基于碳達峰、碳中和過程的綠色低碳供熱問題與對策

溫志杰，王永濤

(甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅 730030)

1 國內外供熱發展概況

1.1 國外

美國于1877 年建立了最早的集中供熱系統。進入20 世紀，法國、加拿大、前蘇聯等國的集中供熱系統也一步步發展起來，并形成了一定的規模[1]。前蘇聯以熱電廠為主要的熱源發展集中供熱，其規模已經占據世界首位。由于前蘇聯使用熱電聯產方式為主要集中供熱熱源，相比較以前的供熱方式，煤炭的節約量就達到了近7000 萬t[2]，節約了煤炭資源的同時，還大大提高了能源的利用率，并且在一定程度上解決了大量燃煤導致的環境污染的問題。

1.2 國內

由于歷史格局問題，我國城市集中供熱系統發展較西方國家晚得多。我國第一家煤氣熱力公司于1958 年在北京成立，且1959 年第一家城市熱電廠-北京東郊熱電廠開始實施集中供熱[3～6]。發展速度迅猛，短短幾十年的發展，就已經形成了一定的規模，并且在進一步完善和加強。目前，我國城市集中供熱采用熱電聯產已經超過50%，占比仍然在迅速增大，且伴隨著不可再生能源的大量消耗[7]。隨著國內城市集中供熱的發展，熱電聯產集中供熱以及太陽能、風能、地熱能、熱泵系統等可再生能源供熱系統占比將進一步加大，提高能源的利用率，實現能源的多級利用[8～10]，并且降低對環境的污染。

2 我國西北地區供熱存在的問題

(1)由于我國幅員遼闊，冬季采暖期采暖面積巨大，能源利用率低，消耗量巨大。

(2)集中供熱過程中，資源配置不合理，鍋爐運行過程中效率低下，達不到設計要求，熱效率普遍降低。

(3)集中供熱，管網管徑大(達到DN1400)、輸送距離遠，沿程熱量損失及水力失調嚴重，由于一級網、二級網規模大，在系統運行過程中，會存在一定水量損失，需要0.01%～0.5%的補水量，占比雖然很小，但是總量很大[11]。

(4)無法適應不同的消費需求，供熱品質不高，沒有及時有效的調控手段和計量裝置。設備技術水平發展緩慢，自動控制能力偏低，在運行管理方面不夠細致準確。

3 供熱發展段趨勢

2010～2020年國內原煤及天然氣的產量折線圖如圖1。

圖1 我國近十年內原煤、天然氣產量(數據來源：國家統計局)

由圖1可以看出，國內原煤和天然氣的產量逐年增加，煤炭的消耗量依舊沒有得到有效控制。中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。實現碳達峰、碳中和面臨前所未有的挑戰。

我國供熱系統能源的利用率僅為35%～55%[12,13]，能源利用率低，故節能減排，減少以煤炭為主的熱源，使用新能源勢在必行。目前國內集中供熱的熱源有好幾種方式，如占比最大的熱電聯產集中供熱系統，也是目前發展最快，城市集中供熱的主力軍，還有一些采用區域鍋爐房、熱泵、太陽能、風能、生物質能、地熱能以及工業余熱等為輔助熱源來滿足供熱需求。現在信息技術迅速發展的情況下，物聯網、大數據、云計算等各種技術應用并投入到智慧供熱中。智慧供熱技術原理：利用當地近幾年在采暖季時期，設備運行以及氣候條件的綜合數據作為依照基礎，對采暖季數據的離散點以及出現的特殊情況進行篩選和統計，做到對采暖季設備運行參數的合理假定、以此降低集中供熱的成本，在一定程度上節約了能耗。設備管理人員應該及時根據室外天氣狀況，調整設備參數，使熱用戶室內溫度保持恒定，提高生活品質，不會因環境變化造成波動[14～17]。

4 熱源的分類

4.1 熱電聯產

熱電聯產集中供熱系統作為供熱的主力軍，主要優點是可以提供長期有效且穩定的熱源，同時也可以節約能源的消耗，提高能源的利用率，實現能源的多級利用[18,19]，提高能源的綜合效果。

4.2 區域鍋爐房

目前還存在的一些區域鍋爐房，運行效率達不到設計要求，且能源利用率低，設備管理不嚴格。

4.3 熱泵

熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低位熱能，經過電能做功，提供可被人們所用的高位熱能的裝置，目前有很好的利用市場。將熱泵和換熱器結合使用，將集中供熱管網的回水溫度利用換熱器提取出來，然后與水源熱泵相結合，將回水溫度提高到熱網供水溫度，這樣可以減少熱源的能耗，降低煤炭資源消耗量，改善環境。

4.4 太陽能、風能、地熱能

我國西北地區日照充足，太陽能資源豐富。目前太陽能利用設備局限于家用太陽能熱水器，尤其在寒冷的冬天，其利用率更低。故太陽能開發潛力巨大，尤其在冬季采暖供熱方向。西北地區風能資源豐富，目前國內采用風力發電機，進行風能的有效利用。

4.5 工業余熱

國內大型的鋼鐵廠余熱的利用，以及鍋爐煙氣的余熱和生活余熱，都有再回收利用的價值和潛力。

5 改善能源結構的措施

要實現碳達峰、碳中和，就必須從能源結構，能源利用率，能源管理、新能源的開發和研發新設備改進技術等各個方面入手，努力在2030 年實現碳達峰，2060 年實現碳中和。我國集中供熱面積逐年增加(圖2)，每年的供熱量也在相應的增長，這就不得不考慮能源的消耗和新能源的開發來滿足目前國內供熱市場的需求，以及滿足市場需求的同時，還要做到提高能源利用率，減小環境負擔。

圖2 我國城市集中供熱面積

5.1 熱源優化設計

目前城市集中供熱主要以熱電聯產為主，區域鍋爐房、熱泵等其他供熱方式為輔[20,21]。這種供熱結構造成能源的利用率低，消耗量大，環境污染嚴重，不符合當下節約能源，提高供熱效率，改善環境的主要方針。

(1)城市集中供熱熱源應以主城區為單位，建立熱源(圖3)。將目前所有的熱源進行整合、集中。以熱電聯產(核能供熱、垃圾焚燒供熱、地熱空調采暖供熱)為主要熱源，以太陽能、地熱能、熱泵、工業余熱等清潔能源為輔。加大太陽能、風能、地熱能、熱泵及工業余熱等清潔熱源的占比，慢慢將熱源向新能源傾斜，減少熱電聯產的能耗，節約天然氣、煤炭資源。

圖3 熱源的分類

(2)將各種熱源加以整合規劃，調整供熱方式，研發新技術，新設備，進行集中供熱改革，加大管理力度，調整資源配置，根據城區熱負荷分布，優化供熱管網排布，加大對整條管路的實時監測，監測數據及時反饋。

(3)政府應加強建立集中供熱節能的規章制度，培養一批專業人才。對我國集中供熱的現狀進行摸底，測評，合理地規劃和管控，對資源進行合理化配置。

(4)供熱公司應加強每一位工作人員的節能意識，提高員工的責任心。集中培訓員工，定期考核，不達標者及時再培訓或者裁撤。精細化管理，責任分工明確，定期對設備進行檢查、維修和保養，保證設備能在額定工況下工作，且高效運行。

(5)優化集中調節的方式，從質調節、分階段改變流量的質調節、質量-流量調節、間歇調節和熱量調節等5 種調節方式進行優化[22～24]。根據室外環境變化對熱源的供熱量進行優化調節，以達到熱用戶室內的熱舒適要求。

5.2 熱網優化改進

集中供熱的熱網是連接熱源廠、換熱站、用戶的媒介，熱量只有通過管網才能輸送到熱用戶。由于集中供熱，供熱距離可達幾千米，一級管網、二級管網較長，管網熱損失大。在早期傳統的供熱系統熱網的設計中，采用從熱源開始，支狀管網的方式，這樣的設計方式簡單，節省甲方投資，但是熱穩定性差，供熱安全性低，一旦管網破裂，就會導致整條線路供熱癱瘓，造成巨大的損失。

(1)管網材料選用傳熱系數低，耐腐蝕的材料，并且保溫材料選用低傳熱系數、壽命長、耐潮濕的材料，減少熱量在輸送過程中的熱損失。防止管道接口處的跑冒滴漏，造成安全隱患和熱量水量的損失。

(2)繼續研發新的管網材料和保溫材料，進一步降低其傳熱系數，減少傳輸過程總的熱損，提高材料的防腐性和使用壽命。

(3)在一級網和二級網之間每隔一段距離都設置檢測裝置。改變傳統的枝狀管網設計，將管網設計成環狀，環狀管網雖然初投資高，設備施工工期長，但是其管網的熱穩定性好，安全可靠，可以保證熱網的熱平衡減少水利失調。

(4)在正常情況下，漏水量一般應為系統總水容量的0.1%～0.5%[25～27]，漏水量巨大，所以系統需要及時補水。補水溫度低于回水溫度，必須加熱到回水溫度，這樣導致需要一部分額外的耗熱量。在管網計算負荷供熱時，會考慮管路熱損和一定的富裕度，管網的管徑相對取大，導致供熱量加大，能耗損失，管材初投資提高。應加強管理，精確設計，在保證用戶端熱負荷滿足的條件下，減少能耗和材料損失。

5.3 熱用戶用熱管理

不管是熱電聯產集中供熱，還是區域鍋爐房供熱，最終的目的都是服務于熱用戶，滿足熱用戶在采暖期室內的熱舒適，提高生活品質。熱用戶的經濟性、舒適性是供熱工程最基本的要求。

(1)由于城區還存在大面積的老舊小區，管網常出現跑冒滴漏的現象，早期的建筑設計要求和現在的設計要求有所差異，造成集中供熱困難，以及系統承壓、容量等的不匹配，造成供熱負荷增大，消耗不必要的能耗。應加以修正原來管網系統，拆除不合理的管網。

(2)加強用戶的智能監測，設計使用分戶計量裝置，做到不用時關閉，節省能源，合理化熱用戶的收費機制，做到用多少，交多少費用，摒棄以前的整個采暖季收費的方式。

(3)現在采暖期供熱，室內溫度很高，有些住戶一邊開著窗戶，一邊繼續開著暖氣，造成不必要的能耗，應該加強居民的節能意識，提高全民道德素養，廣做宣傳，讓大家共同監督節約能源。

(4)目前的散熱末端依然存在著一些問題，散熱器、地熱盤管等存在水力失調等因素，應該繼續研發和設計更加高效的散熱器，改進供熱末端，提高供熱末端的散熱量，給用戶提供一個更加舒適的生活和辦公的環境，提高生活品質。

6 結論與展望

目前我國經濟快速發展，集中供熱的總面積持續增加，力爭在2030 年實現碳達峰，2060 年實現碳中和，就需要提高全民素養，節約能耗，實現能源的多級利用，改善自然生態環境。應該從熱源、輸配管網以及熱用戶三方面做詳細的研究，進一步優化改進設備，促進供熱設備技術的不斷升級，調整資源結構，開發新能源，加大新能源的占比。需加大研究新型的節能設備和供熱系統的力度，將智慧供熱更加精細化并與集中供熱相結合。未來，供熱能夠做到根據外界氣候的實時變化，并且結合當地天氣預報溫度的變化，提前調整供熱負荷，真正實現智慧供熱，提高室內熱舒適，實現精準供熱。政府機構應該進一步健全供熱節能規章制度，完善設計規范，實時監督，對資源結構進行合理化配置，只有從本質上了解供熱情況，才能真正解決問題，并以此達到節能減排的目的。