彭在美
我國城鎮供熱行業屬于“三高一低”——高能耗、高排放、高投入、低效率的行業。有關統計顯示，2020年，我國建筑業運行階段CO2排放量為21.7億噸，其中化石燃料燃燒排放6.9億噸，而城鎮供熱系統化石燃料排放量占到總化石燃料燃燒排放量的76%。
我國北方城鎮采暖熱源主要來自熱電聯產和各類燃煤、燃氣鍋爐。其中，燃煤供熱比重達70%~80%。據有關研究部門測算，2018年，北方城鎮供暖能耗為2.12億噸標準煤，CO2排放量為5.5億噸。
截至2020年底，我國北方城鎮供熱面積約147億平方米，農村供熱面積為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。我國南方地區供暖需求呈爆發式增長，預計到2030年，我國南方地區包括區域供暖用戶數量共計將達到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展國際峰會上，有關專家指出，供熱領域綠色化可從4個方面入手：超前布局區域供熱管網規劃，并分步實施改造，適應未來零碳供熱的形勢需求；高能耗建筑的節能改造；熱力末端減少過量供熱；深度挖掘電廠余熱、工業余熱，獲取足夠的零碳熱源。
徹底改變能源結構是集中供熱系統低碳化的根本途徑
區域集中供暖作為節約能源、減少污染物排放的高效供熱系統，是當前分步實施改造的重點領域。根據住房和城鄉建設部于2020年12月份發布的《2019年城市建設統計年鑒》和《2019年城鄉建設統計年鑒》，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%。據統計，我國每年新增城鎮集中供熱面積在3億平方米~5億平方米，但新增熱源超50%與燃煤有關。
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，例如重慶市渝北區投資80億元，在社區建設能源供應站，通過管道集中供應暖氣或冷氣，5年內分布式覆蓋居民樓面積達1000萬平方米；全國各類工業園區從國家級到鎮級約1萬多家，需要新建集中供熱（冷）區，例如，陜西省蒲城縣高新技術產業開發區投資1.6億元建設供熱項目，提供工業用蒸汽。另一個是老舊供熱管網改造。例如遼寧省沈陽市供熱管網總長約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年內改造供熱管網4891公里，例如滄州市熱力有限公司和昊天熱力發展有限公司2021年將改造該市73個老舊小區供熱管網，改造面積約277.7萬平方米。
集中供熱系統要實現低碳化，有兩方面的工作要做：一是提高能效。目前我國供熱系統的平均能效約30%，最大挖掘潛力在于供熱管網實現“三零”——零節流、零過流量、零過熱量，歸根結底要提高管網輸送效率。二是使用清潔能源作為熱源。
目前我國正在改變能源結構，由燃煤、燃油、燃氣的熱源結構，轉變為水、風、光、核電和生物質能等清潔的熱源結構，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。有關研究單位統計數據顯示，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%。
實現供熱低碳化的主要途徑：清潔電力+余熱利用
實現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，未來國內尤其是北方城鎮供暖熱源將由核電、調峰火電余熱、電驅動熱泵等協同組成。
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。國外對發展風電存在爭議，目前歐洲一些國家認為風電會破壞生態平衡；國內風電、光伏的能源優勢在西北地區，而大多用戶集中在北方和東南沿海地區。因此，有專家建議將發展清潔電力的重點放在核電。
根據《核電中長期發展規劃》，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。
據中國工程院院士、中國城鎮供熱協會副理事長江億測算，若充分利用1億千瓦核電產生的1.5億千瓦余熱和1億千瓦調峰火電產生的4.5億千瓦余熱，再輔之以用燃氣末端調峰，即可為北方地區160億平方米建筑提供所需熱源；而其余則可采用多種電驅動熱泵、工業低品位余熱、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“調峰火電”，主要指我國600攝氏度以上蒸汽參數的超超臨界（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）發電技術進行攻關，推進60萬千瓦超超臨界CFB對發電示范應用，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“燃氣末端調峰”，就是燃氣熱電聯產機組。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，可滿足以深哈產業園區為核心的環西片區供熱需求；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）統籌供熱供氣，都起到燃氣末端調峰的功能。
所謂“多種電驅動熱泵”，如河北省任澤區地源熱泵供能項目、河北省邢臺市信都區新型地源熱泵清潔能源供暖項目等，后者室外鉆井總數量約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建設項目，新建泵站1座，熱力管網DN（公稱直徑）為1200毫米，長度為21.4公里；中水一次管網DN為800毫米，長度1.2為公里；中水二次管網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電廠項目；黑龍江省望奎縣鎮和佳木斯市撫遠縣各建設的一座生物質熱電聯產項目，設計規模均為30兆瓦；山東省建設2×15兆瓦生物質熱電項目，包括兩臺75噸/小時高溫高壓秸稈直燃循環流化床鍋爐，兩臺15兆瓦凝汽式汽輪發電機組。
這里所謂“工業多品位余熱”，是指工業余熱余壓高效回收利用，高溫煙氣凈化回收利用，冶金行業各種生產工序的余熱余壓能量回收等。目前，工業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。工業余熱利用多為蒸氣發電系統。
鋼鐵企業實現煤氣、蒸汽等熱能回收利用，使得98%以上的資源得到深度開發。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鍵技術的開發與應用”項目；沙鋼集團與70多家企業實現蒸汽資源共享；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、轉爐等生產工序的余熱，接入中陽縣城集中供熱設施，增加了集中供熱面積，淘汰了數百臺采暖燃煤小鍋爐，使企業綠色發展的效益從內部延伸到社會。
中國首創水熱聯產技術結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合建設的“水熱同產同送”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”。
據江億測算，水熱聯產技術結合大型跨季節儲熱，1億千瓦的核電廠可年產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+熱電聯產”的50%，將為我國北方沿海地區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。
供熱有季節性的特點，因此，大量的核電、工業等余熱，都應高效存儲于冬季供暖，而利用大型跨季節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全年運行。
有專家建議，一是在沿海地區建設若干大型跨季節蓄熱裝置，開發利用沿海地區核電、火電、鋼鐵企業余熱資源，理論上可為80億平方米建筑供熱；二是在北方地區建設若干大型跨季節儲熱裝置，開發利用現存的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；三是在中西部地區建設若干中型跨季節蓄熱裝置，開發利用鋼鐵、有色、化工、機電產業和垃圾焚燒等余熱，有望為10億平方米建筑供熱。
城鎮供熱系統碳達峰、碳中和的愿景。城鎮供熱系統力爭于2030年實現城鎮分散煤爐基本清零，到2035年城鎮供暖累計替代煤1.1億噸，基本實現農村地區無煤化，實現城鎮供熱領域清潔化。因此，全國要關停的各類煤炭、燃油小鍋爐多達100萬臺。例如河北省辛集市主城區散煤替代集中供熱（含保障房）項目，天津市武清區燃煤供熱站改燃天然氣管網配套工程，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驗。
目前，全國各類燃煤電廠達8000多家，每年將有數百家實施改造，上馬熱電聯產集中供熱供汽項目。“十三五”期間，我國對9.5億千瓦的燃煤發電機組進行了改造，建成全世界最大的清潔發電體系，對京津冀及周邊地區的冬季清潔取暖的散煤替代完成了2500多萬戶的相關設施改造。因此，城鎮供熱系統碳排放將先于建筑業實現碳達峰，與電力系統同步實現碳中和，與電力系統同步進入碳市場。
