北京市主要供熱方式碳排放及經濟性分析

文_孫干 北京節能環保中心

1 背景

2020年9月，中國在第75屆聯合國大會提出2030年前碳達峰、2060年前碳中和目標。碳排放問題的根源是化石能源的大量使用，治本之策是轉變能源發展方式，加快推進可再生能源替代，實現綠色低碳轉型發展。北京市燃氣鍋爐房供熱占全市城市供熱面積的69.2%，在新的形勢下，為實現“碳達峰、碳中和”，應加快供熱方式轉型，大力推廣熱泵系統替代燃氣鍋爐供熱。本文對燃氣鍋爐、地源熱泵等六種供熱方式的熱效率、碳排放量進行定量對比分析，并綜合測算各供熱方式的經濟性，提出熱泵替代燃氣鍋爐的建議。

2 北京市主要供暖方式介紹

北京冬季供熱主要以天然氣為主，天然氣供熱方式包括熱電聯產供熱、燃氣鍋爐供熱和燃氣壁掛爐供熱。截至2020年底，城鎮地區供熱面積共計8.95億m2，其中熱電聯產供熱面積23660萬m2，燃氣供熱（含壁掛爐）供熱面積61474萬m2。天然氣供熱較為清潔，但燃燒過程中會產生4.28kgCO2/Nm3排放，全市燃氣鍋爐供熱碳排放總量達2033萬t，占全市碳排放總量的16%。

北京市可再生能源供熱近幾年快速發展，主要包括空氣源熱泵、地源熱泵、再生水熱泵和中深層地熱等供熱方式，其中城鎮地區可再生能源供熱面積達到3500萬m2，農村地區88萬戶實施了煤改電，主要為空氣源熱泵和地源熱泵。熱泵是一種利用空氣能或地熱能作為冷熱源，進行能量轉換的供暖制冷空調系統，熱泵供熱比電鍋爐供熱節能高效，沒有污染物,排放更加環保。

3 天然氣供熱分析

3.1 熱效率分析

天然氣鍋爐房供熱系統熱效率包括燃氣鍋爐熱效率和熱網管道輸送熱效率。《工業鍋爐能效限定值及能效等級》(GB 24500-2020)規定，1級能效等級的燃氣鍋爐熱效率不低于96%，2級能效等級的燃氣鍋爐熱效率不低于94%。《城鎮供熱系統評價標準》(GB/T 50627-2010)規定，室外供熱管網輸送效率取值0.95，綜合計算,燃氣鍋爐房供熱系統整體熱效率不小于89.3%。

天然氣壁掛爐供熱系統熱效率主要為燃氣采暖爐熱效率，《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐能效限定值及能效等級》(GB20665-2015)規定：1級能效等級的燃氣采暖爐熱效率不低于95%，2級能效等級的燃氣采暖爐熱效率不低于85%，節能評價值要求能效等級達到2級。

3.2 二氧化碳排放量分析

《二氧化碳排放核算和報告要求 熱力生產和供應業》（DB11/T1784-020）規定，天然氣的二氧化碳排放系數為4.28kgCO2/Nm3。北京地區采暖季燃氣鍋爐供熱耗氣量約9Nm3/m2左右，計算得出二氧化碳排放量為38.5kgCO2/(a·m2)。

3.3 經濟性分析

經濟性分析主要考慮供熱系統初投資、運行維護費用和燃料費用。初投資采用費用年值法進行年化分攤，運行維護費用按照初投資的4%選取。由于天然氣壁掛爐是用戶自采暖設備，運行維護費用忽略不計。燃料費用根據供熱規模及天然氣氣價確定，由于建筑面積和圍護結構不同，建筑熱負荷相差大，燃氣鍋爐供熱耗氣量也相差較大，耗氣量在7～11Nm3/m2范圍之間。

北京市2020年11月15日～2021年3月15日采暖季天然氣供暖價格標準為城六區2.78元/m3，其他區域2.54元/m3，居民戶壁掛爐采暖用氣價格第一檔為2.61元/m3，非居民戶壁掛爐采暖用氣價格第一檔為2.63元/m3，北京市居民供暖天然氣鍋爐補貼標準為7.67元/m2，天然氣分戶采暖（即天然氣壁掛爐）居民采暖用氣補貼為0.73元/m3。按平均耗氣量9Nm3/（a·m2）進行計算，天然氣供熱運行成本在28.41～31.67元/m2之間，天然氣供熱經濟性分析結果如表1所示。

表1 天然氣供熱系統熱效率

4 熱泵供熱分析

4.1 熱效率分析

熱泵熱效率是熱泵系統制熱量與制熱時輸入功率的比值，是衡量熱泵系統能效水平的重要指標。熱泵系統的效率除了受熱泵機組、循環水泵自身效率的影響外，不同氣候特征、土壤熱物性、建筑負荷特性的差異也會對熱泵效率產生很大影響。根據北京實際工程項目監測情況，空氣源熱泵系統熱效率2.0左右、地源熱泵系統熱效率3.0左右、再生水源熱泵系統熱效率3.5左右、中深層地熱系統熱效率5.0左右。

4.2 二氧化碳排放分析

《二氧化碳排放核算和報告要求熱力生產和供應業》（DB11/T1784-2020）規定，電網供電排放因子為0.604tCO2/MWh，如按單位面積采暖季熱負荷100kWh/m2計算，空氣源熱泵碳排放量為30.2kgCO2/m2，地源熱泵碳排放量為20.1kgCO2/m2，再生水源熱泵碳排放量為17.3kgCO2/m2，中深層地熱碳排放量為12.1kgCO2/m2。與天然氣供熱相比，分別減少碳排放21.6%、47.8%、55.1%、68.6%。如采用綠色電力+熱泵的供熱模式，則實現零碳排放。

4.3 經濟性分析

熱泵供熱系統年綜合運行成本由系統年初始投資、年運行維護費用和采暖年電費三部分組成，初投資采用費用年值法進行年化分攤，運行維護費用取初投資的4%。

北京市居民自供暖用電價格0.48元/kWh，工商業供暖電價1.0元/kWh。北京市對地源熱泵及再生水源熱泵系統項目給予30%的資金支持，對中深層地熱供暖系統給予50%資金支持。熱泵系統供熱經濟性分析結果如表2所示。

表2 熱泵系統供熱經濟性計算結果

5 對比分析

對六種方式的其他區域居民供熱進行綜合對比分析，熱泵供熱系統投資成本較高，空氣源熱泵運行費用高于燃氣鍋爐，其他熱泵運行費用均低于燃氣鍋爐。熱泵供熱綜合運行成本均高于燃氣供熱，即使享受政策補貼，其成本仍比燃氣供熱成本高。熱泵供熱碳排放量均低于燃氣鍋爐，環境效益明顯。具體對比數據見表3。

表3 不同供熱方式的熱效率、碳排放及經濟性對比分析

6 結論

通過對同一供熱基準下各種供熱方式的系統熱效率、二氧化碳排放量以及經濟性分析，可以得出如下結果：

①天然氣供熱碳排放量為38.5kgCO2/(a·m2)，熱泵供熱比天然氣供熱碳排放量可下降21.6%～68.6%，熱泵供熱減碳效果顯著，環境效益顯著。

②熱泵供熱的初投資和綜合運行成本均高于天然氣供熱，空氣源熱泵運行成本超過居民供暖30元/m2的收費標準，居民采用空氣源熱泵采暖，需給予優惠電價或補貼資金支持。

③中深層地熱供熱能效高，綜合運行成本低，適用范圍廣，市場潛力大，應大力推廣中深層地熱供暖。