碳中和目标下我国北方集中供热发展技术路径研究

关 雪，周海珠,李晓萍，李以通，成雄雷（中国建筑科学研究院有限公司， 北京 100013）

人类活动导致的气候变化成为当前最严重的环境问题。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC）第五次评估报告详细分析了全球以及不同区域 CO2排放路径下的全球升温状态。2015 年全球 195 个国家通过《巴黎协定》，达成了“将全球平均气温增幅控制在低于 2.0 ℃ 的水平，并向 1.5 ℃ 温控目标努力”的目标。2020 年，我国在第七十五届联合国大会上承诺 CO2排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。实际上，我国建筑运行的 CO2排放约占全国 CO2排放总量的 21.6%[1]，而集中供热相关的碳排放占建筑运行碳排放的比重达到 26%[2]，成为社会能源消耗和碳排放的重点领域之一。集中供热碳减排需要清晰具体、科学合理的路径指引。因此，明确集中供热低碳发展技术路径，是实现碳达峰和碳中和目标的必由之路。

低碳发展技术路径研究中，一般通过分析变量之间的相关性来建立数学模型，然后使用情景分析来预测建筑行业的碳排放和减排路径。Merkel 等[3]使用热电优化模型和分散能源系统优化模型分析了德国热电行业未来的能源消耗和减排。Xianchun Tan 等[4]开发了 ERP 模型来估计部门协同下的碳减排潜力，并根据不同建筑类型给出了热计量改革、工业余热利用、绿色建筑推广等 18 项供热减排的相关政策建议。IEA 分析认为，为保证 2050 年的净零碳排放情景，热泵、区域低碳供暖及可再生能源供热的市场份额需在 2030年达到 80% 以上[5]。在从供给侧考虑不同低碳供热形式的推进路径中，必须同步从用户侧角度出发，破解低碳供热推行过程中的用户阻力，Benjamin K.Sovacool 等[6]基于对德国、意大利、西班牙、瑞典和英国的调研，评估欧洲公众对家庭供热脱碳的态度，揭示了供热脱碳存在的主要挑战：民众通常对现有的以化石燃料为基础的供暖系统满意度较高，且由于对替代系统的不了解，以及供热脱碳技术导致的热满意度较低等原因，住户不太可能在短期内改变他们的供暖系统。在国内研究领域，基于不同方法开展的未来集中供热用能预测研究工作取得了一系列成果[7-11]，江亿等[12]针对我国建筑领域的直接碳排放、间接碳排放进行了分析，指出协助减少电力和热力使用导致的间接碳排放是我国实现建筑部门碳中和的主要任务之一，并提出了建筑节能改造、消除过量供热、核电余热利用、跨季节储热等未来供热碳减排措施。

综上，大部分研究致力于在建筑领域碳中和目标下明确碳减排技术应用，关于集中供热低碳发展在近期及中长期的具体低碳技术选择及推进的体系化研究鲜有涉及。碳中和目标下，针对清洁热源、输配系统、末端管理全面的技术路径尚需明确。因此，本文从我国北方集中供热用能及碳排放现状出发，面向双碳目标约束，综合分析碳达峰目标内在需求，分阶段提出我国集中供热低碳发展技术路径。

1 北方集中供热用能特性分析

1.1 发展现状

我国北方集中供热系统的能量来源主要为燃煤、燃气和电力等。根据热源系统形式及规模可分为大中小规模的热电联产、区域燃煤燃气锅炉、热泵集中供暖等集中供暖方式。《中国建筑节能年度发展报告 2020》揭示了当前的能源使用状况：2018 年我国北方集中供热建筑面积为 147 亿 m2，商品能耗总量占全国建筑总能耗的 21%，（折算为标准煤）达2.12 t ，能耗强度（折算为标准煤）为 14.4 kg/m2。研究表明，北方集中供热能耗总量近十年里逐增长，2008-2018 年供热能耗总量（折算为标准煤）由 1.73 亿 t 增长到 2.12 亿 t，增长了 22.5%。碳排放方面，2018 年，北方集中供热碳排放总量（折算为 CO2）为 5.5 亿 t，较 2017 年的 5.29 亿 t 增长3.97%。2017 年北方各省市向住建部上报的清洁取暖汇报文件显示，北方地区供暖系统的热源结构中，燃煤供暖是最主要的供暖手段，其供热面积约占总体供热面积的 77%（其中燃煤热电联产供暖面积占比 45%，燃煤锅炉占比 32%），单位建筑面积的碳排放强度（折算为 CO2）较大，为 37.3 kg/m2，在建筑分类碳排放强度中排在第二位。

1.2 用能特征分析

综合分析我国北方城镇集中供热用能情况，在能耗强度及演变、地域性表现等方面特征明显，可总结为以下3大特征。

（1）北方集中供热能耗强度高。目前我国北方城镇建筑 70% 左右采用集中供热网，城镇供热面积占建筑面积总量不到 1/4，但是能源消耗却占据建筑能耗总量的约 1/4，这表示北方集中供热能耗强度高于用能分类的平均水平。长久以来北方集中供热一直是建筑节能的重点领域。导致北方集中供热能耗强度高的原因主要包括 4 个方面[13]。①节能建筑占比小，围护结构保温性差。截止到 2016 年，新建成的建筑中超过一半为非节能建筑，而非节能建筑存在围护结构保温性差的问题，尤其是其中的门窗部分普遍存在传热系数高、气密性差的情况，这无疑提高了北方供暖能耗强度。②整体供热不均匀。现阶段由于集中供热系统调节性能不良，没有分户计量、分室控温等有效的调节方法，致使很多小区存在楼宇间、上下楼层间热力失调，冷热不均。实际调研数据表明[14]，北方部分地区供暖过量供热损失普遍为10%～20%。③管网热损失严重。供热管网热损失主要来自管网失修漏水以及渗水、保温破损和水力失衡失调。保温层脱落或者漏水等年久失修管网造成的热损失最高可达所输送热量的 30%[15]。④供热系统热源效率较低。北方供热热源结构以燃煤供暖为主，燃煤供热面积占比约 77%，燃煤锅炉热效率低下。

（2）北方集中供热能耗强度在持续下降。虽然北方集中供热能耗强度仍然处于较高水平，但通过历年来的纵向比较可以看出，其能耗强度近年来呈现持续下降的态势，如图 1 所示[16]。能耗强度（折算为标准煤）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%，下降比例趋势显著。

图 1 2008-2018年北方集中供热能耗强度（折算为标准煤）变化

究其原因，一是建筑围护结构保温性能得到了提高，在此过程中，我国采取了多项措施，包括制定了覆盖多种气候区和建筑类型的建筑节能设计标准体系、开展节能专项审查工作、推动既有居住建筑的节能改造工作等；二是高效和清洁供暖热源得到了推广，随着北方地区冬季清洁供暖工作的逐步推进，高效的热电联产集中供暖、区域锅炉方式大量取代小型燃煤锅炉房和户式分散小煤炉。煤改气、煤改电政策的推广增加了以燃气为能源的供暖方式，同时水源热泵、地源热泵和空气源热泵的供暖形式也快速发展，清洁能源的使用不断增加。此外，可工业余热供暖、太阳能供暖和生物质供暖等再生能源供暖方式的出现对清洁供暖也进行了有效补充。

（3）北方集中供热能耗地域性明显。北方各个城镇的供暖能耗强度与其所处地区的气候条件有着密不可分的关系，严寒寒冷地区尤其是严寒地区的省市，供暖时间长达180 d 左右，供暖能耗强度明显高于其他地方。黑龙江、新疆和青海的采暖能耗强度最高，能耗强度（折算为标准煤）为 18～21 kg/m2；其次为北京和天津的采暖能耗强度，（折算为标准煤）约为 13.5 kg/m2；河南和山东的采暖能耗强度最低，（折算为标准煤）约为 10.5 kg/m2[17]。此外，由于北方集中供热能耗总量大，能耗强度高，直接使得北方地区民用建筑能耗（含供暖能耗）强度普遍高于南方地区。全国范围来看，能耗强度总排名前 6 位的省市分别为北京、青海、新疆、黑龙江、天津、辽宁，均属严寒、寒冷地区。由此可见，受气候影响，北方集中供热能耗地域性十分明显[18]。

2 用能影响因素与发展目标规划

2.1 用能影响因素分析

城市集中供热系统基础环节主要可以分为 3 个部分：热源、热网和末端热用户。集中供热系统的主要耗能环节包括热力用户的散热、管网热力输配损失、输配电耗等。最终总的能源消耗体现为热源的总体一次能源的消耗量和管网输配系统的电力消耗量 2 个方面。分析各环节的能耗特点和影响因素，则可以确定整个系统能耗的影响因素，进而为用能、碳排放目标的确立，及低碳发展路径的规划提供基础支撑。

北方供热的能源种类主要包括燃煤、燃气、电力、地源或水源热以及工业余热等，随着清洁取暖的实施，“煤改气”“煤改电”政策的推广，以燃气为能源的供热方式比例增加，同时水源热泵、地源热泵、空气源热泵的供热面积也快速发展，工业余热、生物质、太阳能等可再生能源供热方式的出现，都使得供热能耗强度大大降低。2021 年，北方地区清洁取暖率总体达到 70%，替代散烧煤（含低效小锅炉用煤）1.5 亿 t，其中，“2+26”重点城市城区全部实现清洁取暖，35 t 以下燃煤锅炉全部拆除。不同形式的热源输出相同热量时的一次能源消耗量不同，热源结构是造成该供热能耗差异的重要影响因素之一。此外，不同热源的利用效率差异也较大，如热电联产供热能源利用效率约为 80%，燃气锅炉供热能源利用效率能达到 90% 左右，而燃煤锅炉的能源利用效率约为 70%，对供热能耗有明显的影响。

在热力输配过程中，不可避免地存在管网热损耗和输配电耗，这部分损耗将使得热源增加需要提供的热量以保障末端的用热需求，从而造成了供热能耗的增加。水力工况失调、管网热力损耗、水泵选型不合理和管网输热能效低，是供热管网普遍存在的现象。研究表明[1]，过度取暖和管网损失占热力生产总量的大约 20%，其中管网损失约占热力生产总量的 3%～5%。在实际工程中，由于用户侧循环泵选型偏大、水泵偏离高效运行区，或阀门、过滤器的不合理设置，以及人为导致管网压降过大等问题，均造成了水泵电耗的增加，导致供热能耗增大。目前北方地区热力站二次网耗电量为 1～4 kWh/m2。由此可见，输配电耗对供热能耗的影响不容忽视。建筑的需热量是影响供热能耗的重要因素。需热量的大小，由室内外温差、建筑及其围护结构性能和室内换气次数等因素决定。从目前调查的数据来看，建筑实际耗热量往往大于建筑需热量。有研究指出，2005－2008 年我国北方地区城镇建筑供热年耗热量为 0.30～0.55 GJ/m2（热源总出口处计量），整体测算北方地区供热年平均耗热量为 0.42 GJ/m2左右（2008 年），考虑一、二级管网约有5% 的热损失，到建筑实际耗热量约为 0.40 GJ/m2，明显高于当年建筑需热量值 0.34 GJ/ m2。

表 1 集中供热低碳发展技术路径

2.2 发展目标规划

基于以上供热发展特征及用能影响因素分析，结合“十三五”国家重点研发项目“研究我国城市建设绿色低碳发展技术路线图”的情景分析结果，确定各阶段我国集中供热低碳发展目标，如图 2 所示。2020-2025年，随着我国居民对生活品质的增加和城镇化率的增长，北方集中供暖能耗将呈现快速增长的趋势，但在 2025 年之前需要控制能源总消耗量（折算为标准煤）不超过 1.7 亿 t 左右，碳排放量（折算为 CO2）控制在 3.8 亿 t 左右。2025-2035 年，北方集中供暖呈现一段时期的平稳状态，这与建筑面积增长放缓有关，因此在 2035 年前需要控制能源总消耗量（折算为标准煤）不超过 2.9 亿 t 左右，碳排放量（折算为 CO2）控制在 1.7 亿 t 左右。2035-2060 年，随着超低能耗及近零能耗建筑的发展，以及供暖技术的进步，北方集中供暖需求会有所下降，供暖总能耗也会有所降低，因此在 2060 年前需要控制能源总消耗量（折算为标准煤）不超过 0.9 亿 t，碳排放量（折算为 CO2）控制在 1.4 亿 t 左右。

图 3 我国北方集中供暖绿色低碳发展目标规划

3 技术路径研究

基于以上目标约束，结合集中供热发展规律及总体发展愿景，研判低碳技术迭代趋势，以点带面、自下而上考虑各项技术对碳排放影响，并辅以专家论证，最终提出近期阶段（2020-2025 年）、碳达峰阶段（2025-2035 年）和碳中和阶段（2035-2060 年）建筑领域低碳发展技术路径。

在集中热源侧，应完全淘汰 35 t 以下燃煤锅炉，并由大型燃气锅炉、热电联产、工业余热等替代。当前我国小容量燃煤锅炉在很多城市还是主导热源，而小锅炉的热效率只有 55%～60%，一般燃煤锅炉效率达到 70%[16]以上，因此淘汰小型燃煤锅炉将降低 10%～15% 的能源消耗。同时，我国燃煤热电联产单位供热平均煤耗（折算为标准煤）为 20.8 kg/GJ，而锅炉房单位供热平均煤耗（折算为标准煤）为 47 kg/GJ[16]，热电联产供热效率较高，应是我国集中供热系统热源节能改造的主要方向，即热电联产、工业余热、可再生能源、核能等清洁能源应用比例应达到90% 以上，并在碳达峰阶段全部应用以上热源进行供热。在此过程中，应同步推进多热源互联互通、蓄热等技术应用，优化热源综合效率。到碳中和阶段，实现完全的供热精细化管理和热计量收费制度改革。

针对输配系统，一方面重点实施老旧管网维护修复和更新改造，降低输配系统热损失。保温层脱落或者漏水等年久失修的管网，热损失最高可达所输送热量的 30%，这部分热损失在管网性能提升后可大为减少。另一方面，应积极发展跨区域长距离输热、智慧热网等技术。不同地区单位面积输配电耗差异较大，并存在供需不平衡等问题，而发展长距离输热、建立城市级智慧管理平台，依靠高智慧调度、无人值守热力站、新型城区级多热源供热等技术实现热网智慧运行是解决该问题的有效路径。

在供热末端管理中，发展用户自主、按需供热的弹性供热技术。过量供热导致了 20%～30% 的热量损失，如果采用有效的末端调节方式，避免室温过热和开窗散热，平均耗热量可降低 15%～20%[19]。因此，可以完备的供热计量系统为基础条件，优化供热计量收费模式，实施供热和受热分离机制，并将表阀一体化、可调节喷射泵等技术作为有效末端管理的技术支撑，降低末端浪费和过量的碳排放。到碳中和阶段，在时间、空间、质量上实现自主调节，并实现个性化用热。集中供热低碳发展技术路径如表 1 所示。

4 结 语

本文研究了中国集中供热用能及碳排放发展现状，并基于影响因素分析和项目确定的集中供热碳达峰、碳中和目标值，探讨了集中供热低碳发展技术路径，给出了低碳技术发展和应用的阶段性建议。主要得到以下结论。

（1）当前我国北方城镇集中供热碳排放总量（折算为 CO2）达到 5.5 亿 t，为满足未来集中供热低碳发展需求，2025 年、2035 年和 2060 年集中供热碳排放（折算为CO2）应分别控制在 3.8 亿 t、1.7 亿 t 和 1.4 亿 t 左右，这对于低碳技术推进形成重大挑战，需要在供给侧和需求侧做出重大变革，在降低末端用能需求、减少热量输配损失、优化热源结构等方面需同步发力，在各个节点通过低碳技术升级、普及，达到降低建筑碳排放的目的。

（2）为实现碳达峰、碳中和目标，集中供热低碳技术应用不能一蹴而就，应视技术本身特征和技术成熟度，综合用能需求确定。近期阶段重点以燃煤锅炉取缔、工业余热利用、热计量改革等成熟可靠的技术推进为主，中远期阶段进一步强化技术低碳特征，发展智慧供热、核能供热、协同供热等高等级供热模式，实现量变到质变的提升。