作者：
關 雪，周海珠 , 李曉萍，李以通，成雄雷
摘要：
為應對氣候變化，我國承諾在 2030 年前實現碳達峰、在 2060 年前實現碳中和。當前我國北方集中供熱碳排放量較大，占建筑運行碳排放的比重達到 26%。推進集中供熱低碳發展亟須科學合理、清晰明確的技術路徑指引。在碳達峰、碳中和目標約束下，研判集中供熱低碳技術發展趨勢，分析各項技術對低碳發展目標的影響，構建我國北方集中供熱發展技術路徑。
關鍵詞：
碳中和 ；集中供熱 ；技術路徑
人類活動導致的氣候變化成為當前最嚴重的環境問題。聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC）第五次評估報告詳細分析了全球以及不同區域 CO 2 排放路徑下的全球升溫狀態。2015 年全球 195 個國家通過《巴黎協定》，達成了“將全球平均氣溫增幅控制在低于 2.0 ℃ 的水平，并向 1.5 ℃ 溫控目標努力”的目標。2020 年，我國在第七十五屆聯合國大會上承諾 CO 2 排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。實際上，我國建筑運行的 CO 2 排放約占全國CO 2 排放總量的 21.6% [1] ，而集中供熱相關的碳排放占建筑運行碳排放的比重達到 26% [2] ，成為社會能源消耗和碳排放的重點領域之一。集中供熱碳減排需要清晰具體、科學合理的路徑指引。因此，明確集中供熱低碳發展技術路徑，是實現碳達峰和碳中和目標的必由之路。
低碳發展技術路徑研究中，一般通過分析變量之間的相關性來建立數學模型，然后使用情景分析來預測建筑行業的碳排放和減排路徑。Merkel 等 [3] 使用熱電優化模型和分散能源系統優化模型分析了德國熱電行業未來的能源消耗和減排。Xianchun Tan 等 [4] 開發了 ERP 模型來估計部門協同下的碳減排潛力，并根據不同建筑類型給出了熱計量改革、工業余熱利用、綠色建筑推廣等 18 項供熱減排的相關政策建議。IEA 分析認為，為保證 2050 年的凈零碳排放情景，熱泵、區域低碳供暖及可再生能源供熱的市場份額需在 2030 年達到 80% 以上 [5] 。在從供給側考慮不同低碳供熱形式的推進路徑中，必須同步從用戶側角度出發，破解低碳供熱推行過程中的用戶阻力，Benjamin K.Sovacool 等 [6] 基于對德國、意大利、西班牙、瑞典和英國的調研，評估歐洲公眾對家庭供熱脫碳的態度，揭示了供熱脫碳存在的主要挑戰：民眾通常對現有的以化石燃料為基礎的供暖系統滿意度較高，且由于對替代系統的不了解，以及供熱脫碳技術導致的熱滿意度較低等原因，住戶不太可能在短期內改變他們的供暖系統。在國內研究領域，基于不同方法開展的未來集中供熱用能預測研究工作取得了一系列成果 [7-11] ，江億等 [12] 針對我國建筑領域的直接碳排放、間接碳排放進行了分析，指出協助減少電力和熱力使用導致的間接碳排放是我國實現建筑部門碳中和的主要任務之一，并提出了建筑節能改造、消除過量供熱、核電余熱利用、跨季節儲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域碳中和目標下明確碳減排技術應用，關于集中供熱低碳發展在近期及中長期的具體低碳技術選擇及推進的體系化研究鮮有涉及。碳中和目標下，針對清潔熱源、輸配系統、末端管理全面的技術路徑尚需明確。因此，本文從我國北方集中供熱用能及碳排放現狀出發，面向雙碳目標約束，綜合分析碳達峰目標內在需求，分階段提出我國集中供熱低碳發展技術路徑。
01
北方集中供熱用能特性分析
1.1 發展現狀
我國北方集中供熱系統的能量來源主要為燃煤、燃氣和電力等。根據熱源系統形式及規模可分為大中小規模的熱電聯產、區域燃煤燃氣鍋爐、熱泵集中供暖等集中供暖方式。《中國建筑節能年度發展報告 2020》揭示了當前的能源使用狀況：2018 年我國北方集中供熱建筑面積為 147 億 m 2 ，商品能耗總量占全國建筑總能耗的 21%，（折算為標準煤）達 2.12 t ，能耗強度（折算為標準煤）為 14.4 kg/m 2 。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（折算為標準煤）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 CO 2 ）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的清潔取暖匯報文件顯示，北方地區供暖系統的熱源結構中，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%（其中燃煤熱電聯產供暖面積占比 45%，燃煤鍋爐占比 32%），單位建筑面積的碳排放強度（折算為 CO 2 ）較大，為 37.3 kg/m 2 ，在建筑分類碳排放強度中排在第二位。
1.2 用能特征分析
綜合分析我國北方城鎮集中供熱用能情況，在能耗強度及演變、地域性表現等方面特征明顯，可總結為以下3大特征。
（1）北方集中供熱能耗強度高。目前我國北方城鎮建筑 70% 左右采用集中供熱網，城鎮供熱面積占建筑面積總量不到 1/4，但是能源消耗卻占據建筑能耗總量的約 1/4，這表示北方集中供熱能耗強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能的重點領域。導致北方集中供熱能耗強度高的原因主要包括 4 個方面 [13] 。①節能建筑占比小，圍護結構保溫性差。截止到 2016 年，新建成的建筑中超過一半為非節能建筑，而非節能建筑存在圍護結構保溫性差的問題，尤其是其中的門窗部分普遍存在傳熱系數高、氣密性差的情況，這無疑提高了北方供暖能耗強度。②整體供熱不均勻。現階段由于集中供熱系統調節性能不良，沒有分戶計量、分室控溫等有效的調節方法，致使很多小區存在樓宇間、上下樓層間熱力失調，冷熱不均。實際調研數據表明 [14] ，北方部分地區供暖過量供熱損失普遍為 10%～20%。③管網熱損失嚴重。供熱管網熱損失主要來自管網失修漏水以及滲水、保溫破損和水力失衡失調。保溫層脫落或者漏水等年久失修管網造成的熱損失最高可達所輸送熱量的 30% [15] 。④供熱系統熱源效率較低。北方供熱熱源結構以燃煤供暖為主，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度在持續下降。雖然北方集中供熱能耗強度仍然處于較高水平，但通過歷年來的縱向比較可以看出，其能耗強度近年來呈現持續下降的態勢，如圖 1 所示 [16] 。能耗強度（折算為標準煤）由 2008 年的 18.1 kg/m 2 ，降低到 2018 年的 14.4 kg/m 2 ，下降了 20.4%，年均下降 2.04%，下降比例趨勢顯著。
究其原因，一是建筑圍護結構保溫性能得到了提高，在此過程中，我國采取了多項措施，包括制定了覆蓋多種氣候區和建筑類型的建筑節能設計標準體系、開展節能專項審查工作、推動既有居住建筑的節能改造工作等；二是高效和清潔供暖熱源得到了推廣，隨著北方地區冬季清潔供暖工作的逐步推進，高效的熱電聯產集中供暖、區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氣為能源的供暖方式，同時水源熱泵、地源熱泵和空氣源熱泵的供暖形式也快速發展，清潔能源的使用不斷增加。此外，可工業余熱供暖、太陽能供暖和生物質供暖等再生能源供暖方式的出現對清潔供暖也進行了有效補充。
（3）北方集中供熱能耗地域性明顯。北方各個城鎮的供暖能耗強度與其所處地區的氣候條件有著密不可分的關系，嚴寒寒冷地區尤其是嚴寒地區的省市，供暖時間長達 180 d 左右，供暖能耗強度明顯高于其他地方。黑龍江、新疆和青海的采暖能耗強度最高，能耗強度（折算為標準煤）為 18～21 kg/m 2 ；其次為北京和天津的采暖能耗強度，（折算為標準煤）約為 13.5 kg/m 2 ；河南和山東的采暖能耗強度最低，（折算為標準煤）約為 10.5 kg/m 2[17] 。此外，由于北方集中供熱能耗總量大，能耗強度高，直接使得北方地區民用建筑能耗（含供暖能耗）強度普遍高于南方地區。全國范圍來看，能耗強度總排名前 6 位的省市分別為北京、青海、新疆、黑龍江、天津、遼寧，均屬嚴寒、寒冷地區。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] 。
02
用能影響因素與發展目標規劃
2.1 用能影響因素分析
城市集中供熱系統基礎環節主要可以分為 3 個部分：熱源、熱網和末端熱用戶。集中供熱系統的主要耗能環節包括熱力用戶的散熱、管網熱力輸配損失、輸配電耗等。最終總的能源消耗體現為熱源的總體一次能源的消耗量和管網輸配系統的電力消耗量 2 個方面。分析各環節的能耗特點和影響因素，則可以確定整個系統能耗的影響因素，進而為用能、碳排放目標的確立，及低碳發展路徑的規劃提供基礎支撐。
北方供熱的能源種類主要包括燃煤、燃氣、電力、地源或水源熱以及工業余熱等，隨著清潔取暖的實施，“煤改氣”“煤改電”政策的推廣，以燃氣為能源的供熱方式比例增加，同時水源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵的供熱面積也快速發展，工業余熱、生物質、太陽能等可再生能源供熱方式的出現，都使得供熱能耗強度大大降低。2021 年，北方地區清潔取暖率總體達到 70%，替代散燒煤（含低效小鍋爐用煤）1.5 億 t，其中，“2+26”重點城市城區全部實現清潔取暖，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的一次能源消耗量不同，熱源結構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，如熱電聯產供熱能源利用效率約為 80%，燃氣鍋爐供熱能源利用效率能達到 90% 左右，而燃煤鍋爐的能源利用效率約為 70%，對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、管網熱力損耗、水泵選型不合理和管網輸熱能效低，是供熱管網普遍存在的現象。研究表明 [1] ，過度取暖和管網損失占熱力生產總量的大約 20%，其中管網損失約占熱力生產總量的 3%～5%。在實際工程中，由于用戶側循環泵選型偏大、水泵偏離高效運行區，或閥門、過濾器的不合理設置，以及人為導致管網壓降過大等問題，均造成了水泵電耗的增加，導致供熱能耗增大。目前北方地區熱力站二次網耗電量為 1～4 kWh/m 2 。由此可見，輸配電耗對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，由室內外溫差、建筑及其圍護結構性能和室內換氣次數等因素決定。從目前調查的數據來看，建筑實際耗熱量往往大于建筑需熱量。有研究指出，2005－2008 年我國北方地區城鎮建筑供熱年耗熱量為 0.30～0.55 GJ/m 2 （熱源總出口處計量），整體測算北方地區供熱年平均耗熱量為 0.42 GJ/m 2 左右（2008 年），考慮一、二級管網約有 5% 的熱損失，到建筑實際耗熱量約為 0.40 GJ/m 2 ，明顯高于當年建筑需熱量值 0.34 GJ/ m 2 。
2.2 發展目標規劃
基于以上供熱發展特征及用能影響因素分析，結合“十三五”國家重點研發項目“研究我國城市建設綠色低碳發展技術路線圖”的情景分析結果，確定各階段我國集中供熱低碳發展目標，如圖 2 所示。2020—2025年，隨著我國居民對生活品質的增加和城鎮化率的增長，北方集中供暖能耗將呈現快速增長的趨勢，但在 2025 年之前需要控制能源總消耗量（折算為標準煤）不超過 1.7 億 t 左右，碳排放量（折算為 CO 2 ）控制在 3.8 億 t 左右。2025—2035 年，北方集中供暖呈現一段時期的平穩狀態，這與建筑面積增長放緩有關，因此在 2035 年前需要控制能源總消耗量（折算為標準煤）不超過 2.9 億 t 左右，碳排放量（折算為 CO 2 ）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展，以及供暖技術的進步，北方集中供暖需求會有所下降，供暖總能耗也會有所降低，因此在 2060 年前需要控制能源總消耗量（折算為標準煤）不超過 0.9 億 t，碳排放量（折算為 CO 2 ）控制在 1.4 億 t 左右。
03
技術路徑研究
基于以上目標約束，結合集中供熱發展規律及總體發展愿景，研判低碳技術迭代趨勢，以點帶面、自下而上考慮各項技術對碳排放影響，并輔以專家論證，最終提出近期階段（2020—2025 年）、碳達峰階段（2025—2035 年）和碳中和階段（2035—2060 年）建筑領域低碳發展技術路徑。
在集中熱源側，應完全淘汰 35 t 以下燃煤鍋爐，并由大型燃氣鍋爐、熱電聯產、工業余熱等替代。當前我國小容量燃煤鍋爐在很多城市還是主導熱源，而小鍋爐的熱效率只有 55%～60%，一般燃煤鍋爐效率達到 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，我國燃煤熱電聯產單位供熱平均煤耗（折算為標準煤）為 20.8 kg/GJ，而鍋爐房單位供熱平均煤耗（折算為標準煤）為 47 kg/GJ [16] ，熱電聯產供熱效率較高，應是我國集中供熱系統熱源節能改造的主要方向，即熱電聯產、工業余熱、可再生能源、核能等清潔能源應用比例應達到 90% 以上，并在碳達峰階段全部應用以上熱源進行供熱。在此過程中，應同步推進多熱源互聯互通、蓄熱等技術應用，優化熱源綜合效率。到碳中和階段，實現完全的供熱精細化管理和熱計量收費制度改革。
針對輸配系統，一方面重點實施老舊管網維護修復和更新改造，降低輸配系統熱損失。保溫層脫落或者漏水等年久失修的管網，熱損失最高可達所輸送熱量的 30%，這部分熱損失在管網性能提升后可大為減少。另一方面，應積極發展跨區域長距離輸熱、智慧熱網等技術。不同地區單位面積輸配電耗差異較大，并存在供需不平衡等問題，而發展長距離輸熱、建立城市級智慧管理平臺，依靠高智慧調度、無人值守熱力站、新型城區級多熱源供熱等技術實現熱網智慧運行是解決該問題的有效路徑。
在供熱末端管理中，發展用戶自主、按需供熱的彈性供熱技術。過量供熱導致了 20%～30% 的熱量損失，如果采用有效的末端調節方式，避免室溫過熱和開窗散熱，平均耗熱量可降低 15%～20% [19] 。因此，可以完備的供熱計量系統為基礎條件，優化供熱計量收費模式，實施供熱和受熱分離機制，并將表閥一體化、可調節噴射泵等技術作為有效末端管理的技術支撐，降低末端浪費和過量的碳排放。到碳中和階段，在時間、空間、質量上實現自主調節，并實現個性化用熱。集中供熱低碳發展技術路徑如表 1 所示。
04
結 語
本文研究了中國集中供熱用能及碳排放發展現狀，并基于影響因素分析和項目確定的集中供熱碳達峰、碳中和目標值，探討了集中供熱低碳發展技術路徑，給出了低碳技術發展和應用的階段性建議。主要得到以下結論。
（1）當前我國北方城鎮集中供熱碳排放總量（折算為 CO 2 ）達到 5.5 億 t，為滿足未來集中供熱低碳發展需求，2025 年、2035 年和 2060 年集中供熱碳排放（折算為 CO 2 ）應分別控制在 3.8 億 t、1.7 億 t 和 1.4 億 t 左右，這對于低碳技術推進形成重大挑戰，需要在供給側和需求側做出重大變革，在降低末端用能需求、減少熱量輸配損失、優化熱源結構等方面需同步發力，在各個節點通過低碳技術升級、普及，達到降低建筑碳排放的目的。
（2）為實現碳達峰、碳中和目標，集中供熱低碳技術應用不能一蹴而就，應視技術本身特征和技術成熟度，綜合用能需求確定。近期階段重點以燃煤鍋爐取締、工業余熱利用、熱計量改革等成熟可靠的技術推進為主，中遠期階段進一步強化技術低碳特征，發展智慧供熱、核能供熱、協同供熱等高等級供熱模式，實現量變到質變的提升。
參考文獻：
[1] 中國建筑節能協會能耗統計專委會.中國建筑能耗與碳排放研究報告(2021)[EB/OL].(2021-12-28)[2022-01-06]. https://mp.weixin.qq.com/s/tnzXNdft6Tk2Ca3QYtJT1Q.
[2] 清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2020[M].北京:中國建筑工業出版社,2020.
[4] TAN X,LAI H,GU B,et al.Carbon emission and abatement potential outlook in China's building sector through 2050[J].Energy Policy,2018,118:429-439.
[5] IEA (2021). Heating[EB/OL].(2021-11-1)[2022-3-7] https://www.iea.org/reports/heating.
[6] Sovacool B K,Noel L,Demski C.Beyond climate, culture and comfort in European preferences for low-carbon heat[J].Global Environmental Change.2021,66:1-11.
[7] 江億,彭琛,燕達.中國建筑節能的技術路線圖[J].建設科技,2012(17):12-19.
[8] 孫雅輝.基于 STIRPAT 模型的北方城鎮集中供熱能耗預測模型研究[J].建筑節能（中英文）,2021,49(5):5.
[9] 蔣道福, 陳吉平, 楊雪潔,等. 基于小波神經網絡的集中供熱智能預測[J].科技創新與應用,2016(11):2.
[10] 韓夢.城鎮化下我國北方省份集中供熱耗煤預測及節能潛力分析[D].徐州:中國礦業大學,2014.
[11] 陳銘.基于LEAP的重慶市主城區住宅供暖運行能耗及碳排放預測研究[D].重慶:重慶大學,2019.
[12] 江億,胡姍.中國建筑部門實現碳中和的路徑[J].暖通空調,2021,51(5):13.
[13] 中國城市科學研究會.中國綠色建筑 2019[M].北京:中國建筑工業出版社,2019.
[14] 清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2019[M].北京:中國建筑工業出版社,2019.
[15] 俞允凱.中國城鎮建筑能耗現狀、趨勢與節能對策建議[D].西安:長安大學,2009.
[17] 張虹.承德熱力集團供熱計量收費管理研究[D].北京:華北電力大學,2014.
[18] 中國建筑節能協會.2019 中國建筑能耗研究報告[J].建筑,2020(7):30-39.
作者簡介：
關雪，1981 生，主要從事綠色低碳政策研究，現供職于中國建筑科學研究院有限公司。
END
