中国工程科学 | 江亿院士团队：构建新型零碳热力系统（1）

构建新型零碳热力系统

江亿  , 付林 , 夏建军 , 谢晓云 , 吴彦廷 , 胡姗

摘要

构建新型零碳热力系统是实现我国能源转型和碳中和目标的重要任务。热泵是新型零碳热力系统的关键组成，以确定热泵的低温热源来源、促进热泵尽量使用零碳或低碳的电力为应用要点。本文立足我国热力需求特点和资源禀赋条件，探讨了新型零碳热力系统建设的思路：对于南方建筑采暖、农村建筑采暖等低强度用热需求，应通过空气源、土壤源、地表水源热泵，使用电力高效制备；对于北方建筑采暖、工业低压蒸气和热水等高强度用热需求，可利用核电火电余热、工业余热、数据中心余热等人类活动排放的低品位余热作为低温热源，结合热泵实现供热。在此基础上，提出了零碳热力供给总体思路，分析了构建余热共享系统的关键技术以及热电协同对新型电力系统建设的贡献度，讨论了新型热力系统建设的投资规模、经济回报、减碳潜力。研究认为，应高度重视并加快新型零碳热力系统建设，可从依靠使用者进行建设和改造的分散式热泵、依靠国家统一规划来推动建设的余热共享系统两方面出发，配套必要的保障措施，充分发挥新型零碳热力系统潜在的经济社会效益，加快实现能源系统低碳转型和碳中和目标。

Abstract

The development of a new zero-carbon thermal system is critical for achieving China’s energy transition and carbon neutrality goals. Heat pumps are a key enabling technology in this process, and their successful deployment hinges on two factors: identifying reliable low-temperature heat sources and ensuring that their electricity consumption is supplied by zero-carbon or low-carbon power. Based on China’s specific heating demands and resource endowments, this study proposes a construction pathway for zero-carbon thermal systems. For low-intensity heating demands—such as space heating in southern regions and rural buildings—air-source, ground-source, and surface water-source heat pumps should be employed to efficiently provide heat using electricity. For high-intensity heating demands—such as space heating in northern regions, low-pressure steam and hot water for industry—low-grade waste heat from human activities, including residual heat from nuclear and thermal power plants, industrial processes, and data centers, can be harvested as the low-temperature heat source and upgraded via heat pumps to meet supply needs. Building on this framework, the study presents an integrated roadmap for realizing zero-carbon thermal supply in China. It focuses on the technological architecture required to establish large-scale waste heat sharing networks, and analyses how coordinated operation between heating and power systems can contribute to the development of a new-type power system. Finally, it provides a comprehensive assessment of the investment requirements, economic returns, and carbon reduction potential of zero-carbon thermal infrastructure. This study recommends that the construction of zero-carbon thermal systems be prioritized and accelerated. Efforts should be advanced along two parallel pathways: (1) decentralized heat pumps deployed and retrofitted by end users, and (2) centralized waste heat sharing networks implemented through national-level planning. These should be supported by appropriate enabling policies and safeguards to fully unlock the economic and social benefits of zero-carbon thermal systems, thereby accelerating the low-carbon transformation of the energy system and the realization of carbon neutrality goals.

Graphical abstract

关键词

零碳热力系统 / 余热共享系统 / 热泵 / 热电协同 / 碳中和

Key words

zero-carbon thermal system / waste-heat sharing system / heat pump / power-heat coordination / carbon neutrality

引用本文引用格式 

江亿,付林,夏建军,谢晓云,吴彦廷,胡姗. 构建新型零碳热力系统[J]. 中国工程科学, 2025, 27(5): 1-18 DOI:10.15302/J-SSCAE-2025.08.025

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中国工程科学丨构建新型零碳热力系统（1）

中国工程科学丨构建新型零碳热力系统（2）

中国工程科学丨构建新型零碳热力系统（3）

一、 前言

能源革命的核心在能源转型，规划和建设新型能源体系成为重点发展任务。从供给侧角度看，能源转型的任务是转变当前以化石能源为基础的电力、热力、燃料系统，构建新型的零碳电力、热力、燃料系统。建立零碳电力系统已成为全社会的共识[1,2]。在形成零碳燃料系统方面，生物质材料制备零碳商品燃料、绿电制氢、绿氢合成氨与醇类燃料等进展较快[3,4]。然而，零碳热力系统研究较少、关注度明显不足，这是本文讨论的主题。

热力系统是为工业生产、建筑运行提供必要热量的系统。① 在工业生产过程中，提供热量的主要形式是蒸汽、循环水：前者可满足化工、造纸、轻纺、印染、食品等轻工业以及机电制造等生产过程的需求，细分为高压蒸汽（饱和压力≥1 MPa，主要用于化工生产等领域）、中低压蒸汽（饱和压力<1 MPa）；后者则主要是120 ℃以下的热水冷却至50~80 ℃而释放出热量，目前基本上由热电联产电厂、蒸汽或热水锅炉提供。2022年，我国工业生产用热约为9×10⁹GJ[5]。② 建筑运行需要的热量包括建筑冬季采暖用热，制备生活热水用热，医院、饭店等建筑使用的蒸汽（用于消毒、干衣、炊事等），目前主要由热电联产、不同规模的燃煤／燃气锅炉房、电动热泵、电锅炉等制备。2022年，我国建筑运行用热量约为9.3×10⁹ GJ[6]。也要注意到，为工业生产、建筑运行提供热量消耗燃煤和燃气，导致大量的碳排放。按照“㶲分摊法”[7]将热电联产的碳排放分摊到发电和供热，再加上各类锅炉使用的燃煤和燃气，2022年我国工业和建筑制备热量共排放1.6×10⁹ tCO²，约占我国能源使用产生碳排放总量的15%[8]。

面向碳中和目标，为同时满足社会发展、经济增长、居民生活水平提高的需要，考虑工业结构转型、能效提升、建筑节能改造等因素，我国热力总需求将从2022年的1.83×10¹⁰ GJ增加至2060年的2.4×10¹⁰  GJ[9]。其中，2060年的工业生产用热为1.36×10¹⁰  GJ，含高压蒸汽6×10⁹GJ、低压蒸汽与循环热水7.6×10⁹ GJ；建筑运行用热为1.04×10¹⁰ GJ。在此背景下，假设继续采用燃煤、燃气制备热量，则每年的碳排放量为2.5×10⁹~3×10⁹ t CO²，与2060年之前实现碳中和的目标相悖。假设全部采用电锅炉方式，需消耗电力7×10¹² kW·h，相当于2024年全国用电总量的70%，将给新型电力系统构成巨大压力，也对应极大的电力系统建设投资，因而不是经济可行的方案。假设全部依靠生物质燃烧方式制备，需要消耗生物质燃料9×10⁸ tce，将超过全国生物质资源的总量（生物质资源是未来最宝贵的零碳燃料，将主要用于满足工业、交通等领域中必须采用燃料燃烧的需求）。因此，构建新型零碳热力系统，以零碳排放的方式制备所需热量，是推进能源转型、实现碳中和的重要任务。

然而，当前各地在热力低碳转型实践中由于缺乏全国整体规划、技术方向引导，出现了热力管网重复建设导致投资浪费，建设以热电联产为目的的燃煤热电联产电厂导致碳排放不降反增，盲目推广空气源、土壤源热泵加剧电力系统季节性调峰压力等问题。实际上，热力系统已成为各地开展能源低碳转型、零碳工业园区建设的难点，合理规划热力系统的低碳转型路径是能源安全、生产安全、民生保障方面的重大挑战。

本文从不同热力需求的特点出发，提出我国构建新型零碳热力系统的总体思路，即通过热泵替代燃烧全面实现热力制备电气化，依靠储热并通过热电协同全面实现制热用电的零碳化或低碳化；讨论系统构建涉及的关键技术、产生的综合效益、所需的政策支持，以为我国能源系统低碳转型、零碳热力系统建设提供前瞻构思与发展支持。

二、 新型零碳热力系统的整体规划

（一） 整体思路

构建新型零碳热力系统是我国新型能源体系建设的重要任务，应根据热力需求特点、资源禀赋等进行整体规划和系统布局。热泵以自然环境和人类活动排放的低品位热量作为低温热源并将之转化为高品位热量，是国际公认的新型零碳热力系统的核心组成[10]。

热泵消耗1 kW·h的电力通常可制备出2~8 kW·h的热量，制备热量和消耗电量之比称为COP：

式（1）中，Q为热泵提供的热量，单位是W；W为热泵输入的电功率，单位是W；ε为热泵热力学完善度，一般为30%~70%；Th、Tl分别为热泵输出热量所处的温度、热泵提取低温热量所处的温度，都以热力学温度K为温标。

采用电动热泵从低温热源提取热量并制备高温的热量，需要厘清两个关键问题。① 热泵从何处获取低温热源？热泵输出的热量中，（COP-1）/COP部分的热量来自低温热源，这些热量不能再由燃料供给，需要从他处获取。② 热泵消耗的电力从何而来？这对应于热泵所提供的热力的1/COP。全面采用热泵制备热量，热泵耗电将占未来总用电量的15%~20%。未来的新型电力系统要求用电终端具备灵活性调节功能，使热泵系统最大限度地参与电力系统峰谷调节并为新型电力系统建设提供支持，是热泵系统需要充分考虑的问题。从这两个关键问题出发，讨论并提出我国新型零碳热力系统建设的整体方案。

1. 饱和压力>1 MPa的工业生产用蒸汽

采用热泵制备高压蒸汽，与直接电热方式相比收益不大，且增加很大的设备投资，经济性不佳。例如，在热泵输出热量需要>200 ℃的条件下，如果低温热源<20 ℃，则热力学完善度为0.6时的COP