關鍵詞：碳達峰、碳中和；供熱；低碳轉型；路徑
Abstract: The low carbon transformation in heating area is an important field to achieve carbon peak and carbon neutrality strategy in China, which is closely related to people's livelihood improvement. In this paper, the current situation of heating in building sector in China has been analyzed, and the trend of the heating demand has been judged too. Meanwhile, this paper introduces some advanced heating technologies, and puts forward the pathways for heating to low carbon transformation and several policy suggestions. This point regarding the trend of heating demand in building sector in China is that, the energy consumption for space heating demand in north China is gradually increased to near peak, but energy consumption demand for space heating and residents' hot water in south China would increase sharply. The pathways for low carbon transformation in heating area should be different based on the different heating demand characteristics. For urban areas in the north, we should make full use of existing central heating pipelines resources and focus on heat source structure optimization. For rural areas in the north, continue to carry out the bulk coal substitute. Families in the South give priority to household heating and encourage electricity instead of gas. This paper suggests that the low carbon transformation in heating area should be considered as a part of whole to the new energy system strategy in China, and develop renewable energy heating, adjust the current policies of price of natural gas and heat metering, in addition to strengthen technology research and development, encourage innovation of heating application mode.
Key words: Carbon Peak & Carbon Neutrality; Heating; Low Carbon Transformation; Pathways
推進城鄉供熱領域低碳轉型，既與改善民生密切相關，也是實現碳達峰、碳中和目標需要關注的重點領域。目前，我國北方城鎮建筑是以燃煤熱電聯產為主的大中型集中供熱系統，作為主要供熱方式，以保障冬季室溫最低溫度達標為供熱目標，以單一種類能源、大管網、大型熱力站及供熱系統大調度為主要特征，傳統供熱系統存在化石能源熱源占比高、管網系統規模大、熱力平衡調節困難、存在過量供熱等問題。隨著城鎮化率提升，北方城鎮供熱面積還將進一步增長。與此同時，大量南方家庭取暖的需求潛力正在快速釋放。在碳達峰、碳中和的大背景下，供熱需求“存量”的低碳轉型和“增量”的低碳供熱任重道遠，必須創新供熱方式，優化熱源結構，全面提升供熱系統技術與裝備水平，加快推動傳統供熱行業向現代供熱的轉變，構建安全、低碳、清潔、高效、智慧、經濟的供熱系統。
一、我國建筑供熱現狀及需求判斷
目前，我國北方城鎮地區已擁有152億平方米的供暖建筑規模，其中集中供熱面積約達110億平方米，北方城鎮供暖能耗超過建筑部門運行總能耗的1/5，平均單位建筑面積供暖能耗約為14.1?kgce/m2，北方城鎮供暖二氧化碳排放超過全國建筑運行能耗相關二氧化碳排放總量的1/4，供熱管網總長度達46.8萬千米，其中一級管網、二級管網分別約占26%、74%。從熱源結構看，仍以燃煤清潔利用為主，主要通過熱電聯產、大型區域鍋爐房等集中供暖設施滿足供暖需求，集中供暖尚未覆蓋的區域大多以燃煤小鍋爐、天然氣、電、可再生能源等分散供暖作為補充。根據中國城鎮供熱協會對部分供熱企業的調查統計數據顯示，2020年，北方城鎮建筑供熱熱源中的燃煤熱電聯產約占55.6%、燃氣熱電聯產約占5.9%，燃煤鍋爐約占17.9%，燃氣鍋爐約占18.4%，電供暖（包括直接電熱供暖和熱泵供暖）、工業余熱等其他熱源占比較低。相比2019年，熱電聯產總占比上升三個百分點，燃煤鍋爐占比下降1.4個百分點，燃氣鍋爐占比下降1.6個百分點，顯示了在清潔取暖政策推動下北方城鎮供熱的熱源結構正逐步優化。目前，北方城鎮地區新建建筑執行節能強制性標準比例基本達到100%，節能建筑占城鎮民用建筑面積比重超過56%。2015年—2019年，北方城鎮集中供暖面積年均增長6.9%（約7.6億平方米），隨著城鎮化的發展，未來我國北方城鎮建筑冬季供暖面積還將繼續擴大，預計到2035年將達到200億平方米左右。未來通過建筑節能改造和供熱系統節能運行，冬季供暖平均能耗強度有望從目前的14.1?kgce/m2下降到8?kgce/m2左右，屆時200億平方米建筑供暖約需1.6億噸標準煤熱量，將低于目前152億平方米建筑的供暖能耗總量。隨著北方城鎮采暖建筑面積增長速度逐漸放緩，采暖能耗強度下降幅度進一步加大，其供暖能耗將逐步進入峰值期。隨著時間推移，早期建設的采暖建筑將逐漸到壽命期，預計到2035年以后，北方城鎮傳統集中供暖建筑面積將逐漸減少，到2060年降至100億平方米左右。
我國北方農村冬季采暖多數為分散采暖方式，使用火炕、土暖氣供暖，散煤燃燒占比仍較高，農村地區建制鎮約有4億平方米的集中供熱面積。2019年，我國北方農村供暖建筑面積達70億平方米，清潔取暖率約占50%，未來還有35億平方米需要清潔取暖改造。
除了北方采暖外，南方夏熱冬冷地區家庭采暖需求潛力正在快速釋放。過去20年間，南方家庭取暖市場規模由少到多、由慢及快，目前，超過80%的城鎮家庭和約30%的農村家庭已安置了取暖設備，但總體仍處于簡易低效、低品質水平。截至2019年底，夏熱冬冷地區僅城鎮住宅建筑面積就有約70億平方米，其中燃氣壁掛爐取暖有約800萬戶，各類暖氣片取暖達490萬戶，小太陽、電暖風等設備約有820萬戶；集中供暖面積約8000萬平方米至1億平方米，采暖面積占比不到1%，主要利用工業余熱、熱電聯產、水源熱泵等技術，武漢、徐州、合肥是較早一批嘗試集中供暖的南方城市；“十三五”期間，該地區家庭采暖能耗年均增速約達20%；采暖能耗在住宅總能耗中占比也提升至20%左右，采暖用能結構中電力、天然氣分別約占70%、30%；采暖具有采暖周期較短、室內外溫差較小、房屋保溫性能差、間歇式采暖、不同用戶采暖需求差異性較大、對室內熱舒適性心理期望相對較低等基本特征。目前，南方家庭平均采暖能耗強度僅為3千克標準煤/平方米左右，僅維持基本的、較低水平的采暖服務。隨著未來住宅建筑面積和采暖服務水平的進一步提升，南方家庭采暖用能還將大幅攀升，給冬季采暖用能保障供應和低碳轉型帶來新挑戰。
除了房間采暖，我國居民生活熱水用能也持續增長。目前，我國已基本實現了城鎮家庭熱水器的普及，城鎮典型家庭戶均生活熱水用量約為50升/戶/天，僅為美國、日本戶均生活熱水用量的20%左右，而生活熱水設備以燃氣熱水器和電熱水器為主，其次是太陽能、電熱泵熱水器，還有少量的小區集中生活熱水，戶均生活熱水能耗為100?kgce/（戶·年）左右，未來將繼續保持增長態勢，有可能達到目前水平的三倍。
綜上可以判斷，我國北方城鎮供暖用能需求將逐漸進入峰值期，未來15年盡管供暖面積還將進一步增長，但單位面積采暖能耗強度有望下降30%-50%，北方城鎮供暖用能總量將不斷下降；隨著清潔取暖行動的深入推進，北方農村供暖總能耗有望下降，用能結構更加清潔；南方家庭供暖需求還將大幅增長；居民生活熱水用能需求也將顯著增長。
二、技術進步為供熱低碳轉型創造有利條件
近年來，超低能耗建筑、第四代低溫供熱系統、熱泵、核能供熱、數字化等技術快速發展，為我國供熱低碳轉型創造了有利條件。
超低/近零能耗建筑可以顯著降低建筑供熱需求。超低/近零能耗建筑是通過建筑被動式設計、主動式高性能能源系統及可再生能源系統應用，大幅度減少化石能源消耗的節能、低碳建筑。我國已頒布的《近零能耗建筑技術標準》（GB/T 51350-2019），對不同氣候區的近零能耗建筑的建筑能耗綜合值、供暖年耗熱量等指標進行了規定，相對現行的節能建筑標準，節能達到60%~75%以上，從而在北方地區可以不用傳統的集中供熱方式，僅采用分戶的空氣源熱泵進行補熱即可滿足需求。“十三五”時期，我國積極開展超低能耗建筑試點示范，類型涉及五大氣候區的住宅、辦公、學校等多種類型，技術逐漸成熟、成本不斷下降，目前已建成超低能耗建筑1200萬平方米，并呈現出從試點示范建設加快向規模化過渡的態勢。
區域供熱技術的發展，不僅可以提高能源利用效率，還具備使用更低供給溫度的能力。供熱系統技術不斷進步，第一代供熱系統采用高溫蒸汽技術進行供熱，第二代供熱系統采用高壓技術，到了第三代、第四代，供熱系統可以在越來越低的溫度條件下運行，溫度越低意味著可利用的低品位熱源范圍越廣。在傳統模式中，區域供熱系統需在高溫環境下運行，以滿足保溫性能較差的建筑高熱量需求，在大多數情況下，只有使用化石燃料才能達到所需的高溫。目前，隨著第四代區域供熱系統的發展，通過多能互補，可將低溫的可再生能源熱源整合到區域能源系統，為實現可再生能源供熱創造了技術條件。
熱泵技術也在快速發展，可為提升供熱電氣化水平提供支撐。熱泵技術可廣泛應用于生活熱水供應、采暖空調、熱風干燥等領域，低溫空氣源熱泵是近年我國自主開發的新技術，適用范圍可擴展到-30℃的室外低溫環境地區，比直熱式電采暖節電三分之二，近年來已在我國北方清潔取暖行動中得到大規模推廣。
以“分布式光伏發電裝置、儲能電池、低壓直流配電系統、智能建筑用電設備”集成為主要特征的“光、儲、直、柔”新型能源系統的發展，為低碳供熱提供了新的技術解決方案。隨著未來光伏屋頂的大規模普及，可利用太陽能光伏發電為空氣源熱泵或電蓄熱供暖提供廉價電力，通過電熱轉換提供熱源，將比主動式太陽能熱水系統采暖更具優勢。若太陽能屋頂光伏系統結合被動式太陽房技術，將顛覆傳統的太陽能供暖模式。
此外，我國未來要構建以新能源為主體的電力系統，核電將發揮越來越大的作用，承擔電力系統的基本負荷，核電余熱資源將非常豐富，尤其在北方沿海地區，核電余熱供熱可以發揮重要作用。核電廠余熱利用、跨季節儲熱、長距離大溫差熱力輸送、多熱源的大型熱網調控等技術發展，為充分利用工業、核電余熱等資源創造便利條件。
三、我國建筑供熱低碳轉型的實施路徑
針對我國北方城鎮建筑、農村建筑、南方城鎮建筑等不同建筑供暖需求特點，應采取不同的低碳供熱路徑。北方城鎮建筑供暖應充分利用好既有的集中供熱管網資源，優化熱源結構。北方農村繼續推行清潔取暖，開展散煤替代，結合可再生能源利用，推進“煤改電”“煤改生物質能”。南方家庭優先發展分戶供熱，鼓勵以電代氣。此外，鼓勵生活熱水以電代氣，推廣應用電熱泵熱水器、太陽能熱水器。
對于北方城鎮既有建筑，在緊湊型的城市中心區域集中供熱系統依然具有優勢，應充分利用既有城鎮集中供暖管網繼續集中供暖；加強供熱管網互聯互通，結合儲熱設施，利用工業余熱替代部分燃煤熱電聯產、燃氣鍋爐房供暖，并通過降低熱網回水溫度，結合低溫供熱末端，提高供熱系統整體能源利用效率；因地制宜利用污水源、地熱能、太陽能等多能互補系統供暖。
對于北方城鎮新建建筑，可以采取多能互補的小區集中供熱系統進行供暖，發展低溫區域供熱系統，因地制宜利用當地可再生能源資源。對中小城市可以選擇可再生能源集中應用為主，通過熱源側的可再生能源集中應用、應用末端的建筑能效提升、高效的輸配熱力管網來實現供暖。隨著建筑節能標準的提高，尤其是超低能耗建筑、近零能耗建筑大規模推廣后，不再需求集中供暖系統，采用分戶的空氣源熱泵進行補熱，即可滿足需求。
對于北方農村建筑，在做好建筑節能保溫改造的前提下，優先鼓勵采用空氣源熱泵進行采暖。對于生物質資源豐富地區的農戶，可利用“生物質供熱專用爐具+成型燃料顆粒”技術，采用散熱器或地板輻射供熱末端進行供暖，兼顧解決炊事和生活熱水問題；對太陽能資源豐富的地區，可采用被動太陽房結合空氣源熱泵補熱等方式滿足供暖需求。隨著太陽能光伏發電成本的持續下降，也可采用太陽能光伏系統結合空氣源熱泵供暖或電蓄熱供暖的技術，利用廉價的光伏發電來驅動空氣源熱泵或電蓄熱進行供暖。
對于南方城鎮家庭，不適宜采用北方大規模市政集中供暖方式，宜采取清潔能源驅動、分散式為主的方式進行采暖，包括空氣源熱泵、燃氣壁掛爐等。但為了盡早實現碳達峰目標，應倡導用戶開展電能替代，減少對天然氣等化石能源的消耗，空氣源熱泵采暖應是主導的分散采暖方式。對于周邊余熱或可再生能源資源豐富、居民支付意愿較強的居住小區，可以優先發展城鎮分布式小區供暖。
對于南方農村家庭，空氣源熱泵仍是主導的分散采暖方式。隨著未來屋頂光伏大規模的推廣，在比較成本優勢的前提下，也可利用光伏電力直接電蓄熱采暖。對于生物質資源豐富的南方農村地區，因地制宜推廣生物質爐，兼顧滿足供暖、炊事和生活熱水需要。
四、政策建議
1.把供熱低碳轉型納入構建以新能源為主體的新型能源系統統籌考慮，明確轉型時間表、路線圖，爭取未來30年內實現北方城鎮供暖低碳轉型。一方面通過提高新建建筑節能標準，發展超低/近零能耗建筑，開展既有建筑深度節能改造，從而大幅減少建筑本體的供熱負荷；另一方面重構供熱熱源和供熱方式，采用更多低碳、零碳熱源，隨著電力系統中零碳電力占比的提升，不斷提高電熱泵供熱市場份額，從而減少供熱系統碳排放；其次應用新一代信息技術發展智慧供熱，支持供熱傳統基礎設施轉型升級，提升供熱系統節能減排效果、經濟效益及供熱安全水平。到碳中和時代，建筑運行的用能品種將主要是電力和熱力，若完全可以實現零碳電力，建筑運行階段是否能實現碳中和，將取決于是否能實現零碳供熱。
2.出臺優惠政策，鼓勵可再生能源供熱發展。盡管國家已出臺一些可再生能源供熱支持政策，但缺乏具體細化的落地措施，中央層面尚無對可再生能源供熱的財稅、價格優惠政策。建議把可再生能源供熱納入國家可再生能源發展規劃，明確可再生能源供熱發展目標；將其作為適宜地區城市能源規劃的重要內容，做好可再生能源與城市能源、區域能源體系的銜接和融合；加強多種可再生能源或可再生能源與常規能源的系統集成技術的技術研發和試點示范；支持可再生能源供熱特許經營，出臺供熱價格、財稅、投融資等經濟激勵政策，比如：減免地熱能資源稅，提高可再生能源供熱項目的市場競爭力；強化技術支撐，建立健全各類可再生能源供熱技術及設備的標準。
3.調整天然氣價格政策，鼓勵以電代氣。目前，我國建筑運行階段的直接碳排放已基本進入平臺期，但碳達峰仍存在不確定性，主要在于南方地區采暖用天然氣等化石能源需求增長存在不確定性。目前，天然氣采暖相對電熱泵采暖而言，存在供氣保障、成本較高等挑戰。在能源低碳轉型的大趨勢下，可以預見未來天然氣的能源消費市場空間將不斷壓縮，盲目大規模建設天然氣采暖相關基礎設施將帶來資產沉沒風險。為了建筑領域碳排放盡早達峰，應鼓勵居民炊事、衛生熱水、采暖等建筑用能以電代氣，在現有天然氣階梯價格基礎上，實行更嚴格的天然氣階梯價格政策。
4.調整供熱計量政策，健全熱計量體系。未來供熱將從傳統的粗放式管理向精細化、信息化、智能化、精準供熱方向轉變，智慧供熱離不開供熱系統的源、網、站、末端建筑全面的熱計量配置。我國北方采暖城鎮熱計量收費政策已實施10多年，投資巨大，但效果欠佳，有必要及時評估和調整既有的熱計量收費政策。熱計量是供熱系統碳排放測算的必備基礎手段，也是供熱系統效果評價的重要依據。在碳達峰、碳中和背景下，供熱系統熱計量的本質不能僅局限于用戶側的熱計量收費，而應著眼于供熱系統各環節的全面熱計量，以滿足用戶熱舒適度需求為目的，建立一套用戶易接受、企業易管理、政府易監管的熱計量體系。熱計量不等于分戶熱計量，也可以是分樓棟熱計量，具體需根據熱計量用戶的特點、效果、經濟性等多種因素確定。
5.加強技術研發示范，創新供熱應用模式。目前，我國供熱系統面臨設備設施老化壓力，全面提升供熱系統技術與裝備水平是緩解供熱行業成本壓力、提升供熱系統效率、實現供熱低碳轉型的重要支撐。應積極推進供熱新技術、新設備、新材料的研發、示范及推廣，大力開發工業余熱、核電廠余熱、跨季節儲熱、多能互補的低溫區域供熱系統等新型低碳、零碳集中供熱技術，完善室內溫控、末端分戶調節裝置、樓宇和熱力站智能調控計量裝置等供熱系統智能感知設備，發展以一次可再生能源電力為主的電熱轉換技術，開發新型保溫絕熱材料；實施地熱能供熱、核能供熱等重大項目建設和重點項目推廣；探索應用多能互補、小微熱力管網互聯互通、小型熱力站為特征，以保障用戶末端供熱質量為調度目標的新型集中供熱系統。
作者簡介
文章來源
本篇文章發表于《中國能源》雜志2021年第9期。
