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整理人: chanceroad(2000-04-25 22:05:40), 站内信件
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绿色供暖(空调)系统
1 问题的提出
当前的各种热门课题中莫过于“可持续发展战略”，能源领域在可持续发展
中占有特殊重要的地位。在一次能源中以热的形式作为终端消费的，将近一次能
源总消费量的三分之二，其中低于100 ℃的低品位热约为一次能源总耗量的三分
之一至五分之二，可见供暖系统的重要地位。
现行各类供暖系统的一次能源消耗率大不相同。分散小锅炉的效率约为55%，
折合煤耗为标准煤62 kg/GJ，高效热电联产的供热效率可高达88%，折合标准煤3
9 kg/GJ。如果有一种供暖系统，既有技术上的可行性，又有经济上的合理性，而
且它在煤耗和与环境相容性的指标上不是一般地高于现行先进供暖系统的指标，
而是高出一、两个“档次”(比如煤耗和向环境排放的有害物质达到现行先进系统
的50%以下)，那么应称它为什么样的供暖系统呢?作者认为，不妨称它为“绿色供
暖系统”，或称“低排放供暖总能系统”，以别于一般性先进的供暖系统。这样
的系统有无可能性呢?答案是肯定的［11～14］，如能和空调系统结合则在效益方
面会更好，可以称它为“绿色供暖(空调)系统”。这就是讨论这一问题的现实性
。
从字面上讲，绿色供暖(空调)系统就是具有高度环境相容性的系统。但要相
容到什么程度呢?它在技术上和结构上应有什么特点呢?它是一成不变的呢，还是
具有相对性和动态性?技术上的任何一个术语都应对其内涵有个明确的界定。
提出绿色供暖系统这一术语并加以界定和规范的目的并非只是出于标新立异
的动机，主要是想通过这一提法对供暖系统的改进起到标志作用和激励作用，以
服务于可持续发展战略的实施。
2 有关绿色供暖(空调)系统的几个基本问题
2.1 理论最低单耗：通向“绿色化”的理论可能性
本文中“单耗”这一术语指的是煤耗和成本的总称。
通向“绿色化”的基础性措施就是大幅度地节能降耗。通晓节能的理论限度
是重要的，它可使我们既不会超越客观可能性去奢求过高的节能降耗目标，也不
会在节能降耗方面轻率地下无所作为的结论。供暖系统的理论最低煤耗bmin q发
生在可逆系统中；理论最低成本cmin是这样的成本，它在生产中，没有不可逆现
象发生，设备没有任何耗损(子系统的寿命期为无穷长)，不消耗任何管理、税金
和其它的固定用，所以它就是最低煤耗的成本。所以
bmin q=31.42(1-T0／Tr)标准煤kg/GJ (1)
cmin=cfbmin q (2)
设环境温T0＝270 K（-3 ℃），室温Tr=293 K（20 ℃）；热源温T＝1 800K
（1 527 ℃），则理论上的供暖最低煤耗为标准煤3.2 kg/GJ
2.2 可逆型供暖系统：绿色供暖(空调)系统的基础
任何节能措施的本质都是使所涉及的能量系统向可逆系统逼近，逼近的合理
程度取决于当时当地的技术、经济环境和社会条件。
任何现实的供热系统都是不可逆的，但不可逆的程度可以有很大不同。为此
我们从范畴上区分两类供热系统，即可逆型和非可逆型供热系统。设一个能量系
统的目的是从非热的一次能源获取热量，在能量转换和终端利用的整个过程中以
热能为唯一出现形式的系统称为非可逆型供热系统。如果一个供热系统，其非热
的一次能源在能量转换中除热能外还有非热的形式(如电、功等)出现，且牺牲所
出现的部分或全部非热能量用于汲取并溶入环境热或余热源热量后供给热用户，
则称为“可逆型供热系统”(reversible mode of heating system或thermodyna
mic heating system)。可逆型供热系统是绿色供暖(空调)系统的基础。
最典型的可逆型供热系统就是热电联产供热总能系统和热泵供热总能系统，
二者在技术实施上虽各有特点，但具有热力学的等价性，它们包括六个子系统，
即：燃料能释放与转移子系统、电量发生子系统、电能输配子系统、热量发生子
系统、热能输配子系统和热用户子系统。在这六个子系统中，对系统的目的(供热
)来说必不可少的子系统，如燃料释放与转移子系统、能量输配子系统、用户子系
统等称为“第一类子系统”，缺少了第一类子系统，系统的目的就不可能达到。
另一类子系统对达到系统的目的来说并非必不可少，它们的作用只是在于能提高
过程的可逆性或降低产品的成本，称为“第二类子系统”。所以由这六个子系统
组成的供热系统也可称为“一般化供热系统”，非可逆型供热系统可视为这一系
统的特例。
“可逆型供热系统”这一术语始见于世界著名的热学专家、现代节能理论的
先行者，德国的Behr，H.D.教授的著作［1］，作者发展了他的这一思想并对可逆
型供热系统作了更明确的界定。
2.3 “单耗分析”：绿色系统定量化界定的方法
2.3.1 “单耗分析”原理
各种多联产能量系统的产品单耗分摊历来是个棘手的问题，热电联产系统也
不例外［9］。作者1992年提出的“单耗分析”的理论和方法［4～10］是在现代
和经济学的基础上设计的，特点有四，一是它与当代许多经济学文献不同，只针
对总能系统定义单耗，消除了单耗的多义性；二是以一次能源消耗作为能耗指标
，从而把能耗与资源、环境联系起来；三是把煤耗和成本折算到用户处，即总能
系统的终端；四是结合用能周期的负荷持续曲线，计入了单耗的时空分布和总能
系统运行的动态性。把这一方法用于热、电单耗分摊，可突出分摊中的“客观实
在性”，把“人为规定性”减到最低限度［9］，因而使单耗指标具有科学性、统
一性和可比性，在可持续发展战略被世界上高度关注的今天，这类指标有被实际
采用的前景。
“单耗分析”认为单耗是由理论最低单耗和附加单耗构成，附加煤耗主要是
由总能系统中的每一子系统的不可逆性造成的，还有一些非主流的“额外附加煤
耗”，如为了机组启动所消耗的燃料和其它一些不可避免的燃料损失等。附加成
本主要是由总能系统中的每一子系统的投资折旧和附加煤耗等运行费用造成的，
还有一些非主流的由工资、福利、税金、经营管理等费用造成的“额外附加成本
”。设有n个子系统m个流，它们的联系矩阵为A，流的列向量为E，终端产品总为
P，则由平衡可通过下式定出n个子系统的附加单耗列向量b,c为：
b=[b1 b2……bn]τ＝bmin/PAE (3)
c=[cF1 cF2…cFn]τ＝cf bmin/PAE
用b0，c0表示额外附加单耗，用户终端处产品单耗为：
b=bmin+Σ0nb1 (4)
c=(cmin+Σ0ncFI)(1+ε)+Σ0ncZI (5)
上式中ε为环境治理税系数。
从“单耗分析”的观点，第二类子系统的作用是节能降耗，但其本身又消耗
燃料和费用，前者与后者的差值称为其“降耗效应”，等于在给定的工况下，某
第二类子系统被解裂所造成的单耗提高值，据此第Ⅰ子系统燃料的降耗效应β和
成本降耗效应θ分别为：
βI(τ)=(Δb)I-vanish (6)
θI(τ)=(Δcp)I-vanish (7)
其中角码I-vanish表示该子系统的消失或解裂。第二类子系统的降耗效应，也存
在着时空分布，这一分布对于理解可逆型供暖(空调)系统诸环节的必要性，对于
监控运行和指导优化设计都具有重要的作用。
2.3.2 “单耗分析”在供热系统中的应用
把“单耗分析”理论具体应用于供热系统，就得到了供热系统单耗分析模型
［7］：
bq=b0q+bmin q/ΠNI＝1ηI (8)
cq=(cF0 q+cmin q/ΠNI=1ηI)(1+ε)+Σn0cZIq (9)
从“单耗分析”理论导出的式(8)、式(9)具有明确的物理意义，对可逆型供热系
统的节能降耗具有指导价值。以式(8)而论，如不计额外附加煤耗，它的物理意义
就是EECR×b/Qr，即因供热而造成的供电量减少值与供电煤耗的乘积和用户实得
热量的比值。附加单耗在诸子系统间的分配，对于子系统I有：
bIq=(bmin q/ΠNJ＝I＋1ηJ)（1／ηI－1） (10)
cIq=(cfbmin q/ΠNJ＝I＋1ηJ)（1／ηI－1） (11)
其中，ηJ＝EoutJ/EinJ为子系统J的效率或指数，序号是从燃料能释放子系统向
用户子系统递增的，所以ηJ顺序代表ηb、ηW、εQ、ηQL、ηQD和ηUS
上述模型为不同类型供暖系统的对比提供了共同的基础。设环境温度为0 ℃
，热用户的室温要求为20 ℃，在用户处供回水温度分别为70 ℃和90 ℃，在一
定的原始数据下不计b0，根据式(8)可以算出不同供暖系统的煤耗：
锅炉供暖bq=34.12(1-273/293)/(0.147×0.301)＝52.8 kg/GJ
电热供暖bq=34.12［1-273/293］/［0.512×0.688×0.92×0.227×0.301］
=105.3 kg/GJ
热泵供暖bq=34.12［1-273/293］/［0.512×0.688×0.92×0.205］＝34.2
kg/GJ
热电联产供暖bq=34.12［1－273／293］／［0.512×0.688×1.5×0.789×0
.301］=18.6 kg/GJ
“单耗分析”在发电子系统和供热总能系统的应用，详见文献［17，18］
3 供暖总能系统子系统分析：深层次揭示大幅度节能降耗的现实可能性
3.1 发电厂子系统效率与“热端”可逆性
在供暖总能系统的六个子系统中，可以以热量发生子系统为中心，其上称为
“热端”，其下称为“冷端”。热端包括燃料能释放/转换子系统(如蒸汽电站中
的锅炉)和电量发生子系统。在研究热电联产时，时常把上述两个子系统的效率一
起考虑，从而得到发电厂子系统的效率。
ηbηW＝WΣ/(ΣEf) (12)
其中WΣ是在给定的Σ(Eout1－Ein1)下，机组不供热时的供电量，Eout1和Ein1为
工质在燃料能释放/转换子系统的出口与入口，Ef为燃料的化学和物理之和。
可逆型供热系统的单耗与非可逆型不可“同日而语”［15］，前者为单耗的
降低开辟了无比广阔的空间。热端可逆性是可逆型供热系统的必要条件。式(8)指
出，如不计额外附加单耗，同是可逆型系统，不同形式，容量及参数的机组的发
电厂子系统效率相差很多，如：6 MW机组约为22%；300 MW机组约35%；流体燃料
联合循环机组约55%。受其影响，低效机组系统的供热煤耗是高效机组系统的1.6
至2.5倍。热端可逆性对供热系统的重要性可见一斑。
对于发供电总能系统，热端可逆性的重要性已被广泛地认识，是多年来电力
工作者不懈追求的目标。对于供热总能系统，它的重要性虽也被经常提及，但多
数停留在能量平衡的基点上，对其战略上的极端重要性估计不足，所以在环境问
题如此紧迫的今天，可逆型供热系统中的热电联产系统仍是小机组统治的世界，
这一现状具有世界的性质，这就是可逆型供热系统的研究至今未提到应有地位的
原因。1997年12月在东京召开的联合国气候变化公约第三次缔约方会议上，不少
人认为《为了环境应减少电能的消费》，而国际能源机构却发表了IEA报告《电力
技术：步入21世纪和可持续发展未来的桥梁》。这一理应被专家早已明确的论点
在会上却被一些人认为是个新颖概念。
3.2 热量发生子系统
对热量发生子系统的深刻认识也至关重要。
在可逆型供热系统中，热量发生子系统指的是热电联产中的热网换热器或热
泵系统中的热泵机组。按定义热量发生子系统的指数。
εQ＝ER0/EECR (13)
其中：ER0代表该子系统出口处所给出的热。EECR(Equivalent Electricity Con
sumption Rate)是因供热而牺牲的供电量，它的定义是在发电厂子系统中燃料总
量、工质初参数和流量均给定的情况下不供热时的供电量WΣ与供热时供电量W之
差，即：
EECR＝WΣ-W (14)
热量发生子系统的指数εQ主要依变于子系统出口处的供回水温度TR0out、T
R0in和与之相应的EECR，如使用电动热泵供热，该指数就是热泵机组的效率，其
值总是小于1；但涉及热电联产时，其值有可能大于1，且依变于热网加热器传热
的端温差δtR0、供热抽汽管压损以及加热级数等。图1(a)是某热电联产系统中热
量发生子系统的指数。在计算中把注意力集中在εQ的变化规律上，暂不考虑机组
结构问题。从图中可以看出，热电联产系统中热量发生子系统的指数可能比1大出
许多，而指数的变化如不计额外附加煤耗对煤耗和运行成本有几乎是成反比例的
影响。明确这一点对我们客观冷静因地制宜地综合权衡热电联产这一传统技术和
热泵这一近年兴起的新技术有重要意义。
图1 热网加热器指数和“冷端”效率(略)
3.3 关于供热总能系统的“冷端”可逆性
供热总能系统的“冷端”包括热量输配子系统和用户子系统。设用户子系统
的入口为ER，则热量输配子系统的效率为：
ηQL＝ΕR／ER0 (15)
此效率取决于输热管道长度、单位长度的散热损失、载热介质平均温度和热量发
生子系统出口温程(temperature range)等，如图1(b)所示。
热用户子系统的效率ηUS示于图1(c)，它是用户实际得到的Er与ER之比：
ηUS＝Er／ER＝（Qr／QR）×［（1－T0／Tr）／（1－T0／
TR）］×［（1－εr）／（1+εR）］ （16）
其中εr和εR分别为用户子系统的用户侧和该子系统的热网侧流体输送功与热量
之比［2］。
从图1可以看出，对于供暖系统来说，通过提高“冷端”可逆性以大幅度节能
降耗有着巨大的潜力，而挖掘这一潜力的关键就是降低冷端的温度水平［16］，
其前提性条件就是提高用户子系统的效果，使用诸如风机盘管换热器、地板顶棚
换热器等的高效换热器，提倡使用直接热网，取消一次网与二次网之间的换热环
节。
蒸汽循环供电总能系统的冷端可逆性问题解决得较好。遗憾的是直到今天解
决供热总能系统冷端可逆性的技术措施远滞后于技术、经济的发展所提供的可能
性，更与对可持续发展的客观需求不相适应。
4 绿色供暖(空调)系统的界定
4.1 绿色供暖(空调)系统的基础性特征
综观上面的分析，参照式(8)式、(9)可以看出，六个子系统中每个子系统的
效率都有不小的潜力可以挖掘，且各子系统的效率/指数均以同等的力度影响着用
户终端煤耗、成本和向环境排放物的数值。据此，就现阶段而言不妨把“绿色供
暖(空调)系统”界定为如下的几条：
.它应是可逆型供热系统；
.“热端”可逆性较高
.“冷端”可逆性较高，尽量用低品位能量供应用户；
.直接式热网的热电联产供暖技术应得到充分发挥；
.可逆型供暖系统中的电能如也作热利用，应基于热泵原理，且具有结合地区
的有利纬度即气候条件、或能与地下水抽取/回灌技术和其它低温热源利用和余热
源利用技术相结合等条件；
.使用高效散热器一般应与空调系统结合，使用户处的高()效散热器有冬夏两
用的可能，同时降低制冷工况的一次能源消耗率，使“绿色系统”有经济活力。
4.2 进一步的要求
绿色供暖(空调)系统的界定标准不应是一成不变的，而应是动态的、发展的
。绿色供暖(空调)系统有广阔的发展余地，总的原则应是把上述基础性特征与其
它能改善环境相容性的措施多管齐下地加以实施，如：
.与先进动力机械与先进动力循环结合，使“热端”可逆性得到更大的提高；
.与燃用天然气、LNG或其它清洁燃料的使用相结合、与洁净燃烧技术结合(如
HAT燃烧方式)，降低所排放的有害物质量；
.与洁净煤技术结合(如煤的液化PFBC IGCC等)；
.与海水淡化等水资源技术结合；
.与垃圾处理技术和缓解资源、环境其它要素的技术相结合。
4.3 技术方案示例
绿色供暖(空调)系统的技术方案可以有多种，举例如下：
4.3.1 一个只提高“冷端”可逆性的方案
某市区工厂有一自备电厂，装有一台6 MW的凝汽式汽轮发电机组，供电煤耗
为每千瓦小时550 g标准煤。厂区附近生活水平已达到了应用供暖(空调)系统的阶
段。在此范围内，常年都有不低于10 ℃的地下水资源可供汲取热量后回注地下，
另有500吨/时35 ℃的余热水资源多处。根据所给的条件，用凝汽器兼作热网加热
器，把凝汽温度由原汽轮机额定的32 ℃提高为60 ℃，使得在锅炉投入煤量和蒸
汽初参数、蒸汽流量保持原汽轮机额定值不变的情况下，发电量由原来的6 MW减
为5.12 MW，即牺牲了0.88 MW的电力，但因此却赢得了14.88 MW的热功率供给附
近的热用户。按煤耗构成机理，根据式(8)，这部分热量煤耗仅为EECR×b/Qr＝标
准煤9 kg/GJ如无使用热泵的条件，可把多余电量上网，按目前通行的“好处归电
”的算法，其上网的供电煤耗为标准煤170 g/(kW.h)，比一般6 MW机组在额定进
汽量30×103 t／h下供暖时的联产供电煤耗(360 g/(kW.h)左右)降低了53%。这就
是提高“冷端”可逆性所带来的好处。但根据所给定的客观条件，可以通过电动
热泵把余热源和地下水中的热量利用起来。设500 t/h的余热源从35 ℃放热至25
℃时被排放，在这一温度下热泵COP值取为5，可得到热功率7 267 kW，需消耗电
功率1 453 kW。此时除厂用电外尚余下电力3 070 kW，用于汲取温度不低于10 ℃
的地下水热量，在这一温度下热泵的COP值取为3，相应的热功率为9 210 kW。利
用6 MW机组所得到的总热功率为14.88+7.27+9.21＝31.36 MW，综合的供暖煤耗为
标准煤26.6 kg/GJ，比一般6 MW机组的联产供暖煤耗(44 kg/GJ左右)降低了约40
%。可见提高供暖系统与环境的相容性的潜力很大，既具有技术可行性，也有经济
活力。
4.3.2 联合循环方案
燃用流体燃料的燃气-蒸汽联合循环已是国内外很流行的方案，仍以6 MW蒸汽
轮机为基础构成联合循环，其总功率可达22.8 MW，供电效率取50%。此时蒸汽底
循环以热电联产方式产生的热功率仍为14.88 MW，除欠供电力外尚余21.92 MW的
电力，燃料消耗量为5.6 t/h，如不使用热泵供暖，则供热的真实煤耗仅为3.6 k
g/GJ，如按“好处归电”法计算，则上网电的煤耗为标准煤158 g/(kW.h)。如仍
按上节指标用所余电力通过热泵供暖热功率79.79 MW，即把联合循环厂变为纯供
热厂，与底循环总计供热热功率为94.67 MW，且不再存在热、电分摊问题，供热
的标准煤耗为标准煤16.6 kg/GJ。
5 结论
只要能源结构是以煤和化石燃料为主，供暖系统的节能改进就必然是可持续
发展的一个重大问题。通过本文分析可以看出，大幅度地降低供暖总能系统向环
境排放的温室气体和其它有害环境物质总量不仅在理论上有充分依据，而且就世
界和我国的技术、经济发展阶段而言是可行的，有生命力的。文中对“绿色供暖
(空调)系统”作了界定，特别强调了充分运用热电联产形式和提高“冷端”可逆
性的重要性，并以现实可达且偏于保守的指标计算了两个技术方案。
计算表明，供暖的终端真实煤耗达到标准煤9～3.6 kg/GJ，具有技术的和经
济的现实可行性。按现行算法计算其上网电煤耗也可达到标准煤170～158 g/(kW
.h)，如果结合热泵的使用把热源厂转变为具有单一最终产品的供暖厂，则不再存
在热、电分摊一类的问题，供暖煤耗可达标准煤26.6～16.6 kg/GJ，具有这样指
标的供暖总能系统应无愧于“绿色”的称号。
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____ _ _ ___ _ ___ 苍天笑 纷纷世上潮 谁负谁胜出 天知晓
|_ /| \| | \ \/ \/ / 江山笑 烟雨遥 涛浪汹尽红尘俗世几多娇
/ /_| .` | _ \ _ / 清风笑 竟惹寂寥 豪情还剩了一襟晚照
/___||_|\_||_| \_/ \_/ 苍生笑 不再寂寥 豪情仍在痴痴笑笑
你说的是真的么？但是我不怀疑！
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