江億、麻林?。簶?gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)勢在必行

黨的二十屆三中全會指出，加快規(guī)劃建設新型能源體系。建立面向碳中和的新型能源體系，必須實現(xiàn)零碳電力、熱力和燃料供應。當前我國碳達峰碳中和“1+N”政策體系對化石能源替代和新型電力系統(tǒng)建設均有布局，但對熱力系統(tǒng)關(guān)注相對不足。熱力系統(tǒng)現(xiàn)已成為各地開展能源低碳轉(zhuǎn)型和零碳園區(qū)建設等工作的難點堵點，必須引起高度重視。

 

熱力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級迫在眉睫

 

我國熱力需求主要源于工業(yè)和建筑。2022年工業(yè)用熱約90億吉焦，包括主要用于化工的飽和壓力在1兆帕以上的高壓蒸汽和主要用于造紙、輕紡等輕工業(yè)的飽和壓力在1兆帕以下的中低壓蒸汽。建筑用熱約93億吉焦，主要用于冬季采暖和生活熱水等。目前各類用熱主要依靠燃煤、燃氣鍋爐及熱電聯(lián)產(chǎn)提供，約消耗全國11%的能源（6億噸標煤），產(chǎn)生15%的能源相關(guān)碳排放。

 

預計到2060年，我國熱力需求將從183億吉焦增加至240億吉焦。要想實現(xiàn)零碳供應，依靠電熱轉(zhuǎn)換或生物質(zhì)燃燒等方式并不經(jīng)濟可行。若全部依靠電熱轉(zhuǎn)換會消耗7萬億度電，相當于全國2024年用電量的70%，這將給新型電力系統(tǒng)建設帶來巨大壓力；若全部依靠生物質(zhì)燃燒需要9億噸標準煤的生物質(zhì)燃料，超過全國生物質(zhì)資源總量，且會消耗未來新型能源系統(tǒng)中最寶貴的低成本零碳燃料。這種情況下，尋找經(jīng)濟可行的零碳熱力供應方式迫在眉睫。各地在熱力低碳轉(zhuǎn)型實踐中，由于缺乏全國整體轉(zhuǎn)型規(guī)劃和技術(shù)方向引導，出現(xiàn)了熱力管網(wǎng)重復建設導致財政浪費，建設以熱電聯(lián)產(chǎn)為目的的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠導致碳排放不降反增，盲目推廣空氣源和土壤源熱泵加劇電力系統(tǒng)季節(jié)性調(diào)峰壓力等一系列問題。

 

因此，必須盡快創(chuàng)新綠色低碳供熱技術(shù)，通過系統(tǒng)性、前瞻性的規(guī)劃設計整體推進新型零碳熱力系統(tǒng)建設。否則，不僅會阻礙我國實現(xiàn)碳達峰碳中和，還可能帶來能源安全風險。比如，2022年烏克蘭危機引起的歐洲能源危機，受影響最大的領(lǐng)域就是建筑冬季采暖，導致了巨大的經(jīng)濟社會損失，且嚴重威脅能源安全。

 

系統(tǒng)布局新型零碳熱力系統(tǒng)

 

構(gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)是我國新型能源體系建設中的重要任務，應根據(jù)熱力需求特點和資源稟賦等國情條件來進行整體規(guī)劃和系統(tǒng)布局。

 

熱泵可通過消耗電力將低品位熱量轉(zhuǎn)化為高低品位熱量，1份電可供3—8份熱，是全球公認的高效零碳供熱方式。低溫低密度用熱需求適合采用“自然熱源+熱泵”來供熱。低品位的自然熱源可從室外空氣、土壤、地表水等自然環(huán)境中提取。自20世紀90年代以來，我國基于自然熱源的熱泵技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展迅速，已有超過一億平方米的北方建筑采用該方式采暖。然而，對于高密度的用熱需求，例如對于北方城市高密度建筑群，當單位土地面積的取熱密度大于1兆瓦/萬平方米時，若從自然環(huán)境中提取低溫熱量會產(chǎn)生一些不利的生態(tài)環(huán)境影響和地下空間過度占用。

 

高密度用熱需求可采用“余熱熱源+熱泵”供熱。當取熱密度大于1兆瓦/萬平方米時，可考慮核電火電余熱、工業(yè)余熱、數(shù)據(jù)中心余熱等人工排放余熱作為低溫熱源，結(jié)合熱泵實現(xiàn)供熱。我國擁有大量的余熱資源，回收70%就可滿足北方建筑采暖和工業(yè)高密度用熱需求。為解決熱源與用熱在空間、時間和參數(shù)上的不匹配問題，需要建立區(qū)域余熱共享系統(tǒng)，回收各種余熱，依靠管網(wǎng)系統(tǒng)通過熱水循環(huán)把余熱輸送到用熱終端，建設跨季節(jié)儲熱設施，平衡余熱產(chǎn)出和用熱需求在時間上的不一致。我國北方地區(qū)已建成完善的集中供熱系統(tǒng)，南方地區(qū)也建成了一定規(guī)模的工業(yè)蒸汽供給系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過改造升級就可實現(xiàn)全年余熱回收和“余熱+熱泵”供熱。

 

而對于工業(yè)生產(chǎn)壓力高于1兆帕的蒸汽需求，采用熱泵的經(jīng)濟性不佳，應加速攻關(guān)高溫零碳供熱技術(shù)，可考慮核能供熱或電直熱等方式。

 

為實現(xiàn)上述技術(shù)路徑，必須盡快開展共性關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)攻關(guān)和試點示范。熱泵技術(shù)需突破低全球變暖潛值制冷劑熱泵、高溫熱泵、工業(yè)蒸汽熱泵、寬域高效壓縮技術(shù)等；熱量品位變換技術(shù)需突破第一類吸收式換熱器、第二類吸收式換熱器；余熱回收技術(shù)需突破核能、熱電廠及鋼鐵冶金等流程工業(yè)的余熱采集；熱量輸送和調(diào)配技術(shù)需突破長距離低成本輸熱技術(shù)；需重點突破跨季節(jié)儲熱技術(shù)和熱電協(xié)同技術(shù)。

 

按照“三步走”戰(zhàn)略有序推進

 

構(gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)，事關(guān)能源安全、生產(chǎn)安全和民生保障，特別要注重安全可靠和平穩(wěn)有序。建議按照“三步走”戰(zhàn)略，立足安全保供，堅持先立后破。

 

2035年前要注重節(jié)能挖潛。在工業(yè)、建筑領(lǐng)域中加速熱泵替代；對北方集中供熱管網(wǎng)開展末端回水溫度降低改造，以適應余熱深度回收、長距離輸送和跨季節(jié)儲能的需要；依靠低回水溫度深度回收利用熱電聯(lián)產(chǎn)余熱，并回收部分工業(yè)余熱，開始逐步淘汰燃煤鍋爐。

 

2035至2045年要實現(xiàn)轉(zhuǎn)型加速。加速熱泵替代，加速余熱共享基礎(chǔ)設施建設，重點建設冶金、有色、化工、建材等領(lǐng)域的余熱回收工程，把余熱高效接入城市熱網(wǎng)；配合火電退出，同步規(guī)劃建設大規(guī)?？缂竟?jié)儲熱設施，依靠非采暖期回收的余熱彌補火電退出導致的熱量缺口；開展熱泵柔性調(diào)節(jié)和需求側(cè)響應方式運行，支撐電力系統(tǒng)削峰填谷和綠電消納。

 

2045至2060年進行攻堅完善。加速推進熱泵靈活調(diào)節(jié)和需求側(cè)響應，全面實現(xiàn)綠電驅(qū)動的熱泵零碳供熱。全面建成余熱共享系統(tǒng)，依靠跨季節(jié)儲熱設施，收集核電、工業(yè)、調(diào)峰火電、垃圾焚燒、數(shù)據(jù)中心等的全年余熱，全面實現(xiàn)余熱零碳供熱。以高溫氣冷堆、電/氫供熱、生物質(zhì)等多種技術(shù)，實現(xiàn)高溫工業(yè)零碳用熱。

 

為保障上述戰(zhàn)略落實，必須深化體制機制改革。首先，應盡快制定頂層規(guī)劃。要盡快出臺新型熱力系統(tǒng)建設的長期規(guī)劃和五年規(guī)劃并發(fā)布指導性意見，特別是要系統(tǒng)布局余熱共享系統(tǒng)基礎(chǔ)設施，實現(xiàn)全國一盤棋，確保熱力供需高效匹配與余熱資源集約利用。其次，應適度超前開展基礎(chǔ)設施建設。要將新型熱力系統(tǒng)建設納入國家重大基礎(chǔ)設施工程體系，建立跨省區(qū)、跨部門協(xié)調(diào)機制，系統(tǒng)布局、分批推進各類余熱共享系統(tǒng)的基礎(chǔ)設施建設，完善跨季節(jié)蓄熱設施的土地審批與環(huán)評制度。要發(fā)揮“規(guī)劃引領(lǐng)+市場運作”雙重效能，引導多元主體參與，推動適度超前建設。再次，應健全政策激勵機制。建立熱量按溫度品位的核算方法和定價機制，算清經(jīng)濟賬，保障建設相關(guān)方投資共擔、利益共享，激發(fā)余熱回收內(nèi)生動力。

 

（作者江億系中國工程院院士、清華大學建筑節(jié)能研究中心主任，麻林巍系清華大學能源與動力工程系黨委副書記、長聘副教授）