新型城市能源的有效利用

1. 新型城市能源的有效利用 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院 赵加宁 2011.11.14

2. 内 容 1.我国的能源供应 2.我国的用能需求与预测 3.城市的热（冷）电联供 3.过量供热与解决措施 4.城市的能源规划

3. 1.我国的能源供应

4. 1.1 能源及能源应用基本概念与定义 • 能源：能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。《能源百科全书》 • 能源资源：自然界中能够提供热、光、动力和电能等各种形式的能量的物质资源。 • 能源分类：人们通常按能源的形态特征或转换与应用的层次对它进行分类。 • 固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能（世界能源委员会推荐）。

5. 1.1 能源及能源应用基本概念与定义 • 按其形态、特性或转换和利用的层次： 固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、核能、电能、太阳能、生物质能、风能、海洋能和地热能。　　

6. 1.1 能源及能源应用基本概念与定义 • 按形成： • 从自然界直接取得且不改变其基本形态的一次能源或初级能源，如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水能、生物质能、地热能等； • 经过自然的或人工的加工转换成另一形态的二次能源，如电能、汽油、柴油、酒精、煤气、热水、氢能等。 　　

7. 1.1 能源及能源应用基本概念与定义 • （3）按能否再生，可分为能够不断得到补充供使用的可再生能源，如风能；须经漫长的地质年代才能形成而无法在短期内再生的不可再生能源，如煤、石油等。　　 • （4）按对环境影响程度，可分为清洁型能源，如风能；污染型能源，如煤炭。　　 • （5）按利用情况，可分为在现有经济和技术条件下，已经大规模生产和广泛使用的常规能源，如石油、天然气、水能和核裂变能等；目前正在推广使用的新能源，如太阳能、海洋能、地热能、生物质能等。新能源大部分是天然和可再生的，是未来世界持久能源系统的基础。　　

8. 1.1 能源及能源应用基本概念与定义 • （6）按来源分为四类：一是来自太阳的能量，包括太阳辐射能和间接来自太阳能的煤炭、生物能等；二是蕴藏于地球内部的地热能，三是各种核燃料，即原子核能；四是月亮、太阳等天体对地球的相互吸引所产生的能量，如潮汐能。 • （7）按品位，可分为高品位能源与低品位能源。高品位的能源是指电力、机械功、燃气和液体燃料等，是相对那些不易利用的易造成浪费的能源而言的，所谓低品位能源包括热能、生物能等，二者之间是可以互相转化的。 • 能源依据他在自然界里的存量，它所产生能量的多少，它所产生能量的级别（温度），它所能转换成其它能源形式的多少，他能被梯级利用得次数多少，它对自然环境所造成的影响，利用它所需成本等等。

9. 1.1 能源及能源应用基本概念与定义 • 能源供应： • 为满足能源需求而对各种形式能源的开发和利用。包括：①一次能源供应。即能源资源的开采，如原煤、原油、天然气、天然铀等矿物能源以及水能、太阳能、地热能、风能、潮汐能、生物质能等可再生能源。 • ②二次能源供应。即一次能源的集中加工转换和输配，如电力（火电、水电、核电）、石油制品（汽油、煤油、柴油等）、煤炭制品（洗煤、焦炭、型煤等）、煤气、液化气和热力（蒸汽、热水）等。 • ③各种进口能源。

10. 1.2 我国的能源资源特点 • 能源资源总量比较丰富： • 中国拥有较为丰富的化石能源资源。 • 煤炭占主导地位。2006年，煤炭保有资源量10345亿吨，剩余探明可采储量约占世界的13%，列世界第三位。 • 已探明的石油、天然气资源储量相对不足，油页岩、煤层气等非常规化石能源储量潜力较大。 • 中国拥有较为丰富的可再生能源资源。水力资源理论蕴藏量折合年发电量为6.19万亿千瓦时，经济可开发年发电量约1.76万亿千瓦时，相当于世界水力资源量的12%，列世界首位。 来源：中华人民共和国国务院新闻办公室，2007

11. 1.2 我国的能源资源特点 • 人均能源资源拥有量较低： • 中国人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50%，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右。耕地资源不足世界人均水平的30%，制约了生物质能源的开发。 来源：中华人民共和国国务院新闻办公室，2007

12. 1.2 我国的能源资源特点 • 能源资源赋存分布不均衡： • 中国能源资源分布广泛但不均衡。煤炭资源主要赋存在华北、西北地区，水力资源主要分布在西南地区，石油、天然气资源主要赋存在东、中、西部地区和海域。中国主要的能源消费地区集中在东南沿海经济发达地区，资源赋存与能源消费地域存在明显差别。大规模、长距离的北煤南运、北油南运、西气东输、西电东送，是中国能源流向的显著特征和能源运输的基本格局。 来源：中华人民共和国国务院新闻办公室，2007

13. 1.2 我国的能源资源特点 • 能源资源开发难度较大： • 与世界相比，中国煤炭资源地质开采条件较差，大部分储量需要井工开采，极少量可供露天开采。石油天然气资源地质条件复杂，埋藏深，勘探开发技术要求较高。未开发的水力资源多集中在西南部的高山深谷，远离负荷中心，开发难度和成本较大。非常规能源资源勘探程度低，经济性较差，缺乏竞争力。 来源：中华人民共和国国务院新闻办公室，2007

14. 净化 气化 煤气 煤气等燃料气 合成氨 合 成 甲醇 汽油 液体燃料 液化 液体燃料 煤气等燃料气 分离 焦炉煤气 苯、甲苯、二甲苯 煤 焦化 分离 高温煤焦油 萘、蒽、沥青等 分离 冶金焦 焦炭 乙炔 电石 高压加氢 液体燃料 低温煤焦油 低温干馏 煤气 燃料气 半焦 无烟燃料 气 化 合成气 其他化学加工 褐煤蜡、磺化煤、腐植酸、活性炭等 1.3 能源转化方式——煤 煤化工：以煤为原料，经过化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程。 • 炼焦是应用最早的工艺，至今仍是煤化工的重要组成部分。炼铁用的焦炭是其主要产品，同时利用焦炭通过电石生产乙炔化学品以及聚氯乙烯，得到焦炉煤气可生产城市煤气、苯、甲苯、萘、蒽和沥青等。 • 煤的气化在煤化工中占有重要的地位，用于生产各种燃料气，属洁净能源。煤气化生产的合成气，可合成氨、甲醇、醋酐、醋酸甲酯等，也可用于合成液体燃料（即煤间接液化）。 • 煤的直接液化，即煤高压加氢液化，可以生产人造石油和化学产品。煤间接液化即用煤气化生产的合成气经催化合成液体燃料和化学产品，在国外已实现大生产。在石油短缺时，煤的液化产品将替代目前的天然石油。 • 煤低温干馏生产的低温焦油，经过加氢生产液体燃料，低温焦油分离后可得有用的化学产品。低温干馏所得的半焦可做无烟燃料，或用作气化原料、发电燃料及碳质还原剂等。低温干馏煤气也可做燃料气。

15. 液化 石油气 液化石油气 汽油 催化裂化 煤油 柴油 润滑油 减压蒸馏 石蜡 重油 燃料油 沥青 1.3 能源转化方式——石油 石油炼制(简称炼油)，是以原油为基本原料，通过一系列炼制工艺(或加工过程)，例如常减压蒸馏、催化裂化、催化加氢、催化重整、延迟焦化、炼厂气加工及产品精制等，把原油加工成各种石油产品，如各种牌号的汽油、喷气燃料(即航空煤油)、柴油、润滑油、溶剂油、重油、蜡油、沥青和石油焦，以及生产各种石油化工的基本原料。 原油一次加工（常减压蒸馏)只能得到25％～40％的汽油、煤油、柴油等轻质油品。而社会对轻质油品的需求量却占石油产品的90％左右，同时直馏汽油辛烷值很低，约为40～60。催化裂化技术是重要的原油二次加工工艺，是重油轻质化和改质的重要手段之一。目前我国80%左右的商品汽油来自催化裂化。 石 油 原油一次加工

16. 发电 直接作燃料 汽车燃料 生活用气 天 然 气 苯 纳米碳管 炭黑 直接转化 乙烯 氧化 甲烷 甲醇 转化利用 甲醛 合成汽油 甲醇 二甲醚 乙烯 丙烯 间接转化 合成气 合成氨 1.3 能源转化方式——天然气 就全球来看,天然气主要用于发电、民用和工业燃料, 仅有5% ～7%的天然气用作化工原料。天然气联合循环发电比燃煤发电效率高、投资少、占地少、建厂周期短、操作弹性大（用于电网的调峰）。国外天然气发电占天然气用量的25% ～30% ,我国近年来天然气发电在北京等大城市也发展很快。 天然气的化工利用主要是通过间接途径, 即先将天然气转化为合成气（H2 + CO）, 再转化为化学品或液态烃。天然气直接转化在工业上应用较少。 由于石油资源日益短缺和环保要求日趋严格, 天然气制合成油（GTL）、天然气制烯烃（GTO ）、天然气制氢及含氧化合物等特别受到关注, 一直是天然气转化利用的活跃领域。 16

17. 1.3 能源转化方式——生物质 • 生物质物理转化 • 主要是指生物质的固化。生物质固化就是将生物质粉碎至一定的平均粒径，不添加黏结剂，在高压条件下，挤压成一定形状。其黏结力主要是靠挤压过程所产生的热量，使得生物质中木质素产生塑化黏结，成型物再进一步炭化制成木炭。 • 物理转化解决了生物质形状各异、堆积密度小且较松散、运输和储存使用不方便等问题，提高了生物质的使用效率，但固体在运输方面不如气体、液体方便。 • 该技术尚存在机组可靠性较差、生产能力与能耗、原料粒度与水分、包装与设备配套等方面的问题。 固体燃料 炭 生物质固化 生 物 质 燃油 植物油料 燃料油 生物质液化 热解液化 乙醇 生物发酵 甲烷 沼气发酵 生物质气化 热解气化 燃料甲醇 生物质化学转化 • 生物质化学转变主要包括以下几个方面：直接燃烧、液化、气化、热解、酯交换等。 • 直接燃烧 利用生物质原料生产热能的传统办法是直接燃烧，燃烧过程中产生的能量可被用来产生电或供热。在生物质燃烧用于烧饭、加热房间的过程中，能量的利用效率极低，只能达到10%~30%。而在高效率的燃烧装置中，生物质能的利用效率可获得大幅度的提高，接近石化能源的利用效率。 • 生物质的热解 热解是将生物质转化为更为有用的燃料，是热化学转化方法之一。在热解过程中，生物质经过在无氧条件下加热或在缺氧条件下不完全燃烧后，最终可以转化成高能量密度的气体、液体和固体产物。

18. 1.3 能源转化方式——太阳能 太阳表面温度高达6000℃，内部不断进行核聚变反应，并且以辐射方式向宇宙空间发射出巨大的能量。据估计，每三天太阳向地球辐射的能量，就相当于地球所有矿物燃料能量的总和。 人类利用太阳能有三个途径：光热转换、光电转换和光化转换。

19. 1.3 能源转化方式——太阳能 • 光热转换 • 光热转换即靠各种集热器把太阳能收集起来，用收集到的热能为人类服务。 • 最广泛的太阳能应用是将水加热，现今全世界已有数百万个太阳能热水装置（太阳能热水器）。太阳能热水系统主要包括收集器、储存装置及循环管路三部分。 • 利用太阳能作冬天采暖之用，在许多寒冷地区已使用多年。因寒带地区冬季气温低，室内必须供暖。大多数太阳能暖房使用热水系统，也有使用热空气系统的例子。太阳能暖房系统由太阳能收集器、热存储装置、辅助能源系统及室内供暖系统组成。

20. 1.3 能源转化方式——太阳能 • 光电转换 • 光电转换即将太阳能转换成电能。目前，太阳能用于发电的途径有二：一是热发电，就是先用聚热器把太阳能变成热能，再通过汽轮机将热能转变为电能；二是光发电，就是利用太阳能电池的光电效应，将太阳能直接转变为电能。 • 目前，太阳能电池的成本还较高，要达到足够的功率，需要相当大的面积放置电池。 • 1953年，美国贝尔实验室研制出世界上第一个硅太阳能电池，转换效率为0.5％，1994年太阳能电池的转换效率已提高到17％。

21. 1.3 能源转化方式——太阳能 • 光化转换 • 光化转换即先将太阳能转换成化学能，再转换为电能等其他能量。植物靠叶绿素把光能转化成化学能，实现自身的生长与繁衍，若能揭示光化转换的奥秘，便可实现人造叶绿素发电。目前，太阳能光化转换正在积极探索、研究中。

22. 1.3 能源转化方式——地热能 地热资源温度分级表

23. 2.我国的用能需求与预测

24. 2.1我国的能源消耗量与结构 我国有600多个城市，对其中287个地级以上市统计，其能耗占全国总能耗的55.48%，如果加上其他城市，再加上集镇，至少占总能耗的80%以上。因此，城镇能耗是我国的能源消耗的重头，也是节能潜力最大的区域。 来源：仇保兴，我国低碳生态城市发展的总体思路，城乡建设部，2010

25. 2.1我国的能源消耗量与结构 25 来源：英国石油（BP）公司能源统计

26. 2.1我国的能源消耗量与结构 26 来源：国际能源机构（IEA）&中国统计年鉴

27. 2.1我国的能源消耗量与结构 2008年各类能源占全球能耗比例 注：来源于国际能源机构（IEA） 公开信息。

28. 中国的能源资源总量约为世界的10%； 人均资源占有量仅为世界人均资源占有量的40%。 2009年，中国一次能源消费量为全球总量的19.5%； 2010年，中国一次能源消费量为32.5亿吨标准煤，超过了美国成为全球第一能源消费大国。 2.1我国的能源消耗量与结构

29. 2.2我国的能源高消耗的原因 原因一：商品出口 中国的进口量比美国小得多，而且进口的很多东西经过加工之后又用于出口。所以是一个需要消费能源多的国家。中国每年有6亿吨标准煤是直接用于出口的。跟中国自身的需求是没有关系的。 如果把这一部分对能源的需求分开，中国能源的实际需求量要远低于美国。如果在人民币升值的情况下，中国出口减少，但是世界市场总需求不会减少。那么出口市场就会转移到其它国家，总的能源耗用仍然存在， 而且能耗量可能更大。 中国的能源体系已经建立完善了，中国的燃煤发电效率是全世界最高的。他介绍，中国可以达到280克煤发一度电， 而美国现在差不多至少是320克煤一度电。

30. 2.2我国的能源高消耗的原因 原因二：能源结构不合理 中国的能源结构以煤炭为主，利用效率非常低。这是造成中国能耗高的另外一个原因。而美国的能源结构中27%是天然气，还有大量的核电。 原因三：基础设施建设集中进行 中国要在很短时间里进行基础设施建设。可能在美国用了50年的时间，中国可能要用5年的时间或者10年的时间来建成。所以，会集中体现能耗。

31. 2.3 我国未来能源需求预测—石油 吨油当量：1toe=41.868 GJ= 11.63 MWh 31 来源：倪维斗，中国工程院，2010

32. 2.3 我国未来能源需求预测—天然气 天然气总需求量增加，同时进口天然气比例也逐步提高，2050年达到约50%。 来源：倪维斗，中国工程院，2009

33. 2.3 我国未来能源需求预测—燃煤 董春游.对煤炭建设项目可持续发展理论的思考[J].技术经济2004(3):58-60 陕西省煤炭产业运输物流体系优化研究——西北大学硕士学位论文

34. 2.3 我国未来能源需求预测—可再生能源 乐观预测 34 来源：倪维斗，中国工程院，2010

35. 2.3 我国未来需求的能源需求预测 2050年 63亿吨 35 来源：倪维斗，中国工程院，2009

36. 2.4 我国未来能源结构目标 • 2015年目标：(1)非化石能源占一次能源消费总量比重达到11.4%。(2)煤炭在一次能源消费中的比重下降到63%。 来源：白万平，西南财经大学，2010

37. 2.4 我国未来能源结构目标 • 中国政府提出了两个指标： • ①2020年,非化石能源要达到一次能源消费量的15%； • ②单位GDP的CO2排放量,2020年要比2005年降低40%~45%。 • 我国一次能源总需求量仍在高速增长。可再生能源和核能在2009年占总能源消费的7.13%，要达到2020年的目标,需要提高7.87%。

38. 3.城镇的热（冷）电联供

39. 北方城镇供暖能耗 目前，我国北方城镇供暖能耗占全国建筑总能耗的36%，为建筑能源消耗的最大组成部分。 39 数据来源：张沈生等，2006

40. 我国供暖区域 供暖区域有向南方扩展的趋势 从北向南… 从寒冷地区向夏热冬冷地区 40

41. 3.1热（冷）电联供的方式 • 建筑热（冷）电传统供应办法： • 电——电厂发电，通过电网供给建筑 • 热——用锅炉消耗煤、燃气、燃油制取热量供给建筑 • 冷——消耗电或燃气、燃油等能量，用制冷机制冷供给建筑

42. 3.1热（冷）电联供的方式 • 热（冷）电联供的含义： • 既向外供电，又向外供热（供冷）。英文缩写为CHP（ Combined Heat & Power），热（冷）电联供的含义也称为三联供，但实质上是热电二联供。

43. 3.1热（冷）电联供的方式 • 集中式热（冷）电联供的技术 • 电厂锅炉产生的蒸汽驱动汽轮发电机组发电以后，排出的蒸汽仍含有大部分热量被冷却水带走，因而火电厂的热效率只有30－40%。如果蒸汽驱动汽轮机的过程或之后的抽汽或排汽的热量能加以利用，可以既发电又供热。这种生产方式称为热电联产。这个过程既有电能生产又有热能生产，是一种热、电同时生产、高效的能源利用形式。其热效率可达80－90%，能源利用效率比单纯发电约提高一倍以上。它将不同品位的热能分级利用(即高品位的热能用于发电，低品位的热能用于集中供热)，提高了能源的利用效率，减少了环境污染，具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电力供应等综合效益。

44. 3.2热（冷）电联供的发展 利用发电厂汽轮机排气供生活用热——热电联供的雏型 我国第一个五年计划开始发展热电厂为热源的集中供热系统 我国建筑冷热电联供开始进行理论准备 2005 1938 1992 20世纪初 1980s 1990s 我国建筑冷热电联供实际工程应用 美国建成一个小型的冷热电联供系统 我国在山东淄博建成以热电厂为源的冷热电联供系统（集中式） 44

45. 3.3热（冷）电联供系统的形式 • 系统形式： • 集中式系统：大型电厂厂区（通常一次能源为燃煤）生产电、热、冷，通过大型电网、供热网、供冷网集中远距离向用户供应；或者将热供应到换热站，必要时在换热站制冷，所组成的系统称为集中式能源系统。 • 分布式系统：小型电厂设置在用户处（通常一次能源为天然气），生产电、热、冷，通过小型电网、供热网、供冷网直接向用户供应，所组成的系统称为分布式能源系统。

46. 3.1热（冷）电联供的方式 • 集中式热电联产应用类型： • (1)大型热电厂 　　 • (2)区域性热电厂，一个热电厂向几十户以上的企业供热。 　　 • (3)企业建设的自备热电厂，为本企业或同时向周围其他企业供热。 　　 • (4)多功能热电厂，即热电厂供热、供电、供煤气、供冷的同时，还利用炉渣生产建筑材料和化肥，用循环水的余热养鱼、养鳖等，进一步提高热电厂的综合经济效益，让热电厂变得更清洁。

47. 3.3热（冷）电联供系统的形式 • 供冷 : • 烟气（5000C左右）和热水（900C左右）驱动热水烟气机HEA制冷。 • 供热 : • 一种机型烟气经HEA制热水，内燃机热水直供； • 另一种机型烟气和高温热水共同经HEA制热水。 • 供电 : • 孤网系统，所发的电满足需求，与市电网不连接。 • 联网并上网系统，与市电网并联，可购电或卖电。 • 联网不上网系统，与市电网并联，电不能上网，但可购电。

48. 3.4热（冷）电联供系统的节能性分析 • 燃气热电联供与分供的能耗比较 • 热电联供取能量综合利用率比较低的C60微燃机； • 图中火力发电厂2010年全国平均发电效率36.7%，输配电效率94.5%，分供综合电效率34.7%； • 分供时用燃气锅炉制热，综合锅炉及输运损失的效率90%； • 分供比联供多耗29.2%的能量，或联供比分供节能22.5%。

49. 3.4热（冷）电联供系统的节能性分析 • 燃煤热电联产热效率高达70%以上，而一般单机容量200MW以上的冷凝电厂的热效率仅为35－40%；200MW凝汽机组的发电煤耗为350gce/kWh，而容量相同的供热机组的发电煤耗一般均在300gce/kWh以下，供电煤耗约低60gce/kWh； • 燃煤热电联产由于采用了容量较大、参数较高的锅炉，因此热效率较高，锅炉热效率可达85－90%(一般工业小锅炉热效率只有50－60%)，供热煤耗低13－22kgce/106kJ。

50. 3.4热（冷）电联供系统的节能性分析 • 冷电联供与分供的能耗比较 • 分供的制冷量由电动制冷机获得，9.8是电制冷消耗的电能。 • 分供比联供多耗约12%的能量，或联供比分供节省9.4%的能量。