城鎮(zhèn)清潔供熱是一場能源消費倒逼供給的革命

　　供熱事業(yè)事關民生冷暖，它是一項系統(tǒng)工程，是能源消費革命、供給革命、技術革命和體制革命的重要組成內(nèi)容。需研究出一條適宜我國特色的清潔供熱之路，構建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代城市供熱基礎設施供應體系，以實現(xiàn)供熱的經(jīng)濟價值、環(huán)境價值和全社會正效益。

　　供熱事業(yè)事關民生冷暖，北方冬季清潔取暖涉及北方城鎮(zhèn)140億平方米和農(nóng)村地區(qū)100億平方米的建筑供熱，是建筑節(jié)能的重頭戲，是北方城市治理大氣污染的首要舉措，也是城市能源基礎設施的生命線之一。

　　截至目前，我國北方城鎮(zhèn)供熱已取得舉世矚目的成就。我國現(xiàn)已建成全世界最大規(guī)模的集中供熱系統(tǒng)，擁有寶貴的城市熱網(wǎng)基礎設施資源，是名副其實的供熱大國；形成了以熱電聯(lián)產(chǎn)為主（燃煤熱電廠占比48%，燃氣熱電廠3%），區(qū)域鍋爐房為輔（燃煤鍋爐33%，燃氣鍋爐12%），其它方式為補充（地熱、電熱泵、工業(yè)余熱、生物質(zhì)等占比4%）的供熱格局。隨著供熱能源的多元化，環(huán)境氣候的清潔化，可以說，在“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”和生態(tài)文明建設進程中，城市能源視角下的北方城鎮(zhèn)清潔供熱，已經(jīng)成為重大的能源工程和環(huán)境工程。

　　熱和電是產(chǎn)品，也是二次能源，而且電還是高品位能源。無論燃料直接燃燒，還是電力直接供熱都屬于高能低用。

　　熱的供給側來源和需求側用途決定了其出路，低品位熱量（一般指100℃以下余熱或自然冷熱源）正對口于滿足取暖室內(nèi)溫度18℃—20℃需求。因此，熱電聯(lián)產(chǎn)、熱泵、工業(yè)余熱和可再生能源利用等供熱系統(tǒng)，可實現(xiàn)煤炭、燃氣、生物質(zhì)（垃圾）、地熱能、太陽能等以及熱、電二次能源的多能互補、多能協(xié)同，符合吳仲華院士所提出的“分配得當、各得其所、溫度對口、梯級利用”能源高效利用原則。

　　由于歷史條件、我國能源資源稟賦和經(jīng)濟等因素，燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)和區(qū)域燃煤鍋爐成為現(xiàn)行集中供熱系統(tǒng)主力。我國現(xiàn)行熱電聯(lián)產(chǎn)存在大量非供熱機組的火電廠，尤其是大型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組（300MW、600MW、1000MW），綜合熱效率可由純凝電廠的30%—40%提高到60%—70%。若充分回收排空余熱（濕冷機組循環(huán)水或空冷機組乏汽余熱、煙氣余熱），既能將熱效率提高到80%—90%以上，還可避免循環(huán)冷卻水蒸發(fā)，消除白煙中大量霧（水蒸氣），從而取得巨大的節(jié)水效益，并可達到基本符合燃氣機組排放限值的超低排放指標，即煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度（基準含氧量6%）分別不超過5mg/m3、35mg/m3、50mg/m3。

　　就熱泵而言，其可將低溫熱量提升為高溫熱量，可以利用高品位能源尤其是電力驅(qū)動，回收自然界的地源、水源和工業(yè)界的循環(huán)水等中所含的熱量，將低品位熱量從5℃—30℃提升至60℃—90℃用于供熱。若一份電力可回收2—3份低品位熱量，則系統(tǒng)能效COP值為3—4；考慮電廠發(fā)電效率40%，則一次能源利用率可達到120%-160%（即，40%×（3—4）——編者注）。余熱回收型的熱電聯(lián)產(chǎn)在發(fā)電效率40%和供熱效率50%時，可產(chǎn)出40%×3+50%=170%的熱量，系統(tǒng)能效COP值甚至可達5以上。相比之下，區(qū)域鍋爐燃燒供熱雖然一份燃料能產(chǎn)生80%—90%的熱量，但能耗卻為熱電聯(lián)產(chǎn)的近2倍。因此，隨著可再生能源發(fā)電比例增加、電力趨向低碳化，熱電聯(lián)產(chǎn)和熱泵供熱方式將突顯出經(jīng)濟、清潔、高效的優(yōu)勢。

　　然而，正如中國工程院院士江億所言，目前城市供暖的主要問題已經(jīng)從二十年前的室溫低、高投訴、熱費上繳率低等民生問題轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗氖覂?nèi)過熱、能耗高和排放高等問題，需要滿足生態(tài)文明發(fā)展的新要求。

　　可以說，我國北方城鎮(zhèn)清潔供熱正處在挑戰(zhàn)和機遇共存、百花齊放時期，甚至處在外部環(huán)境、內(nèi)部因素共促“生死攸關”的變革時期。

　　首先，供給側熱源方式面臨著低碳和高效變革。以燃煤為主的熱電聯(lián)產(chǎn)為例，我國多數(shù)城市熱電聯(lián)產(chǎn)比重低，排空余熱利用率低，而大量火電廠又位于城市周邊或者遠離城市，且冬季“以熱定電”的運行模式造成電網(wǎng)調(diào)峰困難，從而加劇“棄風棄光”現(xiàn)象。近些年，部分位于城市周邊30—100公里的火電廠已改造為熱電聯(lián)產(chǎn)廠或正在論證實施長距離輸送至城鎮(zhèn)，與原有集中熱網(wǎng)并網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。燃氣、電力已經(jīng)實現(xiàn)上千公里的遠距離輸送，不同的是，集中供熱輸送溫差一般為50℃，目前最大管徑DN1400，經(jīng)濟安全的輸送半徑一般只有20公里，而供冷輸送溫差小于10℃，經(jīng)濟輸送半徑更只在1—2公里以內(nèi)。隨著大溫差輸送技術（約100℃）、大管徑和余熱充分利用逐漸得到應用，未來集中供熱經(jīng)濟半徑可以達到50公里甚至100公里，城市內(nèi)部不用再新建熱源廠，利用城市周邊熱電聯(lián)產(chǎn)的火電廠、核電廠等方式即可實現(xiàn)城區(qū)燃煤鍋爐房等替代，這也是基于現(xiàn)實“迫不得已”以輸送為代價的供熱新模式。

　　其次，傳統(tǒng)集中供熱模式也面臨較大挑戰(zhàn)。現(xiàn)有規(guī)模不一，卻“千城一面”的傳統(tǒng)城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)，由于能效低和安全性差等問題導致供熱經(jīng)濟性差，熱力公司普遍陷入行業(yè)性虧損，必須依靠政策性補貼維持運轉(zhuǎn)，且因熱力公司運營理念以保安全供熱為先，以致熱力系統(tǒng)從設計至運行管理各環(huán)節(jié)都可能存在先天和后天的不合理，存在基礎設施投資過大和壽命過短的弊端，無法達到設計的30—50年限，供熱事故呈現(xiàn)日益頻發(fā)且影響面擴大趨勢，再加上輸送能力問題、水力熱力不平衡、跑冒滴漏和過量供熱造成熱損失大，供熱系統(tǒng)普遍具有20%以上節(jié)能空間。這就意味著現(xiàn)有集中供熱系統(tǒng)面臨著系統(tǒng)能效提升、安全升級和經(jīng)濟惠民的變革。

　　再者，需求側低能耗建筑和低溫供熱系統(tǒng)的變革，使得分布式、分散供熱方式日益具備競爭力。空氣源熱泵、污水源、海水源和淺層地源熱泵、中深層地熱（2000—3000米）、太陽能供熱等由于低溫側和高溫側輸送溫差?。?℃—20℃），不適宜現(xiàn)行大規(guī)模集中供熱系統(tǒng)，因靈活分散更適宜分布式供熱乃至分散分戶供熱，以及低能耗建筑和低溫供熱系統(tǒng)。生物質(zhì)（垃圾）熱電聯(lián)產(chǎn)也適宜作為分布式能源系統(tǒng)。

　　目前部分城市存在“煤改氣”、“煤改電”集中供熱系統(tǒng)參數(shù)不匹配，輸配代價大等問題，以致將高品位能源損失在路上和輸配不均衡上。進一步講，城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)信息化、智能化水平急需提升。相比電力系統(tǒng)，供熱系統(tǒng)運行管理相對粗放，缺乏實際有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，且管網(wǎng)基礎設施多數(shù)建在地下，基本上屬于數(shù)據(jù)信息的“盲區(qū)”，無法全面智能化、一體化地高效運行調(diào)度和優(yōu)化控制，供熱數(shù)據(jù)的質(zhì)和量均需較大提升。清華大學秦冰博士指出，集中供熱系統(tǒng)是由很多熱源系統(tǒng)、管道、換熱器、暖氣片和建筑物構成的，其設計方法、系統(tǒng)型式、拓撲結構、運行方式和建筑物特性千差萬別，它的外界環(huán)境和氣象條件變化多端，是一個龐大、耦合性很強且開放的復雜系統(tǒng)。反過來說，供熱系統(tǒng)日益復雜化、多元化也是信息化、智能化的契機，現(xiàn)有供熱系統(tǒng)對智能化需求強烈，節(jié)能、經(jīng)濟效益和安全提升的空間潛力大。

　　最后，熱力企業(yè)面臨著體制革命的迫切需求。集中供熱行業(yè)是涉及民生的基礎性公共事業(yè)，是一種具有自然壟斷特性和正外部性的準公共物品。我國北方城鎮(zhèn)的集中供熱模式結合了政府供給和市場供給，政府部門、熱源廠、熱力公司、采暖用戶共同參與。多數(shù)城市熱源、一次熱網(wǎng)和熱力站與二次管網(wǎng)用戶為不同企業(yè)主體，普遍存在著供熱收入與成本倒掛、熱力企業(yè)嚴重依賴政策補貼和“不明朗”入網(wǎng)費等問題。不合理的體制機制無法引導供熱系統(tǒng)健康發(fā)展。

　　科學的管理體制目的應是促進節(jié)約能源、降低供熱成本、降低管理難度、合理分配利潤和提高服務質(zhì)量，最終促進節(jié)能減排新技術的推廣應用。例如，大型熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)應實施“管住中間、放開兩頭”體制，熱力企業(yè)負責從多個熱源購熱，向多個用戶配售熱，為上游熱電廠企業(yè)創(chuàng)造價值，為下游客戶提供服務，實現(xiàn)冷凝、生活熱水、氣、電等多種能源服務，并通過能效提升、安全升級和現(xiàn)代化管理，以實現(xiàn)熱力企業(yè)“打鐵自身硬”的自身經(jīng)濟價值。

　　綜上，我國北方城鎮(zhèn)清潔供熱不僅僅是滿足采暖民生需求、改善人居環(huán)境的需要，它更是一項系統(tǒng)工程，本質(zhì)上是一場能源消費倒逼供給的革命，是能源消費革命、供給革命、技術革命和體制革命的重要組成內(nèi)容。因此，我國需研究出一條適宜自身特色的清潔供熱之路，構建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代城市供熱基礎設施供應體系，以實現(xiàn)供熱的經(jīng)濟價值、環(huán)境價值和全社會正效益。我們期待，從“供熱大國”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;供熱強國”，冬季清潔取暖的“春天”即將到來。（■鄭忠海　作者系清華大學建筑技術科學系博士）