我国区域供热技术发展的历程及解决路径

本文围绕我国北方地区清洁供暖的可持续发展问题，回顾了近10年来集中供热技术发展的一般历史和国家相关供热政策，阐述了我国北方地区各种清洁供暖技术的优缺点。我国北方，包括：清洁燃煤供暖、天然气供暖、电供暖、地热供暖、清洁生物质能源供暖、太阳能供暖、工业余热供暖、核能供暖等，深入剖析该领域存在的问题清洁供热的研究，并给出相应的解决路径。

1、区域供热技术的发展历史

14世纪，法国绍德艾格县城运行的热水供暖系统被认为是世界上第一个区域供暖系统。 该系统采用地热作为热源，可同时满足30户住宅的供暖需求。 此后，集中供热技术逐步发展和完善，从燃煤锅炉房到热电联产，再到热电冷联产。 在区域供热技术的发展中（图1），第二代、第三代技术中都出现了储热装置，而在第四代技术中，除了常规的储热装置外，还有很多其他形式的补充。蓄热以减轻可再生能源的间歇性。

图1 区域供热技术发展历程

与前三代区域供热技术相比，第四代区域供热技术将充分利用一切可用能源，包括太阳能、地热能、风能、生物质能、工业余热等，实现真正的低温借助大规模蓄热技术供暖（供水温度55℃/回水温度25℃）。 这样不仅可以减少散热损失，提高系统效率，而且有利于低品位热能的并入，且投资成本不会大幅增加。 我国的集中供热技术仍处于第三代。 第四代集中供热技术满足了当前国家清洁供暖的战略需求。 这是政策引导下供热领域的供给侧结构性改革，有利于从源头上消除雾霾等环境问题。 因此，有必要大力推广第四代集中供热技术。 加热技术的应用。

2、我国清洁取暖相关政策

清洁供暖是指利用天然气、电力、地热能、生物质能、太阳能、工业余热、洁净煤（超低排放）、核能等清洁能源，实现低排放、低能耗通过高效能源利用系统的加热方法。 清洁供暖包括以减少污染物排放和能源消耗为目标的供暖全过程，涉及清洁热源、高效输配管网（热网）、节能建筑（热用户）等环节。 清洁供暖的主要方式有清洁燃煤供暖、天然气供暖、电供暖供暖、可再生能源供暖和工业余热供暖等。

近年来，中国政府陆续出台了一系列供暖相关政策文件。 2006年，国务院颁布《国务院关于加强节能工作的决定》，指出供暖实行商品化，按热力收费。 同年，财政部发布《建筑可再生能源应用专项资金管理暂行办法》，明确提出支持使用可再生能源供暖和制冷，包括热泵的使用技术。 2007年国家能源局发布的《能源发展十一五规划》指出，分布式锅炉向集中供热转型，建立热电联产节能标准； 2013年出台的《能源发展“十二五”规划》要求发展天然气热电联产、热网建设等； 2017年发布的《能源发展“十三五”规划》提出，推广热电联冷及热电联产、生物质热电联产、地热能供暖、低品位余热供暖等。

推进北方地区清洁取暖已成为中央提出的重要决策部署。 特别是进入“十三五”后，《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》、《关于推进北方地区城市供热区清洁取暖的指导意见》、《清洁能源消费行动计划（2017-2021年）》 2018-2020年）》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》《绿色产业指导目录（2019年版）》等相关政策文件的密集出台，也彰显了国家大力发展的决心和信心清洁供暖。

三、我国清洁供暖技术现状

1、清洁燃煤供暖

清洁燃煤集中供热是指燃煤热电联产、大型燃煤锅炉实施超低排放技术改造后，通过热网系统向用户供热的方式，将实现超低排放标准。

我国近70%的燃煤发电机组实现了“超低排放”。 预计到2020年底，大中型燃煤发电机组100%完成“超低排放”改造和能效提升。 统计显示，截至2018年底，我国北方清洁燃煤集中供热面积约58.95亿平方米，且全部为燃煤热电联产集中供热。 成本低廉是燃煤热电联产的最大优势，清洁燃煤集中供暖可覆盖现有热管网系统的城市集中供热区域； 但其缺点也很明显——集中供热管网难以延伸到广大农村。

推动实施“好煤配好炉”计划，是民用散煤燃烧污染治理过程中的一项重要举措。 在我国农村，散煤是冬季取暖的主要燃料，约占国内煤炭消费量的90%左右。 但大多数农村地区供暖设备技术比较落后，散煤燃烧不充分，导致大量颗粒物、SO2、NOx等直接排放到大气中，造成能源和资源的巨大浪费。加剧环境污染。 “好煤”是指洁净型煤、半煤等洁净煤。 清洁型煤是将煤粉、煤矸石、农作物秸秆混合，添加节能减排增效剂，挤压成型而成。 由于原料中添加了节能减排增效剂，可以促进炉灰中的硫充分氧化并固化，同时减少CO的生成。 半焦采用优质侏罗系烧成神府煤田蕴藏着丰富的精煤。 固定碳高，化学活性高，灰分、硫、磷等杂质含量低。 是一种接近优质无烟煤排放量的洁净煤。 “好灶”是指经过技术改造后的高效节能灶。 好的炉子需要与相应的燃料配合使用，比如清洁型煤+脱钩炉（图2）等。根据2017年炉具行业调查数据，燃煤供暖约占41.3%。我国1.6亿农户，散煤消费量约2亿吨。 全国采暖炉市场保有量为1.86亿台，商品化炉具市场保有量约为1.2亿台。 我国北方多地开展清洁型煤、半焦等清洁煤及相关配套高效节能炉灶的推广。

图2 退耦炉结构示意图

2、天然气加热

天然气供暖是指以天然气为燃料，采用脱硝燃气锅炉、燃气热电联产等进行集中供暖，采用燃气热泵、壁挂炉等进行分散供暖。 与燃煤供暖相比，天然气供暖热效率更高，烟尘和SO2排放量更低； 与电加热相比，天然气加热更经济。 燃气-蒸汽联合循环冷热电联供系统（图3）是该技术的典型代表之一。

图3 燃气-蒸汽联合循环冷热电联供系统示意图

截至2018年底，我国北方天然气供暖面积约28亿平方米，占供热总面积的15.3%。 随着“煤改气”清洁供暖的稳步推进，天然气需求量大幅增加。 2019年，我国天然气进口量约1373亿立方米，对外依存度仍达45.2%，供应保障能力较弱。 而且天然气管道的铺设十分复杂、成本高昂，一旦损坏，将对周围环境和人民生命财产安全造成极大危害。 因此，天然气管网覆盖范围较小，许多农村地区仍然无法通达。

3、电加热、采暖

电采暖是指利用电能，采用普通电锅炉、蓄热电锅炉、电锅炉+水蓄热、电锅炉+相变蓄热等集中供热方式，以及加热电缆、电加热薄膜、碳晶、热轨、碳纤维、直热式电加热器、蓄热式电加热器等分散式加热方式，以及各种电驱动热泵加热。

截至2017年底，我国北方电采暖供暖面积约10.3亿平方米。 与燃煤供暖、燃气供暖相比，电供暖布局灵活，用户端无污染物排放，适合热力管网、天然气管网难以覆盖的农村地区。 目前，空气源热泵、蓄热式电热水器已成为“煤改电”清洁供暖政策推广的主流产品。 然而，我国北方农村地区平均每户电网线路容量只有2-3千瓦，而普通家用电储热采暖装置则需要达到9-10千瓦。 大型高压电蓄热供暖系统（图4）需要达到数百千瓦甚至数兆瓦，这涉及大规模农村电网扩容改造，以及房屋供暖改造等基础设施建设，导致电采暖、采暖成本较高。

图4 大型高压电蓄热供暖系统结构图

4、地热采暖

地热供暖是指利用地热资源，利用换热系统从地热资源中提取热量，为用户提供供暖。 它可以作为集中式或分散式热源。 根据储存深度和温度水平，地热供暖可分为浅层地热资源、水热型地热资源和干热岩地热资源。 目前，浅层地热能和水热地热能供暖（制冷）技术基本成熟——浅层地热能利用热泵技术提取热量，水热地热能通过人工钻井或自然通道开采； 热能开发尚处于起步阶段，我国2012年才启动干热岩热能开发及综合利用专项研究。地热与调峰锅炉联合供热系统（图5）是典型方式地热供暖。

图5 地热与调峰锅炉联合供热系统示意图

截至2017年底，我国水热地热能供暖建筑面积已达1.5亿平方米。 预计到2020年底，我国地热采暖（制冷）累计面积将达到16亿平方米，地热采暖年利用量将达到4000万吨标准煤。

5、生物质能源清洁供暖

生物质清洁供热是指利用生物质原料及其转化燃料在专用设备中清洁燃烧和供热的方式，包括：符合排放标准的生物质热电联产、大型生物质锅炉等集中供热，以及如中小型生物质锅炉等分布式供热。

我国生物质清洁供热技术的发展还处于起步阶段。 截至2018年底，我国北方生物质能源清洁供暖面积已达6.4亿平方米。 我国农作物秸秆、农产品加工剩余物、林业剩余物等生物质资源丰富，每年可用于能源利用约4亿吨标准煤。 因此，发展生物质能源供暖具有良好的资源条件。 但我国中小型燃煤采暖锅炉数量较多，清洁供暖替代任务繁重。 这使得生物质供暖在最终消费环节直接替代燃煤供暖成为可能，如：生物质固体成型煤高效燃烧供暖、沼气燃烧供暖、微生物热电联供村镇供暖等。 预计到2020年底，生物质热电联产装机容量将超过1200万千瓦，年利用生物质成型燃料约3000万吨，年利用生物质燃气（生物天然气、生物质气化）等）约100亿立方米，生物质供热相当于供热面积约10亿平方米。

6、太阳能供暖

太阳能供暖是指利用太阳热能，借助太阳能集热器等稳定、清洁的供暖方式向用户提供热量。 太阳能采暖可分为主动式和被动式。 根据加热介质的不同，主动式太阳能供暖可分为太阳能空气供暖和太阳能热水供暖两种类型。 太阳能空气采暖主要针对单层闲置农房。 其系统启动快、耐冻结，但效率较低。 太阳能热水采暖是在太阳能生活热水的基础上发展起来的。 其系统效率高、安装方便，但控制不当容易出现冻损、过热等问题。 被动式太阳房是被动式太阳能采暖的典型代表，自20世纪80年代初开始在中国北方广泛应用。

太阳能采暖具有使用寿命长、应用场景广的特点； 同等供暖条件下，可节省能源费用40%-60%。 目前，太阳能集中供热是国际发展的趋势和方向。 预计到2021年，我国太阳能采暖面积将达到5000万平方米。 太阳能储热多能互补供暖系统（图6）是太阳能供暖的典型代表之一。

图6 太阳能储热多能互补供暖系统示意图

7、工业余热加热

工业余热供暖是指回收工业生产过程中产生的余热，经换热装置升级后进行加热的方法。 与燃煤供暖、天然气供暖、电供暖相比，工业余热供暖具有更好的技术经济可行性。 然而，工业余热种类繁多，其数量和形式在时间或空间上往往是不确定的。 由于传统余热回收技术的局限性，难以得到有效利用。 储热技术的优势可以精准缓解能源供需在时间、空间、强度、区域等方面的不匹配。 储热技术与工业余热清洁供热技术的有机结合，可以进一步提高余热的转化效率。 移动式工业烟气余热蓄热供暖（图7）是该技术的典型代表之一。

图7 可移动烟气余热蓄热供热装置结构示意图

截至2016年底，我国北方工业余热供暖面积约1亿平方米； 预计到2021年，我国工业余热（不含电厂余热）供热面积将达到2亿平方米。

8.核加热

核能供暖是指利用核裂变产生的能量作为热源的集中供暖或分散供暖。 目前，核能供热方式主要有两种：低温核供热和核电热电联产。 低温核加热已形成池式加热堆和壳式加热堆两大主流技术。 单个模块供热能力约200MW，可满足400万平方米的供热需求； 核热电联产综合能源利用供热率可达80%，单台1100MW机组供热能力超过2000MW，供热面积达到5000万平方米。 NHR200-Ⅱ低温堆热电联产系统（图8）就是该技术的典型例子。

图8 NHR200-Ⅱ低温堆热电联产系统示意图

核能供热前景广阔。 近年来，我国北方积极推进核能供热产业。 中国核工业集团公司、中国广核集团、国家电投公司、清华大学等在黑龙江、吉林、辽宁、河北等省份开展了总体选址和产业推广。

四、我国清洁供暖存在的问题及解决办法

1、存在问题

（一）清洁供暖科学评价指标需统一

清洁供暖技术种类繁多，百花齐放，但评价指标尚未统一，缺乏通用性。 有的指标过于简单，只注重其经济指标，往往忽视供暖方式是否与当地能源布局和生态环境相适应； 有些指标过于复杂，需要建立复杂的数学模型，可操作性不强。 这使得清洁供暖技术市场鱼龙混杂，很难用统一的标准来衡量某种技术的优劣。

（二）供热管网及既有建筑节能水平有待提高

供热网络。 目前，我国城市集中供热管网总里程已达48.8万公里，其中75%为城市集中供热管网，但室外管网传输效率仅为70%。 原因：在硬件设施方面，供热管网结构布局不合理，支管管网较多，导致管网水力不平衡问题严重。 此外，由于一些老旧管网运行维护不够，存在严重的“跑、冒、滴、漏”问题，以及管网冷凝水和管网保温问题。等等，这些都会导致整个供热管网的输送效率下降； 在软件设施方面，供热系统调控技术水平落后。 由于热网末端热用户大多没有采取实时热量计量措施，现有供热系统只是对设备进行粗放调整，无法满足热用户的需求。 整个供热系统的精确控制导致了管网供热过度或供热不足的情况。

现有建筑物。 维护结构保温性能差的问题普遍存在； 由于经济发展和保温改造成本的影响，这一问题在小城镇和广大农村地区尤为严重。 例如：外墙没有保温层； 窗户为单层玻璃； 这些都会增加建筑室内能耗，难以满足节能建筑的要求。

（三）需要建立多方共赢的长效机制

目前，清洁取暖改造资金主要来自三个方面：中央财政试点城市奖励资金、地方财政补贴资金、社会资本投入。 随着2019年至2020年供暖期结束，天津、唐山、石家庄等北方地区第一批清洁取暖试点城市三年示范期也将结束，清洁取暖工作将面临最终考核，考核结果将直接关系到试点城市能否足额收到激励资金。 天津、济南已宣布将清洁取暖运营补贴延长至2022-2023年供暖期结束，唐山则表示三年内逐步取消运营补贴，其他城市尚未明确跟进政策。

从清洁供暖试点城市的情况来看，即使有补贴，其运行成本仍高于传统的分散燃煤供暖方式。 如果清洁取暖补贴逐步取消，如何进行将是一个棘手的问题。 河北省张家口可再生能源示范区虽然探索出了一条“政府+电网+发电企业+用户侧”参与的“四方合作”发展道路，但其有着特殊的背景——张家口市蕴藏着丰富的能源资源。风能、太阳能、生物质能等资源为可再生能源的开发和应用提供了良好的基础。 这也是“四方合作”机制成功建立的关键点之一，但在全国范围内大规模推广并不可行。 如何建立长效共赢机制是解决清洁供热用户长期可持续性的关键。

2.解决路径

（一）逐步建立科学的清洁供暖评价体系

科学的清洁供暖评价体系需要相关科研单位和供热企业共同研究。 根据当前各种清洁供热技术的优缺点，应坚持“科学、先进、协调、可操作”的理念，将热力学、热经济学和环境经济学结合起来。 从全生命周期的角度，建议主要考察三个指标。

能源效率指标。 由于煤炭、天然气、电能、地热能、生物质能、太阳能、工业余热、核能等能源品位不同，传统的火用分析和能级平衡理论无法充分考虑能源的转换效率。能源转换环节，只能说明输入能源和用户之间能源质量的差异。 为此，江毅等人。 提出了能量质量系数的概念，即不同能源所能做的最大功与其总能量的比值。 利用能源质量系数的概念可以更合理地反映各种形式能源的水平。 电能品位最高，可完全转化为功，能量质量系数为1； 其他形式能源的能量质量系数应根据实际对外做功的能力确定。 如果满足相同用户的供热需求，从节能角度考虑，采用能源质量系数较低的能源形式更为可取。

经济指标。 在评价不同能源形式的热源供暖系统的经济性时，除了考虑初期投资和后期运行维护费用外，还需要结合热经济结构理论，对系统全寿命周期的总成本进行分摊。加热系统或加热装置 在一定时期内，检查构成该系统或装置的各部件的单位火用成本，以获得该系统或装置的平均火用成本。 如果满足相同用户的供暖要求，从经济角度来看，平均火用成本较低的供暖系统或装置将具有更好的性能。

环境影响指标。 鉴于不同能源形式的热源供暖系统对环境的影响程度不同，需要在同一个供热循环中进行，不仅有CO2、SO2、NOx等污染物的影响，还包括其材质的影响。构成系统或装置的每个部件均应考虑对环境的影响（如部件本身的材料是否有毒有害，是否可以回收利用等），只能在单位环境影响后计算系统或设备的因素。 如果满足相同用户的供暖要求，从环境影响角度考虑，单位环境影响因子较低的供暖系统或装置将是首选。 评价指标的质量需要通过实践来检验，必须不断修订和完善。

（二）有序推进供热管网节能改造和供热终端能效提升

受传统供热模式的局限性和改造成本的影响，供热管网节能改造和供热终端能效的提升并不是一朝一夕的事情。 需要重点突破、有序推进。 针对供热管网存在的主要问题，需要首先进行绩效评估，进而寻求最适合的清洁供暖技术节能改造方案。 针对建筑维护结构保温效果差问题，优先对能耗高、问题突出的房屋进行改造，鼓励探索政府、用户、供热企业成本共担、收益共担的新模式。 这些工作将为后续智能采暖技术的全面发展提供强有力的硬件支撑。

（三）积极探索多方共赢的长效机制

目前，清洁取暖市场化机制尚未建立，主要依靠政府直接投资，导致清洁取暖项目盈利能力较低，市场积极性不高。 为了打破这一僵局：政府可以进行相应的顶层设计和协调，消除体制障碍，根据每个城市、每个地方的特点，选择适合的清洁供暖技术，编制相应的技术指南，优化供热规划； 各地要因地制宜、因时出台支持措施，引导当地供热企业、投融资公司、热力用户等积极参与清洁供暖项目，探索多方共赢新机制，激活潜在市场。

本文最初发表于《中国科学院学报》

作者：姚华、黄云、徐晶英，中国科学院过程工程研究所； 马光宇，鞍钢集团技术中心； 王岩，中国科学院过程工程研究所； 刘长鹏，孙守斌，鞍钢技术中心。