江億、麻林?。簶?gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)勢(shì)在必行

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

 

熱力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)迫在眉睫

 

我國(guó)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(lèi)用熱主要依靠燃煤、燃?xì)忮仩t及熱電聯(lián)產(chǎn)提供，約消耗全國(guó)11%的能源（6億噸標(biāo)煤），產(chǎn)生15%的能源相關(guān)碳排放。

 

預(yù)計(jì)到2060年，我國(guó)熱力需求將從183億吉焦增加至240億吉焦。要想實(shí)現(xiàn)零碳供應(yīng)，依靠電熱轉(zhuǎn)換或生物質(zhì)燃燒等方式并不經(jīng)濟(jì)可行。若全部依靠電熱轉(zhuǎn)換會(huì)消耗7萬(wàn)億度電，相當(dāng)于全國(guó)2024年用電量的70%，這將給新型電力系統(tǒng)建設(shè)帶來(lái)巨大壓力；若全部依靠生物質(zhì)燃燒需要9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的生物質(zhì)燃料，超過(guò)全國(guó)生物質(zhì)資源總量，且會(huì)消耗未來(lái)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(jì)可行的零碳熱力供應(yīng)方式迫在眉睫。各地在熱力低碳轉(zhuǎn)型實(shí)踐中，由于缺乏全國(guó)整體轉(zhuǎn)型規(guī)劃和技術(shù)方向引導(dǎo)，出現(xiàn)了熱力管網(wǎng)重復(fù)建設(shè)導(dǎo)致財(cái)政浪費(fèi)，建設(shè)以熱電聯(lián)產(chǎn)為目的的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠導(dǎo)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(wèn)題。

 

因此，必須盡快創(chuàng)新綠色低碳供熱技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)性、前瞻性的規(guī)劃設(shè)計(jì)整體推進(jìn)新型零碳熱力系統(tǒng)建設(shè)。否則，不僅會(huì)阻礙我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和，還可能帶來(lái)能源安全風(fēng)險(xiǎn)。比如，2022年烏克蘭危機(jī)引起的歐洲能源危機(jī)，受影響最大的領(lǐng)域就是建筑冬季采暖，導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)損失，且嚴(yán)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(guó)新型能源體系建設(shè)中的重要任務(wù)，應(yīng)根據(jù)熱力需求特點(diǎn)和資源稟賦等國(guó)情條件來(lái)進(jìn)行整體規(guī)劃和系統(tǒng)布局。

 

熱泵可通過(guò)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(rèn)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(lái)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(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)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(guò)一億平方米的北方建筑采用該方式采暖。然而，對(duì)于高密度的用熱需求，例如對(duì)于北方城市高密度建筑群，當(dāng)單位土地面積的取熱密度大于1兆瓦/萬(wàn)平方米時(shí)，若從自然環(huán)境中提取低溫?zé)崃繒?huì)產(chǎn)生一些不利的生態(tài)環(huán)境影響和地下空間過(guò)度占用。

 

高密度用熱需求可采用“余熱熱源+熱泵”供熱。當(dāng)取熱密度大于1兆瓦/萬(wàn)平方米時(shí)，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?zé)嵩?，結(jié)合熱泵實(shí)現(xiàn)供熱。我國(guó)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(shí)間和參數(shù)上的不匹配問(wèn)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(guò)熱水循環(huán)把余熱輸送到用熱終端，建設(shè)跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施，平衡余熱產(chǎn)出和用熱需求在時(shí)間上的不一致。我國(guó)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(guò)改造升級(jí)就可實(shí)現(xiàn)全年余熱回收和“余熱+熱泵”供熱。

 

而對(duì)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(jì)性不佳，應(yīng)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(shí)現(xiàn)上述技術(shù)路徑，必須盡快開(kāi)展共性關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)攻關(guān)和試點(diǎn)示范。熱泵技術(shù)需突破低全球變暖潛值制冷劑熱泵、高溫?zé)岜谩⒐I(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(lèi)吸收式換熱器、第二類(lèi)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(zhǎng)距離低成本輸熱技術(shù)；需重點(diǎn)突破跨季節(jié)儲(chǔ)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(jìn)

 

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(jiān)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(duì)北方集中供熱管網(wǎng)開(kāi)展末端回水溫度降低改造，以適應(yīng)余熱深度回收、長(zhǎng)距離輸送和跨季節(jié)儲(chǔ)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(kāi)始逐步淘汰燃煤鍋爐。

 

2035至2045年要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型加速。加速熱泵替代，加速余熱共享基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，重點(diǎn)建設(shè)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(shè)大規(guī)?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱設(shè)施，依靠非采暖期回收的余熱彌補(bǔ)火電退出導(dǎo)致的熱量缺口；開(kāi)展熱泵柔性調(diào)節(jié)和需求側(cè)響應(yīng)方式運(yùn)行，支撐電力系統(tǒng)削峰填谷和綠電消納。

 

2045至2060年進(jìn)行攻堅(jiān)完善。加速推進(jìn)熱泵靈活調(diào)節(jié)和需求側(cè)響應(yīng)，全面實(shí)現(xiàn)綠電驅(qū)動(dòng)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(chǔ)熱設(shè)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(shí)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(shí)現(xiàn)高溫工業(yè)零碳用熱。

 

為保障上述戰(zhàn)略落實(shí)，必須深化體制機(jī)制改革。首先，應(yīng)盡快制定頂層規(guī)劃。要盡快出臺(tái)新型熱力系統(tǒng)建設(shè)的長(zhǎng)期規(guī)劃和五年規(guī)劃并發(fā)布指導(dǎo)性意見(jiàn)，特別是要系統(tǒng)布局余熱共享系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)全國(guó)一盤(pán)棋，確保熱力供需高效匹配與余熱資源集約利用。其次，應(yīng)適度超前開(kāi)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。要將新型熱力系統(tǒng)建設(shè)納入國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施工程體系，建立跨省區(qū)、跨部門(mén)協(xié)調(diào)機(jī)制，系統(tǒng)布局、分批推進(jìn)各類(lèi)余熱共享系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完善跨季節(jié)蓄熱設(shè)施的土地審批與環(huán)評(píng)制度。要發(fā)揮“規(guī)劃引領(lǐng)+市場(chǎng)運(yùn)作”雙重效能，引導(dǎo)多元主體參與，推動(dòng)適度超前建設(shè)。再次，應(yīng)健全政策激勵(lì)機(jī)制。建立熱量按溫度品位的核算方法和定價(jià)機(jī)制，算清經(jīng)濟(jì)賬，保障建設(shè)相關(guān)方投資共擔(dān)、利益共享，激發(fā)余熱回收內(nèi)生動(dòng)力。

 

（作者江億系中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主任，麻林巍系清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系黨委副書(shū)記、長(zhǎng)聘副教授）