江億院士：怎樣改造中國的供熱系統？
編者按：
冬天，農村和城市建筑需要取暖；在工業生產中，鋼鐵、化工、造紙等工廠也離不開高溫蒸汽和熱能。在全社會低碳轉型的大背景下，電力和熱力將成為未來主要的能源供應形式。
在這個冬季河北農村供暖可靠性、經濟性受到關注，再度引發“煤改氣”路徑爭議討論之際，系統反思和規劃我國供熱系統的轉型路徑具有現實意義。如何在滿足今后持續增長的熱需求的同時，進行熱力系統零碳轉型，亦是新型能源體系建設的關鍵議題。
清華大學建筑節能研究中心主任、中國工程院院士江億指出，熱量制備實際占中國能源消費約20%、碳排放約占22%。面向未來，需要開辟出滿足社會發展與經濟增長需要，零碳或低碳的、低成本、高可靠的新型熱力系統。
《知識分子》特此刊發江億院士的文章。他在文中論述了新型熱力系統在未來能源體系的定位，并建議將來每個五年計劃投入2萬~2.5萬億，到2040年全面完成新型熱力系統的建設。
江億認為，高參數集中用熱可以通過高溫氣冷堆由核能提供，中低參數的集中用熱需要建設覆蓋余熱產出點和用熱點的余熱共享系統。低參數分散用熱可采用分散式的熱泵技術來滿足。
撰文｜江億
01 熱量供給是能源供給中的重要部分
我國2024年全年一次能源消耗總量折合55億噸標煤，其中核電、水電、風光電等非化石能源折合5億噸標煤（按照熱值法折合），燃煤燃氣50億噸標煤。按照其中發電及熱電聯產用燃料20億噸標煤，工業生產作為原料和燃料用18億噸標煤，交通8億噸標煤，建筑運行用4億噸標煤（包括作為采暖熱源的區域鍋爐房用燃料）。
由燃煤燃氣電廠消耗的20億噸標煤中，約2億噸通過熱電聯產方式轉換為熱量用于建筑采暖和工業用蒸汽；建筑運行用4億噸標煤中，除了1.2億噸用于炊事，2.8億噸標煤用于制備熱量（采暖、生活熱水）；而工業生產用的18億噸標煤中，作為工藝用12億噸（冶金、化工、建材），其余6億噸標煤用于制備蒸汽或熱水以滿足工業生產需要。這樣，目前共有10.8億噸標煤用于熱量制備，以滿足建筑運行和工業生產的熱量需求。
此外，在建筑和工業生產中還有約2000億kWh電力被熱泵所消耗、為建筑采暖和工業生產制備其所需要的熱量。按照熱量法這些電力可轉換為0.25億噸標煤。
以此計算，目前全年用于制備熱量的能耗為11.05億噸標煤，約占我國目前能源消耗總量的20%。除熱泵用電部分來自可再生電力外，其它制備熱量的能源都來自化石燃料。為制備熱量消耗的化石燃料占我國目前化石燃料總量的22%。由此導致的二氧化碳排放量也約占我國由于能源使用導致的碳排放總量的22%。
我國由于使用能源導致的二氧化碳排放可歸納為：發電占36%，工業生產工藝排放占24%，供熱占22%，交通占16%，炊事餐飲占2%。供熱列為第三，且幾乎與工業生產過程工藝碳排放相當。
考慮未來社會經濟的發展，盡管冶金、建材等產業將有所下降，但化工、機電、電子、輕工等產業還將增長，我國工業用熱將增加到每年136億GJ，其中化工等需要高參數蒸汽的熱量60億GJ，機電輕工等中低參數熱量76億GJ；建筑運行用熱量104億GJ，其中北方城鎮采暖54億GJ，農村和南方建筑采暖、生活熱水制備等50億GJ。工業和建筑總需要熱量240億GJ，如果完全依靠燃煤鍋爐制備，則需要10億噸標煤，排放26億噸二氧化碳，這完全與碳中和目標不符。
而如果完全用電力直接轉換為熱量，則需要7萬億kWh電力，為我國2024年用電總量的70%，也將給新型電力系統的建設帶來巨大的壓力。
我國大量使用熱量的工業生產多數聚集與山東、江蘇、浙江、福建、廣東等沿海省份，這也使得這些地區有大量的發電功率不足10萬kW的燃煤熱電聯產電廠，是我國小熱電主要的分布區域。這些電廠的主要目的是為了滿足工業用熱需求。作為2030年碳達峰之后的重要任務是取消這些小熱電，從而實現碳排放總量的逐年下降。然而怎樣替代這些小熱電，如何找到滿足工業生產需要的足夠的低碳或零碳熱源，成為這些地區為實現雙碳戰略所面臨的主要困難。
02 建設新型的熱力系統是建設能源強國的重要組成部分
現代社會生產和民生都需要大量熱量，而目前制備熱量的主要方式還是通過燃料燃燒。我國可利用的生物質材料總量不超過9億噸標煤（農林牧區6.5億噸、農副產品加工1億噸，城市餐廚垃圾與綠化垃圾1.5億噸）。未來這些生物質材料還將在電力、化工和其它工業生產中發揮重要作用，可用于制備熱量的不超過2億噸標煤。利用綠氫合成氨、醇等新型燃料，所需要的電力大于直接電熱所需要的電量7萬億kWh，因此也不是解決方案。
建設能源強國就必須全面創新，開辟出滿足社會發展與經濟增長需要，零碳或低碳的、低成本、高可靠的新型熱力系統。按照能源需求總量計算，熱力需求占22%~24%，這就是新型熱力系統在未來新能源系統中的地位。
按照對熱量需要的特點和使用方式，可以把熱量需求分為三類：
（1）高參數集中用熱，這主要是化工生產等工業用熱，需要2~5MP的高壓蒸汽。這可由高溫氣冷堆由核能提供。這種用熱場景的特點是集中、連續、穩定，恰好與高溫氣冷堆產產熱量的特點一致。我國是目前世界上唯一研制成功高溫氣冷堆并投入商業運行的國家，繼續發展和推廣這一技術，使其與用熱產業融合發展，是新型熱力系統建設的重要內容之一。
（2）中低參數的集中用熱，服務于工業生產和北方城鎮建筑采暖。這需要1MP以下壓力的中低壓蒸汽或循環熱水，占未來用熱總量的一半以上（130億GJ）。作為制造業大國，我國有大量人類活動排放的余熱，包括核電余熱、調峰火電余熱、冶金有色化工建材等生產過程排放的余熱、數據中心余熱、垃圾焚燒電廠余熱、以及可以從變電站、污水處理廠中回收的余熱。
按照統計分析，即使未來火電和冶金建材能產業大規模消減，上述余熱每年仍在250億GJ以上。只要有效回收利用這些余熱的一半，就可以滿足此類用熱需求。
為此，需要建設連接余熱產生地點與用熱地點之間的熱量輸送管道，建設為解決余熱產出與熱量需求之間在時間上的不匹配所需要的大規模跨季節儲熱設施，開發和生產各種實現不同熱量參數之間熱量傳遞的熱量變換器（又稱廣義換熱器）。在此基礎上建成服務于相對集中的溝通余熱資源與用熱需求的余熱共享系統。為輸送熱量和變換熱量，也需要部分電力。這一類別的130億GJ熱量需要約0.3萬億kWh的電力作熱量變換和輸送，0.85萬億kWh的電力用于由余熱制備工業生產用蒸汽。兩項共1.15萬億kWh電力。
（3）低參數的分散用熱，服務于生活熱水、農村和南方建筑采暖、醫院賓館等建筑的蒸汽需求等。這可以采用空氣源、土壤源、水源和中深層地熱等熱泵技術，通過電力驅動熱泵，采集自然界的低品位余熱，并將其提升到所需要的熱量品位，滿足用熱需求。這種熱泵方式獲得熱量盡管也需要消耗電力，但一度電可獲得3度或更多的熱量（稱為COP，根據低品位熱源的溫度與需要的熱量的溫度不同，COP可達3~5）。未來對這一類別的熱量需求是50億GJ，熱泵消耗電力0.5萬億kWh。
按照如上規劃的新型熱力系統，除高溫氣冷堆需要消耗核燃料外，集中的余熱共享系統和分散的熱泵系統每年提供130+50億GJ熱量，消耗1.65萬億kWh電力，占未來全社會用電總量的10%，遠低于直接電熱所需要的7萬億kWh。由于再無單獨的燃燒制熱，如果新型電力系統實現了零碳供電，則熱力系統也完全實現零碳。
03 投資效益可觀
建設新型熱力系統近十五年內要求巨大的建設投入，可承接正在消減的建筑和基礎設施建設力量。
上述第一類別的熱力供給，可極大促進我國高溫氣冷堆產業的發展，有利于進一步鞏固、發展我國這一全球領先的新技術，從而帶動這一技術的全面發展和出口，彰顯我國能源強國地位。
上述第二類別的熱力供給，需要建設覆蓋余熱產出點和用熱點的余熱共享系統。我國北方已建成完備的集中供熱管網，南方也建成為工業生產園區提供蒸汽的管網。在此基礎上需要建設的工作為：
——區域管網的建設。連接各類余熱熱源與用熱需求，連接各類余熱熱源與城市供熱管網。目前我國已有集中供熱主干管網6萬公里，還要跨建改建3~4萬公里，需要投資1萬億元，主要是土建工程和管網材料。我國在此領域處世界領先地位，已建成多個世界上距離最長、兩側高差最大的熱量輸送系統，并產生良好的經濟效益，實現了熱量的經濟、可靠、安全輸送，目前正主持相關ISO標準的制定。
——跨季節儲熱設施，也就是儲熱水庫。這主要建在北方采暖地區，儲存非采暖期的余熱用于冬季供暖。我國北方地區需要建設總容積達40億立方米的大型跨季節儲熱設施。按照目前已建成的工程推算，這需要約1萬億元投資。主要為土木工程，土工膜材料和其他輔助機電系統。我國目前已建成5座單體規模從1萬到8.5萬立方米的跨季節儲熱水庫，其中一座為世界上儲熱溫度最高、容量最大的儲熱庫，且已通過儲熱能力有效提高了建筑冬季采暖熱源的可靠性、安全性和經濟性。
——各類熱量變換器，或“廣義換熱器”。包括提升余熱熱源處溫度，降低用熱點返回的溫度、以及利用循環熱水熱量和電力制備工業生產用蒸汽。在這一領域我國在技術上也處國際領先地位，其基本概念為我國獨立提出，主要產品也是我國的自主技術。目前國內此類產品的市場每年20~30億元，呈快速增長趨勢。這些裝備制造大約需要1萬億元投入。
——熱量采集系統。從各個余熱產出點回收余熱，需要建設余熱采集系統，這需要工程費用約2000億元。
余熱共享系統的建設共需要投資3.2萬億元，可以獲得每年30億噸工業生產用蒸汽，54億GJ建筑采暖用熱量，消耗電力1.15萬億kWh。如果蒸汽按照200元/噸（目前燃氣制備蒸汽成本250元/噸），熱量50元/GJ（目前燃氣制備熱量80元/GJ），每年產出6000億+2700億=8700億元，消耗電力1.15萬億X0.50元=5750億元，每年剩余約3000億元。如果投入總資金3.2萬億的25%計0.8萬億，獲得2.5%的20年低息貸款2.4萬億，則每年還本付息1540億，每年剩余1460億，支付總銷售收入的10%作為維護管理費870億，則每年凈盈利590億，對于0.8萬億的投資來說，年回報率7%。這樣在經濟上是可行的。在計算電費時，采用電價0.50元/度，實際上三分之二的用電量可消耗谷電，配合電網系統削峰填谷。由此使平均電價降低后，每年的凈盈利可增加到1000億以上。
上述第三類別的熱力供給是采用分散式熱泵。熱泵制造和安裝工程費用約1.5~2萬億元，實現了50億GJ的熱量供給，消耗電力0.5萬億kWh。這種分散用電的方式如果電價為0.60元/kWh，每年支付電費0.3萬億元，折合熱量成本為60元/GJ，這是終端用戶可以接受的價格。如果也按照25%的先期投入和75%的20年2.5%低息貸款計算，投入為1.6萬億時每年需要還款付息770億，每GJ熱量的成本成為75.4元/GJ，但按照天然氣制熱成本的80元/GJ計算的話，則每年剩余230億，年收益率接近6%。
上述規劃圍繞新型熱力系統的建設項目，不包括高溫氣冷堆，需要投資4.7~5.2萬億，在終端用能價格不變的前提下，利用2.5%的低息貸款解決75%的初投資，可以實現6%~7%的年收益率。所需要的經費中，約一半屬于土建工程費用，一半為我國自產的鋼材及各類換熱器、熱泵等。土建工程所需要的工程能力基建工程非常接近，而鋼材及各類換熱器與熱泵裝置我國又有巨大產能。這些工程建設恰好可擬補建造業下滑導致的建造施工能力、裝備和產能過剩的問題。
這一新型熱力系統的建成，使熱量制備再無直接燃燒。與目前我國為建筑運行和工業生產制備熱量的方式相比，每年可減少二氧化碳排放26億噸。即使每噸二氧化碳100元，其減排的價值也是每年2600億元，考慮到這一減碳收益的話，則第二類別、第三類別的熱力供給項目年投資回報率都在20%以上。
04 助力實現新型電力系統
以風電、光電為主要電源的新型電力系統面對的最大困難就是缺少足夠的儲能資源和靈活調節電源。風光電的日夜間變化屬于短周期變化，可以用多種儲能設施解決。而零碳電源與電力負荷需求之間季節性不匹配，則是電力系統面臨的難題。具體地來看，就是在我國大多數供電區域，如果以風光電為主要電源，則冬、夏兩季電力不足，而春秋兩季電力過剩。 這就需要把春秋季多余的電力儲存起來用于冬夏。而由于一年只能儲放兩次，所以各類化學儲能方式經濟性都不適應。采用電—氫—電的方式，也由于裝備投資過高、兩次轉換效率太低而在經濟上不可行。
然而，儲熱設施的建造成本遠低于直接儲電方式和抽水蓄能、空氣壓縮等間接儲電方式。而且新型熱力系統又需要熱量在冬夏之間轉移，把夏季多余的熱量轉移到冬季使用，同時把冬季廉價的冷量轉移到夏季使用。因此，通過熱電協同，利用儲熱替代儲電，就可以實現利用春季的多余電力把冬季的冷量轉移到夏季用于建筑空調；利用秋季的多余的電力把夏季的熱量轉移到冬季用于建筑采暖。這樣就增加了春秋季的電力消耗量，減少了冬夏季對電力的需求，相當于實現了春秋季的多余電力向冬夏季的轉移，同時也緩解了冬季供暖熱源不足，夏季供冷冷源不足的問題。
具體的實現方式為：
分別建設儲熱儲冷水池，在冬季儲熱池內為90℃熱水，儲冷池中為10℃冷水；
冬季取出熱水為建筑供熱，冬季結束時儲熱池中水溫降至35℃；
春季利用電動熱泵把儲冷池中的10℃冷水制成0℃含冰量為50%的冰漿，所釋放出的熱量把儲熱池中的水加熱到70℃；熱泵消耗部分電力；
夏季用儲冷池中的冰漿作為建筑空調冷源，供冷結束的秋季，儲冷池成為25℃冷水；
秋季利用電動熱泵從儲冷池提取熱量，把儲熱池中的水從70℃加熱到90℃，儲冷池成為10℃冷水。熱泵消耗部分電力。
全部過程實現了利用春秋季的多余電力在夏季為建筑提供空調用冷量、在冬季為建筑提供采暖用熱量。熱泵一側制熱、一側制冷，單位制熱制冷量對應的COP可達5以上，同時有效地增大了春秋季的用電量，消減了冬夏季的用電量。熱泵所消耗的電力70%發生春季、30%在秋季，這正好與我國多數地區春秋季電力富裕狀況相符。在春秋季用熱泵制備冰漿和熱水時，如果加大熱泵裝機容量，就可以根據風電光電的狀況運行，只使用風光電。這一方式已在濟南CBD能源中心建成，并從2024年末開始試運行，且驗證了設計預想，為電力系統緩解電力供需之間的季節差和春秋季電力的日內差做出貢獻。
此類工程的核心設施是可實現跨季節儲熱的儲熱水池和儲冰漿水池。為滿足整個冬季、夏季都依靠轉移過來的熱量和冰漿為建筑供熱供冷，1平方米供熱供冷建筑幾乎需要1立方米容量的儲熱水池。如何找到儲熱水池的建設空間、如何低成本建造滿足性能要求的儲熱水池，是實施這一技術路徑的關鍵。與冬季用空氣源熱泵供熱，夏季用電制冷機制冷的常規方式比較，采用上述技術的每平米建筑可分別使建筑冬季和夏季用電量減少10~15kWh/m2，而將這些用電負荷轉移到春季秋季用電負荷低谷期。采用儲能電池為電力系統實現同樣效果需要投資5000~7500元/m2。而上述方式的儲冷儲熱水池的投資不足電池投資的十分之一。
此外，依靠儲熱設施，可以使上一節提出的新型熱力系統中所消耗的1.65萬億kWh電力中的70%發生在一天中的電力低谷期，避開電力負荷高峰期。這些裝置相當于每天有約20億kWh的儲能電池。這僅依靠其儲熱設施，不需要增加額外的投資。我國建設新型電力系統，為緩解日內和短期的電力供需矛盾，需要約150億kWh的儲能能力，合理規劃和建設新型熱力系統，可以在滿足熱力制備和安全可靠供給的同時，為電力系統提供可每天利用的20億kWh的儲能能力，相當于總需求的15%。我國目前大力建設抽水蓄能電站，總計發電功率約6000萬kW。按照可以儲放8小時計算，抽水蓄能電站的儲電容量為4.8億kWh。新型熱力系統可以提供的電力間接儲能能力是目前我國抽水蓄能電站的4倍。
05 政策建議：統一規劃推進供熱轉型
1）新型熱力系統是能源供給系統中的重要部分，應該作為我國建設能源強國的重要內容。由于系統建設涉及大量余熱資源、土地空間資源、且與工業布局密切相關，因此其整體方案需要從全局出發、統一規劃、嚴格執行。必須在統一規劃的約束下，通過市場機制調動各方面積極性，分片、分期實施。同時，工業布局也必須考慮熱力系統狀況，“以熱定產”，“產隨熱走”，把用蒸汽量大的企業聚集到余熱資源豐富的區域建廠。
2）跨季節儲熱設施是伴隨新型熱力系統而出現的新設施，也是新型熱力系統的核心。面對我國北方地區40億立方米庫容的需要，怎樣有效開發利用一切可能的國土空間實現這一建設目標，成為建設新型熱力系統的關鍵。需要國土、生態環境等部門聯合共同制定相關政策與機制，并發展土地空間綜合利用新技術，通過政策機制和技術引導既保障這一建設目標的實現，又不會出現盲目建設、導致土地資源浪費的現象。
3）把新型熱力系統的建設作為今后三個五年計劃中的投資重頭戲。每個五年計劃投入2萬~2.5萬億，到2040年全面完成新型熱力系統的建設。屆時全面淘汰用于制備熱量的燃煤燃氣鍋爐，實現每年碳減排26億噸。這15年正是我國基建產能過剩的時期，通過加大新型熱力系統的建設投入，緩解基建下滑對經濟增長的影響，實現基建隊伍和建材產業的平穩著陸。
4) 利用新型熱力系統建設這一巨大市場，有目的地扶植熱泵、新型換熱器等相關企業，使其成為我國繼風光電、電池和電動車之后的又一個與新能源相關的出口拳頭產品。我國建成能源強國之后，又可以輸出這些技術和產品，增長經濟、增強國力。
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