北京市主要供热方式碳排放及经济性分析

文_孙干 北京节能环保中心

1 背景

2020年9月，中国在第75届联合国大会提出2030年前碳达峰、2060年前碳中和目标。碳排放问题的根源是化石能源的大量使用，治本之策是转变能源发展方式，加快推进可再生能源替代，实现绿色低碳转型发展。北京市燃气锅炉房供热占全市城市供热面积的69.2%，在新的形势下，为实现“碳达峰、碳中和”，应加快供热方式转型，大力推广热泵系统替代燃气锅炉供热。本文对燃气锅炉、地源热泵等六种供热方式的热效率、碳排放量进行定量对比分析，并综合测算各供热方式的经济性，提出热泵替代燃气锅炉的建议。

2 北京市主要供暖方式介绍

北京冬季供热主要以天然气为主，天然气供热方式包括热电联产供热、燃气锅炉供热和燃气壁挂炉供热。截至2020年底，城镇地区供热面积共计8.95亿m2，其中热电联产供热面积23660万m2，燃气供热（含壁挂炉）供热面积61474万m2。天然气供热较为清洁，但燃烧过程中会产生4.28kgCO2/Nm3排放，全市燃气锅炉供热碳排放总量达2033万t，占全市碳排放总量的16%。

北京市可再生能源供热近几年快速发展，主要包括空气源热泵、地源热泵、再生水热泵和中深层地热等供热方式，其中城镇地区可再生能源供热面积达到3500万m2，农村地区88万户实施了煤改电，主要为空气源热泵和地源热泵。热泵是一种利用空气能或地热能作为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调系统，热泵供热比电锅炉供热节能高效，没有污染物,排放更加环保。

3 天然气供热分析

3.1 热效率分析

天然气锅炉房供热系统热效率包括燃气锅炉热效率和热网管道输送热效率。《工业锅炉能效限定值及能效等级》(GB 24500-2020)规定，1级能效等级的燃气锅炉热效率不低于96%，2级能效等级的燃气锅炉热效率不低于94%。《城镇供热系统评价标准》(GB/T 50627-2010)规定，室外供热管网输送效率取值0.95，综合计算,燃气锅炉房供热系统整体热效率不小于89.3%。

天然气壁挂炉供热系统热效率主要为燃气采暖炉热效率，《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》(GB20665-2015)规定：1级能效等级的燃气采暖炉热效率不低于95%，2级能效等级的燃气采暖炉热效率不低于85%，节能评价值要求能效等级达到2级。

3.2 二氧化碳排放量分析

《二氧化碳排放核算和报告要求 热力生产和供应业》（DB11/T1784-020）规定，天然气的二氧化碳排放系数为4.28kgCO2/Nm3。北京地区采暖季燃气锅炉供热耗气量约9Nm3/m2左右，计算得出二氧化碳排放量为38.5kgCO2/(a·m2)。

3.3 经济性分析

经济性分析主要考虑供热系统初投资、运行维护费用和燃料费用。初投资采用费用年值法进行年化分摊，运行维护费用按照初投资的4%选取。由于天然气壁挂炉是用户自采暖设备，运行维护费用忽略不计。燃料费用根据供热规模及天然气气价确定，由于建筑面积和围护结构不同，建筑热负荷相差大，燃气锅炉供热耗气量也相差较大，耗气量在7～11Nm3/m2范围之间。

北京市2020年11月15日～2021年3月15日采暖季天然气供暖价格标准为城六区2.78元/m3，其他区域2.54元/m3，居民户壁挂炉采暖用气价格第一档为2.61元/m3，非居民户壁挂炉采暖用气价格第一档为2.63元/m3，北京市居民供暖天然气锅炉补贴标准为7.67元/m2，天然气分户采暖（即天然气壁挂炉）居民采暖用气补贴为0.73元/m3。按平均耗气量9Nm3/（a·m2）进行计算，天然气供热运行成本在28.41～31.67元/m2之间，天然气供热经济性分析结果如表1所示。

表1 天然气供热系统热效率

4 热泵供热分析

4.1 热效率分析

热泵热效率是热泵系统制热量与制热时输入功率的比值，是衡量热泵系统能效水平的重要指标。热泵系统的效率除了受热泵机组、循环水泵自身效率的影响外，不同气候特征、土壤热物性、建筑负荷特性的差异也会对热泵效率产生很大影响。根据北京实际工程项目监测情况，空气源热泵系统热效率2.0左右、地源热泵系统热效率3.0左右、再生水源热泵系统热效率3.5左右、中深层地热系统热效率5.0左右。

4.2 二氧化碳排放分析

《二氧化碳排放核算和报告要求热力生产和供应业》（DB11/T1784-2020）规定，电网供电排放因子为0.604tCO2/MWh，如按单位面积采暖季热负荷100kWh/m2计算，空气源热泵碳排放量为30.2kgCO2/m2，地源热泵碳排放量为20.1kgCO2/m2，再生水源热泵碳排放量为17.3kgCO2/m2，中深层地热碳排放量为12.1kgCO2/m2。与天然气供热相比，分别减少碳排放21.6%、47.8%、55.1%、68.6%。如采用绿色电力+热泵的供热模式，则实现零碳排放。

4.3 经济性分析

热泵供热系统年综合运行成本由系统年初始投资、年运行维护费用和采暖年电费三部分组成，初投资采用费用年值法进行年化分摊，运行维护费用取初投资的4%。

北京市居民自供暖用电价格0.48元/kWh，工商业供暖电价1.0元/kWh。北京市对地源热泵及再生水源热泵系统项目给予30%的资金支持，对中深层地热供暖系统给予50%资金支持。热泵系统供热经济性分析结果如表2所示。

表2 热泵系统供热经济性计算结果

5 对比分析

对六种方式的其他区域居民供热进行综合对比分析，热泵供热系统投资成本较高，空气源热泵运行费用高于燃气锅炉，其他热泵运行费用均低于燃气锅炉。热泵供热综合运行成本均高于燃气供热，即使享受政策补贴，其成本仍比燃气供热成本高。热泵供热碳排放量均低于燃气锅炉，环境效益明显。具体对比数据见表3。

表3 不同供热方式的热效率、碳排放及经济性对比分析

6 结论

通过对同一供热基准下各种供热方式的系统热效率、二氧化碳排放量以及经济性分析，可以得出如下结果：

①天然气供热碳排放量为38.5kgCO2/(a·m2)，热泵供热比天然气供热碳排放量可下降21.6%～68.6%，热泵供热减碳效果显著，环境效益显著。

②热泵供热的初投资和综合运行成本均高于天然气供热，空气源热泵运行成本超过居民供暖30元/m2的收费标准，居民采用空气源热泵采暖，需给予优惠电价或补贴资金支持。

③中深层地热供热能效高，综合运行成本低，适用范围广，市场潜力大，应大力推广中深层地热供暖。