彭在美
我國城鎮(zhèn)供熱行業(yè)屬于“三高一低”——高能耗、高排放、高投入、低效率的行業(yè)。有關(guān)統(tǒng)計顯示，2020年，我國建筑業(yè)運行階段CO2排放量為21.7億噸，其中化石燃料燃燒排放6.9億噸，而城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)化石燃料排放量占到總化石燃料燃燒排放量的76%。
我國北方城鎮(zhèn)采暖熱源主要來自熱電聯(lián)產(chǎn)和各類燃煤、燃氣鍋爐。其中，燃煤供熱比重達70%~80%。據(jù)有關(guān)研究部門測算，2018年，北方城鎮(zhèn)供暖能耗為2.12億噸標準煤，CO2排放量為5.5億噸。
截至2020年底，我國北方城鎮(zhèn)供熱面積約147億平方米，農(nóng)村供熱面積為70億平方米，共計217億平方米，年耗能約2.8億噸標準煤當量，CO2排放量為7.26億噸。我國南方地區(qū)供暖需求呈爆發(fā)式增長，預計到2030年，我國南方地區(qū)包括區(qū)域供暖用戶數(shù)量共計將達到9700萬戶左右，屆時將CO2排放超過7000萬噸。
在近期召開的碳達峰、碳中和與清潔供熱綠色發(fā)展國際峰會上，有關(guān)專家指出，供熱領(lǐng)域綠色化可從4個方面入手：超前布局區(qū)域供熱管網(wǎng)規(guī)劃，并分步實施改造，適應未來零碳供熱的形勢需求；高能耗建筑的節(jié)能改造；熱力末端減少過量供熱；深度挖掘電廠余熱、工業(yè)余熱，獲取足夠的零碳熱源。
徹底改變能源結(jié)構(gòu)是集中供熱系統(tǒng)低碳化的根本途徑
區(qū)域集中供暖作為節(jié)約能源、減少污染物排放的高效供熱系統(tǒng)，是當前分步實施改造的重點領(lǐng)域。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部于2020年12月份發(fā)布的《2019年城市建設統(tǒng)計年鑒》和《2019年城鄉(xiāng)建設統(tǒng)計年鑒》，截至2019年底，我國集中供熱面積約110億平方米，較2018年增長6億平方米，增長率約5.78%。其中，北方地區(qū)城市集中供熱的平均單位面積供暖能耗為14.5千克標準煤/平方米，較2015年的17.8千克標準煤/平方米降低了18.5%。據(jù)統(tǒng)計，我國每年新增城鎮(zhèn)集中供熱面積在3億平方米~5億平方米，但新增熱源超50%與燃煤有關(guān)。
集中供熱面積的增長有兩個方面，一個是新增長的面積。其中，全國居民社區(qū)，例如重慶市渝北區(qū)投資80億元，在社區(qū)建設能源供應站，通過管道集中供應暖氣或冷氣，5年內(nèi)分布式覆蓋居民樓面積達1000萬平方米；全國各類工業(yè)園區(qū)從國家級到鎮(zhèn)級約1萬多家，需要新建集中供熱（冷）區(qū)，例如，陜西省蒲城縣高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)投資1.6億元建設供熱項目，提供工業(yè)用蒸汽。另一個是老舊供熱管網(wǎng)改造。例如遼寧省沈陽市供熱管網(wǎng)總長約1萬多公里，局部存在保溫層破損、鋼管壁受腐蝕以及超期服役等問題，需要進行改造。河北省計劃3年內(nèi)改造供熱管網(wǎng)4891公里，例如滄州市熱力有限公司和昊天熱力發(fā)展有限公司2021年將改造該市73個老舊小區(qū)供熱管網(wǎng)，改造面積約277.7萬平方米。
集中供熱系統(tǒng)要實現(xiàn)低碳化，有兩方面的工作要做：一是提高能效。目前我國供熱系統(tǒng)的平均能效約30%，最大挖掘潛力在于供熱管網(wǎng)實現(xiàn)“三零”——零節(jié)流、零過流量、零過熱量，歸根結(jié)底要提高管網(wǎng)輸送效率。二是使用清潔能源作為熱源。
目前我國正在改變能源結(jié)構(gòu)，由燃煤、燃油、燃氣的熱源結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)樗?、風、光、核電和生物質(zhì)能等清潔的熱源結(jié)構(gòu)，擺脫對化石能源的依賴。
尤其自2016年以來，我國清潔取暖率得以快速提升。有關(guān)研究單位統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2016年，我國清潔供暖面積為69億平方米，清潔供暖率為34%；到2020年，我國清潔供暖面積已達到144億立平方米，清潔供暖率為65%。
實現(xiàn)供熱低碳化的主要途徑：清潔電力+余熱利用
實現(xiàn)供熱低碳化的總體思路就是要取消各類燃煤燃氣鍋爐，盡可能依靠清潔電力實現(xiàn)低碳供暖，同時深度挖掘各種余熱資源。從操作層面，未來國內(nèi)尤其是北方城鎮(zhèn)供暖熱源將由核電、調(diào)峰火電余熱、電驅(qū)動熱泵等協(xié)同組成。
清潔電力的希望寄托于新能源。有專家期望，未來40年光伏、風電等清潔能源的整體比重從目前的10%提高到70%以上。國外對發(fā)展風電存在爭議，目前歐洲一些國家認為風電會破壞生態(tài)平衡；國內(nèi)風電、光伏的能源優(yōu)勢在西北地區(qū)，而大多用戶集中在北方和東南沿海地區(qū)。因此，有專家建議將發(fā)展清潔電力的重點放在核電。
根據(jù)《核電中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，我國核電裝機容量達到5800萬千瓦，排在美國、法國之后，居第3位。2019年中國大陸在運核電機組有47臺，目前在建機組有11臺，總裝機容量為1134萬千瓦。2019年上半年，已有福建漳州和廣東太平嶺核電站核準開工，2021年5月19日江蘇省連云港田灣核電站擴建工程開工。有資料顯示，目前各地籌建中的核電站達到25個。2030年，中國核電站的總裝機容量將達到1億千瓦以上。
據(jù)中國工程院院士、中國城鎮(zhèn)供熱協(xié)會副理事長江億測算，若充分利用1億千瓦核電產(chǎn)生的1.5億千瓦余熱和1億千瓦調(diào)峰火電產(chǎn)生的4.5億千瓦余熱，再輔之以用燃氣末端調(diào)峰，即可為北方地區(qū)160億平方米建筑提供所需熱源；而其余則可采用多種電驅(qū)動熱泵、工業(yè)低品位余熱、中水水源熱泵、垃圾焚燒爐等熱源滿足。筆者具體詮釋如下：
所謂“調(diào)峰火電”，主要指我國600攝氏度以上蒸汽參數(shù)的超超臨界（USC）機組，占全球同類裝機的80%以上。目前我國正在對700攝氏度（USC）發(fā)電技術(shù)進行攻關(guān)，推進60萬千瓦超超臨界CFB對發(fā)電示范應用，已達到650攝氏度/105小時階段，逼近700攝氏度目標值。發(fā)展方向是100萬千瓦、120萬千瓦和160萬千瓦超超臨界機組，以達到效率最高、排放為零的世界最先進的火電水平。
所謂“燃氣末端調(diào)峰”，就是燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)機組。2021年3月31日，哈爾濱舉行黑龍江省首例大型引用俄氣供暖工程啟動儀式，積極推動燃氣調(diào)峰電站項目建設。該工程可利用天然氣3億立方米，新增供熱能力1200萬平方米，可滿足以深哈產(chǎn)業(yè)園區(qū)為核心的環(huán)西片區(qū)供熱需求；2020年7月30日，濟南能源集團正式掛牌成立，4家公司（濟南熱力集團、濟南熱電公司、濟南港華燃氣公司、山東濟華燃氣公司）統(tǒng)籌供熱供氣，都起到燃氣末端調(diào)峰的功能。
所謂“多種電驅(qū)動熱泵”，如河北省任澤區(qū)地源熱泵供能項目、河北省邢臺市信都區(qū)新型地源熱泵清潔能源供暖項目等，后者室外鉆井總數(shù)量約1087個、鉆孔深度150米、鉆孔面積18600平方米，涉及供熱面積23.3萬平方米、供熱負荷9300千瓦。
所謂“中水水源熱泵”，如河北樂亭余熱供熱和中水回用綜合管網(wǎng)建設項目，新建泵站1座，熱力管網(wǎng)DN（公稱直徑）為1200毫米，長度為21.4公里；中水一次管網(wǎng)DN為800毫米，長度1.2為公里；中水二次管網(wǎng)DN為1000毫米，長度為20.2公里。
所謂“垃圾焚燒爐”熱源，如河南省濟源市生活垃圾焚燒發(fā)電廠項目；黑龍江省望奎縣鎮(zhèn)和佳木斯市撫遠縣各建設的一座生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項目，設計規(guī)模均為30兆瓦；山東省建設2×15兆瓦生物質(zhì)熱電項目，包括兩臺75噸/小時高溫高壓秸稈直燃循環(huán)流化床鍋爐，兩臺15兆瓦凝汽式汽輪發(fā)電機組。
這里所謂“工業(yè)多品位余熱”，是指工業(yè)余熱余壓高效回收利用，高溫煙氣凈化回收利用，冶金行業(yè)各種生產(chǎn)工序的余熱余壓能量回收等。目前，工業(yè)余熱回收的方法主要有熱交換、熱工交換，以及通過熱泵將熱能直接用于供熱，主要用于低溫余熱收集。工業(yè)余熱利用多為蒸氣發(fā)電系統(tǒng)。
鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)煤氣、蒸汽等熱能回收利用，使得98%以上的資源得到深度開發(fā)。例如山鋼集團實施“焦爐上升管荒煤氣梯級換熱中壓蒸汽回收關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)與應用”項目；沙鋼集團與70多家企業(yè)實現(xiàn)蒸汽資源共享；河北邢臺德龍鋼鐵公司高爐沖渣水余熱供暖項目，可向周邊面積達200多萬平方米的居民住宅供暖；山西省呂梁市中陽鋼鐵公司充分利用高爐沖渣水、燒結(jié)、轉(zhuǎn)爐等生產(chǎn)工序的余熱，接入中陽縣城集中供熱設施，增加了集中供熱面積，淘汰了數(shù)百臺采暖燃煤小鍋爐，使企業(yè)綠色發(fā)展的效益從內(nèi)部延伸到社會。
中國首創(chuàng)水熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)結(jié)合大型跨季蓄熱裝置。此前，國家電投山東核電與清華大學聯(lián)合建設的“水熱同產(chǎn)同送”科技示范工程在山東海陽投運。其通過對核能進行先發(fā)電、后制水、再供暖的三級高效利用，為世界“零碳”能耗供熱+“零碳”能耗制水提供了“中國方案”。
據(jù)江億測算，水熱聯(lián)產(chǎn)技術(shù)結(jié)合大型跨季節(jié)儲熱，1億千瓦的核電廠可年產(chǎn)100億噸淡水，可為100億平方米建筑供熱，且成本只有“南水北調(diào)+熱電聯(lián)產(chǎn)”的50%，將為我國北方沿海地區(qū)徹底解決水資源問題、零碳供暖問題提供新思路。
“核電供熱改造為遠距離供熱”項目有福建福清、連云港田青、浙江秦山等。例如秦山核電核能綜合利用項目——核能供暖節(jié)能改造項目，建設地點位于浙江省嘉興市，建設周期為2021年~2022年，供熱水主管線長約14.5公里、管徑為DN600毫米，并配套建設有廠外熱力站等。
供熱有季節(jié)性的特點，因此，大量的核電、工業(yè)等余熱，都應高效存儲于冬季供暖，而利用大型跨季節(jié)蓄熱裝置回收大量余熱資源，將使原本僅能運行3個~4個月的余熱回收裝置實現(xiàn)全年運行。
有專家建議，一是在沿海地區(qū)建設若干大型跨季節(jié)蓄熱裝置，開發(fā)利用沿海地區(qū)核電、火電、鋼鐵企業(yè)余熱資源，理論上可為80億平方米建筑供熱；二是在北方地區(qū)建設若干大型跨季節(jié)儲熱裝置，開發(fā)利用現(xiàn)存的3億千瓦火電，可以得到4億千瓦熱量，也可以為80億平方米建筑供熱；三是在中西部地區(qū)建設若干中型跨季節(jié)蓄熱裝置，開發(fā)利用鋼鐵、有色、化工、機電產(chǎn)業(yè)和垃圾焚燒等余熱，有望為10億平方米建筑供熱。
城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)碳達峰、碳中和的愿景。城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)力爭于2030年實現(xiàn)城鎮(zhèn)分散煤爐基本清零，到2035年城鎮(zhèn)供暖累計替代煤1.1億噸，基本實現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)無煤化，實現(xiàn)城鎮(zhèn)供熱領(lǐng)域清潔化。因此，全國要關(guān)停的各類煤炭、燃油小鍋爐多達100萬臺。例如河北省辛集市主城區(qū)散煤替代集中供熱（含保障房）項目，天津市武清區(qū)燃煤供熱站改燃天然氣管網(wǎng)配套工程，陜西省延安市黃陵縣黃花溝村、虎尾村、張寨村等煤改氣供熱站項目等，為在全國逐步建立清潔取暖長效機制提供了有效經(jīng)驗。
目前，全國各類燃煤電廠達8000多家，每年將有數(shù)百家實施改造，上馬熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱供汽項目。“十三五”期間，我國對9.5億千瓦的燃煤發(fā)電機組進行了改造，建成全世界最大的清潔發(fā)電體系，對京津冀及周邊地區(qū)的冬季清潔取暖的散煤替代完成了2500多萬戶的相關(guān)設施改造。因此，城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)碳排放將先于建筑業(yè)實現(xiàn)碳達峰，與電力系統(tǒng)同步實現(xiàn)碳中和，與電力系統(tǒng)同步進入碳市場。
