低碳供熱路在何方？

鄭忠海

2016年中央財經領導小組第十四次會議召開之來，我國北方地區的冬季清潔取暖工作取得重大進展，清潔供熱成效明顯。隨著我國碳達峰、碳中和目標的提出，我國供熱行業也由清潔供熱時代步入低碳供熱發展新時代。下面，筆者就我國如何實現低碳供熱談談個人看法。

我國北方城鎮供熱及碳排放情況

當前，我國北方城鎮已擁有147億平方米的供熱規模，供熱管網總長度達幾十萬公里。能源類型以煤為主，占比約80%，在結構上呈現以燃煤（燃氣）熱電聯產為主（占比約50%）、燃煤（燃氣）區域鍋爐房為輔（占比約45%）、其他方式為補充（占比約5%）的格局。

經測算，目前北方城鎮年運行能耗約2.12億噸標準煤（不包含熱電聯產的發電煤耗），用電量約571億度，一次能耗強度為14.4公斤標準煤/平方米，年排放約5.5億噸二氧化碳，碳排放強度為37.3公斤二氧化碳/平方米。通常情況下，煤的排放因子為2.66公斤二氧化碳/公斤標準煤，天然氣的排放因子為2.16公斤二氧化碳/標準立方米天然氣，電力間接排放因子取0.553公斤二氧化碳/度電。

上述碳排放量，是我國近20年在供熱行業推動節能減排所取得的來之不易的成果。據相關研究統計，我國北方城鎮建筑供熱面積從2001年50億平方米增長到147億平方米，增加了將近2倍，而能耗總量增加不到1倍?？偨Y其主要原因：一是建筑保溫水平大幅提高；二是熱源及供熱系統效率明顯提高；三是冬季清潔采暖工作成效顯著，實施高效熱電聯產和區域燃煤鍋爐“上大壓小”替代工作，燃氣供熱比例增加，水源、地源、空氣源熱泵，工業余熱、生物質、太陽能等可再生能源逐步得到應用。

除北方城鎮供熱外，北方農村采暖的能耗和碳排放也不容忽視。據相關研究測算，北方農宅冬季采暖能耗占北方農村地區生活用能50%以上，年采暖能耗1億多噸標準煤，其中煤炭約合7800萬噸標準煤，生物質約合2600萬噸標準煤，年排放約2.1億噸二氧化碳。同時，南方地區如長三角冬冷夏熱地區的近百億平方米建筑尚有取暖需求。隨著城鎮化步伐加快，未來10年城鎮供熱面積仍將大幅增加。

綜上所述，現階段以燃煤資源稟賦為主的大中型集中供熱，是滿足我國幾百萬至上千萬平方米供熱規模的小城市、幾千萬至上億平方米供熱規模的中等城市、幾億以上平方米供熱規模的大城市供熱的主要方式?！扒С且幻妗钡墓嵯到y，帶來的是“高碳鎖定”。供熱“存量”的低碳轉型和“增量”的低碳供熱任務艱巨，低碳供熱能否用得上、用得起、用得好，這都給政府、企業、行業、產業、百姓帶來巨大壓力和挑戰。

低碳供熱的關鍵是熱源替代問題

燃煤熱電機組能效是燃煤鍋爐的2倍，燃煤熱電聯產替代燃煤鍋爐是節能減排降碳的一個途徑。但從另一角度看，燃煤熱電聯產全年發電和冬季供熱的總燃煤量也是燃煤鍋爐的2倍。

例如：單臺300兆瓦熱電聯產機組，供熱能力約1000萬平方米，冬季熱電和全年發電的耗煤總量約40萬噸標準煤，若采用燃煤鍋爐耗量不到20萬噸標準煤。同樣是 1000萬平方米供熱規模，燃氣鍋爐消耗1億立方米天然氣，而2臺9F級燃氣-蒸汽聯合循環機組全年耗氣量約5億立方米，熱電比低、能效高的燃氣電廠還多產生了高品質的能源——電。因此，從碳排放總量角度來看，熱電聯產供熱的碳排放量僅為冬季供熱燃煤鍋爐的一半，但電廠全年碳排放總量卻大幅增加。化石能源在高效利用的同時，也會產生資源大量消耗和環境影響的負面問題。

對于單純的“煤改氣”項目來說，燃氣鍋爐熱效率為90%，燃煤鍋爐熱效率為80%，燃氣碳排放因子約為燃煤的60%，采取燃氣鍋爐替代燃煤鍋爐進行“煤改氣”，考慮到天然氣能質是煤的1.5倍（燃氣發電效率可達60%，燃煤發電效率40%），減碳效果十分有限。通常情況下，燃氣鍋爐房和集中供熱管網相聯，集中供熱管網的跑冒滴漏、不平衡和過量供熱等問題，使原本靈活性較強的燃氣供熱失去了優勢，由此看來，純粹的“煤改氣”無法達到減碳目的。

城鎮集中供熱具有熱源能效高和管理效能高雙重優勢，但在熱源、一次熱網、熱力站、二次熱網和樓宇用戶整個系統各環節中顯現出很多“舊弊病”，出現諸多“新問題”。

一是管網系統規模大，運營日益復雜化，多熱源聯網、環網，多級泵站以及長輸管網、隔壓站出現的多級網結構，可能導致管網拓撲結構設計和運營不合理。

二是用戶無法調控，存在開窗降溫現象，老舊建筑、公建住宅多類型用戶、二次網樓宇間的水力不平衡，導致過量供熱，也使一次網熱力站之間的平衡調節“失效”。同時，節能建筑和低能耗建筑的增量需求，使集中熱網“路上”熱量輸配不均勻損失、保溫損失和輸送電耗等占能耗和成本比例上升，抵消了集中供熱的優勢。

三是集中供熱初始投資大，投資超前或過剩，甚至與一些可再生能源供熱相當。

四是供熱系統作為城市能源基礎設施生命線之一，相比電力系統、燃氣系統，管理相對粗放，管網基礎設施多數建在地下，數據信息處于“盲區”。供熱系統普遍缺乏完善的室內溫控、末端分戶調節裝置、樓宇和熱力站智能調控計量裝置。多數熱力企業無法全面智能化、一體化地高效運行調度和優化控制。

基于上述分析，筆者認為低碳供熱的首要問題是解決“存量”的百億平方米的集中供熱何去何從問題，尤其要解決現存熱源低碳轉型問題，或者說必須找到與現有集中供熱系統對接得上的低碳熱源。北方城市熱電比高，在現有熱電聯產+調峰鍋爐模式基礎上，仍需要額外的低碳熱源，以集中供熱為主的格局是否合理，應該給予低碳供熱什么發展空間，這些問題都值得思索。

未來可再生能源發電比例將大幅增加，電力將越來越清潔低碳。電力高效供熱方式是以可再生能源電力為驅動，利用熱泵技術回收自然低品位熱量（空氣源、污水源、地表水源、淺層100米地熱能）用于供熱的方式將得到進一步發展。中深層地熱（2000至4000米）無干擾井下換熱結合熱泵的供熱技術，也將逐步成熟起來。然而，低品位熱量資源自身的特點決定了電動熱泵供熱方式更適宜分布式、分散供熱，為確保熱泵高效，低溫供熱、高溫制冷模式更適合，且低溫側和高溫側輸送溫差一般為5至20攝氏度，無法規?；⑦h距離輸送，且系統的初始投資大，運行費用受電價影響大，其經濟性在多數情況下與燃氣供熱相當（60至100元/吉焦熱量），一時難以和燃煤供熱（15至50元/吉焦熱量）相比。

從實踐來看，同樣的可再生能源供熱技術，不同產品、氣候區、系統優化配置和運營管理，系統效果的差異性較大，存在“劣幣”驅逐“良幣”現象?！鞍偌覡庿Q”的熱泵技術路線各有千秋和短板，熱泵供熱是個系統工程，需要整體優化熱泵機組、輸配網、用戶參數和儲熱各個環節。除了普遍無法規?；斔鸵约皩δ┒恕暗蜏毓帷钡男枨笸猓諝庠礋岜眠€存在極寒天氣性能下降、濕度大時易結霜的問題；污水源、海水源、地表水源熱泵一般存在低品位熱量位置和用戶距離遠問題；地下水和中深層品位高的“溫泉水”又存在“回灌”難的環境破壞問題；淺層土壤源需要冬夏從土壤取熱和放熱，通過熱量平衡維持系統性能，中深層無干擾“取熱不取水”又存在井下換熱導致熱量品位降低、單井取熱量相對低等問題。

我們從能效和低碳來看，把各類電動熱泵系統能效值定義為COP（coefficient of performance）。空氣源、水源和淺層土壤源熱泵系統的COP在3左右（即一份電能產生3份熱），中深層地熱熱泵系統的COP可大于5乃至10，在當前發電效率40%的前提下，一份電可得到120%至200%的熱。

燃煤燃氣熱電聯產的供熱能耗約20公斤標準煤/吉焦熱量（？分析方法），通過進一步的排空乏汽和煙氣余熱利用，COP在5左右，而燃煤鍋爐80%的熱效率，供熱能耗約40公斤標準煤/吉焦熱量，相當于COP=2。若可再生電力占比進一步提高到50%以上，則可再生能源供熱遠遠優于現有傳統供熱模式，即熱源高效又低碳，在用戶低能耗建筑和“天花板”熱價不變情況下，規?；a品帶來的經濟性將指日可待。

科學研究證實，冬季建筑室內健康舒適的溫度是20±2攝氏度，屬低品位熱能需求，可利用的熱源較為寬泛，盡可能挖掘現在被排放的和未被充分利用的低品位熱能，如工業余熱、電廠余熱、生物質（垃圾）能余熱以及自然界低品位熱量（空氣能、地熱能、太陽能）等，這也符合能源“品位對口，梯級利用”的高效原則。可預見的是，今后可再生能源供熱（REH，Renewable Energy Heating）將登上歷史舞臺，并唱主角。以綠色電力、可再生能源（地熱能、生物質能、太陽能等）為主，“綠氣”乃至可能的“綠氫”為輔；分布式供熱為主，集中供熱為輔，多能互補、多能協同的新格局將逐步建立和形成，這種大趨勢是供熱企業、行業和產業面臨的挑戰和機遇。

民生保障與低碳供熱如何協調

北方地區冬季供熱關系到人民群眾的健康和生命安全，在推進低碳供熱過程中，必須找準“民生保障”與“低碳供熱”的平衡點，正確處理好兩者的辯證關系，科學確定有效路徑。

對于上千萬平方米至上億平方米的大型熱力企業，利用現有“過剩”的大型電廠余熱替代中小型燃煤熱電聯產、燃煤鍋爐成為一種“趨勢”。電廠余熱或工業余熱供熱的經濟效益較為顯著。多數電廠距離城鎮用戶較遠，一般需要30至50公里長輸管網輸送，這個“長輸”代價較為合理。近百公里外的，靠電廠余熱長輸供熱工程就不盡合理，實質上是為熱電產業空間布局“失位”買單，上百公里的長輸管網投資已經可以新建一座新電廠了。

因此，一方面現有大型熱電聯產挖潛余熱資源并選擇相適宜的技術路線，電廠從熱電聯產的角色轉變為可再生電力調峰的柔性熱源和靈活性電源，以提高可再生電力比例或電力高效利用為手段，提高系統整體能效來降低本身燃料燃燒引起的碳排放，并通過儲熱技術和電動熱泵技術，以及碳交易分攤方法，“用熱為電調峰”，謀求化石能源熱電聯產的生存之道。

另一方面，燃煤為主的熱源仍存在高碳排放的問題，只有等量替代現狀燃煤、燃氣熱源這種供熱方式，才能實現碳減排和“碳達峰”，“碳中和”則需要進一步依賴低成本、低能耗的碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術。此外，進一步研發供熱能力上千萬平方米、供熱參數適宜現狀集中供熱系統、供熱成本與人民生活水平發展相適應的低碳新型熱電聯產模式，如：核電、太陽能熱電、生物質熱電等。

另外，分布在城市地上或地下室的熱力站成為鏈接市政一次管網、二次管網和熱用戶的關鍵節點，熱力站轉變為分布式可再生能源供熱站，與熱電聯產大熱網形成多能互補協同，互為調峰。同時，熱力站可設置電動熱泵，以降低一次網回水溫度（能效值COP可達5至10），在提升熱網輸送能力的同時，回收電廠乏汽和煙氣余熱資源或收集城市各處可再生低品位熱量，并降低熱網供水溫度、壓力，提高供熱基礎設施使用壽命。

對于幾十萬至幾百萬平方米的分布式供熱企業，現有供熱熱源主要為燃煤鍋爐、燃氣鍋爐。在“增量”節能建筑上，分布式可再生能源供熱自身可以實現經濟性；在“存量”替代燃煤熱源時，燃氣并網作為調峰熱源，利用棄風光等“過剩電力”降低成本，輔助可再生能源利用政策補貼，滿足替代需求。該部分需求除了采用綠色電力驅動熱泵回收自然界可再生低品位熱量，主要有太陽能和生物質能供熱方式。

一是太陽能供熱。大型太陽能光熱電站目前尚未實現熱電聯產應用；大型太陽能集中供熱在西部某些地方開始起步，可以供幾萬至幾十萬平方米規模，但也存在著初始投資大、占地大、效果不穩定、運營維護和技術推廣難等問題，隨著跨季節儲熱技術的成熟和應用，太陽能供熱成本由150元/吉焦熱量降低至75元/吉焦熱量以下，在光熱資源豐富地區將逐步得到發展。分布式的太陽能建筑供熱需要解決集熱占地、儲供系統優化和匹配等一系列難題，系統的經濟性和成熟度也是目前技術推廣少的原因，一般適合作為供應生活熱水的基礎負荷。

二是生物質能供熱。生物質能適合分布式供熱，可用于滿足縣城或城鎮區域的幾百萬平方米的供熱規模。城鎮周邊的生物質資源和城市生活垃圾總量不斷增加，生活垃圾焚燒發電和生物質發電項目也逐步得到發展。在工業蒸汽需求穩定的園區，生物質供熱項目經濟性良好。然而，生物質能分布過去分散，導致原材料收集半徑較大，收集困難，原材料成本較高。既有生物質（垃圾）熱電項目過于依賴政府補貼，在國補退坡的情況下缺乏可持續性。目前，多數生物質（垃圾）電廠系統綜合效率偏低，一般離城鎮供熱負荷較遠，以發電為主，發電效率僅為25%至30%左右，且由于生物質（垃圾）燃燒后煙氣中的水蒸氣含量高（與燃氣相當或更高），剩下的65%以上的熱量通過乏汽余熱、煙氣排煙的顯熱和以“白煙”形式的潛熱排入大氣，煙氣中的污染物需要超低排放，煙氣中的水蒸氣既是余熱能量的浪費，也是水資源的浪費。針對目前生物質（垃圾）熱電項目供熱能力大量閑置現象，為改變現有能效低、排放高的生物質電廠現狀，應革新現有工藝流程。從乏汽和煙氣余熱品位來說，相比現有空氣源、水源和地源等可再生能源，品位高、量大，進行深度余熱回收最適宜用于城鎮清潔取暖，既能提高能效，又能減少污染物排放。通過余熱回收和水資源回收實現真正的“消白”，并且通過熱網高效輸配技術以及電廠、熱網和用戶一體化優化配置，可實現較遠較經濟的輸送距離（大于20公里）?？h城或城鎮區域供熱和發電，整廠供熱和發電的綜合經濟性有較大提升空間。這樣一方面提升了生物質電廠的企業經濟效益和社會影響力，降低了熱力公司運行供熱成本和環保成本，另一方面使政府供熱民生工程變為清潔、環保、低碳工程，城鎮供熱事業更可持續發展，社會效益、環保效益顯著。

對于幾十平方米至上百平方米的用戶供熱來說，則可以靠成熟的供熱末端產品，來滿足人民對“集中供熱”熱舒適感的渴望。例如高效空氣源熱泵產品，尤其適合長江流域冬冷夏熱地區，一機冬夏兩用，冬季下送熱風（地暖送熱水），夏季送冷風，既不增加電網配電負荷，又避免集中供熱的劣勢，可實現部分空間、時間靈活使用，有利于節能，其用能成本可低于現下的南方集中供熱的居民熱價。

智慧供熱是深度應用“互聯網+”、物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術賦能傳統行業的重要手段，支持供熱傳統基礎設施轉型升級，已成為我國供熱行業關注的焦點和發展方向。隨著供熱系統的規?；碗s化、多元化，隨著安全保障需求、智慧供熱及其產業的需求越來越強烈，智能供熱對于提升供熱系統的節能減排效果、提高經濟效益和供熱安全水平的潛力巨大，勢在必行。支持智能產品研發和推廣應用，搭建“源網荷儲”智慧供熱系統管控云平臺的升級版，完善供熱系統的室內溫控、末端分戶調節裝置、樓宇和熱力站智能調控計量裝置等智能感知設備，提升供熱系統管控的信息化、自動化、智能化水平，可以實現供熱運營的節能、節錢、節省人力，讓智慧供熱投入產出性價比高。

當前，可再生能源供熱雖然可以實現“低碳供熱”甚至“零碳供熱”，但資源稟賦各具特色，開發利用起步較晚，還存在技術路線優化、降低投入運營成本等關鍵問題，尤其是單一供熱系統、單一能源供應，使單一可再生能源供應難以經濟可靠地滿足冷、熱、電等多種需求。隨著經濟發展和科技進步，“源網荷儲”智慧能源互聯網系統及綜合能源服務將成為必然趨勢。鑒于可再生能源供熱的各自優勢互補，應積極研究可再生能源“多能協同，零碳供熱”技術路線，從供熱1.0版本的供熱、2.0版本的冷暖一體（或冷熱電聯供）、3.0版本的城鄉能源綜合服務，直接進入4.0版本的新基建+城鄉能源綜合服務（智慧能源互聯網），實現城市多能、多網、多元化需求的系統集成且互為補充的優化匹配，適當開展示范項目，全面推動分布式可再生能源供熱的規?；?。

此外，中國具有世界上最大的區域供熱系統，市政供熱企業運營效率參差不齊，市政供熱企業商業模式的構建和創新也迫在眉睫，供熱企業進入由規?；l展向高質量發展的新機遇期，但是商業模式普遍比較單一和落后，出現了政府“包養”的熱力公司和市場化“野蠻生長”的熱力公司兩大類型，已不適應當前網狀經濟時代的全新商業模式。集中供熱實際上是集中采暖，服務單一，大多供熱企業經營效益不好，甚至多數靠政府補貼才能生存。我國供熱行業2020年度發展狀況報告顯示，85家供熱企業（占城鎮總供熱面積的35%）平均虧損22%，幾乎處于行業性虧損，商業模式創新是供熱企業經營突破瓶頸的原點。

隨著“雙碳”目標新時代號角吹響，我國堅持“創新、協調、綠色、開放、共享”新發展理念，抓住新一輪科技革命和產業變革的歷史性機遇，推動疫情后世界經濟“綠色復蘇”，匯聚起可持續發展的強大合力。在此新目標下，我國供熱行業面臨著能源結構調整、供熱民生保障、冬季環境質量改善和低碳轉型的嚴峻形勢，也面臨著清潔取暖背景下能源供應保障安全性和供熱經濟性的雙重挑戰。探索適宜中國特色的低碳供熱之路，發展綠色電力和可再生能源的分布式供熱為主角，傳統集中供熱的低碳轉型升級，實現多能互補、多能協同的運營方式。同時，供熱企業的現代化管理升級，供熱行業信息化的智慧升級，供熱產業產品的工匠創新升級，“放大效應”的需求側建筑節能強化，亦尤為重要。

低碳供熱之路，是能源消費革命、能源供給革命、能源技術革命和能源體制革命的重要組成部分，也是大氣污染防治、打贏藍天保衛戰和低碳發展的迫切需求。在新時代、新基建的歷史機遇下，期待全行業、全社會一起攜手，共同探索城鄉低碳供熱高質量發展新路子。