北方地區供暖電氣化的挑戰及其影響

吳 聰， 陳志光， 秦朝葵， 張一鳴

(同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 201804)

1 概述

我國于2020年提出力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的雙碳目標。建筑是碳排放大戶之一，僅運行階段的能耗便占到全國能源消費的21.7%，碳排放占全國能源碳排放的21.9%，具有較大的減碳潛力[1]。其中，北方地區的供暖一直是建筑行業減碳的重點，近幾年，北方地區正著力推進清潔供暖工作，清潔供暖利用天然氣、電、地熱、生物質、太陽能、工業余熱、清潔化燃煤(超低排放)、核能等清潔化能源，通過高效用能系統實現低排放、低能耗的供暖方式，以降低污染物排放和能源消耗[2]。據統計，截至2021年12月底，北方地區清潔供暖面積約156×108m2，清潔供暖率73.6%[3]。天然氣作為高效的清潔能源，得到大范圍應用，2021年，我國天然氣消費量達到3 726×108m3[4]。天然氣是最低碳的化石能源，但其一次能源消費占比僅為8%，仍需進一步提升。當前，北方地區的城鎮供暖以熱電聯產和燃煤、燃氣鍋爐為熱源的集中供熱為主，另輔有熱泵、工業余熱、可再生能源等多種熱源形式。此外，也有地區采用燃氣供暖熱水爐、戶式燃煤爐、空調和直接電加熱等形式的分散供暖[5]。

雙碳目標提出后，有學者認為煤炭、天然氣燃燒均會增加碳排放，建議以電氣化的手段完成供暖用能的脫碳[6]。國內外已有研究表明，供暖電氣化將導致電網總負載曲線形狀和電力峰值需求的改變，并且需要擴大配電網絡[7-8]；供暖電氣化減少溫室氣體排放的潛力還取決于電網的CO2強度[9]；此外，家庭能源成本可能會因供暖的電氣化而增加[10]。2021年，歐洲能源供應嚴重短缺，家庭能源消費價格持續上漲。能源轉型的快速推進是此現象的原因之一。傳統化石能源產能彈性降低，對外依存度高，與可再生能源供應的不穩定性共同影響供給端，使得歐洲能源供應的脆弱性進一步顯現[11]。對于終端消費側，2015—2019年歐盟住宅部門按燃料劃分的最終能源消費份額見表1，可再生能源增加的同時，天然氣份額面臨一定衰減，降低了能源供應的穩定性。當前，化石能源仍占有較大份額，若在短時間內進行能源需求調整，將出現結構性供應短缺。表2為不同用途下2019年歐盟住宅部門最終能源消費份額，其中建筑供暖用能占家庭用能的63.6%，決定了未來家庭用能結構的轉型方向。

表1 2015—2019年歐盟住宅部門按燃料劃分的最終能源消費份額[12] %

表2 不同用途下2019年歐盟住宅部門最終能源消費份額[12] %

2021年，德國Fraunhofer研究所進行了一項“通往氣候中和能源系統的路徑-其社會背景下的德國能源轉型”的研究，旨在分析德國能源系統的發展路徑[13]。根據其設定的參考情景(該情景代表了一個完全優化的情景：與1990年相比，2030年與能源相關的二氧化碳排放量減少65%，2040年減少88%，2045年減少100%)，德國未來建筑供暖技術類型占比見圖1。熱泵與區域熱網占比逐漸增加，燃油鍋爐逐步被取代，燃氣鍋爐占比有所下降。規劃2045年的德國建筑供暖用能場景中，將以熱泵、區域熱網和燃氣鍋爐為主，并輔以少量氫燃料電池和生物質鍋爐，多種供能形式保證供暖可靠性。

圖1 德國未來建筑供暖技術類型占比[13]

結合歐盟的能源轉型路徑，考慮目前我國北方地區供暖的現狀，供暖電氣化將會帶來何種挑戰，尚需進一步探討。為此，本文對供暖電氣化對我國社會用能的影響展開研究，選取不同城市，假定所有供暖熱負荷均由熱泵滿足，根據各地氣象參數，采用面積指標法得出供暖熱負荷，并根據熱泵系統制熱COP(簡稱熱泵系統COP)計算供暖耗電量，分析供暖耗電量與當下不同城市全社會耗電量、居民耗電量、工業耗電量的占比關系；借助Dymola仿真模型，計算各城市當前風力、光伏裝機容量下可再生能源的發電量，分析其與供暖耗電量關系；最后，給出未來中國建筑供暖的發展建議。

2 參數設定

2.1 負荷計算模型及參數

選取濟南、大連和沈陽3個城市為研究對象，分別隸屬寒冷B區、寒冷A區及嚴寒C區，所需供暖室外計算溫度、供暖期、供暖熱指標、計算面積等供暖參數設定見表3。其中，供暖室外計算溫度按照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》選擇，供暖熱指標根據各地區供熱規劃等文獻資料[14-16]進行適當調整，計算面積僅考慮了各城市2019年度的集中供熱面積[17-18]。供暖設計熱負荷按式(1)[19]計算，逐時供暖熱負荷按式(2)計算。當溫度低于供暖室外計算溫度時，供暖熱負荷取供暖設計熱負荷。為簡單估算城市供暖逐時熱負荷，把供暖熱負荷看作室外溫度的函數。因自2020年之后供暖受新冠疫情影響的特殊性和不確定性，本次研究主要參考 2019年的數據。

表3 不同城市供暖參數設定

Φmax=qA

(1)

(2)

式中Φmax——供暖設計熱負荷，W

q——供暖熱指標，W/m2

A——計算面積，m2

Φ——逐時供暖熱負荷，W

teh——供暖期逐時室外溫度，℃

tw——供暖室外計算溫度，℃

供暖耗電負荷直接由供暖熱負荷除以熱泵系統COP得出，假定所選定的熱泵系統在滿負荷狀態下運行，滿足所有供暖熱負荷，不考慮系統運行的各種損失。

2.2 熱泵系統COP選取

熱泵系統COP對供暖耗電量有直接影響，目前各大廠家相繼推出超低溫系列空氣源熱泵機組，因其能在低溫工況下良好運行而受到廣泛關注。本文選取某品牌低溫空氣源熱泵系統，設定供水溫度為50 ℃，其熱泵系統COP測試樣本數據見圖2，根據廠家提供的樣本點進行曲線擬合，得出擬合方程。根據擬合方程計算各溫度下(包含-15 ℃以下)的熱泵系統COP，以此計算各城市供暖耗電量。針對沈陽市，考慮到空氣源熱泵使用時熱泵系統COP略低而易出現耗電量很大的問題，文中假設該城市同時采用水源/地源熱泵，參考文獻[15]，未來一段時間沈陽市規劃發展水源/地源熱泵與空氣源熱泵的供熱面積比為3∶1，結合水源/地源熱泵、空氣源熱泵系統能效等級限制，設定平均熱泵系統COP為3.5再次分析。

圖2 低溫空氣源熱泵系統COP測試樣本數據

2.3 可再生能源發電模型設置

借助Dymola仿真軟件，搭建風力、光伏發電模型，計算上述3個城市的可再生能源發電量。光伏發電模型參照美國國家可再生能源實驗室推薦的建模方法，分成輻射計算和設備特性兩個層面進行設計[20]，選取某品牌光伏設備，峰值發電功率333 W，單個光伏板尺寸為1.559 m×1.046 m。風力發電模型根據Heier[21]提出的計算方法，結合Modelica的開源庫Wind Power Plants建立。將風力發電渦輪機簡化為葉片、傳動機構、發電機3部分，風機設置葉輪直徑90 m，最大發電功率2 MW，渦輪機距離地面100 m，轉動慣量設置為1.3×107kg·m2，切入風速4 m/s，切出風速20 m/s。

3 數據分析

3.1 供暖熱負荷與供暖耗電負荷分析

各城市供暖熱負荷與供暖耗電負荷變化見圖3，環境溫度取干球溫度，非供暖期供暖熱負荷置為0。表4對不同城市、不同工況的供暖峰值耗電負荷進行匯總，并列出了各城市曾經出現的全社會電網高峰負荷及其出現日期，以反映供暖電氣化對現有電網的沖擊程度。由圖3和表4可知，濟南、大連以及設定熱泵系統COP為3.5的沈陽市大部分時刻供暖耗電負荷處于1～4 GW，供暖峰值耗電負荷占全社會電網高峰負荷70%左右；當沈陽市只采用空氣源熱泵時，因溫度低、供熱面積大，供暖峰值耗電負荷接近9 GW，超出全社會電網高峰負荷47%。

表4 各城市供暖峰值耗電負荷及全社會電網高峰負荷

圖3 各城市供暖熱負荷與供暖耗電負荷變化

將各城市計算所得供暖耗電量與全年全社會耗電量、城鄉居民耗電量[22-24]進行比較，見圖4?？梢钥闯?，濟南供暖耗電量與城鄉居民耗電量之比85.9%，與全社會耗電量之比16.2%；大連以及沈陽兩種工況的供暖耗電量均高于城鄉居民耗電量，與全社會耗電量之比分別達到18.8%、46.2%、27.9%。

圖4 各城市供暖耗電量與全年全社會耗電量、城鄉居民耗電量對比

圖5給出各城市每月供暖耗電量、全社會耗電量、工業耗電量，其中，大連1、2月數據未分開統計?？梢园l現，1、2月份，各城市供暖耗電量均超過工業耗電量，濟南、大連供暖耗電量相對于全社會耗電量占比超過50%。沈陽在僅采用空氣源熱泵工況下，1、2、12月供暖耗電量均超過全社會耗電量。

圖5 各城市每月供暖耗電量、全社會耗電量、工業耗電量

供暖電氣化無疑會給現有電網帶來強烈沖擊，可能會導致用電高峰由夏季轉到冬季，將造成巨大的電力缺口。

3.2 可再生能源發電分析

2016年底，北方地區可再生能源、工業余熱等供暖面積約8×108m2，占比僅4%，當時規劃到2021年實現電供暖面積15×108m2，工業余熱供暖面積達2×108m2[2]。遼寧省曾計劃到2020年全省電鍋爐供暖面積500×104m2，水源、地源、空氣源等熱泵系統供暖面積達到5 000×104m2，工業余熱供暖面積達到3 000×104m2[25]。濟南2018年底可再生能源供暖面積約166×104m2，市電供暖面積約814×104m2，工業余熱供暖面積約907×104m2[26]。近幾年，各占比已有顯著增加，但總量仍相對較小。

當前，濟南風電裝機容量為876 MW，光伏裝機容量為786 MW[27]；大連市風電裝機容量1 060 MW，光伏裝機容量270 MW[28]；沈陽市風電裝機容量1 330 MW，光伏裝機容量510 MW[29]。經模型計算，各城市風力發電功率、光伏發電功率與供暖耗電負荷對比見圖6。濟南、大連、沈陽、沈陽(熱泵系統COP為3.5)供暖期光伏發電量占供暖耗電量的比例分別為0.26%、0.22%、0.12%、0.19%，幾乎可以忽略。風力發電能夠一定程度滿足供暖耗電，但其間歇性影響較大，以1月份為例，濟南、大連、沈陽風電設備利用時間分別為111、198、77 h。

圖6 各城市風力發電功率、光伏發電功率與供暖耗電負荷對比

各城市全年以及供暖期風力與光伏發電量及供暖耗電量見表5，沈陽(熱泵系統COP為3.5)供暖耗電量為10 222.8 GW·h?？梢钥闯?，當前的風電和光伏裝機容量遠不能滿足供暖電氣化所帶來的耗電量，尤其是光伏發電，由于在冬季太陽高度角較低、總輻射較小、氣溫較低，太陽能光伏組件所處工況與標準工況相去甚遠，導致發電量遠低于標準工況。

表5 各城市全年以及供暖期風力與光伏發電量

對比表5、圖4可以看出，濟南、大連、沈陽風力與光伏全年發電量之和占全社會耗電量分別為4.56%、6.60%、5.42%，可再生能源在終端電能消耗中占比過小。

4 建議

可再生能源和傳統化石能源以及電氣化技術和非電氣化技術之間的權衡決策不可避免。供暖電氣化需要一定的過渡期，循序漸進。在終端消費側，應保持終端用能與設備的多樣化發展，保證足夠的彈性，過于單一的用能與技術手段將對供應安全造成較大威脅。結合圖1，未來的供暖技術組成中，除熱泵外，區域供熱和燃氣鍋爐仍需占據一定份額，氫燃料電池應用于供暖也應得到關注。此外，對負荷開展需求管理調控，降低峰谷差值，以使負荷曲線趨于平穩。

電力供應側，為防范供暖電氣化對電網的沖擊，應繼續擴大電網規模，其中以可再生能源裝機為主，提升可再生能源發電比例。同時，考慮風力發電、光伏發電存在出力不連續和不穩定、在利用上難以與負荷匹配的問題，需對短時儲能、季節性儲能設施進行規劃部署，以平滑不穩定性電力的輸出，還可調節電負荷。此外，為提高電力系統的靈活性，天然氣發電不可或缺。天然氣發電啟停時間短、爬坡速率快、運行靈活，相對于抽水蓄能、化學儲能等調峰電源，是響應特性、發電成本、供電持續性綜合最優的調峰手段[30]，而現階段我國天然氣發電占比僅3.2%[31]，尚需提升。

5 結論

① 北方地區供暖全面電氣化將給現有電網帶來強烈沖擊，造成巨大的電力缺口。未來在擴大電網規模的同時，還應加強終端消費側的調控管理。

② 可再生能源發電量相比于全社會耗電量份額較小，供暖期光伏發電量幾乎可以忽略，風力發電受間歇性影響嚴重。未來需繼續推進可再生能源裝機部署，同時加強儲能設施及天然氣發電裝機的布局。

③ 結合歐盟能源發展過程，未來能源轉型需循序漸進，保持終端用能與設備的多樣化，確保能源供應的可負擔性、可持續性。