關(guān) 雪，周海珠,李曉萍，李以通，成雄雷（中國建筑科學(xué)研究院有限公司， 北京 100013）

人類活動(dòng)導(dǎo)致的氣候變化成為當(dāng)前最嚴(yán)重的環(huán)境問題。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC）第五次評(píng)估報(bào)告詳細(xì)分析了全球以及不同區(qū)域 CO2排放路徑下的全球升溫狀態(tài)。2015 年全球 195 個(gè)國家通過《巴黎協(xié)定》，達(dá)成了“將全球平均氣溫增幅控制在低于 2.0 ℃ 的水平，并向 1.5 ℃ 溫控目標(biāo)努力”的目標(biāo)。2020 年，我國在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上承諾 CO2排放力爭于 2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。實(shí)際上，我國建筑運(yùn)行的 CO2排放約占全國 CO2排放總量的 21.6%[1]，而集中供熱相關(guān)的碳排放占建筑運(yùn)行碳排放的比重達(dá)到 26%[2]，成為社會(huì)能源消耗和碳排放的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。集中供熱碳減排需要清晰具體、科學(xué)合理的路徑指引。因此，明確集中供熱低碳發(fā)展技術(shù)路徑，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的必由之路。

低碳發(fā)展技術(shù)路徑研究中，一般通過分析變量之間的相關(guān)性來建立數(shù)學(xué)模型，然后使用情景分析來預(yù)測建筑行業(yè)的碳排放和減排路徑。Merkel 等[3]使用熱電優(yōu)化模型和分散能源系統(tǒng)優(yōu)化模型分析了德國熱電行業(yè)未來的能源消耗和減排。Xianchun Tan 等[4]開發(fā)了 ERP 模型來估計(jì)部門協(xié)同下的碳減排潛力，并根據(jù)不同建筑類型給出了熱計(jì)量改革、工業(yè)余熱利用、綠色建筑推廣等 18 項(xiàng)供熱減排的相關(guān)政策建議。IEA 分析認(rèn)為，為保證 2050 年的凈零碳排放情景，熱泵、區(qū)域低碳供暖及可再生能源供熱的市場份額需在 2030年達(dá)到 80% 以上[5]。在從供給側(cè)考慮不同低碳供熱形式的推進(jìn)路徑中，必須同步從用戶側(cè)角度出發(fā)，破解低碳供熱推行過程中的用戶阻力，Benjamin K.Sovacool 等[6]基于對(duì)德國、意大利、西班牙、瑞典和英國的調(diào)研，評(píng)估歐洲公眾對(duì)家庭供熱脫碳的態(tài)度，揭示了供熱脫碳存在的主要挑戰(zhàn)：民眾通常對(duì)現(xiàn)有的以化石燃料為基礎(chǔ)的供暖系統(tǒng)滿意度較高，且由于對(duì)替代系統(tǒng)的不了解，以及供熱脫碳技術(shù)導(dǎo)致的熱滿意度較低等原因，住戶不太可能在短期內(nèi)改變他們的供暖系統(tǒng)。在國內(nèi)研究領(lǐng)域，基于不同方法開展的未來集中供熱用能預(yù)測研究工作取得了一系列成果[7-11]，江億等[12]針對(duì)我國建筑領(lǐng)域的直接碳排放、間接碳排放進(jìn)行了分析，指出協(xié)助減少電力和熱力使用導(dǎo)致的間接碳排放是我國實(shí)現(xiàn)建筑部門碳中和的主要任務(wù)之一，并提出了建筑節(jié)能改造、消除過量供熱、核電余熱利用、跨季節(jié)儲(chǔ)熱等未來供熱碳減排措施。

綜上，大部分研究致力于在建筑領(lǐng)域碳中和目標(biāo)下明確碳減排技術(shù)應(yīng)用，關(guān)于集中供熱低碳發(fā)展在近期及中長期的具體低碳技術(shù)選擇及推進(jìn)的體系化研究鮮有涉及。碳中和目標(biāo)下，針對(duì)清潔熱源、輸配系統(tǒng)、末端管理全面的技術(shù)路徑尚需明確。因此，本文從我國北方集中供熱用能及碳排放現(xiàn)狀出發(fā)，面向雙碳目標(biāo)約束，綜合分析碳達(dá)峰目標(biāo)內(nèi)在需求，分階段提出我國集中供熱低碳發(fā)展技術(shù)路徑。

1 北方集中供熱用能特性分析

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

我國北方集中供熱系統(tǒng)的能量來源主要為燃煤、燃?xì)夂碗娏Φ?。根?jù)熱源系統(tǒng)形式及規(guī)模可分為大中小規(guī)模的熱電聯(lián)產(chǎn)、區(qū)域燃煤燃?xì)忮仩t、熱泵集中供暖等集中供暖方式?！吨袊ㄖ?jié)能年度發(fā)展報(bào)告 2020》揭示了當(dāng)前的能源使用狀況：2018 年我國北方集中供熱建筑面積為 147 億 m2，商品能耗總量占全國建筑總能耗的 21%，（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）達(dá)2.12 t ，能耗強(qiáng)度（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）為 14.4 kg/m2。研究表明，北方集中供熱能耗總量近十年里逐增長，2008-2018 年供熱能耗總量（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）由 1.73 億 t 增長到 2.12 億 t，增長了 22.5%。碳排放方面，2018 年，北方集中供熱碳排放總量（折算為 CO2）為 5.5 億 t，較 2017 年的 5.29 億 t 增長3.97%。2017 年北方各省市向住建部上報(bào)的清潔取暖匯報(bào)文件顯示，北方地區(qū)供暖系統(tǒng)的熱源結(jié)構(gòu)中，燃煤供暖是最主要的供暖手段，其供熱面積約占總體供熱面積的 77%（其中燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)供暖面積占比 45%，燃煤鍋爐占比 32%），單位建筑面積的碳排放強(qiáng)度（折算為 CO2）較大，為 37.3 kg/m2，在建筑分類碳排放強(qiáng)度中排在第二位。

1.2 用能特征分析

綜合分析我國北方城鎮(zhèn)集中供熱用能情況，在能耗強(qiáng)度及演變、地域性表現(xiàn)等方面特征明顯，可總結(jié)為以下3大特征。

（1）北方集中供熱能耗強(qiáng)度高。目前我國北方城鎮(zhèn)建筑 70% 左右采用集中供熱網(wǎng)，城鎮(zhèn)供熱面積占建筑面積總量不到 1/4，但是能源消耗卻占據(jù)建筑能耗總量的約 1/4，這表示北方集中供熱能耗強(qiáng)度高于用能分類的平均水平。長久以來北方集中供熱一直是建筑節(jié)能的重點(diǎn)領(lǐng)域。導(dǎo)致北方集中供熱能耗強(qiáng)度高的原因主要包括 4 個(gè)方面[13]。①節(jié)能建筑占比小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性差。截止到 2016 年，新建成的建筑中超過一半為非節(jié)能建筑，而非節(jié)能建筑存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性差的問題，尤其是其中的門窗部分普遍存在傳熱系數(shù)高、氣密性差的情況，這無疑提高了北方供暖能耗強(qiáng)度。②整體供熱不均勻。現(xiàn)階段由于集中供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能不良，沒有分戶計(jì)量、分室控溫等有效的調(diào)節(jié)方法，致使很多小區(qū)存在樓宇間、上下樓層間熱力失調(diào)，冷熱不均。實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)表明[14]，北方部分地區(qū)供暖過量供熱損失普遍為10%～20%。③管網(wǎng)熱損失嚴(yán)重。供熱管網(wǎng)熱損失主要來自管網(wǎng)失修漏水以及滲水、保溫破損和水力失衡失調(diào)。保溫層脫落或者漏水等年久失修管網(wǎng)造成的熱損失最高可達(dá)所輸送熱量的 30%[15]。④供熱系統(tǒng)熱源效率較低。北方供熱熱源結(jié)構(gòu)以燃煤供暖為主，燃煤供熱面積占比約 77%，燃煤鍋爐熱效率低下。

（2）北方集中供熱能耗強(qiáng)度在持續(xù)下降。雖然北方集中供熱能耗強(qiáng)度仍然處于較高水平，但通過歷年來的縱向比較可以看出，其能耗強(qiáng)度近年來呈現(xiàn)持續(xù)下降的態(tài)勢，如圖 1 所示[16]。能耗強(qiáng)度（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）由 2008年的 18.1 kg/m2，降低到 2018 年的 14.4 kg/m2，下降了20.4%，年均下降 2.04%，下降比例趨勢顯著。

圖 1 2008-2018年北方集中供熱能耗強(qiáng)度（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）變化

究其原因，一是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能得到了提高，在此過程中，我國采取了多項(xiàng)措施，包括制定了覆蓋多種氣候區(qū)和建筑類型的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系、開展節(jié)能專項(xiàng)審查工作、推動(dòng)既有居住建筑的節(jié)能改造工作等；二是高效和清潔供暖熱源得到了推廣，隨著北方地區(qū)冬季清潔供暖工作的逐步推進(jìn)，高效的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖、區(qū)域鍋爐方式大量取代小型燃煤鍋爐房和戶式分散小煤爐。煤改氣、煤改電政策的推廣增加了以燃?xì)鉃槟茉吹墓┡绞剑瑫r(shí)水源熱泵、地源熱泵和空氣源熱泵的供暖形式也快速發(fā)展，清潔能源的使用不斷增加。此外，可工業(yè)余熱供暖、太陽能供暖和生物質(zhì)供暖等再生能源供暖方式的出現(xiàn)對(duì)清潔供暖也進(jìn)行了有效補(bǔ)充。

（3）北方集中供熱能耗地域性明顯。北方各個(gè)城鎮(zhèn)的供暖能耗強(qiáng)度與其所處地區(qū)的氣候條件有著密不可分的關(guān)系，嚴(yán)寒寒冷地區(qū)尤其是嚴(yán)寒地區(qū)的省市，供暖時(shí)間長達(dá)180 d 左右，供暖能耗強(qiáng)度明顯高于其他地方。黑龍江、新疆和青海的采暖能耗強(qiáng)度最高，能耗強(qiáng)度（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）為 18～21 kg/m2；其次為北京和天津的采暖能耗強(qiáng)度，（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）約為 13.5 kg/m2；河南和山東的采暖能耗強(qiáng)度最低，（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）約為 10.5 kg/m2[17]。此外，由于北方集中供熱能耗總量大，能耗強(qiáng)度高，直接使得北方地區(qū)民用建筑能耗（含供暖能耗）強(qiáng)度普遍高于南方地區(qū)。全國范圍來看，能耗強(qiáng)度總排名前 6 位的省市分別為北京、青海、新疆、黑龍江、天津、遼寧，均屬嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)。由此可見，受氣候影響，北方集中供熱能耗地域性十分明顯[18]。

2 用能影響因素與發(fā)展目標(biāo)規(guī)劃

2.1 用能影響因素分析

城市集中供熱系統(tǒng)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)主要可以分為 3 個(gè)部分：熱源、熱網(wǎng)和末端熱用戶。集中供熱系統(tǒng)的主要耗能環(huán)節(jié)包括熱力用戶的散熱、管網(wǎng)熱力輸配損失、輸配電耗等。最終總的能源消耗體現(xiàn)為熱源的總體一次能源的消耗量和管網(wǎng)輸配系統(tǒng)的電力消耗量 2 個(gè)方面。分析各環(huán)節(jié)的能耗特點(diǎn)和影響因素，則可以確定整個(gè)系統(tǒng)能耗的影響因素，進(jìn)而為用能、碳排放目標(biāo)的確立，及低碳發(fā)展路徑的規(guī)劃提供基礎(chǔ)支撐。

北方供熱的能源種類主要包括燃煤、燃?xì)?、電力、地源或水源熱以及工業(yè)余熱等，隨著清潔取暖的實(shí)施，“煤改氣”“煤改電”政策的推廣，以燃?xì)鉃槟茉吹墓岱绞奖壤黾樱瑫r(shí)水源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵的供熱面積也快速發(fā)展，工業(yè)余熱、生物質(zhì)、太陽能等可再生能源供熱方式的出現(xiàn)，都使得供熱能耗強(qiáng)度大大降低。2021 年，北方地區(qū)清潔取暖率總體達(dá)到 70%，替代散燒煤（含低效小鍋爐用煤）1.5 億 t，其中，“2+26”重點(diǎn)城市城區(qū)全部實(shí)現(xiàn)清潔取暖，35 t 以下燃煤鍋爐全部拆除。不同形式的熱源輸出相同熱量時(shí)的一次能源消耗量不同，熱源結(jié)構(gòu)是造成該供熱能耗差異的重要影響因素之一。此外，不同熱源的利用效率差異也較大，如熱電聯(lián)產(chǎn)供熱能源利用效率約為 80%，燃?xì)忮仩t供熱能源利用效率能達(dá)到 90% 左右，而燃煤鍋爐的能源利用效率約為 70%，對(duì)供熱能耗有明顯的影響。

在熱力輸配過程中，不可避免地存在管網(wǎng)熱損耗和輸配電耗，這部分損耗將使得熱源增加需要提供的熱量以保障末端的用熱需求，從而造成了供熱能耗的增加。水力工況失調(diào)、管網(wǎng)熱力損耗、水泵選型不合理和管網(wǎng)輸熱能效低，是供熱管網(wǎng)普遍存在的現(xiàn)象。研究表明[1]，過度取暖和管網(wǎng)損失占熱力生產(chǎn)總量的大約 20%，其中管網(wǎng)損失約占熱力生產(chǎn)總量的 3%～5%。在實(shí)際工程中，由于用戶側(cè)循環(huán)泵選型偏大、水泵偏離高效運(yùn)行區(qū)，或閥門、過濾器的不合理設(shè)置，以及人為導(dǎo)致管網(wǎng)壓降過大等問題，均造成了水泵電耗的增加，導(dǎo)致供熱能耗增大。目前北方地區(qū)熱力站二次網(wǎng)耗電量為 1～4 kWh/m2。由此可見，輸配電耗對(duì)供熱能耗的影響不容忽視。建筑的需熱量是影響供熱能耗的重要因素。需熱量的大小，由室內(nèi)外溫差、建筑及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能和室內(nèi)換氣次數(shù)等因素決定。從目前調(diào)查的數(shù)據(jù)來看，建筑實(shí)際耗熱量往往大于建筑需熱量。有研究指出，2005－2008 年我國北方地區(qū)城鎮(zhèn)建筑供熱年耗熱量為 0.30～0.55 GJ/m2（熱源總出口處計(jì)量），整體測算北方地區(qū)供熱年平均耗熱量為 0.42 GJ/m2左右（2008 年），考慮一、二級(jí)管網(wǎng)約有5% 的熱損失，到建筑實(shí)際耗熱量約為 0.40 GJ/m2，明顯高于當(dāng)年建筑需熱量值 0.34 GJ/ m2。

表 1 集中供熱低碳發(fā)展技術(shù)路徑

2.2 發(fā)展目標(biāo)規(guī)劃

基于以上供熱發(fā)展特征及用能影響因素分析，結(jié)合“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“研究我國城市建設(shè)綠色低碳發(fā)展技術(shù)路線圖”的情景分析結(jié)果，確定各階段我國集中供熱低碳發(fā)展目標(biāo)，如圖 2 所示。2020-2025年，隨著我國居民對(duì)生活品質(zhì)的增加和城鎮(zhèn)化率的增長，北方集中供暖能耗將呈現(xiàn)快速增長的趨勢，但在 2025 年之前需要控制能源總消耗量（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）不超過 1.7 億 t 左右，碳排放量（折算為 CO2）控制在 3.8 億 t 左右。2025-2035 年，北方集中供暖呈現(xiàn)一段時(shí)期的平穩(wěn)狀態(tài)，這與建筑面積增長放緩有關(guān)，因此在 2035 年前需要控制能源總消耗量（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）不超過 2.9 億 t 左右，碳排放量（折算為 CO2）控制在 1.7 億 t 左右。2035-2060 年，隨著超低能耗及近零能耗建筑的發(fā)展，以及供暖技術(shù)的進(jìn)步，北方集中供暖需求會(huì)有所下降，供暖總能耗也會(huì)有所降低，因此在 2060 年前需要控制能源總消耗量（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）不超過 0.9 億 t，碳排放量（折算為 CO2）控制在 1.4 億 t 左右。

圖 3 我國北方集中供暖綠色低碳發(fā)展目標(biāo)規(guī)劃

3 技術(shù)路徑研究

基于以上目標(biāo)約束，結(jié)合集中供熱發(fā)展規(guī)律及總體發(fā)展愿景，研判低碳技術(shù)迭代趨勢，以點(diǎn)帶面、自下而上考慮各項(xiàng)技術(shù)對(duì)碳排放影響，并輔以專家論證，最終提出近期階段（2020-2025 年）、碳達(dá)峰階段（2025-2035 年）和碳中和階段（2035-2060 年）建筑領(lǐng)域低碳發(fā)展技術(shù)路徑。

在集中熱源側(cè)，應(yīng)完全淘汰 35 t 以下燃煤鍋爐，并由大型燃?xì)忮仩t、熱電聯(lián)產(chǎn)、工業(yè)余熱等替代。當(dāng)前我國小容量燃煤鍋爐在很多城市還是主導(dǎo)熱源，而小鍋爐的熱效率只有 55%～60%，一般燃煤鍋爐效率達(dá)到 70%[16]以上，因此淘汰小型燃煤鍋爐將降低 10%～15% 的能源消耗。同時(shí)，我國燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)單位供熱平均煤耗（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）為 20.8 kg/GJ，而鍋爐房單位供熱平均煤耗（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）為 47 kg/GJ[16]，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱效率較高，應(yīng)是我國集中供熱系統(tǒng)熱源節(jié)能改造的主要方向，即熱電聯(lián)產(chǎn)、工業(yè)余熱、可再生能源、核能等清潔能源應(yīng)用比例應(yīng)達(dá)到90% 以上，并在碳達(dá)峰階段全部應(yīng)用以上熱源進(jìn)行供熱。在此過程中，應(yīng)同步推進(jìn)多熱源互聯(lián)互通、蓄熱等技術(shù)應(yīng)用，優(yōu)化熱源綜合效率。到碳中和階段，實(shí)現(xiàn)完全的供熱精細(xì)化管理和熱計(jì)量收費(fèi)制度改革。

針對(duì)輸配系統(tǒng)，一方面重點(diǎn)實(shí)施老舊管網(wǎng)維護(hù)修復(fù)和更新改造，降低輸配系統(tǒng)熱損失。保溫層脫落或者漏水等年久失修的管網(wǎng)，熱損失最高可達(dá)所輸送熱量的 30%，這部分熱損失在管網(wǎng)性能提升后可大為減少。另一方面，應(yīng)積極發(fā)展跨區(qū)域長距離輸熱、智慧熱網(wǎng)等技術(shù)。不同地區(qū)單位面積輸配電耗差異較大，并存在供需不平衡等問題，而發(fā)展長距離輸熱、建立城市級(jí)智慧管理平臺(tái)，依靠高智慧調(diào)度、無人值守?zé)崃φ?、新型城區(qū)級(jí)多熱源供熱等技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)智慧運(yùn)行是解決該問題的有效路徑。

在供熱末端管理中，發(fā)展用戶自主、按需供熱的彈性供熱技術(shù)。過量供熱導(dǎo)致了 20%～30% 的熱量損失，如果采用有效的末端調(diào)節(jié)方式，避免室溫過熱和開窗散熱，平均耗熱量可降低 15%～20%[19]。因此，可以完備的供熱計(jì)量系統(tǒng)為基礎(chǔ)條件，優(yōu)化供熱計(jì)量收費(fèi)模式，實(shí)施供熱和受熱分離機(jī)制，并將表閥一體化、可調(diào)節(jié)噴射泵等技術(shù)作為有效末端管理的技術(shù)支撐，降低末端浪費(fèi)和過量的碳排放。到碳中和階段，在時(shí)間、空間、質(zhì)量上實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)個(gè)性化用熱。集中供熱低碳發(fā)展技術(shù)路徑如表 1 所示。

4 結(jié) 語

本文研究了中國集中供熱用能及碳排放發(fā)展現(xiàn)狀，并基于影響因素分析和項(xiàng)目確定的集中供熱碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)值，探討了集中供熱低碳發(fā)展技術(shù)路徑，給出了低碳技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的階段性建議。主要得到以下結(jié)論。

（1）當(dāng)前我國北方城鎮(zhèn)集中供熱碳排放總量（折算為 CO2）達(dá)到 5.5 億 t，為滿足未來集中供熱低碳發(fā)展需求，2025 年、2035 年和 2060 年集中供熱碳排放（折算為CO2）應(yīng)分別控制在 3.8 億 t、1.7 億 t 和 1.4 億 t 左右，這對(duì)于低碳技術(shù)推進(jìn)形成重大挑戰(zhàn)，需要在供給側(cè)和需求側(cè)做出重大變革，在降低末端用能需求、減少熱量輸配損失、優(yōu)化熱源結(jié)構(gòu)等方面需同步發(fā)力，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過低碳技術(shù)升級(jí)、普及，達(dá)到降低建筑碳排放的目的。

（2）為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，集中供熱低碳技術(shù)應(yīng)用不能一蹴而就，應(yīng)視技術(shù)本身特征和技術(shù)成熟度，綜合用能需求確定。近期階段重點(diǎn)以燃煤鍋爐取締、工業(yè)余熱利用、熱計(jì)量改革等成熟可靠的技術(shù)推進(jìn)為主，中遠(yuǎn)期階段進(jìn)一步強(qiáng)化技術(shù)低碳特征，發(fā)展智慧供熱、核能供熱、協(xié)同供熱等高等級(jí)供熱模式，實(shí)現(xiàn)量變到質(zhì)變的提升。