引言
随着我国建筑行业的快速发展，集中供热消耗的能源随之增加。提高供热质量、降低能源消耗是多年来供热领域普遍关注并努力解决的重要课题，也是落实节能减排战略的关键举措。根据国务院办公厅出台的《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》，我国一直坚持“节约、清洁、安全”的发展战略，加快现代能源体系建设，推动新旧动能转换，实现能源的清洁、高效、安全和可持续发展。为减少二氧化碳、硫化物、粉尘颗粒等污染物排放，助力完成“碳达峰、碳中和”目标，2017年12月，国家10部委联合发布了《北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021年）》，中国北方地区多地进行了“煤改气、煤改电”等供热热源改造工作。
为了更好地平衡民生供暖、能源结构优化和缓解环境压力之间的矛盾，急需提出1种化石燃料与天然气、地热、核能、工业余热等清洁能源协同互补的新型供热模式。
1我国集中供热系统的发展现状
自20世纪50年代，我国开始发展集中供热，此后逐渐发展壮大。到现在，我国集中供热的方式主要为锅炉房和热电联产，城市集中供热的比例呈现不断上升的趋势。为促进我国环境可持续发展，政府提出了各种切实可行的政策。例如促进产能结构改革，提高一次性能源的利用率；强化建筑节能，有效降低建筑建设的能耗，推广利用可再生能源，如太阳能、浅层地热能、空气热能等，解决建筑能耗需求。
1.1集中供热面积发展情况
集中供热的迅速发展，使得建筑能耗占社会能源消耗中的比重日益增大，且呈快速增长之势。根据国家统计局有关数据，绘制我国2013—2021年集中供热面积的变化情况，如图1所示。从图1可以看出，随着现代化城市建设的不断发展，我国集中供热面积呈现逐步提升的趋势，2021年集中供热面积达到104亿㎡，比2020年增长5.24%。2000—2017年间，全国建筑能耗占能源消费总量的比重在17%～21%范围内波动。2017年我国建筑能源消费总量为9.47亿tce，占全国能源消费总量的21.11%；城镇居住建筑能耗3.61亿tce，占比38%；农村居住建筑能耗2.23亿tce，占比24%。以2020年我国集中供热面积（图2）为例，住宅集中供热面积达到74.7亿㎡，约占总体供热面积的75.3%；公共建筑供热面积为21.6亿㎡，占比21.7%。
图1 2014—2021年中国集中供热面积及增速
从地区分布来看，2020年我国供热面积TOP10地区（图3），2020年供热面积超过10亿㎡的省份为山东省和辽宁省，供热面积分别为15.93亿㎡和13.28亿㎡；其次为河北省，供热面积达到8.78亿㎡，黑龙江紧随其后。
图2 2020年中国集中供热面积细分情况（亿m³）
图3 2020年中国供热面积TOP10地区
1.2集中供热的供热量情况
我国目前采用的集中供热模式主要是通过集中热源所产生的蒸汽、热水方式实现供暖管网热能补给。根据我国国家统计局的相关数据，统计了2014—2020年我国蒸汽和热水供热总量的变化情况，如图4所示。从图4可以明显看出，热水供热仍然是我国主要的供热方式，整体上呈上升趋势，到2020年我国供热总量上升至345 004万GJ，同比上升5.53%，蒸汽供热总量为65 054万GJ，同比下降0.02%。
图4 2014—2020年中国蒸汽与热水供热总量
常见的城市集中供热形式主要有热电联产、燃煤锅炉供热、电力供热和天然气供热等形式。其中，受到供热模式的影响，热电联产方式的能源利用效率最高，高品位的热能进行发电，能够提供城市供电，低品位的热能满足城市供热的需求。据统计，在建筑能耗中电力占比49%，热力占比23%。同时对2020年不同供热形式下我国蒸汽及热水供热总量占比情况进行了分类统计，如图5所示。从图5可以看出，不管是在热水供热还是蒸汽供热均占较大比例。
图5 2020年中国蒸汽及热水供热总量及占比
从地区分布来看（图6），辽宁省和黑龙江省受历史工业发展影响气候的影响，以热水供热量较大，分别达到51 776.76万GJ和42 887.3万GJ；蒸汽方式供热中，山东省供热量最多，能够达到13 849.29万GJ。
1.3集中供热能力情况
随着我国城市集中供热面积的不断增长，对我国供热能力提出了新的挑战。根据国家统计局数据显示，2014—2020年我国蒸汽供热能力整体呈现上升趋势，如图7所示。从图7可以看出，到2020年我国蒸汽供热能力达到103 471 t/h，同比上升2.5%。而热水供热能力在2017年达到峰值，为647 827 MW，同比上升31.34%；随后的几年整体变化趋势趋于平稳，无较大波动。
我国供热指标为30～50 W/㎡，需要20 kgtce/（㎡·a）采暖，而西方等发达国家供热能耗低于我国能耗的一半。
不同地区的环境对建筑能耗产生重要的影响，2017年，北方采暖地区省市的城镇人均建筑能耗平均值是1.2 tce，是南方非采暖区的1.8倍。因此，供热节能在建筑节能中潜力巨大，是当前建筑节能工作的重中之重，有效减少集中供热的能源消耗，对促进我国经济可持续发展、落实节能减排政策有着重大意义。
图6 2020年中国蒸汽及热水供热总量TOP10地区
图7 2014—2020年中国蒸汽及热水供热能力走势
2集中供热系统存在的问题
我国北方城镇建筑采暖能源消耗量在全国总能源消耗量中占有较大比重，建筑采暖能源利用率较低，需要20 kgtce/（㎡·a）来满足单位面积采暖，然而北欧等发达国家的能耗甚至低于我国能耗的50%。根据我国北方地区采暖所消耗热量的强度来看，位于前4名的省份分别是黑龙江、内蒙古、吉林、新疆，能耗强度高达20～21 kgtce/m³。
在全国范围内，河南、山东两省的能耗强度相对较低，大约为11 kgtce/m³左右。而我国现在公共建筑面积大能耗高，大型公共建筑存在严重的能耗浪费现象，平均能耗量达到普通住宅的10倍以上，大型公共建筑中能耗浪费现象严重，潜在节能空间很大。据统计，满足我国城镇居民基本生活的耗电量仅为10～30 kWh/（㎡·a），只占到我国总耗电量的10%左右。目前，虽然煤炭、电力等能源在我国农村使用量仍然较低，但近几年的使用量有明显增加，随着农村经济的发展和生活水平的提高，煤炭等使用量将提高，且农村燃烧技术较低，必然会造成能源的浪费。
就目前供热状况而言，我国集中供热与其他国家相比还存在一定差距。我国供热主要存在以下3个问题：①热源。设备老化，运行效率低。②热网。大部分为蒸汽管网，腐蚀严重，能源浪费大。③政策。35蒸t/h及以下燃煤锅炉属于2017—2018年的淘汰设备，现状供热燃料以燃煤供应方式将改变，急于寻找替代燃煤燃料解决供热热源问题。供热方式和运行方式都比较单一，没有有效的调节手段，使得供热不能根据用户需求进行调控，不仅造成热能浪费，而且供热质量不能保证。
3城市集中供热新模式的提出
3.1促进能源协同互补
虽采用以燃煤为供热热源会不可避免地产生环保问题，但采用热电联产模式，选用高品质燃煤，先发电后利用余热供暖，一次碳排放完成两项工作，减少了单独供热的排放量。且采用热电联产规模较大，可选取优质的脱硫脱硝等环保设施，保障排放达标，实现超低排放。目前我国火力发电占比虽逐年下降，但仍为主要发电方式，作为周边城镇集中供热主热源，既经济又环保。
随着城镇化发展进程，大型发电厂逐渐向远离城镇区域搬迁，随着热源距离的增加，对供热的热损也会增加。随着现阶段长输供热技术逐渐成熟，但热损仍是一种资源的浪费。因此，在距热负荷较近处、集中供热末端或无法覆盖地域，可采用清洁能源作为补充热源，来弥补热损下降，提升供热质量。
清洁能源供热又分为高品质热源和低品质热源，高品质热源指电供热、中深层地热、核能供热；低品质热源是采用热泵逐级提取低热源来达到正常供热需求，如：污水处理厂中水源热泵、地源热泵、空气源热泵等。除中深层地热、核能供热等自有热源外，其他形式清洁能源供热主要能量来源或能量损耗为电能。现阶段，我国因用电不平衡造成大量弃电，若能大力发展储能技术，在谷电时期，利用超低电价，既可有效降低供热成本，又可减少电力资源的浪费，同时增加热电联产产量。
3.2推进多元能源梯级利用
为了有效实现“双碳”目标，火电行业必将受到冲击，其发电比例也将因风电、水电、核电等清洁可再生能源的发展而逐渐下降。单一清洁能源在供热应用中存在不稳定、可靠性差等现实问题，多能互补的清洁能源供应模式有效克服了上述问题。根据供热区域的热源有优势情况，综合利用电能、天然气、生物质能、工业余热以及其他清洁能源，实现多种热源系统的有机耦合，形成适用于该区域能源条件的稳定热源。同时，大面积集中供热也存在一定的弊端：①建造成本大，周期长；②长输热损，资源浪费；③负荷不均或设计问题造成调平困难，有的区域温度较高资源浪费，有的区域温度较低，无法满足温度需求。
随着清洁能源供热技术的发展，投资造价及供热成本的显著降低，将进一步提升供暖所占比例。同时，清洁能源模块化、小型化、智能化发展也将有利于以街区为区域的小面积集中供热的发展。未来发展应继续推进减少以热电联产为热源的大面积集中供热比例，采取以清洁能源为主的小面积区域集中供热。
3.3优化可再生能源配额机制
在我国电力结构组成中，以煤炭等化石燃料为主要来源的“火电”占比高达75%，而以水能、风能、核能和太阳能等非化石能源为主要来源的“绿电”占比还不足25%，远低于发达国家。因此，通过可再生能源配额制，对可再生能源发电的市场份额设定刚性约束性指标，使得可再生能源市场占有率达到一个最低保障水平，是有效促进可再生能源电力消纳的关键措施。同时，不同地区由于“绿电”储能赋存存在差异，刚性约束指标的确定应因地制宜，每个区域应根据自身发展情况对热电和绿电确定一个比例范围，实现“热电”与“绿电”互为补充，并辅以储能，使资源得到最大程度的利用。可再生能源配额制作为我国能源低碳转型的顶层制度设计，是优化电源供给结构、实现能源低碳转型的制度保障，有
助于促进可再生能源发电产业的可持续发展，实现可再生能源在能源结构中从补充能源向主体能源的转变，优化可再生能源配额制，推进“绿电”替代“火电”进程。
4结语
“热电联产+清洁能源多能互补”的供热模式，能够有效缓解能源供需之间的矛盾，同时“多能互补”能够根据供热区域的能源实际赋存情况，制定出符合当地能源种类分布的供能方案，形成多元供能结构体系，实现多种能源之间的协同互补和能源梯级利用，进而有效提高能源可靠性供给和利用效率，减少可再生能源弃能，实现“1+1＞2”的能源利用效果，是保障供热系统安全稳定运行的关键。同时有效解决了由于农村地区居住分散“煤改气”“煤改电”供暖工作推进难度大的问题，可以充分发挥农村地区能源地域优势，具有非常明显的优势和广阔的发展前景，对促进我国能源系统低碳转型有着重要的推进意义。
本文转自《能源与环境》，作者刘文川（河北建投能源股份有限公司）。
