隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)帶來的人口聚集和社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水量持續(xù)增加，導(dǎo)致我國北方沿海地區(qū)淡水資源愈發(fā)匱乏。
目前，海水淡化是解決淡水資源短缺的主要途徑。然而，由于節(jié)能和低碳發(fā)展的要求，使得我國很難通過大規(guī)模蒸餾法進行海水淡化。
對此，清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心提出“水熱聯(lián)供”的概念，即利用北方東部沿海地區(qū)火電與核電余熱為動力，采用新的蒸餾方式，將海水制取為溫度為100℃~120℃的熱淡水。
這些熱淡水可通過單管長途輸送，不僅能用于建筑供暖，還能在終端分離出常溫淡水，滿足城市淡水的需求。
“由于該技術(shù)消耗的余熱量與供熱熱量相同，所以實現(xiàn)了零能耗海水淡化。”
中國工程院院士、清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主任江億告訴《中國科學(xué)報》，從連云港到大連沿海地區(qū)的1億千瓦火電和核電，可滿足這一地區(qū)40億平方米建筑冬季供熱需求，占我國北方城鎮(zhèn)未來供熱建筑總量的四分之一;在供暖期產(chǎn)生的35億噸淡水，還能滿足這一地區(qū)20%的淡水供應(yīng)需求。
不久前，清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心針對水熱聯(lián)供組織了一場專家研討會。
會上，中國工程院院士張建云、王浩、馬軍等專家一致認為，我國沿海城市基本均為缺水城市，水熱聯(lián)供項目可有效利用沿海火電和核電余熱，并開辟出非常規(guī)水資源，對節(jié)能減排、低碳發(fā)展、提高供水安全性、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展都有重要作用。
北方沿海地區(qū)供水供能困境
上世紀八九十年代，為了滿足日益增長的水需求，超采地下水導(dǎo)致一些地區(qū)地下水位持續(xù)下降，生態(tài)環(huán)境遭受不同程度的破壞。
進入本世紀，南水北調(diào)、引黃濟冀等工程使得地下水超采有所緩解，但江億認為，完全依靠調(diào)水并不能實現(xiàn)淡水供應(yīng)的長治久安，只有多源頭供水才能有效應(yīng)對各種自然和人為災(zāi)害導(dǎo)致的供水安全問題。
當(dāng)前，全球很多缺水地區(qū)都把海水淡化作為解決水資源不足問題的重要途徑。在中東地區(qū)，海水淡化占其淡水來源的40%以上。然而，我國海水淡化提供的淡水量還不足南水北調(diào)的2%。
“原因之一就是，我國沿海海水中硼含量較高，采用膜分離法很難去除這些有害成分，所制備的淡水無法滿足生活用水，尤其是飲用水的要求。”江億告訴記者，若采用真空加熱蒸餾的方法制取蒸餾水，雖然可有效去除海水中各類有害物質(zhì)，得到高質(zhì)量淡水，但卻需要消耗大量熱能，也難以滿足國內(nèi)低碳發(fā)展的要求。
實際上，在我國北方東部沿海地區(qū)，從吉林丹東沿渤海、黃海至連云港，布滿了核電和火電。
這些發(fā)電廠通過海水冷卻方式在生產(chǎn)8000萬千瓦電力的同時，也向海水排放了超過12000萬千瓦的低品位余熱量。僅有部分電廠在冬季回收其排放的余熱，為周邊城鎮(zhèn)建筑供暖。
不過，江億表示，由于熱量輸送的經(jīng)濟距離為50~80公里，而北方東部沿海地區(qū)的很多電廠，尤其是核電廠，大多與建筑密集的城鎮(zhèn)距離超過100~150公里，因此就很難利用這些電廠的余熱在冬季為遠距離的城鎮(zhèn)供熱。
水熱聯(lián)供的創(chuàng)新
三年前，清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心就提出“水熱聯(lián)供”的概念。該技術(shù)主要由水熱聯(lián)產(chǎn)、水熱同送、水熱分離三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)構(gòu)成。
水熱聯(lián)產(chǎn)是利用核電廠或火電廠發(fā)電后的蒸汽余熱，通過蒸餾方式用海水制備熱淡水。
江億給出的數(shù)據(jù)顯示，1兆瓦130℃蒸汽余熱可制備7.5噸/時的120℃熱淡水;一臺30萬千瓦燃煤火電機組產(chǎn)生的余熱，可以把6000噸/時3%鹽分、5℃的海水分離為2300噸、溫度為120℃的熱淡水和3700噸、鹽分約為5%、溫度為8℃的濃海水。
水熱同送，即利用單管實現(xiàn)長途輸送熱淡水，其功能相當(dāng)于通過循環(huán)水輸送熱量的兩根熱水管道和一根輸送常溫淡水的管道。
“三管變一管，管道初投資可降低到原來的一半以下，驅(qū)動水泵的耗電量則降低到原來的1/3。這樣一來，輸送熱量的經(jīng)濟距離就從原來的50~80公里增加到150~200公里。”江億說，我國北方東部沿海地區(qū)大型、超大型城市，與附近沿海的核電或火電廠的距離，正好處于這一范圍之內(nèi)。
水熱分離，即在城市熱網(wǎng)接入處通過換熱器把熱淡水的熱量傳遞給城市集中供熱網(wǎng)的循環(huán)水。
據(jù)江億介紹，城市熱網(wǎng)循環(huán)水供回水溫度為115/40℃時，淡水溫度通過換熱后可降低到45℃。
此時，再通過電動熱泵進一步把淡水溫度降低到10℃~15℃，所獲取的熱量同樣可以作為供熱熱源。若城市熱網(wǎng)采用了低回水溫度技術(shù)，供回水溫度為115/15℃的話，則在城市熱網(wǎng)接入處直接換熱就可以把淡水溫度降低到20℃。
通過安裝少量熱泵，還可進一步把水溫降低到10~15℃，從而再多提取10%的熱量。
江億告訴記者，若進入系統(tǒng)的海水溫度為5℃，排出的濃海水為8℃，最終在城市終端輸出的淡水溫度是10℃，則系統(tǒng)的熱效率為92%，同時在水熱分離處熱泵還要消耗總熱量3%左右的電力。
這就意味著，系統(tǒng)的用能水平與常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)相當(dāng)。如果所消耗的熱能全部計入供暖能耗的話，則相當(dāng)于實現(xiàn)了零能耗的蒸餾法海水淡化。
社會和經(jīng)濟效益顯著
在我國北方東部沿海長達1500公里的海岸線上，目前已建成裝機容量為8000萬千瓦的核電和火電。
根據(jù)規(guī)劃，未來將建成約1億千瓦的核電和調(diào)峰火電。如果全部按照水熱聯(lián)供方式回收這些電廠的發(fā)電余熱，則可形成1.2億千瓦的供熱能力和日產(chǎn)淡水2246萬噸/日的海水淡化能力。
需要強調(diào)的是，“海水淡化盡管是利用核電余熱，但核島熱量是在其輸出后又經(jīng)過三個換熱環(huán)節(jié)才接觸到所處理的海水，且海水側(cè)接近真空態(tài)的低壓，因此，即使在事故狀況下，也不會對所制備的淡水造成任何放射性污染。”江億說。
從節(jié)能減排的角度，根據(jù)初步分析計算，大規(guī)模推廣水熱聯(lián)供技術(shù)，每年可減少二氧化碳排放1.7億噸，接近我國目前化石能源燃燒所造成的二氧化碳排放總量的2%。
同時，每提供1兆瓦的熱量對應(yīng)的電耗不到200千瓦時，遠低于采用各類熱泵時的電耗。
1.2億千瓦的熱量就可以為40億平方米建筑提供冬季供暖的基礎(chǔ)負荷，基本滿足這一地區(qū)城鎮(zhèn)建筑供暖的需要。
而從投資成本的角度來講，水熱聯(lián)供的供熱能耗和熱電聯(lián)產(chǎn)相同，初投資與熱法海水淡化制水相同，制水相當(dāng)于零能耗。即使把輸送成本全部攤?cè)胼敓幔疅嵬洼敓岢杀疽脖葌鹘y(tǒng)長輸供熱低40%。
北方沿海地區(qū)若實施水熱聯(lián)供項目，總投資約6700億元，其中裝備投資4200億元(主要是鋼鐵材料，可消納鋼鐵過剩產(chǎn)能)，土建安裝投資1500億元。
與會專家一致認為，項目的實施，不僅可作為經(jīng)濟內(nèi)循環(huán)的新增長點，也將成為擴大有效投資、拉動就業(yè)、保障國計民生的重要舉措。
目前水熱聯(lián)供技術(shù)已經(jīng)具備示范條件，為促進該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，張建云等人建議，該項目應(yīng)作為疫情后的“新基建”內(nèi)容列入國家相關(guān)計劃，“十四五”期間盡快建成1個示范項目，以示范工程拉動工程技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，并進一步在北方沿海地區(qū)推廣建成2~3個重點工程，到2035年全面實現(xiàn)北方沿海城市35億噸水資源供應(yīng)和40億平方米的建筑清潔供熱。
此外，專家們還建議由科技部、國家發(fā)展改革委等部委牽頭，設(shè)立國家科技重大專項，針對技術(shù)實施的關(guān)鍵問題展開聯(lián)合科研攻關(guān)，推動示范項目，促進技術(shù)推廣。
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