Vojens的203,000m³的隔热水库中，预计的热流失率为8%。[35]
分配热
热产生后，热经隔热管网输送至客户。区域供热糸统输水和返回水管组成。管线通常安装在地下，但有些糸统也有地上管道系统。在系统内可以安装储热单元以平衡峰值负载需求。
分配热的介质通常为过热水，也蒸汽也用于分配热。使用蒸汽的优点是除了加热目的之外，由于其较高的温度，它还可以用于工业过程。使用蒸汽的缺点是由于其高温，它的热散失也较高。热电联产电厂的热效率会因冷却蒸汽的高温而显著降低，从而减少发电量。导热油一般不用于区域供热，虽然它们有比水更高的热容量，但它们价格昂贵并且存在环境问题。
用户层的热网通常经住宅的热交换器与中央供热糸统连接:工作流体并不与网络中的水或蒸汽混合。但是，在奥登塞的供热系统中采用直接连接。
如挪威的区域供热网络所示，典型的热能每年损失约为10%。[46]
计量热
每一定量提供给客户的热，通常会被热量表所纪录，以鼓励节约并最大限度地并增加可以服务的客户数量，但这些热量表往往十分贵。因为热量表十分贵，另一种方法是简单地计量水，所以会以普通的水表替代，水表远比热量表便宜，并具有鼓励消费者尽可能多地提取热量的优点，返回水的温度非常低，这提高了发电效率。
许多系统是在缺乏热量计和调整向调整每间公寓热量输送的方法(工具)的社会主义经济下（例如前东方集团）安装的。[47][48]这导致其效率非常低下，用户在太热时不得不需打开窗户，浪费能源且减少可连接客户的数量。[49]
糸统规模
区域供热系统的大小可能会有所不同。有些糸统如斯德哥尔摩和弗伦斯堡的区域供热系统覆盖整个城市，使用直径为1000mm管道的大型一级网络，连接至二级水管网络，如200mm直径的管道，进而连接到直径可能为25mm的三级管道，这些管道可能连接到10到50座房屋。
一些区域供热方案的规模可能仅满足小村庄或城市区域的需求，在这种情况下，只需要二级和三级管道。
一些区域供热方案的设计可能只为有限数量的住宅供热，大约20至50座房屋，在这种情况下，只需要三级管道。
优点兴缺点
区域供热糸统和单独供热糸统相比，有很多好处。区域供热通常有更好的能源效益，因为在热电联产厂中，产生热的同时发电。同时减少温室气体排放。[50]大型的热电联产组件比起单个锅炉糸统有更先进的烟气净化能力。在有工业废热的情况下，区域供热糸统并不需要使用额外的燃料，因为它们回收热，否则这些热量会散失至环境中。
区域供热需要长期的财务承诺，而这与着眼于短期投资回报不符。区域供热对社区的益处包括:通过使用废热和浪费的热能以最大程度降低能源成本，减少对单家庭或建筑供暖设备的成本。区域供热网络，只热锅炉房和热电联产厂需要高额的初始资金支出和融资。只有将其视为长期投资，这些才能为区域供热系统所有者或热电联产系统运营商产生盈利。区域供热对于人口密度低的地区的吸引力较小，因为户的投资相当高。在一些有很多小型建筑物的地区也相当没有吸引力，如公寓楼，因为每个与住宅用户的连接都非常昂贵。
单独供热糸统可以根据局部供热需求而间歇性地完全关闭，而区域供热系统则不然。
所有权，垄断兴收费架构
在许多情况下，大型热电联供区域供热计划由一个实体(公司)拥有。特别是在东方集团的国家中。但是，在许多方案中，热电联产厂的拥有权和热的使用部分是分开的。
例如华沙，PGNiG Termika拥有热电联产单元，威立雅环境拥有85%的热量分配，其馀的热量分配由市政当局和工人拥有。同样地，所有在丹麦的大型热电联产计划都属于拆分所有权。
瑞典提供了一个供暖市场放松管制的例子。在瑞典，这是非常普遍的，区域供热网络的拥有权并没有从热电联产，区域供冷网络，集中式热泵的拥有权中分开。还有一些例子，竞争催生了多个公用事业合作的并行网络和互连网络。
在英国，有很多投诉指，区域供热供应商垄断拆分所有权且监管不力，业界已意识到这一问题，[51]已采取通过使用Heat Trust规定的客户章程等措施来改善客户的体验。一些客户以虚假陈述和不公平交易为由对供应商采取法律行动，声称区域供热没有达到许多供热供应商承诺的节省。[52]
国家差异
因为每个城市的情况各有不同，每个区域供热糸统都有些独特的地方。此外，各国对初级能源载体的获取方式不同，因此，她们对如何应对境内供暖市场采取了不同的方法。
自 1954 年以来，Euroheat & Power一直在欧洲推广区域供热。他们在欧盟委员会支持的Ecoheatcool项目中对欧洲区域供暖和供冷市场进行了分析。另一项名为“欧洲热力路线图”(英语:Heat Roadmap Europe )的研究，表明从现在到2050年，区域供热可以降低欧盟的能源价格。[53]欧盟成员国的法律框架目前受到欧盟热电联产指令(英语:CHP Directive)的影响。
参见
- 冷区域供热
- 中央太阳能供热
参考资料
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