调研：“双碳”目标下推进新能源取暖及多能互补综合利用分析报告

撰文作者简介：李攀，目前担任未来碳中和研究院西北（陕西）运营中心负责人、陕西同盛电力科技工程有限公司和陕西天普&安耐智优能源发展有限公司总经理。同时兼任全国青联委员、宝鸡市政协委员、陈仓区政协常委等职务。曾荣获全国农村青年致富带头人、全国大学生村官创业东风奖等荣誉。

现已从业新能源、电力开发建设领域10余年，一直致力于清洁能源领域全域咨询规划、项目建设运营。特别在围绕“双碳”目标，专注于微电网、分布式新能源清洁供暖和工业园区（社区）终端电气化应用领域及多能互补方面研究和应用。

第一节 理论概念和历史背景

一、理论概念

理论上讲，综合能源系统并非一个全新的概念，因为在能源领域中，长期存在着不同能源形式协同优化的情况，如CCHP发电机组通过高低品位热能与电能的协调优化，以达到燃料利用效率提升的目的;冰蓄冷设备则协调电能和冷能（也可视为一种热能），以达到电能削峰填谷的目的。本质上讲，CCHP和冰蓄冷设备都属于局部的综合能源系统。事实上，综合能源系统的概念最早来源于热电协同优化领域的研究。

综合能源系统特指在规划、建设和运行等过程中，通过对能源的产生、传输与分配（能源网络）、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，形成的能源产供销一体化系统。它主要由供能网络（如供电、供气、供冷/热等网络）、能源交换环节（如CCHP机组、发电机组、锅炉、空调、热泵等）、能源存储环节（储电、储气、储热、储冷等）、终端综合能源供用单元（如微网）和大量终端用户共同构成。

二、历史背景

纵观全球发达国家2001年美国提出综合能源计划，加拿大于2009年颁布了多项重点在社区级综合能源服务法案。欧洲各国还根据自身需求开展了一些特色研究。以英国为例，涉及可再生能源入网，不同能源间的协同，能源与交通系统和基础设施的交互影响以及建筑能效提升等诸多方面。日本由于其能源严重依赖进口，因此成为最早开展综合能源系统研究的亚洲国家，在政府大力推动下，倡导开展智能社区和智能微网研究。2016年全球178个缔约方共同签署的气候变化协定《巴黎气候协定》对2020年后全球应对气候变化的行动作出统一安排。

我国于2016年发布《关于国有企业职工家属区“三供一业”分离移交工作指导意见》开始，再到2017年推行煤改电政策以来，在节能减排和资产管理专业化剥离移交取得了巨大成就。

自从2020年9月22日，第75届联合国大会上提出了“3060”双碳目标，该目标的实现途径以科技创新为先导，为我国能源社会结构性变革指明了方向。构建以新能源为主体的新型电力系统势在必行。未来绿色低碳经济理念将是我国能源改革和社会结构性变革的重大战略决策。

2030年碳达峰的主要措施是大幅度提高非石化能源的消费使用比率，提升能源利用的效率和效益，构建以可再生能源为主体的电力系统，推动终端电气化改造水平，引入碳市场交易机制加大低碳新能源的使用开发力度。但在“3060双碳”目标下，城镇居民清洁供暖环节还存在巨大的提升空间。
随着政府双碳目标的制定，清洁供暖是大势所趋，经过近几年的持续发展，我国已经形成以集中供暖为主、多种供暖方式为补充的发展格局。其中集中供暖包括热电联产的集中供暖和区域锅炉房为热源的集中供暖两种，而分散供暖则有燃气壁挂炉、空气能热泵、水（地）源热泵、电采暖等。

第二节 国际趋势和政策引导

一、国际趋势

以减少石化能源消费为导向的信号释放。2021年10月英国政府发布长达202页的《供热与建筑战略》，明确规定2035年停止销售主要使用天然气的燃气锅炉并用低碳替代品取而代之，此举已被视为世界首创。苏格兰政府立即发布“建筑供暖”战略，承诺到2030年全面淘汰燃气锅炉。该战略明确支持并补贴采用热泵取代石化能源供暖的需求。

2021年10月13日《联合国气候变化框架公约》发布《世界能源展望2021》报告，该报告分析，建筑电气的最大机会就是热泵取代石化能源锅炉。预计净零排放场景NZE下，2030年全球每年净增需要安装6000万台热泵。

2021年11月8日英国《经济学人》网站发表题目为《2022年值得关注的22项新型技术》其中提到“元宇宙”、“太阳能地球工程技术”和热泵等22项新兴技术。

2021年12月22日美国纽约出台一项法案，明确规定未来新建建筑中将被禁止接入天然气供暖，转而使用电力或其他更环保的供暖、热水方式。该法律将于2023年12月对七层以下建筑物生效，2027年对高层建筑物生效。
由于我国65%天然气依赖进口，加之2021年度因天然气爆炸引发的人员伤亡重大事故约40余起。在“3060双碳”目标下为实现绿色发展，截至2021年底，北京市可再生能源供暖面积突破1亿平方米。其中空气源热泵供暖占比最高，面积约6500万平方米。

2021年12月2日北京市发改委对《北京市新增产业的禁止和限制目录》，北京拟全面禁止新建和扩建独立燃气供暖。北京将是我国首座“无煤”、“无气”并全面采取新能源供暖的城市，释放信号非常明确。

2022年2月11日，北京市人民政府办公厅印发《关于推进北京城市副中心高质量发展的实施方案》的通知，其中提到：创建绿色供热系统，逐步转变供热格局，不再新增独立燃气供热设施，加大绿色电力在热泵及储热领域的规模化应用，因地制宜利用中深层水热型地热、浅层地热能、中深层井下换热资源、空气能和城市余热资源，推动供热方式由集中式向分布式转变，加快实现电气化、低碳化。

二、部委政策

2021年9月8日住建部颁布了《节能建筑与可再生能源利用规范》规定明确指出新建、改扩建建筑应安装太阳能系统并将空气源热泵系统纳入可再生能源范畴，该《规范》于2022年4月1日强制执行并生效。

2021年10月10日国际能源署建筑能源技术联席主任Thibaut ABERGEL在中国武汉发表了《热泵在国际能源署2050年净零排放方案中的作用》,报告明确指出：热泵可以提供全球90%以上的建筑空间供暖需求，是石化燃料资源最优先、最可行的替代品。目前全球大约有1.8亿台热泵在运行，为了达到碳中和目标，到2030年全球需要达到6亿台，在2050年全球55%的建筑安装热泵，需要18亿台热泵。既到2025年禁止使用化石燃料锅炉，为热泵清洁能源技术利用腾出巨大空间。

2021年11月19日国家机关事务局、国家发改委、财政部、生态环境部4部门联合下发《关于印发深入开展公共机构绿色低碳引领行动促进碳达峰实施方案的通知》明确规定着力推进终端用能电气化提升改造的要求。推动公共机构终端用能以电力代替煤、油、气等石化能源直接燃烧和利用，提升办公、生活用能清洁化水平。实施供暖系统电气化改造，结合清煤降碳锅炉改造，鼓励因地制宜采用空气源、水源、地源热泵及电锅炉等清洁能源节能设备替代燃煤、燃油、燃气锅炉。到2025年实现北方地区县级以上城市公共建筑和机构清洁取暖全覆盖，满足建筑采暖和生活用热水需求。并规定2025年实现新增热泵供热（制冷）面积达1000万㎡。

2021年12月3日工信部印发《十四五工业绿色发展规划》的通知中要求。提升工业终端用能电气化水平，鼓励园区、社区开展工业绿色低碳微电网、发展分布式光伏、风电、多元储能、高效热泵等，推进多能高效互补。

2022年1月15日国管局下发《关于2022年公共机构能源资源节能和生态环境保护工作的通知》也明确规定推广应用新增热泵供暖（制冷）的具体要求等相关措施。

第三节 西北省份和陕西政策

在2020年11月3日，中央发布《中共中央关于制定国民经济和社会发展十四个五年规划和2035年远景目标的建议》。文件指出，推动清洁低碳安全高效利用，发展绿色建筑。降低碳排放强度，支持有条件的地方率先达到碳排放峰值的行动方案。该文件的下发，为热泵行业“十四五”发展提供了风向标，西北各省份也编制下发了相应的政策支持。

一、西北省份

陕西省于2021年1月29日发文、甘肃省于2021年2月22日发文、宁夏于2021年2月26日发文、新疆于2021年6月11日发文、青海省2021年6月17日发文。各省文件中均明确支持提升终端用能电气化水平，鼓励开展工业绿色低碳微电网、发展分布式光伏、风电、多元储能、高效热泵等，推进多能高效互补。

二、陕西政策

2021年5月21日成立陕西省碳中和领导小组正式成立，省委书记和省长兼任领导小组组长。2021年6月25日西安制定2025年能源改革行动方案和具体行动细则，按照规划到2025年西安市全部燃煤电厂和原有燃煤供热中心将不复存在。推动城市发展“无煤化”目标，如果规定得以落实，西安将紧随北京。成为又一个“无煤电”城市。大西安将面临3.94亿㎡巨大的清洁供暖需求，潜在千亿级巨大市场潜力。

第四节 常规供暖方式的优缺点

一、集中供热

优点：集中供热作为我国北方最常用的供暖方式，首先，集中供暖能够实现单一热源或几个热源通过热网的连接将热能输送到千家万户，通过集中供暖的科学管理，不仅能够提高供热质量，还能节约供热成本。这种供暖方式能够取代传统的每家每户的小锅炉取暖方式，通过大锅炉科学的管理和先进的技术应用，不仅能降低城市的煤炭燃烧粉尘和空气污染，还能提高煤炭的燃烧效率，达到节约能源的目的。
缺点：供热管网的铺设投资较大，供暖接口初装费较高。伴随着城市构架扩展，管网热源输送距离越长，供暖效果越差。由于集中供暖热源和供暖能力不足的问题，目前已成为地方政府最大的民生问题和难题。

同时集中供暖主要燃料为煤炭，煤炭属于不可再生化石资源，与“30.60双碳”目标下绿色低碳经济发展大战略要求相违背。

二、燃气锅炉

优点：燃气锅炉具有体积小、供热效率高、经济性较好等优点。燃气锅炉的燃料为天然气，这些气体由燃气管网输送，能够有效避免煤炭等固体燃料带来的交通运输费用，并缓解交通压力。随着我国西气东送项目的落实，燃气以较低的价格输送到了千家万户，由于这些优点，燃气锅炉被普遍应用于我国北部和中部地区的区域供暖系统中。
缺点：目前我国的燃气锅炉初装成本较高，由于燃气价格仍然较贵，而且逐年上涨趋势，其运行费用较高。

天然气供暖存在较大的用气安全问题，仅2021年度因天然气爆炸引发的人员伤亡重大事故约40余起，伤亡数百人。其天然气供暖的安全性已引起中央的高度重视。

我国65%天然气依赖进口，燃气锅炉的主要燃料是天然气，天然气属不可再生化石资源，与“30.60双碳”目标下绿色低碳经济发展大战略要求相违背。

三、电热供暖

优点：电热供暖应用的能源是直接利用电能，我国的电网已经实现了全国的覆盖，因此电能是我国最方便也是最容易获取的能源。电热供暖设备多样，供暖系统设计能大能小，不仅可以应用于家庭临时取暖，也可以通过供暖系统设计为中大型建筑人员集中区域大范围供暖。由于其加热速度快。电热供暖普遍被应用于我国各地区的不同供暖系统中。
缺点：电能转化热能效率较低，最高时达到95%，因此运行费用较高。电能直接供暖舒适度低，经常出现渗冷或干热现象，电能制热（制冷）都很快，其保暖（保温）效果极差。一般被普遍用于临时采暖以及和集中供热联合采暖的补给。

四、热泵采暖

优点：热泵运行时也需要耗电，但是与电采暖有天壤之别，相同条件下热泵只是电采暖40%的耗电量，节电效果非常明显，节能达40%~60%。因热泵不是直接消耗电能来加热，其热源来自环境的空气中、土壤中或废水余热中，只需要保持热泵的逆卡诺循环而消耗少量电能，便可达到加热（制冷）目的，所以效率很高，空气源热泵一般在240%-350%之间，水（地）源热泵可达450%。综合供暖效能比集中供暖（燃煤、燃气和燃油）可节省40%-60%。比电能供暖可节省40%，效果非常明显。
缺点：地源热泵热源来自地下恒温带，虽可保持高效运行，但需要设计地下换热系统，需增加初始投资成本约35%-55%。有时地源热泵受地理条件的限制，不具备全部场景应用推广的条件。而污水源及水（海、江、河、湖）源热泵目前虽然也是政府积极倡导的新技术，但需要在特定环境下才可实施。至于空气源热泵虽具备全场景应用的全部条件，且初投资不高，也便于安装操作。但有时空气源热泵会受环境温度影响，效率会有所波动，但在国家强制试验要求的环境温度-12℃运行时，制热效能仍可大于220%，也远高于其他（集中供暖、燃煤、燃气和燃油）供暖设备。

第五节 常规热源效率对比

1、热源效率对比：1度电产生860KcaI热能
2、运行费用分析：

2.1 年运行费用：电价0.7元/度；天然气2.8元/m³；煤价1000元/吨；采暖季 120天。以某大厦建筑面积83000㎡为例。
2.2 改造初投资预算：以某大厦建筑面积83000㎡为例。
3、减碳目标：节约燃煤5.1吨/天，每季度节约612吨（每采暖季120天）。每采暖季减少污染排放物：
天然气锅炉会产少量S02、NOX以及大量烟尘等。

天然气属于地下矿物能源，不可再生，目前暂列为清洁能源，只是过渡期，再者我国天然气65%靠进口，价格逐年升高是大趋势，根据国家能源结构的调整政策，逐步取代天然气是必然的。

4、宏观对比：（运行费用给予市场燃料单价计算）

五、分析结果：

综合以上国际趋势、国家战略、地方政策和行业发展前景，针对综合能源城镇供暖板块，热泵无论初期投资、运行成本、供暖（制冷）和环保性方面，均优于燃煤锅炉、燃气锅炉和电锅炉。

同时热泵又分为空气源热泵、地源热泵和水源热泵三大类。其中地源热泵受地理条件的限制，不具备全部场景应用推广的条件。污水源及水（海、江、河、湖）源热泵在特定场景下目前也是政府积极倡导的新型技术。至于空气源热泵不仅具备全场景应用的全部条件，而且初始投资不高，便于安装操作。在未来城镇居民供暖方面空气源热泵的优势将越来越适应于“3060双碳”目标下净零排放绿色供暖的需求。

第六节 多能互补综合能源系统

在综合能源板块的开发利用主要场景为居民社区、商务办公大厦和工业园区三大业务板块。

在这三大业务板块中以“3060双碳”目标低碳绿色发展理念为指导，提升终端用能电气化水平，鼓励开展园区、社区绿色低碳微电网、发展分布式光伏、风电、多元储能、高效热泵等，推进多能高效互补。可将三大业务板块中的污水、余热、闲置物理空间和节能降耗空间，以技术为支撑，利用智能化手段和数字网络技术综合赋能，将各板块形成独立的智能化综合能源服务微网系统，将废变宝、绿色低碳节能降耗，数字化综合回收利用，通过数字化终端将数据收集、传输到PC存储端，建立形成全系统、全息化、智能化能源综合服务微网。

比如：将屋顶闲置空间铺设分布式光伏，或将大厦立面采用BIPV光伏建筑一体化，建立小型储能仓，完全可满足大厦弱电系统和公共用电的日常运行需求。

将日常排放的污水集中进行收集，通过热泵技术将污水当中的余热回收用于建筑的热源使用。通过利用屋面闲置空间安装太阳能光热系统来解决大楼或酒店的生活热水或洗澡供应。通过对热源（燃煤、燃气、燃油锅炉）系统进行终端电气化提升改造采用热泵，可解决建筑或园区集中供暖（制冷）及热水综合需求。

以上列举的实例应用通过数字化智能集成，完全可创建一个全新低碳环保绿色综合能源服务微网系统。

第七节 综合能源应用场景

7.1污水余热回收供暖系统

污水源热泵供暖系统，是通过吸收污水处理厂排放口水中的余热，再经过热泵加压升温后向建筑物供热；同样在夏季热泵可以把建筑内的热量吸收后排入污水中，达到制冷的目的。
7.1.2污水源热泵的工作原理

污水源热泵是指通过将传统的热泵内的冷凝器或蒸发器延伸至污水排口的水流中，使其与排放的污水进行热交换，从而实现利用低污水能对建筑物内供暖或制冷。由于污水源温度一般在10℃以上，对热泵来说此热源温度非常理想，运行效率高且稳定，污水源是可再生能源的高效利用形式。

7.2太阳能与热泵能源互补供暖技术

太阳能是取之不尽用之不竭的可再生资源，太阳能用于采暖系统由来已久，其具有廉价、易于获取、技术成熟等优势，但是太阳能不稳定性也是制约不能独立完成供暖任务的主要问题。
白天太阳能集热器把热能储存在储热水箱内，达到供暖温度后向室内供暖。光照不理想天气，储热水箱温度达不到供暖要求时，空气源热泵启动加热运行，保证供暖需求。太阳能与热泵都属于利用可再生能源进行加热供暖设备，太阳能的热能获取几乎是免费，而热泵效率高达300%，两者相互补充，有机结合，可达到最佳节能效果，也是北京、天津、山东、河北等地政府推持技术，在西藏、青海、宁夏、甘肃等太阳能一类地区早已实施多年。

7.3综合能源应用推动绿色城市运行体系创建

推动建筑绿色低碳技术应用，在重点区域开展超低能耗建筑示范，推进光伏建筑一体化(BIPV)、高性能太阳能集热器、室内环境控制、水资源循环利用、绿色智能化监控、光储直柔新型建筑配电系统等技术的应用。创建绿色供热系统，逐步转变供热格局，不再新增独立燃气、燃煤供热设施，加大绿色电力在热泵及储热领域的规模化应用，因地制宜利用中深层水热型地热、浅层地热能、中深层井下换热资源、空气能和城市余热资源，推动供热方式由集中式向分布式转变，加快实现电气化、低碳化。

集成5G、人工智能、云计算、大数据、互联网协议第6版(IPv6)等新一代信息技术，推动数字技术与经济融合创新平台，完善数字经济产业技术创新生态，推动绿色城市运行体系创建。