低碳供热路在何方？

郑忠海

2016年中央财经领导小组第十四次会议召开之来，我国北方地区的冬季清洁取暖工作取得重大进展，清洁供热成效明显。随着我国碳达峰、碳中和目标的提出，我国供热行业也由清洁供热时代步入低碳供热发展新时代。下面，笔者就我国如何实现低碳供热谈谈个人看法。

我国北方城镇供热及碳排放情况

当前，我国北方城镇已拥有147亿平方米的供热规模，供热管网总长度达几十万公里。能源类型以煤为主，占比约80%，在结构上呈现以燃煤（燃气）热电联产为主（占比约50%）、燃煤（燃气）区域锅炉房为辅（占比约45%）、其他方式为补充（占比约5%）的格局。

经测算，目前北方城镇年运行能耗约2.12亿吨标准煤（不包含热电联产的发电煤耗），用电量约571亿度，一次能耗强度为14.4公斤标准煤/平方米，年排放约5.5亿吨二氧化碳，碳排放强度为37.3公斤二氧化碳/平方米。通常情况下，煤的排放因子为2.66公斤二氧化碳/公斤标准煤，天然气的排放因子为2.16公斤二氧化碳/标准立方米天然气，电力间接排放因子取0.553公斤二氧化碳/度电。

上述碳排放量，是我国近20年在供热行业推动节能减排所取得的来之不易的成果。据相关研究统计，我国北方城镇建筑供热面积从2001年50亿平方米增长到147亿平方米，增加了将近2倍，而能耗总量增加不到1倍。总结其主要原因：一是建筑保温水平大幅提高；二是热源及供热系统效率明显提高；三是冬季清洁采暖工作成效显著，实施高效热电联产和区域燃煤锅炉“上大压小”替代工作，燃气供热比例增加，水源、地源、空气源热泵，工业余热、生物质、太阳能等可再生能源逐步得到应用。

除北方城镇供热外，北方农村采暖的能耗和碳排放也不容忽视。据相关研究测算，北方农宅冬季采暖能耗占北方农村地区生活用能50%以上，年采暖能耗1亿多吨标准煤，其中煤炭约合7800万吨标准煤，生物质约合2600万吨标准煤，年排放约2.1亿吨二氧化碳。同时，南方地区如长三角冬冷夏热地区的近百亿平方米建筑尚有取暖需求。随着城镇化步伐加快，未来10年城镇供热面积仍将大幅增加。

综上所述，现阶段以燃煤资源禀赋为主的大中型集中供热，是满足我国几百万至上千万平方米供热规模的小城市、几千万至上亿平方米供热规模的中等城市、几亿以上平方米供熱规模的大城市供热的主要方式。“千城一面”的供热系统，带来的是“高碳锁定”。供热“存量”的低碳转型和“增量”的低碳供热任务艰巨，低碳供热能否用得上、用得起、用得好，这都给政府、企业、行业、产业、百姓带来巨大压力和挑战。

低碳供热的关键是热源替代问题

燃煤热电机组能效是燃煤锅炉的2倍，燃煤热电联产替代燃煤锅炉是节能减排降碳的一个途径。但从另一角度看，燃煤热电联产全年发电和冬季供热的总燃煤量也是燃煤锅炉的2倍。

例如：单台300兆瓦热电联产机组，供热能力约1000万平方米，冬季热电和全年发电的耗煤总量约40万吨标准煤，若采用燃煤锅炉耗量不到20万吨标准煤。同样是 1000万平方米供热规模，燃气锅炉消耗1亿立方米天然气，而2台9F级燃气-蒸汽联合循环机组全年耗气量约5亿立方米，热电比低、能效高的燃气电厂还多产生了高品质的能源——电。因此，从碳排放总量角度来看，热电联产供热的碳排放量仅为冬季供热燃煤锅炉的一半，但电厂全年碳排放总量却大幅增加。化石能源在高效利用的同时，也会产生资源大量消耗和环境影响的负面问题。

对于单纯的“煤改气”项目来说，燃气锅炉热效率为90%，燃煤锅炉热效率为80%，燃气碳排放因子约为燃煤的60%，采取燃气锅炉替代燃煤锅炉进行“煤改气”，考虑到天然气能质是煤的1.5倍（燃气发电效率可达60%，燃煤发电效率40%），减碳效果十分有限。通常情况下，燃气锅炉房和集中供热管网相联，集中供热管网的跑冒滴漏、不平衡和过量供热等问题，使原本灵活性较强的燃气供热失去了优势，由此看来，纯粹的“煤改气”无法达到减碳目的。

城镇集中供热具有热源能效高和管理效能高双重优势，但在热源、一次热网、热力站、二次热网和楼宇用户整个系统各环节中显现出很多“旧弊病”，出现诸多“新问题”。

一是管网系统规模大，运营日益复杂化，多热源联网、环网，多级泵站以及长输管网、隔压站出现的多级网结构，可能导致管网拓扑结构设计和运营不合理。

二是用户无法调控，存在开窗降温现象，老旧建筑、公建住宅多类型用户、二次网楼宇间的水力不平衡，导致过量供热，也使一次网热力站之间的平衡调节“失效”。同时，节能建筑和低能耗建筑的增量需求，使集中热网“路上”热量输配不均匀损失、保温损失和输送电耗等占能耗和成本比例上升，抵消了集中供热的优势。

三是集中供热初始投资大，投资超前或过剩，甚至与一些可再生能源供热相当。

四是供热系统作为城市能源基础设施生命线之一，相比电力系统、燃气系统，管理相对粗放，管网基础设施多数建在地下，数据信息处于“盲区”。供热系统普遍缺乏完善的室内温控、末端分户调节装置、楼宇和热力站智能调控计量装置。多数热力企业无法全面智能化、一体化地高效运行调度和优化控制。

基于上述分析，笔者认为低碳供热的首要问题是解决“存量”的百亿平方米的集中供热何去何从问题，尤其要解决现存热源低碳转型问题，或者说必须找到与现有集中供热系统对接得上的低碳热源。北方城市热电比高，在现有热电联产+调峰锅炉模式基础上，仍需要额外的低碳热源，以集中供热为主的格局是否合理，应该给予低碳供热什么发展空间，这些问题都值得思索。

未来可再生能源发电比例将大幅增加，电力将越来越清洁低碳。电力高效供热方式是以可再生能源电力为驱动，利用热泵技术回收自然低品位热量（空气源、污水源、地表水源、浅层100米地热能）用于供热的方式将得到进一步发展。中深层地热（2000至4000米）无干扰井下换热结合热泵的供热技术，也将逐步成熟起来。然而，低品位热量资源自身的特点决定了电动热泵供热方式更适宜分布式、分散供热，为确保热泵高效，低温供热、高温制冷模式更适合，且低温侧和高温侧输送温差一般为5至20摄氏度，无法规模化、远距离输送，且系统的初始投资大，运行费用受电价影响大，其经济性在多数情况下与燃气供热相当（60至100元/吉焦热量），一时难以和燃煤供热（15至50元/吉焦热量）相比。

从实践来看，同样的可再生能源供热技术，不同产品、气候区、系统优化配置和运营管理，系统效果的差异性较大，存在“劣币”驱逐“良币”现象。“百家争鸣”的热泵技术路线各有千秋和短板，热泵供热是个系统工程，需要整体优化热泵机组、输配网、用户参数和储热各个环节。除了普遍无法规模化输送以及对末端“低温供热”的需求外，空气源热泵还存在极寒天气性能下降、湿度大时易结霜的问题；污水源、海水源、地表水源热泵一般存在低品位热量位置和用户距离远问题；地下水和中深层品位高的“温泉水”又存在“回灌”难的环境破坏问题；浅层土壤源需要冬夏从土壤取热和放热，通过热量平衡维持系统性能，中深层无干扰“取热不取水”又存在井下换热导致热量品位降低、单井取热量相对低等问题。

我们从能效和低碳来看，把各类电动热泵系统能效值定义为COP（coefficient of performance）。空气源、水源和浅层土壤源热泵系统的COP在3左右（即一份电能产生3份热），中深层地热热泵系统的COP可大于5乃至10，在当前发电效率40%的前提下，一份电可得到120%至200%的热。

燃煤燃气热电联产的供热能耗约20公斤标准煤/吉焦热量（？分析方法），通过进一步的排空乏汽和烟气余热利用，COP在5左右，而燃煤锅炉80%的热效率，供热能耗约40公斤标准煤/吉焦热量，相当于COP=2。若可再生电力占比进一步提高到50%以上，则可再生能源供热远远优于现有传统供热模式，即热源高效又低碳，在用户低能耗建筑和“天花板”热价不变情况下，规模化产品带来的经济性将指日可待。

科学研究证实，冬季建筑室内健康舒适的温度是20±2摄氏度，属低品位热能需求，可利用的热源较为宽泛，尽可能挖掘现在被排放的和未被充分利用的低品位热能，如工业余热、电厂余热、生物质（垃圾）能余热以及自然界低品位热量（空气能、地热能、太阳能）等，这也符合能源“品位对口，梯级利用”的高效原则。可预见的是，今后可再生能源供热（REH，Renewable Energy Heating）将登上历史舞台，并唱主角。以绿色电力、可再生能源（地热能、生物质能、太阳能等）为主，“绿气”乃至可能的“绿氢”为辅；分布式供热为主，集中供热为辅，多能互补、多能协同的新格局将逐步建立和形成，这种大趋势是供热企业、行业和产业面临的挑战和机遇。

民生保障与低碳供热如何协调

北方地区冬季供热关系到人民群众的健康和生命安全，在推进低碳供热过程中，必须找准“民生保障”与“低碳供热”的平衡点，正确处理好两者的辩证关系，科学确定有效路径。

对于上千万平方米至上亿平方米的大型热力企业，利用现有“过剩”的大型电厂余热替代中小型燃煤热电联产、燃煤锅炉成为一种“趋势”。电厂余热或工业余热供热的经济效益较为显著。多数电厂距离城镇用户较远，一般需要30至50公里长输管网输送，这个“长输”代价较为合理。近百公里外的，靠电厂余热长输供热工程就不尽合理，实质上是为热电产业空间布局“失位”买单，上百公里的长输管网投资已经可以新建一座新电厂了。

因此，一方面现有大型热电联产挖潜余热资源并选择相适宜的技术路线，电厂从热电联产的角色转变为可再生电力调峰的柔性热源和灵活性电源，以提高可再生电力比例或电力高效利用为手段，提高系统整体能效来降低本身燃料燃烧引起的碳排放，并通过储热技术和电动热泵技术，以及碳交易分摊方法，“用热为电调峰”，谋求化石能源热电联产的生存之道。

另一方面，燃煤为主的热源仍存在高碳排放的问题，只有等量替代现状燃煤、燃气热源这种供热方式，才能实现碳减排和“碳达峰”，“碳中和”则需要进一步依赖低成本、低能耗的碳捕获、利用与封存（CCUS）技术。此外，进一步研发供热能力上千万平方米、供热参数适宜现状集中供热系统、供热成本与人民生活水平发展相适应的低碳新型热电联产模式，如：核电、太阳能热电、生物质热电等。

另外，分布在城市地上或地下室的热力站成为链接市政一次管网、二次管网和热用户的关键节点，热力站转变为分布式可再生能源供热站，与热电联产大热网形成多能互补协同，互为调峰。同时，热力站可设置电动热泵，以降低一次网回水温度（能效值COP可达5至10），在提升热网输送能力的同时，回收电厂乏汽和烟气余热资源或收集城市各处可再生低品位热量，并降低热网供水温度、压力，提高供热基础设施使用寿命。

对于几十万至几百万平方米的分布式供热企业，现有供热热源主要为燃煤锅炉、燃气锅炉。在“增量”节能建筑上，分布式可再生能源供热自身可以实现经济性；在“存量”替代燃煤热源时，燃气并网作为调峰热源，利用弃风光等“过剩电力”降低成本，辅助可再生能源利用政策补贴，满足替代需求。该部分需求除了采用绿色电力驱动热泵回收自然界可再生低品位热量，主要有太阳能和生物质能供热方式。

一是太阳能供热。大型太阳能光热电站目前尚未实现热电联产应用；大型太阳能集中供热在西部某些地方开始起步，可以供几万至几十万平方米规模，但也存在着初始投资大、占地大、效果不稳定、运营维护和技术推广难等问题，随着跨季节储热技术的成熟和应用，太阳能供热成本由150元/吉焦熱量降低至75元/吉焦热量以下，在光热资源丰富地区将逐步得到发展。分布式的太阳能建筑供热需要解决集热占地、储供系统优化和匹配等一系列难题，系统的经济性和成熟度也是目前技术推广少的原因，一般适合作为供应生活热水的基础负荷。

二是生物质能供热。生物质能适合分布式供热，可用于满足县城或城镇区域的几百万平方米的供热规模。城镇周边的生物质资源和城市生活垃圾总量不断增加，生活垃圾焚烧发电和生物质发电项目也逐步得到发展。在工业蒸汽需求稳定的园区，生物质供热项目经济性良好。然而，生物质能分布过去分散，导致原材料收集半径较大，收集困难，原材料成本较高。既有生物质（垃圾）热电项目过于依赖政府补贴，在国补退坡的情况下缺乏可持续性。目前，多数生物质（垃圾）电厂系统综合效率偏低，一般离城镇供热负荷较远，以发电为主，发电效率仅为25%至30%左右，且由于生物质（垃圾）燃烧后烟气中的水蒸气含量高（与燃气相当或更高），剩下的65%以上的热量通过乏汽余热、烟气排烟的显热和以“白烟”形式的潜热排入大气，烟气中的污染物需要超低排放，烟气中的水蒸气既是余热能量的浪费，也是水资源的浪费。针对目前生物质（垃圾）热电项目供热能力大量闲置现象，为改变现有能效低、排放高的生物质电厂现状，应革新现有工艺流程。从乏汽和烟气余热品位来说，相比现有空气源、水源和地源等可再生能源，品位高、量大，进行深度余热回收最适宜用于城镇清洁取暖，既能提高能效，又能减少污染物排放。通过余热回收和水资源回收实现真正的“消白”，并且通过热网高效输配技术以及电厂、热网和用户一体化优化配置，可实现较远较经济的输送距离（大于20公里）。县城或城镇区域供热和发电，整厂供热和发电的综合经济性有较大提升空间。这样一方面提升了生物质电厂的企业经济效益和社会影响力，降低了热力公司运行供热成本和环保成本，另一方面使政府供热民生工程变为清洁、环保、低碳工程，城镇供热事业更可持续发展，社会效益、环保效益显著。

对于几十平方米至上百平方米的用户供热来说，则可以靠成熟的供热末端产品，来满足人民对“集中供热”热舒适感的渴望。例如高效空气源热泵产品，尤其适合长江流域冬冷夏热地区，一机冬夏两用，冬季下送热风（地暖送热水），夏季送冷风，既不增加电网配电负荷，又避免集中供热的劣势，可实现部分空间、时间灵活使用，有利于节能，其用能成本可低于现下的南方集中供热的居民热价。

智慧供热是深度应用“互联网+”、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术赋能传统行业的重要手段，支持供热传统基础设施转型升级，已成为我国供热行业关注的焦点和发展方向。随着供热系统的规模化、复杂化、多元化，随着安全保障需求、智慧供热及其产业的需求越来越强烈，智能供热对于提升供热系统的节能减排效果、提高经济效益和供热安全水平的潜力巨大，势在必行。支持智能产品研发和推广应用，搭建“源网荷储”智慧供热系统管控云平台的升级版，完善供热系统的室内温控、末端分户调节装置、楼宇和热力站智能调控计量装置等智能感知设备，提升供热系统管控的信息化、自动化、智能化水平，可以实现供热运营的节能、节钱、节省人力，让智慧供热投入产出性价比高。

当前，可再生能源供热虽然可以实现“低碳供热”甚至“零碳供热”，但资源禀赋各具特色，开发利用起步较晚，还存在技术路线优化、降低投入运营成本等关键问题，尤其是单一供热系统、单一能源供应，使单一可再生能源供应难以经济可靠地满足冷、热、电等多种需求。随着经济发展和科技进步，“源网荷储”智慧能源互联网系统及综合能源服务将成为必然趋势。鉴于可再生能源供热的各自优势互补，应积极研究可再生能源“多能协同，零碳供热”技术路线，从供热1.0版本的供热、2.0版本的冷暖一体（或冷热电联供）、3.0版本的城乡能源综合服务，直接进入4.0版本的新基建+城乡能源综合服务（智慧能源互联网），实现城市多能、多网、多元化需求的系统集成且互为补充的优化匹配，适当开展示范项目，全面推动分布式可再生能源供热的规模化。

此外，中国具有世界上最大的区域供热系统，市政供热企业运营效率参差不齐，市政供热企业商业模式的构建和创新也迫在眉睫，供热企业进入由规模化发展向高质量发展的新机遇期，但是商业模式普遍比较单一和落后，出现了政府“包养”的热力公司和市场化“野蛮生长”的热力公司两大类型，已不适应当前网状经济时代的全新商业模式。集中供热实际上是集中采暖，服务单一，大多供热企业经营效益不好，甚至多数靠政府补贴才能生存。我国供热行业2020年度发展状况报告显示，85家供热企业（占城镇总供热面积的35%）平均亏损22%，几乎处于行业性亏损，商业模式创新是供热企业经营突破瓶颈的原点。

随着“双碳”目標新时代号角吹响，我国坚持“创新、协调、绿色、开放、共享”新发展理念，抓住新一轮科技革命和产业变革的历史性机遇，推动疫情后世界经济“绿色复苏”，汇聚起可持续发展的强大合力。在此新目标下，我国供热行业面临着能源结构调整、供热民生保障、冬季环境质量改善和低碳转型的严峻形势，也面临着清洁取暖背景下能源供应保障安全性和供热经济性的双重挑战。探索适宜中国特色的低碳供热之路，发展绿色电力和可再生能源的分布式供热为主角，传统集中供热的低碳转型升级，实现多能互补、多能协同的运营方式。同时，供热企业的现代化管理升级，供热行业信息化的智慧升级，供热产业产品的工匠创新升级，“放大效应”的需求侧建筑节能强化，亦尤为重要。

低碳供热之路，是能源消费革命、能源供给革命、能源技术革命和能源体制革命的重要组成部分，也是大气污染防治、打赢蓝天保卫战和低碳发展的迫切需求。在新时代、新基建的历史机遇下，期待全行业、全社会一起携手，共同探索城乡低碳供热高质量发展新路子。