2012/01/05
經濟部能源局
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▓撰文：張育誠、吳國光、焦鴻文
區域冷暖供應系統（District Heating and Cooling System, DHC），係指藉由區域能源供應中心之設置，依據現場的實際需求，有效的提供給鄰近工廠、辦公大樓及住宅蒸汽、冷氣、暖氣、熱水等，此種系統可說是一種有效節能與二氧化碳減量的措施之一，可有效利用能源、提升整體的能源使用效率。目前國外地區已有超過40年的系統應用案例，並且藉由區域能源整合與系統有效率的運轉操作，已產生顯著的節能效果。
區域冷暖供應系統
區域冷暖供應系統依據國家氣候環境與使用需求，可分為供熱與供冷兩大方向，以區域供熱（District Heating, DH）而言，通常是以熱需求為主的國家，適合高人口密度及寒帶氣候的國家。如：美國、歐洲、俄羅斯等，同時區域供熱可以適用各種的燃料類型，燃料調度靈活性高，對於能源缺乏的國家可降低對進口燃料的依賴，並可保持穩定且具競爭力之供熱成本。一般而言，區域冷暖供應系統可以產生的效益包含：
一、減少對環境的污染和改善空氣品質：區域冷暖供應系統可視為一個完全受到控制的能源供應中心，雖然在冷暖供應的過程中，可能會使得周遭附近地區的空氣污染排放量增高，但是這些排放量都是受到控制的，相對於整體環境而言，將有助於整體污染排放濃度的減少。
二、透過更有效的使用能源，保護稀有自然資源，增加能源每單位焦耳的轉換效率：根據國際區域能源協會（IDEA）研究指出，使用新的區域冷暖系統，與現有區域能源中心的熱電聯產系統，將可減少能源消耗達1.6quads（1.6×1015）Btu，以美國而言，1996年的能源使用量大約100quads Btu，相當於到2020年時，可以減少二氧化碳排放量超過5,000萬公噸碳當量（MMTCE）。區域供熱最佳的方式，則是透過熱電聯產系統（Combined Heat and Power System, CHP）利用廢棄物取代石油和天然氣做為燃料進行燃燒。
三、穩定能源成本與供應：區域供熱中央系統（DH System Central Plants）將可以使用多種燃料，包括固體廢物、生質能與廢木材，比起石油或天然氣，更能穩定市場供應與價格，具備提供穩定機組全年運轉的可靠性。
四、建立未來區域冷暖供應的能源規劃和管理：政府與公用事業、工業、建築業業主與市民之間的合作，進行區域冷暖供應系統的安裝。利用政府與市民的合作結構，有效擴大系統規模。
五、增加建築物的空間：政府對於原先設置主機房之建築大樓給予建築面積之優惠，以及各項優惠稅制與獎勵措施。
區域冷暖電供應系統型式
一般而言，區域冷暖供應系統通常依據熱能的使用方式，可分為如下系統：
一、蒸汽系統
（一）純供熱能鍋爐（Heat-only Systems）：依據鍋爐設計壓力下，主要提供管網所需之蒸汽。
（二）汽電共生系統（Cogeneration System）或熱電聯產系統：汽電共生系統除了可提供蒸汽至區域供熱系統之外，並可將剩餘蒸汽予以發電，為最具燃料使用效率的一種系統。
（三）廢棄物能源化系統（Waste to Energy）：主要是藉由廢棄物集中處理，將所產生的熱能提供給區域供熱用，此種方式可有效減少初級能源使用。
二、熱水系統
（一）傳統的熱水系統（Conventional Hot Water Systems）：由專用鍋爐或是中央熱源供應進行熱水供應。
（二）混合系統（Hybrid Systems）：是藉由一個蒸汽系統產生蒸汽，再透過蒸汽系統中的熱交換器，以管網提供熱水。
（三）汽電共生系統或熱電聯產系統，其中汽電共生系統在蒸汽發電的過程中，所產生的餘熱，成為熱水供應源（如：美國Co-Op City與St. Paul）。
三、冷水系統
（一）於中央工廠以蒸汽驅動設備來產生冷水。
（二）於中央工廠以電力驅動設備來產生冷水。
國外技術發展趨勢
以目前國外區域冷暖電供應技術發展而言，除了一般的CHP＋DHC之外，主要是在建立大型概念性之技術示範廠（Large-scale Technology Demonstrations），以下則是目前國外區域冷暖供應技術發展中技術項次：
一、以再生能源為燃料之汽電共生系統與區域冷暖供應系統結合。
二、使用氣化再生能源燃料之汽電共生與區域冷暖供應系統結合。
三、不同規模之分散式CHP╱DHC系統。 四、整合熱、電產出與管網系統。
五、區域供暖系統與工業廢熱結合。
以加拿大為例
有關於國外技術發展現況，以加拿大塢邊綠（Dockside Green）社區最著名，它是北美第1個碳平衡社區。該社區位於不列顛哥倫比亞的維多利亞市，利用生質能源氣化區域供熱技術提供社區供應熱能，並且使用大量的環保材料與白金級LEED（Leadership in Energy and Environmental Design，領先能源與環境設計）設計出6公頃的填海造地海濱社區。同時以先進的氣化系統將當地的生質能源做為燃料，預計在2015年，將可供應26個單位（包含：住宅區、商業區、零售區、輕工業區）與2,500位居民，提供所有暖氣與生活用熱水需求。日後，隨著社區逐漸成長，也將CHP系統加入區域供熱系統中。
此外，2009年加拿大多倫多市政大樓，利用Enwave公司所發展的深層湖水冷卻系統（Deep Lake Water Cooling, DLWC），來供應大樓供冷需求。主要是利用安大略湖水深低於80公尺深處湖水為永久4℃的特性，同時此處水溫十分寒冷水中細菌含量極低，經過處理後適合家庭使用。深度83公尺的湖水經由幫浦抽出至污水處理廠，再藉由大型的熱交換器後，將可供應超過30個以上的大型鬧市區建築物之空調系統。深湖水冷卻系統是目前世界上最大區域供冷系統，此系統可以比傳統的空調減少約90％電力使用，並消除大量的二氧化碳與其他的空氣污染物，同時也可減少安裝空調設備、蒸發冷卻塔、大量的製冷劑與電網改裝。
加拿大Drake Landing於Okotoks小鎮建構太陽能社區，對其太陽能供熱系統的工作原理及利用土壤床做為儲能體進行大規模跨季節太陽能儲存的方法進行分析。其中，於社區車庫的屋頂連續設置798個太陽能集熱器（2,293平方公尺）進行熱量採集，將收集到的熱量通過社區管網輸送到能源中心及地下儲熱區（土壤床），提供社區室內暖氣，由於大多數的太陽能收集在夏季，能量需要存儲。能源中心設有120立方公尺短期熱量儲存箱（Short-term Thermal Storage Tank, STTS），以方便隨時使用。在陽光充足的春秋兩季，僅需使用短期熱量儲存箱中儲存的熱量即可滿足採暖要求，直接提供建築採暖用能。
而社區冬季時，則是以夏季儲存在土壤床中的熱量來滿足暖氣需求，此種土壤床又可稱為跨季能源儲存系統（Borehole Seasonal（long-term） Thermal Energy Storage System, BTTS），建構於地下共有144個能源儲存系統所組成的垂直式U型管土壤熱交換器（Single U-tube Heat Exchangers），深37m、直徑35m，每個能源儲存系統之間的間距為2m，可儲存約35～80℃的溫度。此外，在社區太陽能家用熱水系統（Domestic Hot Water, DHW）方面，則是由安裝在每棟住宅屋面的2塊太陽能集熱器提供，而該系統可滿足住戶60％的熱水需求，以及滿足90％供應社區暖氣需求；建構完成後每幢住宅每年可減排5公噸溫室氣體。
結語
區域冷暖供應系統，係將冷氣、熱水或蒸汽，經由分布在地下管溝之管網（Network Pipes）輸送至附近社區。而供熱中心可藉由燃油、廢棄物燃燒廠或蒸汽公用廠（Utility）所提供，通常這些熱能生產工廠皆是以汽電共生或熱電聯產系統為主。不但能源利用率可高達80％以上，同時可靈活調度燃料種類，除了是一種有效節能與二氧化碳減量的措施之外，對於能源缺乏的國家可降低對進口燃料的依賴，並可保持穩定且具競爭力之供熱成本。（作者任職於工研院綠能所）
關鍵字：區域冷暖供應系統,汽電共生,熱電系統,區域能源整合