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編者按

冬天，農村和城市建築需要取暖；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，電力和熱力將成爲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。如何在滿足今後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。

清華大學建築節能研究中心主任、中國工程院院士江億指出，熱量製備實際佔中國能源消費約20%、碳排放約佔22%。面向未來，需要開闢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，並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。

江億認爲，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餘熱產出點和用熱點的餘熱共享系統。低參數分散用熱可採用分散式的熱泵技術來滿足。

撰文｜江億

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摺合55億噸標煤，其中核電、水電、風光電等非化石能源摺合5億噸標煤（按照熱值法摺合），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，工業生產作爲原料和燃料用18億噸標煤，交通8億噸標煤，建築運行用4億噸標煤（包括作爲採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爲熱量用於建築採暖和工業用蒸汽；建築運行用4億噸標煤中，除了1.2億噸用於炊事，2.8億噸標煤用於製備熱量（採暖、生活熱水）；而工業生產用的18億噸標煤中，作爲工藝用12億噸（冶金、化工、建材），其餘6億噸標煤用於製備蒸汽或熱水以滿足工業生產需要。這樣，目前共有10.8億噸標煤用於熱量製備，以滿足建築運行和工業生產的熱量需求。

此外，在建築和工業生產中還有約2000億kWh電力被熱泵所消耗、爲建築採暖和工業生產製備其所需要的熱量。按照熱量法這些電力可轉換爲0.25億噸標煤。

以此計算，目前全年用於製備熱量的能耗爲11.05億噸標煤，約佔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，其它製備熱量的能源都來自化石燃料。爲製備熱量消耗的化石燃料佔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佔我國由於能源使用導致的碳排放總量的22%。

我國由於使用能源導致的二氧化碳排放可歸納爲：發電佔36%，工業生產工藝排放佔24%，供熱佔22%，交通佔16%，炊事餐飲佔2%。供熱列爲第三，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，儘管冶金、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；建築運行用熱量104億GJ，其中北方城鎮採暖54億GJ，農村和南方建築採暖、生活熱水製備等50億GJ。工業和建築總需要熱量240億GJ，如果完全依靠燃煤鍋爐製備，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爲熱量，則需要7萬億kWh電力，爲我國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佈區域。這些電廠的主要目的是爲了滿足工業用熱需求。作爲2030年碳達峯之後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，成爲這些地區爲實現雙碳戰略所面臨的主要困難。

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，而目前製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，可用於製備熱量的不超過2億噸標煤。利用綠氫合成氨、醇等新型燃料，所需要的電力大於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，開闢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，熱力需求佔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，可以把熱量需求分爲三類：

（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製成功高溫氣冷堆並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，服務於工業生產和北方城鎮建築採暖。這需要1MP以下壓力的中低壓蒸汽或循環熱水，佔未來用熱總量的一半以上（130億GJ）。作爲製造業大國，我國有大量人類活動排放的餘熱，包括核電餘熱、調峯火電餘熱、冶金有色化工建材等生產過程排放的餘熱、數據中心餘熱、垃圾焚燒電廠餘熱、以及可以從變電站、污水處理廠中回收的餘熱。

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，上述餘熱每年仍在250億GJ以上。只要有效回收利用這些餘熱的一半，就可以滿足此類用熱需求。

爲此，需要建設連接餘熱產生地點與用熱地點之間的熱量輸送管道，建設爲解決餘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於相對集中的溝通餘熱資源與用熱需求的餘熱共享系統。爲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的電力用於由余熱製備工業生產用蒸汽。兩項共1.15萬億kWh電力。

（3）低參數的分散用熱，服務於生活熱水、農村和南方建築採暖、醫院賓館等建築的蒸汽需求等。這可以採用空氣源、土壤源、水源和中深層地熱等熱泵技術，通過電力驅動熱泵，採集自然界的低品位餘熱，並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儘管也需要消耗電力，但一度電可獲得3度或更多的熱量（稱爲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，集中的餘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，佔未來全社會用電總量的10%，遠低於直接電熱所需要的7萬億kWh。由於再無單獨的燃燒製熱，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。

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築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，有利於進一步鞏固、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，需要建設覆蓋餘熱產出點和用熱點的餘熱共享系統。我國北方已建成完備的集中供熱管網，南方也建成爲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爲：

——區域管網的建設。連接各類餘熱熱源與用熱需求，連接各類餘熱熱源與城市供熱管網。目前我國已有集中供熱主幹管網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，併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。這主要建在北方採暖地區，儲存非採暖期的餘熱用於冬季供暖。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。主要爲土木工程，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，其中一座爲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築冬季採暖熱源的可靠性、安全性和經濟性。

——各類熱量變換器，或“廣義換熱器”。包括提升餘熱熱源處溫度，降低用熱點返回的溫度、以及利用循環熱水熱量和電力製備工業生產用蒸汽。在這一領域我國在技術上也處國際領先地位，其基本概念爲我國獨立提出，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。這些裝備製造大約需要1萬億元投入。

——熱量採集系統。從各個餘熱產出點回收餘熱，需要建設餘熱採集系統，這需要工程費用約2000億元。

餘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建築採暖用熱量，消耗電力1.15萬億kWh。如果蒸汽按照200元/噸（目前燃氣製備蒸汽成本250元/噸），熱量50元/GJ（目前燃氣製備熱量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，每年剩餘約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，每年剩餘1460億，支付總銷售收入的10%作爲維護管理費870億，則每年淨盈利590億，對於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，採用電價0.50元/度，實際上三分之二的用電量可消耗谷電，配合電網系統削峯填谷。由此使平均電價降低後，每年的淨盈利可增加到1000億以上。

上述第三類別的熱力供給是採用分散式熱泵。熱泵製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爲0.60元/kWh，每年支付電費0.3萬億元，摺合熱量成本爲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，投入爲1.6萬億時每年需要還款付息770億，每GJ熱量的成本成爲75.4元/GJ，但按照天然氣制熱成本的80元/GJ計算的話，則每年剩餘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，約一半屬於土建工程費用，一半爲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，使熱量製備再無直接燃燒。與目前我國爲建築運行和工業生產製備熱量的方式相比，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。

助力實現新型電力系統

以風電、光電爲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於短週期變化，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，如果以風光電爲主要電源，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餘的電力儲存起來用於冬夏。而由於一年只能儲放兩次，所以各類化學儲能方式經濟性都不適應。採用電—氫—電的方式，也由於裝備投資過高、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於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，把夏季多餘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餘電力把冬季的冷量轉移到夏季用於建築空調；利用秋季的多餘的電力把夏季的熱量轉移到冬季用於建築採暖。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，相當於實現了春秋季的多餘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。

具體的實現方式爲：

分別建設儲熱儲冷水池，在冬季儲熱池內爲90℃熱水，儲冷池中爲10℃冷水；
冬季取出熱水爲建築供熱，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℃冷水製成0℃含冰量爲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爲建築空調冷源，供冷結束的秋季，儲冷池成爲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℃，儲冷池成爲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餘電力在夏季爲建築提供空調用冷量、在冬季爲建築提供採暖用熱量。熱泵一側制熱、一側製冷，單位制熱製冷量對應的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。在春秋季用熱泵製備冰漿和熱水時，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，並從2024年末開始試運行，且驗證了設計預想，爲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。爲滿足整個冬季、夏季都依靠轉移過來的熱量和冰漿爲建築供熱供冷，1平方米供熱供冷建築幾乎需要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，夏季用電製冷機製冷的常規方式比較，採用上述技術的每平米建築可分別使建築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。採用儲能電池爲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，避開電力負荷高峯期。這些裝置相當於每天有約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，爲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，可以在滿足熱力製備和安全可靠供給的同時，爲電力系統提供可每天利用的20億kWh的儲能能力，相當於總需求的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爲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。

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，應該作爲我國建設能源強國的重要內容。由於系統建設涉及大量餘熱資源、土地空間資源、且與工業佈局密切相關，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，工業佈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餘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，成爲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，並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爲今後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。屆時全面淘汰用於製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着陸。

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，使其成爲我國繼風光電、電池和電動車之後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後，又可以輸出這些技術和產品，增長經濟、增強國力。

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