撰文作者簡介：李攀，目前擔任未來碳中和研究院西北（陜西）運營中心負責人、陜西同盛電力科技工程有限公司和陜西天普&安耐智優能源發展有限公司總經理。
同時兼任全國青聯委員、寶雞市政協委員、陳倉區政協常委等職務。曾榮獲全國農村青年致富帶頭人、全國大學生村官創業東風獎等榮譽。
現已從業新能源、電力開發建設領域10余年，一直致力于清潔能源領域全域咨詢規劃、項目建設運營。特別在圍繞“雙碳”目標，專注于微電網、分布式新能源清潔供暖和工業園區（社區）終端電氣化應用領域及多能互補方面研究和應用。
報告撰稿人：李攀
#兩會-雙碳# 專題調研報告：“雙碳”目標下關于推進新能源清潔取暖（制冷）及多能互補系統綜合利用分析報告
第一節 理論概念和歷史背景
一、理論概念
理論上講，綜合能源系統并非一個全新的概念，因為在能源領域中，長期存在著不同能源形式協同優化的情況，如CCHP發電機組通過高低品位熱能與電能的協調優化，以達到燃料利用效率提升的目的;冰蓄冷設備則協調電能和冷能（也可視為一種熱能），以達到電能削峰填谷的目的。本質上講，CCHP和冰蓄冷設備都屬于局部的綜合能源系統。事實上，綜合能源系統的概念最早來源于熱電協同優化領域的研究。
綜合能源系統特指在規劃、建設和運行等過程中，通過對能源的產生、傳輸與分配（能源網絡）、轉換、存儲、消費等環節進行有機協調與優化后，形成的能源產供銷一體化系統。它主要由供能網絡（如供電、供氣、供冷/熱等網絡）、能源交換環節（如CCHP機組、發電機組、鍋爐、空調、熱泵等）、能源存儲環節（儲電、儲氣、儲熱、儲冷等）、終端綜合能源供用單元（如微網）和大量終端用戶共同構成。
二、歷史背景
縱觀全球發達國家2001年美國提出綜合能源計劃，加拿大于2009年頒布了多項重點在社區級綜合能源服務法案。歐洲各國還根據自身需求開展了一些特色研究。以英國為例，涉及可再生能源入網，不同能源間的協同，能源與交通系統和基礎設施的交互影響以及建筑能效提升等諸多方面。日本由于其能源嚴重依賴進口，因此成為最早開展綜合能源系統研究的亞洲國家，在政府大力推動下，倡導開展智能社區和智能微網研究。2016年全球178個締約方共同簽署的氣候變化協定《巴黎氣候協定》對2020年后全球應對氣候變化的行動作出統一安排。
我國于2016年發布《關于國有企業職工家屬區“三供一業”分離移交工作指導意見》開始，再到2017年推行煤改電政策以來，在節能減排和資產管理專業化剝離移交取得了巨大成就。
自從2020年9月22日，第75屆聯合國大會上提出了“3060”雙碳目標，該目標的實現途徑以科技創新為先導，為我國能源社會結構性變革指明了方向。構建以新能源為主體的新型電力系統勢在必行。未來綠色低碳經濟理念將是我國能源改革和社會結構性變革的重大戰略決策。
2030年碳達峰的主要措施是大幅度提高非石化能源的消費使用比率，提升能源利用的效率和效益，構建以可再生能源為主體的電力系統，推動終端電氣化改造水平，引入碳市場交易機制加大低碳新能源的使用開發力度。但在“3060雙碳”目標下，城鎮居民清潔供暖環節還存在巨大的提升空間。
隨著政府雙碳目標的制定，清潔供暖是大勢所趨，經過近幾年的持續發展，我國已經形成以集中供暖為主、多種供暖方式為補充的發展格局。其中集中供暖包括熱電聯產的集中供暖和區域鍋爐房為熱源的集中供暖兩種，而分散供暖則有燃氣壁掛爐、空氣能熱泵、水（地）源熱泵、電采暖等。
第二節 國際趨勢和政策引導
一、國際趨勢
以減少石化能源消費為導向的信號釋放。2021年10月英國政府發布長達202頁的《供熱與建筑戰略》，明確規定2035年停止銷售主要使用天然氣的燃氣鍋爐并用低碳替代品取而代之，此舉已被視為世界首創。蘇格蘭政府立即發布“建筑供暖”戰略，承諾到2030年全面淘汰燃氣鍋爐。該戰略明確支持并補貼采用熱泵取代石化能源供暖的需求。
2021年10月13日《聯合國氣候變化框架公約》發布《世界能源展望2021》報告，該報告分析，建筑電氣的最大機會就是熱泵取代石化能源鍋爐。預計凈零排放場景NZE下，2030年全球每年凈增需要安裝6000萬臺熱泵。
2021年11月8日英國《經濟學人》網站發表題目為《2022年值得關注的22項新型技術》其中提到“元宇宙”、“太陽能地球工程技術”和熱泵等22項新興技術。
2021年12月22日美國紐約出臺一項法案，明確規定未來新建建筑中將被禁止接入天然氣供暖，轉而使用電力或其他更環保的供暖、熱水方式。該法律將于2023年12月對七層以下建筑物生效，2027年對高層建筑物生效。
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由于我國65%天然氣依賴進口，加之2021年度因天然氣爆炸引發的人員傷亡重大事故約40余起。在“3060雙碳”目標下為實現綠色發展，截至2021年底，北京市可再生能源供暖面積突破1億平方米。其中空氣源熱泵供暖占比最高，面積約6500萬平方米。
2021年12月2日北京市發改委對《北京市新增產業的禁止和限制目錄》，北京擬全面禁止新建和擴建獨立燃氣供暖。北京將是我國首座“無煤”、“無氣”并全面采取新能源供暖的城市，釋放信號非常明確。
2022年2月11日，北京市人民政府辦公廳印發《關于推進北京城市副中心高質量發展的實施方案》的通知，其中提到：創建綠色供熱系統，逐步轉變供熱格局，不再新增獨立燃氣供熱設施，加大綠色電力在熱泵及儲熱領域的規模化應用，因地制宜利用中深層水熱型地熱、淺層地熱能、中深層井下換熱資源、空氣能和城市余熱資源，推動供熱方式由集中式向分布式轉變，加快實現電氣化、低碳化。
二、部委政策
2021年9月8日住建部頒布了《節能建筑與可再生能源利用規范》規定明確指出新建、改擴建建筑應安裝太陽能系統并將空氣源熱泵系統納入可再生能源范疇，該《規范》于2022年4月1日強制執行并生效。
2021年10月10日國際能源署建筑能源技術聯席主任Thibaut ABERGEL在中國武漢發表了《熱泵在國際能源署2050年凈零排放方案中的作用》,報告明確指出：熱泵可以提供全球90%以上的建筑空間供暖需求，是石化燃料資源最優先、最可行的替代品。目前全球大約有1.8億臺熱泵在運行，為了達到碳中和目標，到2030年全球需要達到6億臺，在2050年全球55%的建筑安裝熱泵，需要18億臺熱泵。既到2025年禁止使用化石燃料鍋爐，為熱泵清潔能源技術利用騰出巨大空間。
2021年11月19日國家機關事務局、國家發改委、財政部、生態環境部4部門聯合下發《關于印發深入開展公共機構綠色低碳引領行動促進碳達峰實施方案的通知》明確規定著力推進終端用能電氣化提升改造的要求。推動公共機構終端用能以電力代替煤、油、氣等石化能源直接燃燒和利用，提升辦公、生活用能清潔化水平。實施供暖系統電氣化改造，結合清煤降碳鍋爐改造，鼓勵因地制宜采用空氣源、水源、地源熱泵及電鍋爐等清潔能源節能設備替代燃煤、燃油、燃氣鍋爐。到2025年實現北方地區縣級以上城市公共建筑和機構清潔取暖全覆蓋，滿足建筑采暖和生活用熱水需求。并規定2025年實現新增熱泵供熱（制冷）面積達1000萬㎡。
2021年12月3日工信部印發《十四五工業綠色發展規劃》的通知中要求。提升工業終端用能電氣化水平，鼓勵園區、社區開展工業綠色低碳微電網、發展分布式光伏、風電、多元儲能、高效熱泵等，推進多能高效互補。
2022年1月15日國管局下發《關于2022年公共機構能源資源節能和生態環境保護工作的通知》也明確規定推廣應用新增熱泵供暖（制冷）的具體要求等相關措施。
第三節 西北省份和陜西政策
在2020年11月3日，中央發布《中共中央關于制定國民經濟和社會發展十四個五年規劃和2035年遠景目標的建議》。文件指出，推動清潔低碳安全高效利用，發展綠色建筑。降低碳排放強度，支持有條件的地方率先達到碳排放峰值的行動方案。該文件的下發，為熱泵行業“十四五”發展提供了風向標，西北各省份也編制下發了相應的政策支持。
一、西北省份
陜西省于2021年1月29日發文、甘肅省于2021年2月22日發文、寧夏于2021年2月26日發文、新疆于2021年6月11日發文、青海省2021年6月17日發文。各省文件中均明確支持提升終端用能電氣化水平，鼓勵開展工業綠色低碳微電網、發展分布式光伏、風電、多元儲能、高效熱泵等，推進多能高效互補。
二、陜西政策
2021年5月21日成立陜西省碳中和領導小組正式成立，省委書記和省長兼任領導小組組長。2021年6月25日西安制定2025年能源改革行動方案和具體行動細則，按照規劃到2025年西安市全部燃煤電廠和原有燃煤供熱中心將不復存在。推動城市發展“無煤化”目標，如果規定得以落實，西安將緊隨北京。成為又一個“無煤電”城市。大西安將面臨3.94億㎡巨大的清潔供暖需求，潛在千億級巨大市場潛力。
第四節 常規供暖方式的優缺點
一、集中供熱
優點：集中供熱作為我國北方最常用的供暖方式，首先，集中供暖能夠實現單一熱源或幾個熱源通過熱網的連接將熱能輸送到千家萬戶，通過集中供暖的科學管理，不僅能夠提高供熱質量，還能節約供熱成本。這種供暖方式能夠取代傳統的每家每戶的小鍋爐取暖方式，通過大鍋爐科學的管理和先進的技術應用，不僅能降低城市的煤炭燃燒粉塵和空氣污染，還能提高煤炭的燃燒效率，達到節約能源的目的。
缺點：供熱管網的鋪設投資較大，供暖接口初裝費較高。伴隨著城市構架擴展，管網熱源輸送距離越長，供暖效果越差。由于集中供暖熱源和供暖能力不足的問題，目前已成為地方政府最大的民生問題和難題。
同時集中供暖主要燃料為煤炭，煤炭屬于不可再生化石資源，與“30.60雙碳”目標下綠色低碳經濟發展大戰略要求相違背。
二、燃氣鍋爐
優點：燃氣鍋爐具有體積小、供熱效率高、經濟性較好等優點。燃氣鍋爐的燃料為天然氣，這些氣體由燃氣管網輸送，能夠有效避免煤炭等固體燃料帶來的交通運輸費用，并緩解交通壓力。隨著我國西氣東送項目的落實，燃氣以較低的價格輸送到了千家萬戶，由于這些優點，燃氣鍋爐被普遍應用于我國北部和中部地區的區域供暖系統中。
缺點：目前我國的燃氣鍋爐初裝成本較高，由于燃氣價格仍然較貴，而且逐年上漲趨勢，其運行費用較高。
天然氣供暖存在較大的用氣安全問題，僅2021年度因天然氣爆炸引發的人員傷亡重大事故約40余起，傷亡數百人。其天然氣供暖的安全性已引起中央的高度重視。
我國65%天然氣依賴進口，燃氣鍋爐的主要燃料是天然氣，天然氣屬不可再生化石資源，與“30.60雙碳”目標下綠色低碳經濟發展大戰略要求相違背。
三、電熱供暖
優點：電熱供暖應用的能源是直接利用電能，我國的電網已經實現了全國的覆蓋，因此電能是我國最方便也是最容易獲取的能源。電熱供暖設備多樣，供暖系統設計能大能小，不僅可以應用于家庭臨時取暖，也可以通過供暖系統設計為中大型建筑人員集中區域大范圍供暖。由于其加熱速度快。電熱供暖普遍被應用于我國各地區的不同供暖系統中。
缺點：電能轉化熱能效率較低，最高時達到95%，因此運行費用較高。電能直接供暖舒適度低，經常出現滲冷或干熱現象，電能制熱（制冷）都很快，其保暖（保溫）效果極差。一般被普遍用于臨時采暖以及和集中供熱聯合采暖的補給。
四、熱泵采暖
優點：熱泵運行時也需要耗電，但是與電采暖有天壤之別，相同條件下熱泵只是電采暖40%的耗電量，節電效果非常明顯，節能達40%~60%。因熱泵不是直接消耗電能來加熱，其熱源來自環境的空氣中、土壤中或廢水余熱中，只需要保持熱泵的逆卡諾循環而消耗少量電能，便可達到加熱（制冷）目的，所以效率很高，空氣源熱泵一般在240%-350%之間，水（地）源熱泵可達450%。綜合供暖效能比集中供暖（燃煤、燃氣和燃油）可節省40%-60%。比電能供暖可節省40%，效果非常明顯。
缺點：地源熱泵熱源來自地下恒溫帶，雖可保持高效運行，但需要設計地下換熱系統，需增加初始投資成本約35%-55%。有時地源熱泵受地理條件的限制，不具備全部場景應用推廣的條件。而污水源及水（海、江、河、湖）源熱泵目前雖然也是政府積極倡導的新技術，但需要在特定環境下才可實施。至于空氣源熱泵雖具備全場景應用的全部條件，且初投資不高，也便于安裝操作。但有時空氣源熱泵會受環境溫度影響，效率會有所波動，但在國家強制試驗要求的環境溫度-12℃運行時，制熱效能仍可大于220%，也遠高于其他（集中供暖、燃煤、燃氣和燃油）供暖設備。
第五節 常規熱源效率對比
1、熱源效率對比：1度電產生860KcaI熱能
2、運行費用分析：
2.1 年運行費用：電價0.7元/度；天然氣2.8元/m³；煤價1000元/噸；采暖季 120天。以某大廈建筑面積83000㎡為例。
2.2 改造初投資預算：以某大廈建筑面積83000㎡為例。
3、減碳目標：節約燃煤5.1噸/天，每季度節約612噸（每采暖季120天）。每采暖季減少污染排放物：
天然氣鍋爐會產少量S02、NOX以及大量煙塵等。
天然氣屬于地下礦物能源，不可再生，目前暫列為清潔能源，只是過渡期，再者我國天然氣65%靠進口，價格逐年升高是大趨勢，根據國家能源結構的調整政策，逐步取代天然氣是必然的。
4、宏觀對比：（運行費用給予市場燃料單價計算）
五、分析結果：
綜合以上國際趨勢、國家戰略、地方政策和行業發展前景，針對綜合能源城鎮供暖板塊，熱泵無論初期投資、運行成本、供暖（制冷）和環保性方面，均優于燃煤鍋爐、燃氣鍋爐和電鍋爐。
同時熱泵又分為空氣源熱泵、地源熱泵和水源熱泵三大類。其中地源熱泵受地理條件的限制，不具備全部場景應用推廣的條件。污水源及水（海、江、河、湖）源熱泵在特定場景下目前也是政府積極倡導的新型技術。至于空氣源熱泵不僅具備全場景應用的全部條件，而且初始投資不高，便于安裝操作。在未來城鎮居民供暖方面空氣源熱泵的優勢將越來越適應于“3060雙碳”目標下凈零排放綠色供暖的需求。
第六節 多能互補綜合能源系統
在綜合能源板塊的開發利用主要場景為居民社區、商務辦公大廈和工業園區三大業務板塊。
在這三大業務板塊中以“3060雙碳”目標低碳綠色發展理念為指導，提升終端用能電氣化水平，鼓勵開展園區、社區綠色低碳微電網、發展分布式光伏、風電、多元儲能、高效熱泵等，推進多能高效互補。可將三大業務板塊中的污水、余熱、閑置物理空間和節能降耗空間，以技術為支撐，利用智能化手段和數字網絡技術綜合賦能，將各板塊形成獨立的智能化綜合能源服務微網系統，將廢變寶、綠色低碳節能降耗，數字化綜合回收利用，通過數字化終端將數據收集、傳輸到PC存儲端，建立形成全系統、全息化、智能化能源綜合服務微網。
比如：將屋頂閑置空間鋪設分布式光伏，或將大廈立面采用BIPV光伏建筑一體化，建立小型儲能倉，完全可滿足大廈弱電系統和公共用電的日常運行需求。
將日常排放的污水集中進行收集，通過熱泵技術將污水當中的余熱回收用于建筑的熱源使用。通過利用屋面閑置空間安裝太陽能光熱系統來解決大樓或酒店的生活熱水或洗澡供應。通過對熱源（燃煤、燃氣、燃油鍋爐）系統進行終端電氣化提升改造采用熱泵，可解決建筑或園區集中供暖（制冷）及熱水綜合需求。
以上列舉的實例應用通過數字化智能集成，完全可創建一個全新低碳環保綠色綜合能源服務微網系統。
第七節 綜合能源應用場景
7.1污水余熱回收供暖系統
污水源熱泵供暖系統，是通過吸收污水處理廠排放口水中的余熱，再經過熱泵加壓升溫后向建筑物供熱；同樣在夏季熱泵可以把建筑內的熱量吸收后排入污水中，達到制冷的目的。
7.1.2污水源熱泵的工作原理
污水源熱泵是指通過將傳統的熱泵內的冷凝器或蒸發器延伸至污水排口的水流中，使其與排放的污水進行熱交換，從而實現利用低污水能對建筑物內供暖或制冷。由于污水源溫度一般在10℃以上，對熱泵來說此熱源溫度非常理想，運行效率高且穩定，污水源是可再生能源的高效利用形式。
7.2太陽能與熱泵能源互補供暖技術
太陽能是取之不盡用之不竭的可再生資源，太陽能用于采暖系統由來已久，其具有廉價、易于獲取、技術成熟等優勢，但是太陽能不穩定性也是制約不能獨立完成供暖任務的主要問題。
白天太陽能集熱器把熱能儲存在儲熱水箱內，達到供暖溫度后向室內供暖。光照不理想天氣，儲熱水箱溫度達不到供暖要求時，空氣源熱泵啟動加熱運行，保證供暖需求。太陽能與熱泵都屬于利用可再生能源進行加熱供暖設備，太陽能的熱能獲取幾乎是免費，而熱泵效率高達300%，兩者相互補充，有機結合，可達到最佳節能效果，也是北京、天津、山東、河北等地政府推持技術，在西藏、青海、寧夏、甘肅等太陽能一類地區早已實施多年。
7.3綜合能源應用推動綠色城市運行體系創建
推動建筑綠色低碳技術應用，在重點區域開展超低能耗建筑示范，推進光伏建筑一體化(BIPV)、高性能太陽能集熱器、室內環境控制、水資源循環利用、綠色智能化監控、光儲直柔新型建筑配電系統等技術的應用。創建綠色供熱系統，逐步轉變供熱格局，不再新增獨立燃氣、燃煤供熱設施，加大綠色電力在熱泵及儲熱領域的規模化應用，因地制宜利用中深層水熱型地熱、淺層地熱能、中深層井下換熱資源、空氣能和城市余熱資源，推動供熱方式由集中式向分布式轉變，加快實現電氣化、低碳化。
集成5G、人工智能、云計算、大數據、互聯網協議第6版(IPv6)等新一代信息技術，推動數字技術與經濟融合創新平臺，完善數字經濟產業技術創新生態，推動綠色城市運行體系創建。
