基于碳达峰、碳中和过程的绿色低碳供热问题与对策

温志杰，王永涛

(甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 730030)

1 国内外供热发展概况

1.1 国外

美国于1877 年建立了最早的集中供热系统。进入20 世纪，法国、加拿大、前苏联等国的集中供热系统也一步步发展起来，并形成了一定的规模[1]。前苏联以热电厂为主要的热源发展集中供热，其规模已经占据世界首位。由于前苏联使用热电联产方式为主要集中供热热源，相比较以前的供热方式，煤炭的节约量就达到了近7000 万t[2]，节约了煤炭资源的同时，还大大提高了能源的利用率，并且在一定程度上解决了大量燃煤导致的环境污染的问题。

1.2 国内

由于历史格局问题，我国城市集中供热系统发展较西方国家晚得多。我国第一家煤气热力公司于1958 年在北京成立，且1959 年第一家城市热电厂-北京东郊热电厂开始实施集中供热[3～6]。发展速度迅猛，短短几十年的发展，就已经形成了一定的规模，并且在进一步完善和加强。目前，我国城市集中供热采用热电联产已经超过50%，占比仍然在迅速增大，且伴随着不可再生能源的大量消耗[7]。随着国内城市集中供热的发展，热电联产集中供热以及太阳能、风能、地热能、热泵系统等可再生能源供热系统占比将进一步加大，提高能源的利用率，实现能源的多级利用[8～10]，并且降低对环境的污染。

2 我国西北地区供热存在的问题

(1)由于我国幅员辽阔，冬季采暖期采暖面积巨大，能源利用率低，消耗量巨大。

(2)集中供热过程中，资源配置不合理，锅炉运行过程中效率低下，达不到设计要求，热效率普遍降低。

(3)集中供热，管网管径大(达到DN1400)、输送距离远，沿程热量损失及水力失调严重，由于一级网、二级网规模大，在系统运行过程中，会存在一定水量损失，需要0.01%～0.5%的补水量，占比虽然很小，但是总量很大[11]。

(4)无法适应不同的消费需求，供热品质不高，没有及时有效的调控手段和计量装置。设备技术水平发展缓慢，自动控制能力偏低，在运行管理方面不够细致准确。

3 供热发展段趋势

2010～2020年国内原煤及天然气的产量折线图如图1。

图1 我国近十年内原煤、天然气产量(数据来源：国家统计局)

由图1可以看出，国内原煤和天然气的产量逐年增加，煤炭的消耗量依旧没有得到有效控制。中国二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。实现碳达峰、碳中和面临前所未有的挑战。

我国供热系统能源的利用率仅为35%～55%[12,13]，能源利用率低，故节能减排，减少以煤炭为主的热源，使用新能源势在必行。目前国内集中供热的热源有好几种方式，如占比最大的热电联产集中供热系统，也是目前发展最快，城市集中供热的主力军，还有一些采用区域锅炉房、热泵、太阳能、风能、生物质能、地热能以及工业余热等为辅助热源来满足供热需求。现在信息技术迅速发展的情况下，物联网、大数据、云计算等各种技术应用并投入到智慧供热中。智慧供热技术原理：利用当地近几年在采暖季时期，设备运行以及气候条件的综合数据作为依照基础，对采暖季数据的离散点以及出现的特殊情况进行筛选和统计，做到对采暖季设备运行参数的合理假定、以此降低集中供热的成本，在一定程度上节约了能耗。设备管理人员应该及时根据室外天气状况，调整设备参数，使热用户室内温度保持恒定，提高生活品质，不会因环境变化造成波动[14～17]。

4 热源的分类

4.1 热电联产

热电联产集中供热系统作为供热的主力军，主要优点是可以提供长期有效且稳定的热源，同时也可以节约能源的消耗，提高能源的利用率，实现能源的多级利用[18,19]，提高能源的综合效果。

4.2 区域锅炉房

目前还存在的一些区域锅炉房，运行效率达不到设计要求，且能源利用率低，设备管理不严格。

4.3 热泵

热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低位热能，经过电能做功，提供可被人们所用的高位热能的装置，目前有很好的利用市场。将热泵和换热器结合使用，将集中供热管网的回水温度利用换热器提取出来，然后与水源热泵相结合，将回水温度提高到热网供水温度，这样可以减少热源的能耗，降低煤炭资源消耗量，改善环境。

4.4 太阳能、风能、地热能

我国西北地区日照充足，太阳能资源丰富。目前太阳能利用设备局限于家用太阳能热水器，尤其在寒冷的冬天，其利用率更低。故太阳能开发潜力巨大，尤其在冬季采暖供热方向。西北地区风能资源丰富，目前国内采用风力发电机，进行风能的有效利用。

4.5 工业余热

国内大型的钢铁厂余热的利用，以及锅炉烟气的余热和生活余热，都有再回收利用的价值和潜力。

5 改善能源结构的措施

要实现碳达峰、碳中和，就必须从能源结构，能源利用率，能源管理、新能源的开发和研发新设备改进技术等各个方面入手，努力在2030 年实现碳达峰，2060 年实现碳中和。我国集中供热面积逐年增加(图2)，每年的供热量也在相应的增长，这就不得不考虑能源的消耗和新能源的开发来满足目前国内供热市场的需求，以及满足市场需求的同时，还要做到提高能源利用率，减小环境负担。

图2 我国城市集中供热面积

5.1 热源优化设计

目前城市集中供热主要以热电联产为主，区域锅炉房、热泵等其他供热方式为辅[20,21]。这种供热结构造成能源的利用率低，消耗量大，环境污染严重，不符合当下节约能源，提高供热效率，改善环境的主要方针。

(1)城市集中供热热源应以主城区为单位，建立热源(图3)。将目前所有的热源进行整合、集中。以热电联产(核能供热、垃圾焚烧供热、地热空调采暖供热)为主要热源，以太阳能、地热能、热泵、工业余热等清洁能源为辅。加大太阳能、风能、地热能、热泵及工业余热等清洁热源的占比，慢慢将热源向新能源倾斜，减少热电联产的能耗，节约天然气、煤炭资源。

图3 热源的分类

(2)将各种热源加以整合规划，调整供热方式，研发新技术，新设备，进行集中供热改革，加大管理力度，调整资源配置，根据城区热负荷分布，优化供热管网排布，加大对整条管路的实时监测，监测数据及时反馈。

(3)政府应加强建立集中供热节能的规章制度，培养一批专业人才。对我国集中供热的现状进行摸底，测评，合理地规划和管控，对资源进行合理化配置。

(4)供热公司应加强每一位工作人员的节能意识，提高员工的责任心。集中培训员工，定期考核，不达标者及时再培训或者裁撤。精细化管理，责任分工明确，定期对设备进行检查、维修和保养，保证设备能在额定工况下工作，且高效运行。

(5)优化集中调节的方式，从质调节、分阶段改变流量的质调节、质量-流量调节、间歇调节和热量调节等5 种调节方式进行优化[22～24]。根据室外环境变化对热源的供热量进行优化调节，以达到热用户室内的热舒适要求。

5.2 热网优化改进

集中供热的热网是连接热源厂、换热站、用户的媒介，热量只有通过管网才能输送到热用户。由于集中供热，供热距离可达几千米，一级管网、二级管网较长，管网热损失大。在早期传统的供热系统热网的设计中，采用从热源开始，支状管网的方式，这样的设计方式简单，节省甲方投资，但是热稳定性差，供热安全性低，一旦管网破裂，就会导致整条线路供热瘫痪，造成巨大的损失。

(1)管网材料选用传热系数低，耐腐蚀的材料，并且保温材料选用低传热系数、寿命长、耐潮湿的材料，减少热量在输送过程中的热损失。防止管道接口处的跑冒滴漏，造成安全隐患和热量水量的损失。

(2)继续研发新的管网材料和保温材料，进一步降低其传热系数，减少传输过程总的热损，提高材料的防腐性和使用寿命。

(3)在一级网和二级网之间每隔一段距离都设置检测装置。改变传统的枝状管网设计，将管网设计成环状，环状管网虽然初投资高，设备施工工期长，但是其管网的热稳定性好，安全可靠，可以保证热网的热平衡减少水利失调。

(4)在正常情况下，漏水量一般应为系统总水容量的0.1%～0.5%[25～27]，漏水量巨大，所以系统需要及时补水。补水温度低于回水温度，必须加热到回水温度，这样导致需要一部分额外的耗热量。在管网计算负荷供热时，会考虑管路热损和一定的富裕度，管网的管径相对取大，导致供热量加大，能耗损失，管材初投资提高。应加强管理，精确设计，在保证用户端热负荷满足的条件下，减少能耗和材料损失。

5.3 热用户用热管理

不管是热电联产集中供热，还是区域锅炉房供热，最终的目的都是服务于热用户，满足热用户在采暖期室内的热舒适，提高生活品质。热用户的经济性、舒适性是供热工程最基本的要求。

(1)由于城区还存在大面积的老旧小区，管网常出现跑冒滴漏的现象，早期的建筑设计要求和现在的设计要求有所差异，造成集中供热困难，以及系统承压、容量等的不匹配，造成供热负荷增大，消耗不必要的能耗。应加以修正原来管网系统，拆除不合理的管网。

(2)加强用户的智能监测，设计使用分户计量装置，做到不用时关闭，节省能源，合理化热用户的收费机制，做到用多少，交多少费用，摒弃以前的整个采暖季收费的方式。

(3)现在采暖期供热，室内温度很高，有些住户一边开着窗户，一边继续开着暖气，造成不必要的能耗，应该加强居民的节能意识，提高全民道德素养，广做宣传，让大家共同监督节约能源。

(4)目前的散热末端依然存在着一些问题，散热器、地热盘管等存在水力失调等因素，应该继续研发和设计更加高效的散热器，改进供热末端，提高供热末端的散热量，给用户提供一个更加舒适的生活和办公的环境，提高生活品质。

6 结论与展望

目前我国经济快速发展，集中供热的总面积持续增加，力争在2030 年实现碳达峰，2060 年实现碳中和，就需要提高全民素养，节约能耗，实现能源的多级利用，改善自然生态环境。应该从热源、输配管网以及热用户三方面做详细的研究，进一步优化改进设备，促进供热设备技术的不断升级，调整资源结构，开发新能源，加大新能源的占比。需加大研究新型的节能设备和供热系统的力度，将智慧供热更加精细化并与集中供热相结合。未来，供热能够做到根据外界气候的实时变化，并且结合当地天气预报温度的变化，提前调整供热负荷，真正实现智慧供热，提高室内热舒适，实现精准供热。政府机构应该进一步健全供热节能规章制度，完善设计规范，实时监督，对资源结构进行合理化配置，只有从本质上了解供热情况，才能真正解决问题，并以此达到节能减排的目的。