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碳达峰碳中和背景下推进供热低碳转型的路径思考

作者:张建国 来源:中国能源杂志社 发布时间:2022-03-08 浏览:

中国储能网讯:摘要:推进供热低碳转型既与民生改善密切相关,也是实现碳达峰、碳中和目标的重要领域。该文分析了我国建筑供热现状,判断供热需求趋势,并介绍了供热先进技术,提出我国建筑供热低碳转型的实施路径和政策建议。本文认为我国北方城乡供暖用能需求将逐渐进入峰值期,但南方家庭供暖需求和居民生活热水用能需求还将大幅增长。针对不同气候区和建筑类型的供暖需求特点,应采取不同的低碳供热路径,北方城镇建筑供暖应充分利用好既有的集中供热管网资源,着力优化热源结构;北方农户继续推行清洁取暖,开展散煤替代;南方家庭优先发展分户供热,鼓励以电代气。建议应把供热低碳转型纳入构建以新能源为主体的新型能源系统统筹考虑,出台支持政策发展可再生能源供热,调整天然气价格、供热计量等政策,同时加强技术研发示范,鼓励创新供热应用模式。

关键词:碳达峰、碳中和;供热;低碳转型;路径

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

推进城乡供热领域低碳转型,既与改善民生密切相关,也是实现碳达峰、碳中和目标需要关注的重点领域。目前,我国北方城镇建筑是以燃煤热电联产为主的大中型集中供热系统,作为主要供热方式,以保障冬季室温最低温度达标为供热目标,以单一种类能源、大管网、大型热力站及供热系统大调度为主要特征,传统供热系统存在化石能源热源占比高、管网系统规模大、热力平衡调节困难、存在过量供热等问题。随着城镇化率提升,北方城镇供热面积还将进一步增长。与此同时,大量南方家庭取暖的需求潜力正在快速释放。在碳达峰、碳中和的大背景下,供热需求“存量”的低碳转型和“增量”的低碳供热任重道远,必须创新供热方式,优化热源结构,全面提升供热系统技术与装备水平,加快推动传统供热行业向现代供热的转变,构建安全、低碳、清洁、高效、智慧、经济的供热系统。

一、我国建筑供热现状及需求判断

目前,我国北方城镇地区已拥有152亿平方米的供暖建筑规模,其中集中供热面积约达110亿平方米,北方城镇供暖能耗超过建筑部门运行总能耗的1/5,平均单位建筑面积供暖能耗约为14.1 kgce/m2,北方城镇供暖二氧化碳排放超过全国建筑运行能耗相关二氧化碳排放总量的1/4,供热管网总长度达46.8万千米,其中一级管网、二级管网分别约占26%、74%。从热源结构看,仍以燃煤清洁利用为主,主要通过热电联产、大型区域锅炉房等集中供暖设施满足供暖需求,集中供暖尚未覆盖的区域大多以燃煤小锅炉、天然气、电、可再生能源等分散供暖作为补充。根据中国城镇供热协会对部分供热企业的调查统计数据显示,2020年,北方城镇建筑供热热源中的燃煤热电联产约占55.6%、燃气热电联产约占5.9%,燃煤锅炉约占17.9%,燃气锅炉约占18.4%,电供暖(包括直接电热供暖和热泵供暖)、工业余热等其他热源占比较低。相比2019年,热电联产总占比上升三个百分点,燃煤锅炉占比下降1.4个百分点,燃气锅炉占比下降1.6个百分点,显示了在清洁取暖政策推动下北方城镇供热的热源结构正逐步优化。目前,北方城镇地区新建建筑执行节能强制性标准比例基本达到100%,节能建筑占城镇民用建筑面积比重超过56%。2015年—2019年,北方城镇集中供暖面积年均增长6.9%(约7.6亿平方米),随着城镇化的发展,未来我国北方城镇建筑冬季供暖面积还将继续扩大,预计到2035年将达到200亿平方米左右。未来通过建筑节能改造和供热系统节能运行,冬季供暖平均能耗强度有望从目前的14.1 kgce/m2下降到8 kgce/m2左右,届时200亿平方米建筑供暖约需1.6亿吨标准煤热量,将低于目前152亿平方米建筑的供暖能耗总量。随着北方城镇采暖建筑面积增长速度逐渐放缓,采暖能耗强度下降幅度进一步加大,其供暖能耗将逐步进入峰值期。随着时间推移,早期建设的采暖建筑将逐渐到寿命期,预计到2035年以后,北方城镇传统集中供暖建筑面积将逐渐减少,到2060年降至100亿平方米左右。

我国北方农村冬季采暖多数为分散采暖方式,使用火炕、土暖气供暖,散煤燃烧占比仍较高,农村地区建制镇约有4亿平方米的集中供热面积。2019年,我国北方农村供暖建筑面积达70亿平方米,清洁取暖率约占50%,未来还有35亿平方米需要清洁取暖改造。

除了北方采暖外,南方夏热冬冷地区家庭采暖需求潜力正在快速释放。过去20年间,南方家庭取暖市场规模由少到多、由慢及快,目前,超过80%的城镇家庭和约30%的农村家庭已安置了取暖设备,但总体仍处于简易低效、低品质水平。截至2019年底,夏热冬冷地区仅城镇住宅建筑面积就有约70亿平方米,其中燃气壁挂炉取暖有约800万户,各类暖气片取暖达490万户,小太阳、电暖风等设备约有820万户;集中供暖面积约8000万平方米至1亿平方米,采暖面积占比不到1%,主要利用工业余热、热电联产、水源热泵等技术,武汉、徐州、合肥是较早一批尝试集中供暖的南方城市;“十三五”期间,该地区家庭采暖能耗年均增速约达20%;采暖能耗在住宅总能耗中占比也提升至20%左右,采暖用能结构中电力、天然气分别约占70%、30%;采暖具有采暖周期较短、室内外温差较小、房屋保温性能差、间歇式采暖、不同用户采暖需求差异性较大、对室内热舒适性心理期望相对较低等基本特征。目前,南方家庭平均采暖能耗强度仅为3千克标准煤/平方米左右,仅维持基本的、较低水平的采暖服务。随着未来住宅建筑面积和采暖服务水平的进一步提升,南方家庭采暖用能还将大幅攀升,给冬季采暖用能保障供应和低碳转型带来新挑战。

除了房间采暖,我国居民生活热水用能也持续增长。目前,我国已基本实现了城镇家庭热水器的普及,城镇典型家庭户均生活热水用量约为50升/户/天,仅为美国、日本户均生活热水用量的20%左右,而生活热水设备以燃气热水器和电热水器为主,其次是太阳能、电热泵热水器,还有少量的小区集中生活热水,户均生活热水能耗为100 kgce/(户·年)左右,未来将继续保持增长态势,有可能达到目前水平的三倍。

综上可以判断,我国北方城镇供暖用能需求将逐渐进入峰值期,未来15年尽管供暖面积还将进一步增长,但单位面积采暖能耗强度有望下降30%-50%,北方城镇供暖用能总量将不断下降;随着清洁取暖行动的深入推进,北方农村供暖总能耗有望下降,用能结构更加清洁;南方家庭供暖需求还将大幅增长;居民生活热水用能需求也将显著增长。

二、技术进步为供热低碳转型创造有利条件

近年来,超低能耗建筑、第四代低温供热系统、热泵、核能供热、数字化等技术快速发展,为我国供热低碳转型创造了有利条件。

超低/近零能耗建筑可以显著降低建筑供热需求。超低/近零能耗建筑是通过建筑被动式设计、主动式高性能能源系统及可再生能源系统应用,大幅度减少化石能源消耗的节能、低碳建筑。我国已颁布的《近零能耗建筑技术标准》(GB/T 51350-2019),对不同气候区的近零能耗建筑的建筑能耗综合值、供暖年耗热量等指标进行了规定,相对现行的节能建筑标准,节能达到60%~75%以上,从而在北方地区可以不用传统的集中供热方式,仅采用分户的空气源热泵进行补热即可满足需求。“十三五”时期,我国积极开展超低能耗建筑试点示范,类型涉及五大气候区的住宅、办公、学校等多种类型,技术逐渐成熟、成本不断下降,目前已建成超低能耗建筑1200万平方米,并呈现出从试点示范建设加快向规模化过渡的态势。

区域供热技术的发展,不仅可以提高能源利用效率,还具备使用更低供给温度的能力。供热系统技术不断进步,第一代供热系统采用高温蒸汽技术进行供热,第二代供热系统采用高压技术,到了第三代、第四代,供热系统可以在越来越低的温度条件下运行,温度越低意味着可利用的低品位热源范围越广。在传统模式中,区域供热系统需在高温环境下运行,以满足保温性能较差的建筑高热量需求,在大多数情况下,只有使用化石燃料才能达到所需的高温。目前,随着第四代区域供热系统的发展,通过多能互补,可将低温的可再生能源热源整合到区域能源系统,为实现可再生能源供热创造了技术条件。

热泵技术也在快速发展,可为提升供热电气化水平提供支撑。热泵技术可广泛应用于生活热水供应、采暖空调、热风干燥等领域,低温空气源热泵是近年我国自主开发的新技术,适用范围可扩展到-30℃的室外低温环境地区,比直热式电采暖节电三分之二,近年来已在我国北方清洁取暖行动中得到大规模推广。

以“分布式光伏发电装置、储能电池、低压直流配电系统、智能建筑用电设备”集成为主要特征的“光、储、直、柔”新型能源系统的发展,为低碳供热提供了新的技术解决方案。随着未来光伏屋顶的大规模普及,可利用太阳能光伏发电为空气源热泵或电蓄热供暖提供廉价电力,通过电热转换提供热源,将比主动式太阳能热水系统采暖更具优势。若太阳能屋顶光伏系统结合被动式太阳房技术,将颠覆传统的太阳能供暖模式。

此外,我国未来要构建以新能源为主体的电力系统,核电将发挥越来越大的作用,承担电力系统的基本负荷,核电余热资源将非常丰富,尤其在北方沿海地区,核电余热供热可以发挥重要作用。核电厂余热利用、跨季节储热、长距离大温差热力输送、多热源的大型热网调控等技术发展,为充分利用工业、核电余热等资源创造便利条件。

三、我国建筑供热低碳转型的实施路径

针对我国北方城镇建筑、农村建筑、南方城镇建筑等不同建筑供暖需求特点,应采取不同的低碳供热路径。北方城镇建筑供暖应充分利用好既有的集中供热管网资源,优化热源结构。北方农村继续推行清洁取暖,开展散煤替代,结合可再生能源利用,推进“煤改电”“煤改生物质能”。南方家庭优先发展分户供热,鼓励以电代气。此外,鼓励生活热水以电代气,推广应用电热泵热水器、太阳能热水器。

对于北方城镇既有建筑,在紧凑型的城市中心区域集中供热系统依然具有优势,应充分利用既有城镇集中供暖管网继续集中供暖;加强供热管网互联互通,结合储热设施,利用工业余热替代部分燃煤热电联产、燃气锅炉房供暖,并通过降低热网回水温度,结合低温供热末端,提高供热系统整体能源利用效率;因地制宜利用污水源、地热能、太阳能等多能互补系统供暖。

对于北方城镇新建建筑,可以采取多能互补的小区集中供热系统进行供暖,发展低温区域供热系统,因地制宜利用当地可再生能源资源。对中小城市可以选择可再生能源集中应用为主,通过热源侧的可再生能源集中应用、应用末端的建筑能效提升、高效的输配热力管网来实现供暖。随着建筑节能标准的提高,尤其是超低能耗建筑、近零能耗建筑大规模推广后,不再需求集中供暖系统,采用分户的空气源热泵进行补热,即可满足需求。

对于北方农村建筑,在做好建筑节能保温改造的前提下,优先鼓励采用空气源热泵进行采暖。对于生物质资源丰富地区的农户,可利用“生物质供热专用炉具+成型燃料颗粒”技术,采用散热器或地板辐射供热末端进行供暖,兼顾解决炊事和生活热水问题;对太阳能资源丰富的地区,可采用被动太阳房结合空气源热泵补热等方式满足供暖需求。随着太阳能光伏发电成本的持续下降,也可采用太阳能光伏系统结合空气源热泵供暖或电蓄热供暖的技术,利用廉价的光伏发电来驱动空气源热泵或电蓄热进行供暖。

对于南方城镇家庭,不适宜采用北方大规模市政集中供暖方式,宜采取清洁能源驱动、分散式为主的方式进行采暖,包括空气源热泵、燃气壁挂炉等。但为了尽早实现碳达峰目标,应倡导用户开展电能替代,减少对天然气等化石能源的消耗,空气源热泵采暖应是主导的分散采暖方式。对于周边余热或可再生能源资源丰富、居民支付意愿较强的居住小区,可以优先发展城镇分布式小区供暖。

对于南方农村家庭,空气源热泵仍是主导的分散采暖方式。随着未来屋顶光伏大规模的推广,在比较成本优势的前提下,也可利用光伏电力直接电蓄热采暖。对于生物质资源丰富的南方农村地区,因地制宜推广生物质炉,兼顾满足供暖、炊事和生活热水需要。

四、政策建议

1.把供热低碳转型纳入构建以新能源为主体的新型能源系统统筹考虑,明确转型时间表、路线图,争取未来30年内实现北方城镇供暖低碳转型。一方面通过提高新建建筑节能标准,发展超低/近零能耗建筑,开展既有建筑深度节能改造,从而大幅减少建筑本体的供热负荷;另一方面重构供热热源和供热方式,采用更多低碳、零碳热源,随着电力系统中零碳电力占比的提升,不断提高电热泵供热市场份额,从而减少供热系统碳排放;其次应用新一代信息技术发展智慧供热,支持供热传统基础设施转型升级,提升供热系统节能减排效果、经济效益及供热安全水平。到碳中和时代,建筑运行的用能品种将主要是电力和热力,若完全可以实现零碳电力,建筑运行阶段是否能实现碳中和,将取决于是否能实现零碳供热。

2.出台优惠政策,鼓励可再生能源供热发展。尽管国家已出台一些可再生能源供热支持政策,但缺乏具体细化的落地措施,中央层面尚无对可再生能源供热的财税、价格优惠政策。建议把可再生能源供热纳入国家可再生能源发展规划,明确可再生能源供热发展目标;将其作为适宜地区城市能源规划的重要内容,做好可再生能源与城市能源、区域能源体系的衔接和融合;加强多种可再生能源或可再生能源与常规能源的系统集成技术的技术研发和试点示范;支持可再生能源供热特许经营,出台供热价格、财税、投融资等经济激励政策,比如:减免地热能资源税,提高可再生能源供热项目的市场竞争力;强化技术支撑,建立健全各类可再生能源供热技术及设备的标准。

3.调整天然气价格政策,鼓励以电代气。目前,我国建筑运行阶段的直接碳排放已基本进入平台期,但碳达峰仍存在不确定性,主要在于南方地区采暖用天然气等化石能源需求增长存在不确定性。目前,天然气采暖相对电热泵采暖而言,存在供气保障、成本较高等挑战。在能源低碳转型的大趋势下,可以预见未来天然气的能源消费市场空间将不断压缩,盲目大规模建设天然气采暖相关基础设施将带来资产沉没风险。为了建筑领域碳排放尽早达峰,应鼓励居民炊事、卫生热水、采暖等建筑用能以电代气,在现有天然气阶梯价格基础上,实行更严格的天然气阶梯价格政策。

4.调整供热计量政策,健全热计量体系。未来供热将从传统的粗放式管理向精细化、信息化、智能化、精准供热方向转变,智慧供热离不开供热系统的源、网、站、末端建筑全面的热计量配置。我国北方采暖城镇热计量收费政策已实施10多年,投资巨大,但效果欠佳,有必要及时评估和调整既有的热计量收费政策。热计量是供热系统碳排放测算的必备基础手段,也是供热系统效果评价的重要依据。在碳达峰、碳中和背景下,供热系统热计量的本质不能仅局限于用户侧的热计量收费,而应着眼于供热系统各环节的全面热计量,以满足用户热舒适度需求为目的,建立一套用户易接受、企业易管理、政府易监管的热计量体系。热计量不等于分户热计量,也可以是分楼栋热计量,具体需根据热计量用户的特点、效果、经济性等多种因素确定。

5.加强技术研发示范,创新供热应用模式。目前,我国供热系统面临设备设施老化压力,全面提升供热系统技术与装备水平是缓解供热行业成本压力、提升供热系统效率、实现供热低碳转型的重要支撑。应积极推进供热新技术、新设备、新材料的研发、示范及推广,大力开发工业余热、核电厂余热、跨季节储热、多能互补的低温区域供热系统等新型低碳、零碳集中供热技术,完善室内温控、末端分户调节装置、楼宇和热力站智能调控计量装置等供热系统智能感知设备,发展以一次可再生能源电力为主的电热转换技术,开发新型保温绝热材料;实施地热能供热、核能供热等重大项目建设和重点项目推广;探索应用多能互补、小微热力管网互联互通、小型热力站为特征,以保障用户末端供热质量为调度目标的新型集中供热系统。

作者简介  

张建国,中国宏观经济研究院能源研究所副研究员,主要从事能源发展战略、节能减排政策、建筑节能等研究工作。

文章来源    

本篇文章发表于《中国能源》杂志2021年第9期。

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