芬兰集中供热技术与典型案例

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芬兰集中供热技术与典型案例

作者：张骐，郭伟杰，谷亚军
第一作者单位：河北华热工程设计有限公司
摘自《煤气与热力》2021年8月刊

1   芬兰集中供热技术

芬兰位于欧洲北部，国土面积的25%位于北极圈内，是欧洲最冷的国家之一。芬兰无油无煤，国内能源资源非常匮乏，能源消费依赖进口，能源供求矛盾十分突出。芬兰区域集中供热始于20世纪50年代，目前集中供热面积约3×108 m2。

1.1  燃料和热源形式

芬兰政府正致力于实现完全碳中和，并努力兑现《巴黎气候协定》的承诺。芬兰每年投入大量资金推动并实现能源领域放弃燃煤使用，削减进口石油使用量，鼓励利用可再生能源。芬兰统计局数据显示，在供热能源结构中，近10年来生物质燃料的占比成倍增长，碳排放量下降了26%。

芬兰区域供热占主导地位，区域供热热源约70%为热电联供，主要燃料有生物质燃料、泥炭、天然气、煤。2018年可再生能源占比36%，煤炭占比20%。2020年可再生能源占比43%，煤炭占比11%。独栋建筑主要采用小型燃油、电供热锅炉，一些老式建筑采用壁炉燃用木材供暖，一些独栋建筑采用以工业余热、中深层土壤为低温热源的热泵机组供暖。而我国热源形式主要有燃煤热电联供、燃气热电联供、燃煤锅炉、燃气锅炉，燃气供暖热水炉、电供热、可再生能源供热、工业余热供热比例比较小。

1.2  能源模式

在芬兰，通常由一家运营商负责城市级别的热源和热网管理工作，热源形式包括热电联供、锅炉、热泵、工业余热，运营商可根据热源信用顺序、燃料成本和最小化使用化石燃料的原则依次启动热源，能够比较精准地调节热源的供应量。此外，楼宇热力站也大幅降低了热力失调程度。因此，芬兰供热系统的热损失比较低。而在我国，大多数热电联供供热系统的热源、热网分别由电厂和热力公司管理，供热系统多为单一热源，因此供热系统的优化设计和高效运行管理难以保证。由于热力失调，加之用户缺乏调控手段，过热用户只能通过开窗散热，形成较大的热损失。

芬兰能源模式中包含以下重要因素：生活热水、多热源联网和环状管网、低回水温度、最佳水温、楼宇热力站和水管理。

①生活热水

芬兰在进行区域供热的同时还提供生活热水，供热热水、生活热水由楼宇热力站统一供应。生活热水的使用降低了供热系统的回水温度，降低了热网散热损失，有利于烟气冷凝热和其他类型余热的回收。生活热水全年运行，管道全年处于热态，延长了管网使用寿命。

楼宇热力站工艺流程见图1。一级管网供水部分进入供暖板式换热器，加热二级管网回水后经电动调节阀1进入生活热水板式换热器加热生活热水回水，然后作为一级管网回水回到热源。另一部分一级管网供水经电动调节阀2直接进入生活热水板式换热器加热生活热水回水，然后作为一级管网回水回到热源。蓄热水箱低温水（生活热水回水）经生活热水板式换热器加热后作为生活热水供水进入蓄热水箱。现场控制器以室内温度、生活热水供水温度为控制目标，通过调节电动调节阀1、2的相对开度，使室内温度、生活热水供水温度分别保持在20~22 ℃、55~50 ℃。

图1   楼宇热力站工艺流程

②多热源联网和环状管网

在芬兰，区域供热中的热源可按信用顺序操作，并使燃料成本和化石燃料的使用量最小化。热源可相互备用，1个热源因任何原因退出，其他热源可立刻替代。芬兰热源的供热能力至少有20%的富裕量，可比较从容应对用户热负荷的增长。热网互相联通形成环状，提高了热网运行可靠性、事故备用性。

在我国，每座城市有多家热力公司，每家热力公司有自己的热源（或者从电厂趸购热量）和热网。热源能力与用户需求基本相等，几乎没有富裕量，成环管网也比较少，不能实现热源高效运行、互为保障和合理用能。

③低回水温度

芬兰逐步降低热网的回水温度，有的城市回水温度为40 ℃。低回水温度有利于采用新的热源并以经济的方式输送到热网，如空调系统冷凝热、锅炉烟气余热、工业过程余热、热泵、季节性储热，甚至是用户侧太阳能设施富余热量。

④最佳水温

芬兰热网的温度水平比较低，安装时采用预热无补偿安装方式，大幅降低了管道的应力和应力腐蚀，良好的水质减小了管道内腐蚀，进而降低维护成本，提高了管道使用寿命。在芬兰，供热管道的期望使用寿命大于50 a，有的管道已经使用了60 a，仍在安全运行，每年仅更换0.5%左右的管网。在我国，服役10 a以上的供热管道就已经腐蚀严重，主要集中在二级管网。

⑤楼宇热力站和水管理

楼宇热力站对于提高能源效率和居住舒适性具有明显优势。传统区域热力站同时供应多座建筑，以满足最不利用户的需要为目标，易导致部分用户过热。楼宇热力站可以根据单座建筑的用热特点、供热需求及时调整运行参数，针对性强、调节灵敏、反应快。

芬兰对供热水质非常重视，优良的水质保证了管网长久的使用寿命，同时也减少了管网失水量，失水量约为循环量的0.08%。在我国，供热水质尤其二级管网水质一直未得到重视，导致二级管网腐蚀严重，管网失水量很大，一般为循环量的1%~3%。

1.3  热费

芬兰区域供热热费由3部分组成：联网费、基础费、能源消耗费。联网费是一次性费用，基础费和能源消耗费根据每年的物价、能源价格、增值税等变化。2019年，芬兰区域供热平均热价为81.38欧元/（MW·h），其中平均基础费价格为20.18欧元/（MW·h），平均能源消耗费价格为61.2欧元/（MW·h），1年中能源消耗费价格处于变化状态。芬兰区域供热热价是欧洲最低的，但供热企业仍可平均达到10%以上的利润率。

2   典型案例

①芬兰普兰诺拉有限公司

普兰诺拉有限公司成立于1987年，在能源工程咨询设计领域和能源管理等方面拥有丰富的经验。业务涉及热源、管网、能源规划等，客户来自俄罗斯、中国及欧洲、东亚等国。

普兰诺拉有限公司设计了芬兰约50%区域供热、供冷系统，并为80%的供热、供冷系统提供了优化节能咨询服务。公司自建的云平台，接入了芬兰大部分区域供热、供冷系统，拥有丰富的数据信息。公司设计的赫尔辛基区域供冷、供热系统荣获3项国际大奖：2008年欧盟颁发的“区域供热、制冷和热电联供最佳实用技术奖”，2009年国际能源署IEA颁发的“减缓气候变化优秀解决方案奖”，2011年欧洲热电（Euroheat&Power）及IEA颁发的“最佳区域制冷系统奖”。

普兰诺拉有限公司于2018年5月与浙江盾安节能长垣热力有限公司在长垣合作建立了“中芬第四代供热技术转化和试验示范基地”，在龙首苑住宅区、职专南校区建设了26座楼宇热力站、小区庭院管网、楼内立管、户内供暖管道及设施。普兰诺拉有限公司主要负责楼宇热力站换热机组选型、热力站设计、小区庭院管网设计，并提出施工、调试技术要求等。运行1个供暖期后，经测算，热指标从0.36 GJ/m2降至0.31 GJ/m2。2019年4月，与河北华热工程设计有限公司成立了国内首家“中芬供热技术合作中心”，双方将在能源领域开展多方面合作，主要包括创建和推进可再生能源和供热、制冷领域试点项目，推广普兰诺拉有限公司在芬兰能源系统可持续性及可靠运行方面的模式等。普兰诺拉有限公司自主开发的热网优化软件将数据分析、筛选、数据库及水力计算等融于一体，为能源用户提供全方位的解决方案。进行水力平衡计算后，可根据供热大数据，校正管网数字孪生模型，使之与实际运行更吻合，从而使制定的优化方案更加有效。

此外，普兰诺拉有限公司还为热力公司提供了一套完整的数据库软件，可以把热力公司的原始资料和数据以及后期进行维修、改造的记录和现场影视资料记录并保存，保证了热力公司资料的完整性，为后期改造、扩容提供准确的原始资料。

②拉脱维亚里加市热力公司

拉脱维亚里加市的案例是一个非常成功的应用芬兰供热模式的案例，楼宇热力站在改善热力失调、减小补水量方面发挥了重要的作用。

里加市区人口71×104 人，面积304 km2，热网长度800 km，供暖楼栋8 100栋，供热量312×104 MW·h/a。为了配合供热系统升级改造，政府于1996年成立了里加热力公司。1997年，里加热力公司为8 100栋供暖楼栋安装了热量表，并开始实施楼宇热力站替代区域热力站的工作。1997—2001年，建设的楼宇热力站涉及总供热量的46%，改造管网135 km，取消了22座低效率的区域锅炉房，在热网最远端建设了调峰锅炉房，建立了先进的热网监控系统。截至2014年，完成了楼宇热力站全部替代区域热力站工作，管网改造381 km。改造后，管网热损失下降63.2%，补水量下降93.3%，员工从1 894人减少至634人。

3   结语

芬兰集中供热历史悠久、技术先进、自动化水平高、市场成熟，形成了完整、系统、高效、低碳的能源模式。我国集中供热近年来发展迅速，虽然供热技术、供热设备、自动化水平、人员素质都有了很大提高，但是由于体制、机制、理念等问题，与芬兰还存在一些差距。多热源联网和环状管网、楼宇热力站、数据库建立等方面值得我国借鉴。