2012/07/05
經濟部能源局
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▓撰文：張育誠、吳國光、焦鴻文
芬蘭是一個具有高度區域能源整合的國家，為抑制溫室效應，該國於1990年首先課徵二氧化碳稅。當地政府認定汽電共生系統（區域能源載具）及再生能源技術的應用，是最符合環保與具經濟效益的，因此也以退稅方式予以鼓勵系統建制與技術應用。在芬蘭約有50％的家庭暖氣來自於區域供熱網，主要是因為受到當地氣候冬長夏短的影響，但當地除了民生供暖基本需求之外，夏季期間對於冷房需求量逐漸增高。本文針對芬蘭赫爾辛基市主要的區域能源（供熱與供冷）供應現況，進行介紹與說明。
芬蘭區域能源供應概況
芬蘭首都是位於北緯60°且全世界最北的港口城市赫爾辛基，人口總數超過50萬人，氣候條件為典型的大陸型氣候（冬冷夏熱），而且冬季長夏季短，有很特殊的極晝極夜自然現象，因此不僅住宅室內熱（暖）氣幾乎全年供應，還有大約三分之一的熱需求是來自生活熱水。儘管該地夏季短暫，但是赫爾辛基仍對市內建築物進行冷能需求最佳化設計，以便滿足暑假期間市民對於冷氣的需求。
由於汽電共生系統（Combined Heat and Power, CHP；Cogeneration）的能源使用效率遠高於傳統發電機組，因此，各國針對此一有效率機組的發展，無不規劃出短、中、長期的發展目標。國外汽電共生系統因國情、區域特性或能源價格等因素，而有不同程度的發展。以芬蘭而言，國內汽電共生系統的裝置容量占該國總發電裝置容量比例約達35％。因此，自1953年以來，赫爾辛基就已經藉由汽電共生系統來提供區域供熱，同時於1998年，赫爾辛基能源公司（Helsinki Energy）也已經成功的整合冷能於區域能源供應系統中，這樣的高效率系統區域供熱供冷整合技術已由歐盟列入最佳可行技術（Best Available Technology, BAT）。
Helsinki Energy隸屬於當地市政府，為芬蘭境內最大的能源供應公司，同時也是歐洲供熱主要公司之一。該公司供應芬蘭境內40萬個住宅與公司的用電，於都會區供熱普及率達93％以上。
首都赫爾辛基的區域供熱系統
Helsinki Energy每年可供應6,800GWh的熱量給境內13,600用戶。同時區域供熱給都會區建築物容積超過170,000,000立方公尺，建築物樓板面積超過60,000,000平方公尺，供熱類型為58％單體住宅、13％辦公場所、5％工廠、5％聯排式住宅、8％公共建築、3％營業場所、2％獨棟住宅、6％其他等（詳圖1），總供熱裝置容量達3,350MW。
目前，赫爾辛基能源公司的區域供熱管網總長度為1,350公里，且每年約可增加35公里的新供熱管網，此外約有55公里的主要管道（詳圖2），位於地面下40～70公尺的能源隧道（Energy Tunnel），每年的管網熱損失約6％。此外，赫爾辛基區域供冷於都會區也是使用相同管道，但是考量夏季海水溫度較高，僅能以吸收式製冷廠供應冷能，因此會有管網供冷臨時跳機或中斷，但全年中斷時間低於3小時。假設需要進行大規模（95％）的停止供熱或供冷時，則會在2至5天前通知用戶。
區域供熱對於赫爾辛基市所帶來的優點包含：維護性、可用性與環保性，對於該市的用戶而言是最佳的選擇，只要是境內的建築物與供熱管網連結，所有的用戶皆可享有可靠且環保的生活供熱服務。而Helsinki Energy之所以能夠提供全方位的供熱服務，主要是透過以下3方面的平衡操作達到共生共利與永續經營：
一、提供可靠且充足的分散式能源供應。
二、供熱系統不影響環境；減少氣候變遷。
三、適當的能量；提供穩定且有競爭力的價格。
赫爾辛基能源主要是藉由位於Vuosaari、Hanasaari與Salmisaari等地，4個大型的汽電共生廠進行區域能源熱能的提供，此外，還透過10組蒸汽鍋爐與1座熱泵廠做為尖峰與備用期間供熱之用。圖3所示為Vuosaari燃氣汽電共生A廠與B廠，主要採用天然氣做為燃料，輸出電力為630MW，可產熱580MW，鍋爐效率達94％。又刊頭圖所示為Salmisaari燃煤汽電共生廠，可輸出電力為230MW，可產熱420MW，鍋爐效率達86％。根據2008年統計，赫爾辛基能源公司的區域供熱所使用的燃料分別為：天然氣占60％、燃料煤35％、熱泵3％與燃料油2％。
赫爾辛基的區域供冷系統
赫爾辛基的區域供冷，主要是利用冷水透過管網將冷能傳遞至用戶端。區域供冷可以解決各式各樣建築物的冷房需求，例如：旅館、辦公室、購物中心、單體住宅等，既有與新建的建築體，皆可藉由連結管網來提供區域供冷。因此區域供冷系統幾乎可適用於各種密集都會建築的冷房需求。以該城市的區域供冷而言，主要目的在於盡量利用地區性資源，不要讓這些資源閒置或浪費為最高原則。
在赫爾辛基，區域供冷是藉由四周無盡的冷海水做為冷卻能源，一般稱此種方式為自由冷卻（Free Cooling）或自然冷卻（Natural Cooling）。自然冷卻過程非常簡單，僅是利用熱交換器與泵浦等元件，不需其他複雜設備即可。於2000年前，赫爾辛基能源開始提供區域供冷，現今區域供冷裝置容量達約100MW，預計2020年可成長至250MW。赫爾辛基的供冷系統為歐洲第3大，僅次於巴黎與斯德哥爾摩。每年赫爾辛基的自然冷卻期大約有6個月，其中有三分之一的冷能是提供給區域供冷使用，但也由於自然冷卻來源是100％可再生的能源並且無須使用二次能源，因此不會造成環境的衝擊。鑑此，全球有許多主要的城市都具備地區性資源，應該可以善加利用，提供給高效率的區域供冷系統。
在暑假期間，海水無法提供自然冷卻時，冷能主要是藉由吸收式製冷廠（Absorption Cooling Plants）提供，而吸收式製冷廠的燃料主要是來自於發電廠、工廠所產製的廢熱。在夏季裡赫爾辛基有一半的冷能是來自於吸收式製冷，吸收式製冷能源雖然非再生能源，但它所使用的能源是來自工廠的廢熱，利用廢熱產製冷能，無須投入額外燃料。以整體能源效率而言，吸收廢熱做為燃料是非常環保與經濟的，但如果僅單純考量製冷效率，則吸收式製冷設備效率較低。由於該城市還具備另外一種製冷選擇為熱泵技術，與吸收式相較之下，熱泵在區域供熱與供冷之過程中更有效率。在赫爾辛基擁有世界上最大熱泵聯產廠（Combined Production Heat Pump Plant），主要是利用海水與清潔後污水進行區域供熱與供冷，系統整體COP（性能係數）值達5.0以上。
結語
區域供冷是一種最佳的城市能源生態效益，主要原因為區域供冷將城市能源或資源（冷海水、廢熱、污水等）有效的再利用，使得這些可能成為污染物的資源不至於浪費。此外，區域供冷系統的環境效益並不侷限於能源效率與二氧化碳排放，也避免使用有害的製冷劑與氟氯化碳化合物。最後，區域供冷在密集度高的都市裡，可創造一個無噪音與更舒適人民生活環境。（作者任職於工研院綠能所╱參考文獻：District Heating Handbook, fourth edition, 1983, published by The International District Heating Association （IDEA）.、Marko Riipinen, Niko Wirgentius, DHC in Helsinki, Helsinki Energy, 2008.）
芬蘭國內汽電共生系統的裝置容量，占該國總發電裝置容量比例約達35％。
關鍵字：區域能源整合,汽電冷三項共生,能源隧道,城市能源生態效益