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編者按
熱力系統(tǒng)是為工業(yè)生產(chǎn)、建筑運行提供必要熱量的系統(tǒng)。當前各地在熱力低碳轉(zhuǎn)型實踐中因缺乏全國整體規(guī)劃、技術(shù)方向引導，出現(xiàn)了熱力管網(wǎng)重復建設(shè)導致投資浪費，建設(shè)以熱電聯(lián)產(chǎn)為目的的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠導致碳排放不降反增等問題，亟需構(gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)，以零碳排放的方式制備所需熱量，助力實現(xiàn)我國能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標。
《中國工程科學》2025年第5期發(fā)表中國工程院江億院士研究團隊的研究成果《構(gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)》。文章立足我國熱力需求特點和資源稟賦條件，探討了新型零碳熱力系統(tǒng)建設(shè)的思路：對于南方建筑采暖、農(nóng)村建筑采暖等低強度用熱需求，應通過空氣源、土壤源、地表水源熱泵，使用電力高效制備；對于北方建筑采暖、工業(yè)低壓蒸氣和熱水等高強度用熱需求，可利用核電火電余熱、工業(yè)余熱、數(shù)據(jù)中心余熱等人類活動排放的低品位余熱作為低溫熱源，結(jié)合熱泵實現(xiàn)供熱。在此基礎(chǔ)上，提出了零碳熱力供給總體思路，分析了構(gòu)建余熱共享系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)以及熱電協(xié)同對新型電力系統(tǒng)建設(shè)的貢獻度，討論了新型熱力系統(tǒng)建設(shè)的投資規(guī)模、經(jīng)濟回報、減碳潛力。研究認為，應高度重視并加快新型零碳熱力系統(tǒng)建設(shè)，可從依靠使用者進行建設(shè)和改造的分散式熱泵、依靠國家統(tǒng)一規(guī)劃來推動建設(shè)的余熱共享系統(tǒng)兩方面出發(fā)，配套必要的保障措施，充分發(fā)揮新型零碳熱力系統(tǒng)潛在的經(jīng)濟社會效益，加快實現(xiàn)能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型和碳中和目標。
一、前言
能源革命的核心在能源轉(zhuǎn)型，規(guī)劃和建設(shè)新型能源體系成為重點發(fā)展任務(wù)。從供給側(cè)角度看，能源轉(zhuǎn)型的任務(wù)是轉(zhuǎn)變當前以化石能源為基礎(chǔ)的電力、熱力、燃料系統(tǒng)，構(gòu)建新型的零碳電力、熱力、燃料系統(tǒng)。建立零碳電力系統(tǒng)已成為全社會的共識。在形成零碳燃料系統(tǒng)方面，生物質(zhì)材料制備零碳商品燃料、綠電制氫、綠氫合成氨與醇類燃料等進展較快。然而，零碳熱力系統(tǒng)研究較少、關(guān)注度明顯不足，這是本文討論的主題。
熱力系統(tǒng)是為工業(yè)生產(chǎn)、建筑運行提供必要熱量的系統(tǒng)。① 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，提供熱量的主要形式是蒸汽、循環(huán)水：前者可滿足化工、造紙、輕紡、印染、食品等輕工業(yè)以及機電制造等生產(chǎn)過程的需求，細分為高壓蒸汽（飽和壓力≥1 MPa，主要用于化工生產(chǎn)等領(lǐng)域）、中低壓蒸汽（飽和壓力<1 MPa）；后者則主要是120 ℃以下的熱水冷卻至50~80 ℃而釋放出熱量，目前基本上由熱電聯(lián)產(chǎn)電廠、蒸汽或熱水鍋爐提供。2022年，我國工業(yè)生產(chǎn)用熱約為9×109 GJ。② 建筑運行需要的熱量包括建筑冬季采暖用熱，制備生活熱水用熱，醫(yī)院、飯店等建筑使用的蒸汽（用于消毒、干衣、炊事等），目前主要由熱電聯(lián)產(chǎn)、不同規(guī)模的燃煤／燃氣鍋爐房、電動熱泵、電鍋爐等制備。2022年，我國建筑運行用熱量約為9.3×109 GJ。也要注意到，為工業(yè)生產(chǎn)、建筑運行提供熱量消耗燃煤和燃氣，導致大量的碳排放。按照“?分攤法”將熱電聯(lián)產(chǎn)的碳排放分攤到發(fā)電和供熱，再加上各類鍋爐使用的燃煤和燃氣，2022年我國工業(yè)和建筑制備熱量共排放1.6×109 tCO2，約占我國能源使用產(chǎn)生碳排放總量的15%。
面向碳中和目標，為同時滿足社會發(fā)展、經(jīng)濟增長、居民生活水平提高的需要，考慮工業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、能效提升、建筑節(jié)能改造等因素，我國熱力總需求將從2022年的1.83×1010 GJ增加至2060年的2.4×1010 GJ。其中，2060年的工業(yè)生產(chǎn)用熱為1.36×1010 GJ，含高壓蒸汽6×109 GJ、低壓蒸汽與循環(huán)熱水7.6×109 GJ；建筑運行用熱為1.04×1010 GJ。在此背景下，假設(shè)繼續(xù)采用燃煤、燃氣制備熱量，則每年的碳排放量為2.5×109~3×109 tCO2，與2060年之前實現(xiàn)碳中和的目標相悖。假設(shè)全部采用電鍋爐方式，需消耗電力7×1012 kW·h，相當于2024年全國用電總量的70%，將給新型電力系統(tǒng)構(gòu)成巨大壓力，也對應極大的電力系統(tǒng)建設(shè)投資，因而不是經(jīng)濟可行的方案。假設(shè)全部依靠生物質(zhì)燃燒方式制備，需要消耗生物質(zhì)燃料9×108 tce，將超過全國生物質(zhì)資源的總量（生物質(zhì)資源是未來最寶貴的零碳燃料，將主要用于滿足工業(yè)、交通等領(lǐng)域中必須采用燃料燃燒的需求）。因此，構(gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)，以零碳排放的方式制備所需熱量，是推進能源轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳中和的重要任務(wù)。
然而，當前各地在熱力低碳轉(zhuǎn)型實踐中由于缺乏全國整體規(guī)劃、技術(shù)方向引導，出現(xiàn)了熱力管網(wǎng)重復建設(shè)導致投資浪費，建設(shè)以熱電聯(lián)產(chǎn)為目的的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠導致碳排放不降反增，盲目推廣空氣源、土壤源熱泵加劇電力系統(tǒng)季節(jié)性調(diào)峰壓力等問題。實際上，熱力系統(tǒng)已成為各地開展能源低碳轉(zhuǎn)型、零碳工業(yè)園區(qū)建設(shè)的難點，合理規(guī)劃熱力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型路徑是能源安全、生產(chǎn)安全、民生保障方面的重大挑戰(zhàn)。
本文從不同熱力需求的特點出發(fā)，提出我國構(gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)的總體思路，即通過熱泵替代燃燒全面實現(xiàn)熱力制備電氣化，依靠儲熱并通過熱電協(xié)同全面實現(xiàn)制熱用電的零碳化或低碳化；討論系統(tǒng)構(gòu)建涉及的關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)生的綜合效益、所需的政策支持，以為我國能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型、零碳熱力系統(tǒng)建設(shè)提供前瞻構(gòu)思與發(fā)展支持。
二、新型零碳熱力系統(tǒng)的整體規(guī)劃
構(gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)是我國新型能源體系建設(shè)的重要任務(wù)，應根據(jù)熱力需求特點、資源稟賦等進行整體規(guī)劃和系統(tǒng)布局。熱泵以自然環(huán)境和人類活動排放的低品位熱量作為低溫熱源并將之轉(zhuǎn)化為高品位熱量，是國際公認的新型零碳熱力系統(tǒng)的核心組成。
熱泵消耗1 kW·h的電力通?？芍苽涑?~8 kW·h的熱量，制備熱量和消耗電量之比稱為COP：
式（1）中，Q為熱泵提供的熱量，單位是W；W為熱泵輸入的電功率，單位是W；為熱泵熱力學完善度，一般為30%~70%；Th、Tl分別為熱泵輸出熱量所處的溫度、熱泵提取低溫熱量所處的溫度，都以熱力學溫度K為溫標。
采用電動熱泵從低溫熱源提取熱量并制備高溫的熱量，需要厘清兩個關(guān)鍵問題。① 熱泵從何處獲取低溫熱源？熱泵輸出的熱量中，（COP-1）/COP部分的熱量來自低溫熱源，這些熱量不能再由燃料供給，需要從他處獲取。② 熱泵消耗的電力從何而來？這對應于熱泵所提供的熱力的1/COP。全面采用熱泵制備熱量，熱泵耗電將占未來總用電量的15%~20%。未來的新型電力系統(tǒng)要求用電終端具備靈活性調(diào)節(jié)功能，使熱泵系統(tǒng)最大限度地參與電力系統(tǒng)峰谷調(diào)節(jié)并為新型電力系統(tǒng)建設(shè)提供支持，是熱泵系統(tǒng)需要充分考慮的問題。從這兩個關(guān)鍵問題出發(fā)，討論并提出我國新型零碳熱力系統(tǒng)建設(shè)的整體方案。
1. 飽和壓力>1 MPa的工業(yè)生產(chǎn)用蒸汽
采用熱泵制備高壓蒸汽，與直接電熱方式相比收益不大，且增加很大的設(shè)備投資，經(jīng)濟性不佳。例如，在熱泵輸出熱量需要>200 ℃的條件下，如果低溫熱源<20 ℃，則熱力學完善度為0.6時的COP<1.5。大多數(shù)化工生產(chǎn)中需要的高壓蒸汽實際上用來驅(qū)動汽輪機為大型轉(zhuǎn)動設(shè)備提供動力；在火電作為主要電源時，這種方式替代用電、抽取汽輪機排出的低壓蒸汽再用來滿足生產(chǎn)過程中低壓蒸汽的需求，可實現(xiàn)熱力的梯級利用；但在以“風光水核”為主的零碳電力系統(tǒng)中，這種方式就不再合適。直接采用大型電機替代汽輪機提供動力，可避免對高壓蒸汽的需求，而中低壓蒸汽則由熱泵消耗電力提取低品位余熱來制備。對于少數(shù)需要高參數(shù)蒸汽的工藝需求，可考慮采用高溫氣冷堆、電鍋爐、使用零碳燃料的鍋爐制備蒸汽。
2. 以自然環(huán)境作為低溫熱源的熱泵適合低密度用熱需求
工業(yè)生產(chǎn)的中低壓蒸汽和循環(huán)熱水、建筑運行供熱的需求溫度都低于200 ℃，可通過熱泵提取低品位熱量進行高效制備。此時的問題是從何處獲得足夠的低品位熱量作為熱泵的低溫熱源。20世紀90年代，我國開始大規(guī)模推廣采用空氣、土壤、地表水作為低溫熱源的空氣源熱泵、地源熱泵、地表水水源熱泵，主要用于建筑采暖、生活熱水制備，取得很大成功。例如，當室外空氣溫度為0~-25 ℃、要求的采暖熱水溫度為50 ℃時，空氣源熱泵的COP可達2.5~3.8；如果采用地源熱泵，低溫熱源溫度>20 ℃，則COP還可以更高。然而，空氣源、地源熱泵都是從周邊的自然環(huán)境中提取熱量，而自然環(huán)境的熱量供給能力決定了熱泵提取熱量密度的上限。以單位土地面積需求的熱量定義取熱密度，當取熱密度<1 MW/hm2時，空氣、土壤能夠供給足夠的熱量；當取熱密度>1 MW/hm2時，從空氣中過度取熱會影響周邊的生態(tài)環(huán)境，尤其是形成“下冷上熱”的逆溫層，不利于地面污染物的擴散。當?shù)叵峦寥郎笆械娜崦芏?gt;1 MW/hm2時，除非當?shù)鼐哂胸S富的地熱資源，否則會導致地下溫度逐年下降，大面積、高密度的地下埋管作為地下?lián)Q熱器也將影響地下空間的開發(fā)利用。
建筑運行、工業(yè)生產(chǎn)在絕大多數(shù)場合下的取熱密度<1 MW/hm2，可以采用空氣、地下土壤砂石等自然環(huán)境作為低溫熱源。長江流域冬季室內(nèi)外溫差較小、寒冷時間較短，沒有市政規(guī)模的集中供暖，宜采取“部分空間、部分時間”的供暖策略，以自然環(huán)境為低溫熱源的分散式熱泵非常適合這種供熱需求。北方城郊結(jié)合部的建筑密度低、沒有集中熱網(wǎng)覆蓋，與廣大農(nóng)村地區(qū)一樣屬于用熱密度低的場景，適用采用分散式熱泵供熱。需要蒸汽的醫(yī)院、賓館、洗衣房等，盡管用熱量大，但布局分散，從公頃級土地面積范圍的角度看用熱密度不高，也適合采用以自然環(huán)境為低溫熱源的分散式熱泵。
然而，北方城鎮(zhèn)建筑多為高密度建筑群（容積率>3），多數(shù)場合的冬季采暖取熱密度>1 MW/hm2，不適宜全面采用以自然環(huán)境為低溫熱源的分散式熱泵。對于工業(yè)生產(chǎn)用熱，蒸汽用量為10 t/h的工廠按照取熱密度為1 MW/hm2、COP=2考慮，需要3.5 hm2的土地才能滿足用熱需求，這通常超過工廠的占地面積。因此在大多數(shù)場合，工業(yè)生產(chǎn)用熱很難完全由以自然環(huán)境為低溫熱源的熱泵提供。
3. 回收人類活動排放的余熱滿足高密度用熱需求
未來，全國北方城市建筑采暖、工業(yè)生產(chǎn)蒸汽用熱共計1.3×1010 GJ，應另辟蹊徑。
對于工業(yè)生產(chǎn)，多數(shù)場合消耗的能源不會保留在最終產(chǎn)品中（電解鋁生產(chǎn)是例外），而是以低品位熱量的形式排放到大氣中。如果部分回收這些熱量并作為熱泵的低溫熱源，即可制備所需的生產(chǎn)用熱，由此實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)用熱的循環(huán)利用。例如，在一些農(nóng)副產(chǎn)品的干燥加工過程中，利用熱泵從排出的熱濕空氣中取熱，熱濕空氣經(jīng)過冷卻干燥釋放出凝水后由熱泵釋放出的熱量加熱而成高溫干燥氣體，再返回至物料；這種基于熱泵的循環(huán)干燥床用電力替代燃料，不僅以節(jié)能降碳的方式實現(xiàn)熱量的循環(huán)利用，還可以精準控制干燥過程并顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量。在干燥過程以外，造紙、印染、食品等輕工業(yè)領(lǐng)域都存在熱量回收條件，可以利用熱泵回收生產(chǎn)過程排放的余熱，滿足自身用熱需求并實現(xiàn)熱量的循環(huán)利用。
在更多的工業(yè)生產(chǎn)過程中，熱量排放過程過于分散而難以有效回收利用，需要外界提供足夠的余熱資源。當然，也有很多工業(yè)過程排放大量的低品位余熱且遠大于用熱需求。預測我國未來的余熱資源，沿海地區(qū)將建設(shè)裝機容量約為2×108 kW的核電站，核能反應堆釋放的熱量中僅有40%轉(zhuǎn)換為電力，而約60%作為余熱通過海水冷卻排放，僅此每年可提供7×109 GJ以上的熱量。將保留裝機容量約為7×108 kW的火電，每年運行約2000 h，發(fā)電1.5×1012 kW·h，這些火電廠在發(fā)電的同時也將排放約6.5×109 GJ的熱量。此外，冶金、有色、化工、建材等流程工業(yè)，算力中心，垃圾焚燒廠，電網(wǎng)大型變壓器，污水處理后得到的中水等，都可釋放出大量余熱。整體上，我國每年約有2.4×1010 GJ的人類活動排放余熱（見表1）。采用熱泵技術(shù)、COP平均值為3時，只要回收余熱總量的40%（9×109 GJ）即可滿足需求。回收各類余熱并通過管網(wǎng)匯集，輸送到需要用熱的工業(yè)生產(chǎn)、建筑終端，在各個終端根據(jù)具體的用熱需求，通過熱泵制備成適宜參數(shù)的熱量，據(jù)此構(gòu)成余熱共享系統(tǒng)，解決建筑采暖和工業(yè)用熱的高密度用熱需求（1.3×1010 GJ）。
表1 我國未來可利用的余熱資源
4. 新型熱力系統(tǒng)熱量來源總體規(guī)劃
表2給出了2060年零碳情境下各類熱量需求的零碳制備方案（不含工業(yè)生產(chǎn)所需的6×109 GJ高參數(shù)蒸汽）。通過分散的熱泵、集中的余熱共享系統(tǒng)，可以依靠低溫熱源通過電力制備工業(yè)生產(chǎn)和建筑運行所需的1.8×1010GJ熱量，合計消耗電力2×1012 kW·h，約占未來我國電力總量的12%。
表2 新型零碳熱力供給的總體情況
5. 熱泵應成為適宜消納風光電力的靈活用電負荷
依靠熱泵制取熱量，熱泵電耗（主要）來自零碳電力，制取的熱量才是零碳或低碳熱量。上述1.8×1010 GJ的熱量制取，大約要消耗未來電力總量的12%，這一用電方式對電力系統(tǒng)將產(chǎn)生很大影響，是建設(shè)新型熱力系統(tǒng)必須考慮的因素。
未來零碳電力系統(tǒng)中，風光電力將提供80%以上的裝機容量、65%以上的發(fā)電量；為了保證電力的可靠供給，總電量中的10%~15%仍由火電提供。終端制備熱量的用電負荷能夠跟隨風光電力的變化而靈活調(diào)節(jié)（荷隨源變），將是破解這一瓶頸的重要突破口。電力系統(tǒng)中每個時刻度電對應的碳排放責任因子都在變化，可分為1天內(nèi)瞬時度電的碳排放責任因子隨風光電力的變化而大范圍變化、1年內(nèi)電力日均碳排放責任因子隨季節(jié)也有一定幅度變化的兩個周期：在我國，前者是由于1天內(nèi)日照、風力變化帶來電力碳排放責任因子中午低、晚間高，需要各種儲能調(diào)節(jié)；后者是冬季日照時間短、水電進入枯水期等原因?qū)е露玖闾茧娏竟?jié)性短缺，需要火電補充。采用電動熱泵制備熱量，盡可能在電力碳排放責任因子低的時間段內(nèi)多用電力制備熱量，而在碳排放責任因子高的時間段內(nèi)少用電或不用電，以真正實現(xiàn)低碳和零碳的熱量制備。
熱泵根據(jù)電力系統(tǒng)中風光電力的出力情況來進行靈活調(diào)節(jié)響應并主動消納零碳電力的方式稱為熱電協(xié)同，通過這種方式才能實現(xiàn)零碳或低碳的熱力供應。通過儲熱替代儲電，使熱泵成為電力系統(tǒng)的靈活用電負荷，將為電力系統(tǒng)“削峰填谷”、促進消納做出貢獻，也可助力新型電力系統(tǒng)、新型能源體系建設(shè)，加快能源系統(tǒng)碳中和進程。
（二）分散式熱泵供熱的關(guān)鍵技術(shù)
對于取熱密度<1 MW/hm2的用熱需求，采用分散式熱泵從空氣、土壤、地表水等自然環(huán)境中提取熱量并進一步制備所需參數(shù)的熱量，是可行的熱量獲取方式。南方非集中供熱地區(qū)建筑采暖中采用熱泵方式的超過50%，建筑生活熱水制備中分散式熱泵方式占比約為20%。北方農(nóng)村地區(qū)推廣清潔采暖行動，使電動熱泵供暖約占農(nóng)村實施清潔采暖工程的30%。北方城鄉(xiāng)接合部的低密度建筑群采用分散的自然環(huán)境熱源熱泵進行分散式采暖占比為50%~70%。即使冬季嚴寒的黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、新疆等省份，也有超過3%的城鎮(zhèn)建筑采用分散的自然環(huán)境熱源熱泵采暖。低溫熱源來源的不同導致熱泵技術(shù)特點、存在的問題、需要進一步發(fā)展的關(guān)鍵點各不相同。
1. 空氣源熱泵
分散布置熱泵裝置，盡可能使更多的空氣通過熱泵裝置、避免經(jīng)過熱泵流出的冷空氣混入熱泵入口處的外來空氣，以從溫度盡可能高的空氣中提取熱量，是保證空氣源熱泵正常運行并獲得較高效率的基礎(chǔ)。很多空氣源熱泵供熱工程卻將數(shù)十臺、上百臺空氣源熱泵集中擺放（構(gòu)成兆瓦級集中熱源），導致空氣源熱泵入口處的空氣溫度低于環(huán)境溫度5~10 K，顯著降低了空氣源熱泵的工作效率。實際上，建筑采暖、生活熱水等用熱需求都是分散在建筑物各處的，發(fā)展單機制熱功率<100 kW的中小規(guī)?？諝庠礋岜茫捎梅稚⒉贾梅绞讲⒈M可能使熱源的布置與熱需求在空間上匹配，是規(guī)模化應用空氣源熱泵的關(guān)鍵。不宜為了追求大容量而發(fā)展兆瓦級制熱功率的空氣源熱泵。
在嚴寒地區(qū)外溫降到-30 ℃以下時，采集的室外空氣熱量有限、熱泵蒸發(fā)器存在換熱溫差，當熱泵的熱力學完善度為0.6時，制取50 ℃熱量的COP很難超過2，且設(shè)備復雜、投資大。進一步降低空氣源熱泵的室外可工作溫度，盡管可以顯示技術(shù)進步，但投資高、困難大、收益小，不宜作為主攻方向。
從-30~10 ℃的室外空氣中提取熱量，統(tǒng)一提升至50 ℃左右的采暖所需溫度，熱泵工作的提升溫差為40~80 K；室外溫度越低，需要的熱量越多。常規(guī)的壓縮式電動熱泵的COP、制熱量都隨提升溫差增大而迅速下降，導致空氣源熱泵隨外溫變化的性能與多數(shù)場合對熱量需求的特性不匹配。研發(fā)新的壓縮機技術(shù)和配套的熱泵技術(shù)，使熱泵性能與需求匹配（在大范圍外溫變化條件下滿足用熱需求），是空氣源熱泵技術(shù)攻關(guān)的重點方向。
在東部沿海地區(qū)，外溫約為0 ℃時室外相對濕度通常>70%，此狀態(tài)下熱泵蒸發(fā)器表面溫度很容易會降低到室外空氣露點溫度以下，進而導致蒸發(fā)器表面結(jié)霜，將嚴重影響空氣源熱泵的正常運行。近年來雖然發(fā)展了熱氣旁通等化霜方式，但準確探測結(jié)霜狀況并實現(xiàn)精準化霜、提高化霜過程的效率并使化霜操作僅發(fā)生在結(jié)霜盤管處、通過蓄熱保證在化霜過程中仍能繼續(xù)供熱而不影響采暖舒適性等，仍需深入研究。針對結(jié)霜的微觀物理過程，改變蒸發(fā)器材料表面特性，使結(jié)霜冰屑及時脫落而不易附著于蒸發(fā)器表面，也是重要的研究方向。
2. 土壤源熱泵
土壤源熱泵以土壤作為低溫熱源（抽取地下水釋放熱量后再回灌到地下，或者通過不同類型的地下?lián)Q熱器實現(xiàn)循環(huán)水與地下土壤、沙石之間的換熱以從地下獲取熱量），再通過熱泵將熱量提升到要求的溫度狀態(tài)。土壤釋放出熱量后溫度降低，需有外部的熱量補充才能避免土壤溫度的持續(xù)降低。
有研究認為補充的熱量來自深層地下的熱量，屬于地熱能的應用。我國確實有豐富的地熱資源，但僅分布在少數(shù)地區(qū)。在沒有地熱資源的地段，從底層深處垂直向上盡管也存在熱流，但熱流密度僅為0.05 W/m2水平，導致垂直方向的溫度梯度不足50 K/km。無論是淺埋地熱（垂直向下埋管100 m左右）還是中深層地熱（垂直向下埋管2000~3000 m），單位水平界面全年提取熱量平均為5~50 W/m2，而地層深處提供的熱量不足需求的1%，故不能認為這是利用地熱。大量提取熱量后將導致地下土壤、沙石的溫度逐年下降。對于淺層地源熱泵，需在不提取熱量的非采暖季，通過各種方式向地下注入熱量以補充失熱量。對于中深層地源熱泵，地下深處溫度常年高于外溫而很難通過向地下注熱的方式進行補熱。
應用土壤源熱泵，需要厘清地熱資源及其強度。在沒有足夠地熱資源的條件下，應利用各種方式在非用熱季節(jié)向地下補熱，避免地下溫度總體水平的逐年下降。人為向地下注入熱量的過程可視為跨季節(jié)向地下儲熱（“夏儲冬用”）的方式，而不是利用地熱的方式。而對于全年持續(xù)需要提取熱量的工業(yè)用熱需求，由于沒有補熱機制而不宜采用土壤源熱泵方式。
3. 地表水水源熱泵
以河水、湖水、海水等自然界的水源作為熱泵的低溫熱源，只要獲取的熱量遠小于流動換水補充的熱量，就不會出現(xiàn)熱源溫度持續(xù)下降的現(xiàn)象，因而地表水水源熱泵可以持續(xù)且集中地提供熱量。一般情況下，冬季用熱時水源溫度很低，為了避免凍結(jié)，需嚴格控制通過熱泵的降溫程度，在很多場合允許的溫降僅為3~5 K。這樣就需要較大的循環(huán)流量才能提供足夠的熱量。如果換熱和熱泵設(shè)施都設(shè)置在高于水面的位置，將導致巨大的水泵耗電，在一些工程中循環(huán)水泵耗電甚至超過熱泵耗電。將熱泵、換熱設(shè)施設(shè)置在低于水面的地下，可以避免這些問題。
對于需要全年持續(xù)供給熱量的場合（如工業(yè)生產(chǎn)用熱），地表水水源可以在全年提供充足的熱量且不需要補熱措施，是適宜的熱泵熱源。
4. 電動熱泵參與熱電協(xié)同
采用電動熱泵消耗電能制備熱量，產(chǎn)出熱量對應的碳排放完全取決于熱泵消耗電力對應的碳排放。建筑圍護結(jié)構(gòu)具有巨大的熱慣性，建筑采暖等熱應用允許室溫在一定范圍內(nèi)波動，因而用熱終端相當于間接的儲能設(shè)施。電動熱泵的運行可兼顧用熱需求、電力碳排放性質(zhì)的變化，在完成供熱任務(wù)的前提下盡可能多地利用零碳和低碳電力，避開使用高碳電力。研究表明，采用分散的空氣源熱泵為建筑供暖，如果門窗緊閉，熱泵系統(tǒng)停止工作4~6 h，室溫降低不超過1 ℃；只要全天的供熱總量滿足要求，即可基本保證室內(nèi)的熱舒適。北京市郊區(qū)農(nóng)舍全部采用空氣源熱泵（6×106臺），采用低電價時盡量運行、高電價時盡可能不運行的策略，顯著降低了京津唐電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，可減少煤電機組發(fā)電煤耗5%~7%。
然而，建筑冬季采暖對應于零碳電力短缺季節(jié)，需要一定規(guī)模的火電供給才能滿足電力需求。較大規(guī)模地使用電動熱泵，會增加電力負荷需求，從而加大火電供給。即使通過儲能方式使一天內(nèi)熱泵僅在零碳電力占比高的時段運行，也因全季節(jié)整體性地短缺零碳電力而改善不大。如果認為此時電力不足源于使用熱泵，那么熱泵用電就應該主要來自火電；火電從燃料到電力的轉(zhuǎn)換效率為35%，只有當熱泵COP>3時，熱泵制取熱量消耗的燃料才低于鍋爐燃燒制取熱量消耗的燃料，熱泵較鍋爐燃燒制取熱量也才更為低碳。因此，冬季應用電動熱泵是否低碳，需要謹慎論證。
（三）統(tǒng)一提供低溫熱源的余熱共享系統(tǒng)
以自然界作為熱泵的低溫熱源，難以滿足高強度的用熱需求。為此，需要通過余熱共享系統(tǒng)（見圖1）回收人類活動的各類余熱，開展統(tǒng)一輸配和儲存調(diào)節(jié)，為各類用熱終端提供低品位熱源；在各類終端處根據(jù)用熱需求，通過基于熱泵技術(shù)的熱量變換裝置制備各自所需的熱量。北方地區(qū)圍繞城市建筑供熱需求建成了完善的集中供熱系統(tǒng)，南方非采暖地區(qū)圍繞工業(yè)生產(chǎn)用熱建成了一定規(guī)模、以熱電聯(lián)產(chǎn)和大型鍋爐為熱源的工業(yè)蒸汽供給系統(tǒng)。依托這些管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，實施改造和完善即可建成余熱共享的熱力管網(wǎng)系統(tǒng)。余熱共享系統(tǒng)涉及余熱的采集、輸配、儲存以及進一步的熱量變換。
圖1 余熱共享系統(tǒng)示意圖
通過低成本輸熱技術(shù)將經(jīng)濟輸熱半徑擴大到100~200 km，即可解決余熱熱源與用熱點地理位置不匹配的問題。我國各地的建筑與工業(yè)生產(chǎn)熱需求，70%的可在100 km半徑范圍內(nèi)找到足夠的余熱資源，剩余30%的相對困難，主要是位于北京這樣的超大型消費城市、服務(wù)農(nóng)牧林業(yè)的小城鎮(zhèn)等。將經(jīng)濟輸熱半徑擴大至接近200 km，超大型消費城市就有足夠的余熱資源。小城鎮(zhèn)不屬于建筑密集區(qū)，可利用自然環(huán)境作為低溫熱源的分散式熱泵解決供熱問題。
跨季節(jié)儲熱技術(shù)可以解決熱源與熱匯在時間上的不匹配。調(diào)峰火電余熱以外的各類余熱資源在全年基本均衡產(chǎn)熱，工業(yè)生產(chǎn)的熱量需求基本上沒有季節(jié)性變化。然而，占總熱量需求約40%的北方城市建筑采暖，集中在冬季4~6個月內(nèi)。分布在北方采暖地區(qū)的余熱資源在冬季不足以提供當時的熱量需求，需要在北方采暖地區(qū)建設(shè)跨季節(jié)儲熱設(shè)施，儲存春、夏、秋季的余熱以滿足建筑冬季采暖需要。
由統(tǒng)一的熱量輸配管網(wǎng)匯集各類余熱熱源的熱量，而各類余熱熱源產(chǎn)出熱量的溫度不盡相同，需要通過熱量變換裝置將熱源輸出的溫度變換到統(tǒng)一的參數(shù)。各類用熱用戶的狀況不同，返回到輸熱循環(huán)管網(wǎng)的回水溫度也不同，需要采用熱量變換裝置進行參數(shù)變換，使各類用熱用戶返回到主管網(wǎng)回水的溫度保持統(tǒng)一。熱量變換裝置的作用類似電力輸配系統(tǒng)中的變壓器（解決源、網(wǎng)、荷對電壓的不同需求），支持熱量在不同溫度、不同狀態(tài)之間的有效傳遞。
（四）供熱系統(tǒng)參與電力峰谷調(diào)節(jié)的熱電協(xié)同
零碳能源系統(tǒng)中的電力、熱力分別來自不可控的電源、熱源，解決能源供需在時間上的不匹配是零碳能源體系建設(shè)的共性與關(guān)鍵難題。儲熱比儲電成本更低、效率更高，因而新型零碳熱力系統(tǒng)可利用儲熱替代儲電，通過熱電協(xié)同為新型電力系統(tǒng)建設(shè)提供支持。
對于儲熱水箱、大型水體置式儲熱，溫差為70 K（90/20 ℃）時的儲熱能力約為80 kW·h/m3，初始投資約為100~1000元/m3。假設(shè)儲存的熱量屬于低品位能源，按照COP=5的標準折合為電力，則儲存的等效電力為16 kW·h/m3，折合成電力的初投資為6.25~62.5元/(kW·h)。作為對照，儲能電池的成本約為500元/(kW·h)，抽水蓄能、空氣壓縮儲能的折算成本約為400~600元/(kW·h)?？梢?，當具有足夠大的儲熱溫差時，熱水儲熱的初投資遠低于其他的儲能方式。此外，熱水儲熱的熱量效率為85%~90%，與儲能電池相當，明顯優(yōu)于抽水蓄能、空氣壓縮儲能的效率（50%~70%）。當然，電力轉(zhuǎn)換為熱量后就很難高效轉(zhuǎn)換為電力，不是任何場合都可以儲熱替代儲電。但在終端本就需要熱量且通過電力轉(zhuǎn)為熱力時，用儲熱替代儲電仍是有效的途徑。
隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，風光電力在電源中的占比迅速提高。而風光電力在日內(nèi)、季節(jié)尺度上都存在大幅度變化且與用電負荷在時間上相異，成為進一步發(fā)展風光電力的瓶頸。如果終端制備熱量的用電負荷能夠跟隨風光電力的變化而靈活調(diào)節(jié)（熱電協(xié)同），實現(xiàn)“荷隨源變”，將成為破解這一瓶頸的重要突破口。
三、余熱共享系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
以自然環(huán)境作為低溫熱源的分散式熱泵技術(shù)已應用于多種建筑用熱場景，取得良好成效。基于余熱共享系統(tǒng)為高用熱強度的建筑和工業(yè)提供零碳熱量，尚處于概念探討和起步發(fā)展階段。為此，進一步討論建設(shè)余熱共享系統(tǒng)涉及的跨季節(jié)儲熱、熱量變換、熱量低成本輸送等關(guān)鍵技術(shù)。
（一）跨季節(jié)儲熱
1. 儲熱方式
跨季節(jié)儲熱是解決全年各季節(jié)均勻釋放的余熱資源與建筑冬季采暖需求在時間上不匹配問題的必要手段，也可作為低碳、低成本的應急調(diào)峰熱源，用于提高熱網(wǎng)運行的安全性和經(jīng)濟性，為產(chǎn)生余熱的生產(chǎn)過程提供穩(wěn)定的冷卻源。我國城市高密度建筑群冬季4個月采暖期需要熱量5.4×109 GJ，此段時間位于北方地區(qū)的工業(yè)用熱用戶也需要余熱2.6×109 GJ。如果從全年均勻釋放的余熱資源中獲取，則有3.6×109 GJ的熱量需要在非采暖季獲取，再通過跨季節(jié)儲熱設(shè)施儲存并轉(zhuǎn)移到冬季用于建筑采暖。這是需要的跨季節(jié)儲熱容量的上限。在我國，冬季各類人類活動排放熱量的余熱約為5.9×109 GJ（見表1），如果能全面回收這些余熱，則冬季尚缺少熱量2.1×109 GJ，這是需要的跨季節(jié)儲熱設(shè)施容量的下限。根據(jù)北方各地的余熱資源情況，不同地方需要建設(shè)的跨季節(jié)儲熱設(shè)施容量不同，一般為冬季采暖總熱量的30%~65%。
表3 儲熱設(shè)施的各種技術(shù)路線原理和性能
注：1畝≈666.7 m2。
冬季采暖的平均負荷大約僅為嚴寒期最大負荷的一半。在沒有儲熱設(shè)施的情況下，需要按照嚴寒期最大的采暖功率需求來建設(shè)供熱熱源。如果有大規(guī)模儲熱設(shè)施，只需要具有從儲熱設(shè)施提取熱量的能力，就可以應對極寒天氣采暖負荷激增的狀況，而無需建設(shè)額外的熱力調(diào)峰熱源。
很多提供余熱的設(shè)施實際上又是生產(chǎn)過程的冷卻設(shè)施，需要全年連續(xù)運行。如果僅在冬季運行，非采暖期就需要運行額外的冷卻系統(tǒng)，將給生產(chǎn)過程帶來很多不便且增加生產(chǎn)成本。通過跨季節(jié)儲熱設(shè)施，使余熱回收設(shè)施全年按照同樣的工況運行，有利于提高生產(chǎn)過程效能。
此外，采暖是民生保障工程。建設(shè)備用熱源以避免各種突發(fā)事故對采暖的影響，成為管理部門對采暖工程的基本要求?？缂竟?jié)儲能可以提供可靠的熱源，減少對高投資、低使用率備用熱源的建設(shè)需求。
2. 跨季節(jié)儲熱技術(shù)方式
近年來，大規(guī)模儲熱是國際性研究熱點。儲熱可促進供熱和供冷的用電需求與可再生能源發(fā)電之間的匹配性，有助于平衡電力季節(jié)性供需，支持向以可再生能源為主的能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。國內(nèi)外提出并實踐了多種跨季節(jié)儲熱技術(shù)路線?？缂竟?jié)儲熱的方式主要有水體置換、地下?lián)Q熱器、地下水儲熱、相變儲熱，各種儲熱方式熱量效率差別不大，但溫度效率差別很大（見表3）。從熱量效率、溫度效率、造價、占地四方面綜合對比，水體置換儲熱在大多數(shù)場合都是優(yōu)選方式，也是迄今為止技術(shù)最成熟、應用最廣泛的儲熱方式。
水體置換采用帶有保溫頂蓋的熱水水庫，全年內(nèi)水的總量不變；儲熱時直接把熱水送入水體上端，同時取出水體底部的冷水；取熱時則在水體底部注入冷水，同時從水體頂部取出熱水；水體中冷／熱水交界面隨著水體儲熱量的增加而下移、隨著水體儲熱量的減少而上升。如果通過有效的方式在冷水體、熱水體之間形成隔絕面，避免水體內(nèi)通過冷／熱水交界面的熱量傳遞，則整個儲存體在儲熱、存熱、放熱的過程中幾乎不存在導熱現(xiàn)象，由此獲得較高的溫度效率。其他3種熱量儲存均依靠循環(huán)介質(zhì)與儲熱介質(zhì)之間的熱交換實現(xiàn)，熱交換導致熱量品位的耗散（“火積”損失）。溫度效率低導致儲存熱量的品位降低，取出利用時就需要消耗一定的電力來驅(qū)動熱泵重新提升熱量的品味。對于跨季節(jié)儲熱而言，只有采用水體置換方式才能避免額外的電力消耗，從而獲得較好的儲能效果。
地下?lián)Q熱器方式的建設(shè)投資由儲熱／放熱功率決定。如果1 GJ的熱量需要在2000 h內(nèi)釋放，則需要的換熱功率為0.139 kW，投資為400~700元/GJ（與水體置換相當）。然而，地下?lián)Q熱器方式需要增加熱泵的投資和運行耗電。
地下水儲熱指抽取地下水加熱或冷卻后再向地下回灌的方式，與地下?lián)Q熱器方式相比綜合投資更低、溫度效率相當。但在應用時面臨保護地下水資源的政策性制約，一般不提倡采用。
相變材料方式的單位容量造價顯著高于水體置換方式，溫度效率也明顯偏低，因此不適合跨季節(jié)儲熱。
3. 水體置換儲熱技術(shù)發(fā)展與應用情況
水體儲熱在歐洲得到廣泛應用，國內(nèi)也已建成多項示范工程，實際運行效果滿足設(shè)計要求。在儲熱水庫的建造工藝、防滲材料、布液裝置、保溫頂蓋等方面完善水體儲熱技術(shù)，有望進一步降低建造成本。儲熱水池占地導致的土地費用對于水池的經(jīng)濟性影響較大，建議發(fā)布相關(guān)政策，合理減免相關(guān)土地使用費，促進跨季節(jié)儲熱的全面推廣。
水體置換式儲熱技術(shù)面臨的突出挑戰(zhàn)是占地問題。當儲熱溫度為熱水95 ℃、冷水20 ℃時，每立方米水體可儲存0.3 GJ熱量；如果我國未來建設(shè)2.5×109 GJ的儲熱設(shè)施，需要的儲熱水體約為8×109 m3，相應的占地面積約為4×109 m2（以水體平均深度20 m計算）。尋找合適的空間資源（不占用農(nóng)業(yè)用地）來建設(shè)水體置換儲熱設(shè)施，同時有效利用水體上蓋空間、綜合利用土地資源，都是需要研究的現(xiàn)實問題。
按照水體置換儲熱400~1000元/GJ造價、20年回收期計算，每年的儲熱成本為20~50元/GJ；疊加回收熱量價格10元/GJ、系統(tǒng)運行成本10元/GJ，則冬季獲得熱量的成本為40~70元/GJ。目前北方地區(qū)采暖熱量熱源處的價格為25~90元/GJ，其中燃煤鍋爐熱源的價格為40~50元/GJ，燃氣鍋爐熱源的價格為80~90元/GJ。采用電力驅(qū)動的空氣源熱泵，如果冬季平均COP=2.8，則1GJ熱量的平均電耗為100 kW·h，折合的熱量價格為50元/GJ（平均電價為0.5元/(kW·h)，不考慮熱泵投資）。冬季低于40元/GJ的熱量都來自燃煤電廠熱電聯(lián)產(chǎn)熱源，而隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，燃煤電廠裝機總量、年運行時長都將逐漸下降，則冬季低價的燃煤電廠熱電聯(lián)產(chǎn)熱量遠不足以滿足供熱需求。通過跨季節(jié)儲熱，轉(zhuǎn)移非采暖季的熱量到冬季使用，綜合成本必然高于冬季的燃煤電廠熱電聯(lián)產(chǎn)熱量，但只要低于其他熱源方式的成本，就具有一定的市場競爭力。
此外，進一步完善技術(shù)，包括開發(fā)低成本、耐高溫土工膜，新型保溫頂部結(jié)構(gòu)，新式布水器，有可能將單位儲水體的造價降低到400元/GJ，可使跨季節(jié)儲熱，轉(zhuǎn)移春、夏、秋季廢棄的余熱用于冬季供暖的零碳采暖熱源更具有經(jīng)濟性。置換式儲熱水體儲放熱過程的溫度損失主要源自冷熱水交界面的熱量傳遞，相關(guān)研究集中在有效減少冷熱水之間的擾動、縮小斜溫層厚度，闡明儲熱體尺寸和形狀、布液器形式、進出水流量等對斜溫層發(fā)展過程和厚度控制的影響。
上述造價是國內(nèi)外建成工程的基本情況，工程規(guī)模通常<2×105 m3。分析置換式儲熱體的造價構(gòu)成，當單個儲熱體規(guī)模增加到百萬立方米級時，單方造價可進一步下降，儲熱容量建設(shè)成本有望控制在300元/GJ以內(nèi)，通過儲熱轉(zhuǎn)移熱量的綜合成本<35元/GJ。例如，河北張北、山東濟南、西藏仲巴均建設(shè)并運行了水體置換跨季節(jié)儲熱工程。濟南唐冶跨季節(jié)儲熱項目的儲熱水體為8.5×104 m3，自2024年冬季開始運行，用儲能替代原來的調(diào)峰熱源，可充當緊急備用的應急熱源，表現(xiàn)出良好的綜合性能。
以上的成本分析都不包括儲能水體占地帶來的土地使用費?？缂竟?jié)儲熱設(shè)施應盡可能靠近城市用熱末端布設(shè)，而城市周邊土地價格昂貴，計入地價后跨季節(jié)儲熱的經(jīng)濟性會變差。然而，建設(shè)儲熱設(shè)施的目的是為城市建筑提供零碳熱源，屬于城市基礎(chǔ)設(shè)施，如果管理部門參照城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的相關(guān)規(guī)定合理減免土地使用費，就可以使跨季節(jié)儲熱設(shè)施的建設(shè)成本擺脫土地費用的重負，有望加快發(fā)展速度。
儲熱設(shè)施的選址問題（靠近提供熱源的源端或盡可能靠近用熱的熱水端）需要深入研究。目前跨季節(jié)儲熱主要和太陽能集熱器結(jié)合應用，在集熱器附近集中建設(shè)跨季節(jié)儲熱設(shè)施、在用戶側(cè)建設(shè)分布式短周期蓄熱罐的系統(tǒng)形式較為優(yōu)化。實際上，建造儲熱設(shè)施的目的不同，則選址原則有所區(qū)別：對于建筑采暖的跨季節(jié)儲能，造成不同季節(jié)巨大需求變化的原因是負荷側(cè)變化，選址時應盡可能靠近采暖建筑側(cè)，既使熱源和熱量輸送系統(tǒng)全年均衡運行，也有利于應對負荷的各種變化并提高供暖可靠性；對于應對調(diào)峰火電廠因電力調(diào)峰所致輸出熱量以日為周期的變化，選址時應盡可能靠近作為熱量產(chǎn)出側(cè)的火電廠，經(jīng)過儲熱設(shè)施平衡后可以得到穩(wěn)定的熱量輸出，使輸熱管網(wǎng)在穩(wěn)定的工況下運行。
（二）熱量變換
余熱共享系統(tǒng)通過相互連接的循環(huán)水系統(tǒng)采集單個余熱熱源的熱量，為各個熱量用戶提供熱量；連接若干個跨季節(jié)儲熱設(shè)施，儲存多余熱量或從中提取熱量。應用熱量變換器將不同溫度的熱量統(tǒng)一參數(shù)后送入熱網(wǎng)，再從熱網(wǎng)取熱并通過熱量變換器變?yōu)楦黝愑脩羲璧臏囟取?/span>
循環(huán)管網(wǎng)相互連接，需要有統(tǒng)一的冷熱水溫度（如90/20 ℃）。實際上余熱共享系統(tǒng)連接具有不同溫度品位的余熱熱源，這些熱源對引自熱網(wǎng)的循環(huán)水加熱程度不同；用戶具有差異化的用熱需求，而提取循環(huán)水熱量、對循環(huán)水冷卻的能力各不相同。需要在循環(huán)管網(wǎng)、各個余熱的提供者與使用者之間配置熱量變換器，進行不同的溫度水平之間的變換。此外，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)用熱要求提供不同壓力的蒸汽，熱量變換器需要根據(jù)要求提取循環(huán)水的熱量，進一步制成所需壓力的飽和或過熱蒸汽。
熱量變換器的熱量輸入源為循環(huán)水，如果熱量輸出側(cè)也是循環(huán)水，當熱源側(cè)循環(huán)水的平均溫度高于熱匯側(cè)循環(huán)水平均溫度時，可以通過吸收式換熱器實現(xiàn)這一換熱過程。在熱源與熱匯溫差明顯不匹配時，吸收式換熱器可以使熱匯側(cè)獲得最高溫度，在滿足經(jīng)濟性的前提下實現(xiàn)兩側(cè)平均溫度差低至10 K條件時的熱量傳遞。當兩側(cè)平均溫度差<10 K甚至熱匯側(cè)要求的平均溫度高于熱源側(cè)時，需輔以壓縮式熱泵并輸入電力做功以提高熱匯側(cè)的溫度品位。從50/35 ℃的余熱中提取熱量到90/20 ℃的余熱共享循環(huán)水系統(tǒng)中的流程如圖2所示。
圖2 余熱溫度提升流程
在多數(shù)情景下，工業(yè)生產(chǎn)需要的熱量以蒸汽形式提供，可從90/20 ℃的循環(huán)水中提熱量，通過吸收式換熱器、電動熱泵聯(lián)合工作將熱量變換成為高溫水，再通過閃蒸得到低壓蒸汽，經(jīng)過水蒸氣壓縮機將低壓蒸汽壓縮至所需壓力（見圖3）。按照水蒸氣的焓與凝結(jié)水焓值之差計算蒸汽的熱量，蒸汽的熱量與耗電量之比（等效COP）為3。合理配置多級吸收式換熱、壓縮熱泵的比例，通過多級閃蒸和多級蒸汽壓縮，可進一步減少各級換熱過程的耗散、不同溫度之間摻混的耗散，提高等效COP。
圖3 利用循環(huán)熱水熱量制備蒸汽的原理圖
為了通過余熱共享系統(tǒng)采集各類工業(yè)生產(chǎn)過程中的余熱，為建筑和工業(yè)生產(chǎn)提供熱量并滿足各種參數(shù)的用熱需求，需要采用多種類型的熱量變換器，涉及兩側(cè)為不同進出口溫度的循環(huán)水之間的傳熱、由循環(huán)熱水的熱量并通過熱泵制備蒸汽的過程。余熱共享系統(tǒng)建設(shè)對熱量變換器提出了新要求，也將催生熱量變換器的新產(chǎn)業(yè)，需要開展理論創(chuàng)新、相關(guān)流程與工藝優(yōu)化。
（三）熱量低成本輸送
余熱共享系統(tǒng)的熱量需要從余熱產(chǎn)出地輸送到用熱地，解決余熱產(chǎn)出與用熱在地理位置上不匹配的問題。除了極少數(shù)的特大型消費城市，各種高密度熱量需求的工業(yè)生產(chǎn)用戶和建筑采暖用戶都可以在100 km范圍內(nèi)找到足夠的余熱資源。在滿足經(jīng)濟性、安全性的前提下低成本、高效率輸送熱量，是余熱共享系統(tǒng)的關(guān)鍵方面之一。近年來，為了取消城市燃煤鍋爐熱源、發(fā)展大型熱電聯(lián)產(chǎn)，長距離輸熱技術(shù)取得重大突破，實現(xiàn)距離>100 km、高差>240 m、管徑達1.6 m的大容量輸熱。截至2023年，全國建成長度>1.66×105 km的循環(huán)熱水輸送熱量的骨干管網(wǎng)、長度>4.6×105 km的室外二次管網(wǎng)，為北方地區(qū)總面積為1.73×1010 m2的建筑供熱，其中近30%的熱量輸送距離超過30 km。
1. 長距離、低成本輸熱的關(guān)鍵技術(shù)
大溫差熱量輸送。循環(huán)管網(wǎng)輸送的熱量與循環(huán)水溫差、循環(huán)流量成正比。傳統(tǒng)的熱量輸送循環(huán)水溫度為120/60 ℃，循環(huán)水溫差約為60 K。近年來國內(nèi)實踐了大溫差輸熱技術(shù)，在用熱末端通過熱量變換技術(shù)使回水溫度降低到20 ℃；循環(huán)水溫度成為120/20 ℃，供回水溫差提高了約70%，使同樣的循環(huán)流量輸送的熱量增加約70%，較傳統(tǒng)方式的經(jīng)濟輸送距離增加約70%。
大規(guī)模熱量輸送。通過循環(huán)水輸送熱量的經(jīng)濟距離與輸送管道的直徑成正比，采用1.6 m直徑的管道可實現(xiàn)經(jīng)濟輸熱距離超過100 km。為了避免過大的管道熱損失，管道內(nèi)流速應高于2 m/s。在此工作條件下，1.6 m管徑的流量為1.4×104 t/h，溫差100 K則輸熱功率超過1600 MW；0.8 m管徑對應的輸熱功率為400 MW，經(jīng)濟輸送距離為50 km。這表明，經(jīng)濟輸送距離與輸熱功率的1/2次方成正比，只有足夠規(guī)模的熱量才可能進行長距離、低成本的輸送。
減少管道散熱損失。妥善做好管道尤其是可能形成熱橋的管件（如膨脹節(jié)、彎頭、支架）的保溫，避免各種漏熱現(xiàn)象。當流速>2 m/s、水溫為100 ℃時，1.6 m直徑的管道每100 km溫降可控制在3 K以內(nèi)。然而，溫降與流速、管徑均呈反比，如果流速降低到原來的1/2，管徑減小到原來的1/2，則溫降加大至原來的4倍。
多級加壓泵將管道壓力維持在安全范圍。管網(wǎng)各點不超壓、不失壓才能避免爆管和汽化，可通過多級加壓泵方式，將管道各點壓力都維持在要求的壓力范圍。但在某處泵站突然停電時，極容易出現(xiàn)局部的水擊或失壓；在適當?shù)奈恢门鋫淇煽焖賱幼鞯男箟洪y、旁通閥，能夠有效避免各種停電事故引發(fā)的水擊。國內(nèi)多個長距離輸熱管道（50~120 km）投入應用后出現(xiàn)過局部停電情況，但都沒發(fā)生水擊事故。
兩端或沿途出現(xiàn)大高差問題。熱量輸送管道高差>200 m后，疊加潛在的管道壓降，就很難避免低處管道超壓或者高處管道失壓。采用高壓管材、管件會大幅增加成本，故主流的解決方案是設(shè)置隔壓站，通過換熱使高低兩側(cè)壓力隔絕而僅有熱量傳遞，但投資依然較大，將損失5 K甚至更多的換熱溫差，導致進入用熱側(cè)的供水溫度降低、進入熱源側(cè)的回水溫度增加。已有一些工程探索取消隔壓站，在下行管道中設(shè)置水輪機回收利用過剩的壓力，由水輪機帶動水泵為上行管道補充壓力[40]，有良好的經(jīng)濟性；當系統(tǒng)流量變化或停運時管道壓力分布會有變化，需要研究管道壓力的調(diào)節(jié)和保護方法，避免可能出現(xiàn)的超壓和失壓事故。
2. 水熱同送降低輸送成本
在很多情況下既要輸送熱量也要輸送淡水，如北方沿海地區(qū)同時是淡水資源匱乏區(qū)、大量用熱區(qū)。采用核電余熱驅(qū)動海水淡化制備95 ℃的熱淡水，再利用同1根管道輸送熱淡水到既需要水又需要熱量的城市，即可實現(xiàn)水熱同送（見圖4）。與輸熱的循環(huán)管道、輸水的單根管道相比，1根管道實現(xiàn)3種功能，可顯著節(jié)省輸送管道的初期投資，也大幅降低驅(qū)動輸熱、輸水水泵的運行電耗。內(nèi)陸地區(qū)也有很多既要送水又要送熱的場景，同樣可采用水熱同送來降低綜合成本。
抽取核電低壓蒸汽作為海水淡化的動力，通過多級閃蒸方式制備95 ℃的熱淡水。輸入蒸汽熱量的10%~15%隨海水淡化后得到的濃海水排出，85%~90%的熱量進入熱淡水。當取出的原海水溫度為20 ℃、輸出的熱淡水溫度為95 ℃時，提供1 t蒸汽只需要制備熱淡水6.8~7.2 t，遠低于常規(guī)熱法海水淡化的制水比（12~16）。熱法海水淡化裝置相對簡單，允許有較大的換熱溫差，可降低海水淡化裝備的投資。在非采暖季，熱淡水送至用熱用水末端，與跨季節(jié)儲熱設(shè)施的循環(huán)水換熱，得到常溫淡水用于生活給水；換熱釋放出的熱量進入跨季節(jié)儲熱設(shè)施。在采暖季，熱淡水直接與城市熱網(wǎng)循環(huán)水換熱，冷卻至常溫后進入生活用水；進入寒冷期，增大熱網(wǎng)循環(huán)水流量，部分循環(huán)水與跨季節(jié)儲熱設(shè)施的循環(huán)水換熱，為供暖提供更多的熱量。
與水熱分產(chǎn)、水熱分送相比，水熱同產(chǎn)、水熱同送相當于僅利用蒸汽提供熱量的10%~15%，再通過熱法進行海水淡化，制水比（45~70）遠高于熱法單獨制水；利用單管實現(xiàn)同時輸熱、輸水，可降低輸送成本50%以上。
四、 通過儲熱為電力調(diào)峰的熱電協(xié)同
（一）工業(yè)蒸汽熱泵的熱電協(xié)同
采用余熱、過剩電力制備工業(yè)生產(chǎn)用蒸汽，是電力系統(tǒng)日內(nèi)峰谷調(diào)節(jié)、過剩風光電力消納的有效解決方案。
通過熱泵提取余熱共享系統(tǒng)輸送的低品位熱量，制備工業(yè)生產(chǎn)用蒸汽；優(yōu)化閃蒸出的低壓蒸汽壓力，使熱泵用電功率與蒸汽壓縮機用電功率之比>3。可以設(shè)置高溫水罐儲存熱泵制備出的高溫熱水，使熱泵運行與蒸汽壓縮機的運行解耦。當風光電力大發(fā)時，大功率運行電動熱泵消耗多出的電力，制備的高溫熱水儲存于高溫儲水箱；當風光電力減少、終端仍然需要蒸汽時，直接取高溫儲水箱的熱水，再通過閃蒸和蒸汽壓縮制備蒸汽（見圖5）。
圖4 利用核電余熱的水熱同產(chǎn)、水熱同送技術(shù)原理
制備1 t蒸汽，電動熱泵耗電270 kW·h，水蒸氣壓縮機耗電80 kW·h；電力為蒸汽提供熱量350 kW·h/噸蒸汽，熱網(wǎng)為蒸汽提供熱量350 kW·h/噸蒸汽，即蒸汽制備系統(tǒng)的等效COP=2。如果每天有8 h獲得過剩的電力，而工業(yè)生產(chǎn)需要持續(xù)24 h供給蒸汽，則熱泵的裝機容量要增大至3倍，制備1 t蒸汽對應熱泵裝機容量按照電功率計算為810 kW/噸蒸汽，而水蒸氣壓縮機仍為80 kW/噸蒸汽。在有過剩電力的8 h，系統(tǒng)用電功率為890 kW/噸蒸汽，其他時段的系統(tǒng)用電功率僅為80 kW/噸蒸汽，即峰谷用電功率比為11，體現(xiàn)出顯著的調(diào)峰效果。
對于20 t/h蒸汽的用汽需求，高溫熱水罐儲存可滿足16 h需要的高溫熱水，儲水容積約為2500 m3，投資為650萬元；熱泵的電裝機容量為1.62×104 kW (810 kW×20)，投資為3500萬元；蒸汽壓縮機的電裝機容量為1600 kW，投資為600萬元。再考慮其他方面的投資，系統(tǒng)總投資可控制在5000萬元以內(nèi)，是同樣容量燃氣鍋爐的10倍。由于高比例地使用低谷電力，平均電價為0.35元/(kW·h)（高峰期為1.2元/(kW·h)、低谷期為0.25元/(kW·h)），則1 t蒸汽用電350 kW·h，相應電費為122.5元/噸蒸汽；如果余熱售價20元/GJ，每噸蒸汽用余熱350 kW·h、熱費為25.2元，則制備蒸汽的運行成本為147.7元/噸蒸汽。制備裝置的投資回收期為10年，每年運行6000 h，則設(shè)備折舊成本為41元/噸蒸汽。熱電協(xié)同方式制備的每噸蒸汽綜合成本為188.7元/噸蒸汽，低于當前的燃煤蒸汽的200元/噸蒸汽、燃氣蒸汽的300元/噸蒸汽。如果不采用儲能方式，需要的持續(xù)電負荷為7 MW；如果采用儲能設(shè)施，等效的儲能量為86.4 MW·h；如果采用儲能電池，需要投資4320萬元，接近蒸汽制備設(shè)施。然而，蒸汽制備用儲熱替代儲電的方式，既可提供儲電能力，又能解決工業(yè)用蒸汽需求，起到雙重功效。
我國未來工業(yè)生產(chǎn)需要0.1~1 MPa飽和壓力的蒸汽約為7.6×109 GJ，折算為3×109 t蒸汽。如果這些蒸汽都采用熱電協(xié)同方式制備，在全年2000 h的用電低谷期利用電動熱泵制備高溫熱水，用電功率為4×108 kW；而在另外的6000 h中利用高溫水制備蒸汽需用壓縮機的電功率僅為4×107 kW。
（二）調(diào)峰熱電廠的熱電協(xié)同
未來火電不再提供電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)負荷，而主要服務(wù)于調(diào)峰，因而燃煤電廠提高運行靈活性成為面臨的新問題。通過儲熱替代儲電，可使調(diào)峰熱電廠根據(jù)電力供需關(guān)系來大范圍調(diào)節(jié)輸出電力且不損失能量品位，從而實現(xiàn)高效的熱電協(xié)同。
北方地區(qū)目前普遍應用的方式是：在冬季負荷高峰期全功率發(fā)電，而在負荷低谷期最大能力地抽汽供熱，通過電鍋爐方式將部分電力轉(zhuǎn)為熱量，進一步減少輸出的電力；抽汽獲得的熱量、電鍋爐制備的熱量在滿足當時的供熱需求外儲存在儲熱水罐，作為電力負荷高峰期的供熱熱源。這一方式使高品位電力轉(zhuǎn)為低品位熱量，造成能量品位的損失，冷凝器排出的冷端余熱也不能有效回收利用，系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電效率都不高。
本研究提出燃煤調(diào)峰電廠的熱電協(xié)同思路：應用熱泵機組，使燃煤電廠在大范圍調(diào)節(jié)輸出電力的前提下，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換效率接近100%、發(fā)電效率為電廠全額發(fā)電時90%的調(diào)節(jié)效果（見圖6）。① 在電力負荷高峰期、需要全額發(fā)電時，汽輪機低壓缸不抽汽，機組滿負荷發(fā)電；低溫儲熱水箱送來10 ℃的循環(huán)水，經(jīng)冷凝器加熱至30 ℃再返回低溫儲熱水箱；發(fā)電余熱均儲存到低溫儲熱水箱。② 在電力負荷低谷期，汽輪機低壓缸最大程度地抽汽，同時調(diào)整鍋爐出力使主蒸汽流量最小。抽出的低壓蒸汽進入熱泵機組，與電動熱泵共同工作，將儲存在低溫儲熱水箱的30 ℃的水冷卻到10 ℃再返回低溫水箱；利用得到的熱量將高溫儲熱水箱中40 ℃的水加熱到120 ℃再返回高溫儲熱水箱。③ 高溫儲熱水箱承擔供熱任務(wù)，在電力負荷高峰期完全依靠儲熱水箱中的熱水供熱；電力負荷低谷期，蒸汽與電力聯(lián)合驅(qū)動的熱泵機組在滿足當時的供熱量需求后向高溫儲熱箱中儲熱（以在電力負荷高峰期滿足供熱要求）。
圖5 利用余熱和負荷低谷期電力為工業(yè)生產(chǎn)制備蒸汽的原理
圖6 燃煤電廠熱電協(xié)同原理圖
采用這種方式，電力負荷低谷期、高峰期均不通過冷卻系統(tǒng)向外排熱，主蒸汽提供的熱量全部轉(zhuǎn)為電力和熱力，因而能源轉(zhuǎn)換效率接近100%。電力負荷高峰期，機組以額定功率發(fā)電；電力負荷低谷期，機組對外的電力輸出功率P為：
式（2）中，P0為發(fā)電機組的額定發(fā)電功率，k為負荷低谷期主蒸汽的相對流量，Q為供熱功率，m為電力負荷低谷期在1天中的占比。
蒸汽與電力聯(lián)合驅(qū)動的熱泵，用電量為電動熱泵用電量、由于抽汽減少的發(fā)電量之和，電力低谷時的輸出功率取決于m。優(yōu)化熱泵機組結(jié)構(gòu)，可使COP為5~6。k由鍋爐的可調(diào)節(jié)性決定。當P<0時，相當于需要從電網(wǎng)返送過剩的電力驅(qū)動熱泵回收余熱供熱。當k最小且P>0時，對應著低谷期最小的電力輸出功率。如果低谷期輸出電力的價值低于輸出等效量熱量的價值，則降低COP以實現(xiàn)零功率電力輸出；否則將維持較小的電力輸出，對應的發(fā)電效率處于最高值。
對于沒有供熱需求的非采暖期，這種熱電協(xié)同方式不成立。然而，如果有跨季節(jié)儲熱設(shè)施，則可取消高溫儲熱水箱，換用大規(guī)?？缂竟?jié)儲熱設(shè)施接收電力低谷期制備的高溫熱水。據(jù)此，燃煤電廠全年任何時間都可以根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)峰的需要運行，回收全部冷端排熱量，隨時為建筑和工業(yè)生產(chǎn)提供所需求的熱量。
（三）跨季節(jié)儲冷／儲熱應對電力供需的季節(jié)差
新型電力系統(tǒng)面對的重要問題之一是供需之間存在季節(jié)性不平衡。當風光電力作為電力系統(tǒng)的主要電源后，我國大部分區(qū)域?qū)⒈憩F(xiàn)為冬、夏季電力不足，春、秋季電力過剩。然而，多數(shù)建筑冬季需要供熱、夏季需要供冷，春、秋季電力過剩時既不需要供熱也不需要供冷。通過跨季節(jié)儲熱設(shè)施，可在春季利用富足的電力制冷，供夏季空調(diào)使用；可在秋季利用富足的電力制熱，供冬季采暖使用；減少冬、夏季的供冷和供熱相關(guān)的電力負荷，消納春、秋季過剩的電力（見圖7）。由此，通過跨季節(jié)儲熱、熱電協(xié)同，將實現(xiàn)電力的跨季節(jié)轉(zhuǎn)移。
圖7 跨季節(jié)儲熱／儲冷原理
跨季節(jié)儲熱／儲冷原理討論如下。進入冬季，利用蓄熱水箱預先儲存的90 ℃熱水為建筑供熱，釋放出熱量后成為30 ℃溫水并儲存；采暖結(jié)束后，利用春季的過剩電力將儲冷水箱中15 ℃的冷水制成冰漿，用制冰提取出的熱量加熱蓄熱水箱中的溫水。春季結(jié)束時，儲冷水箱中為含冰量30%~50%的冰漿，儲熱水箱的水溫升至65 ℃。進入夏季，利用儲冷水箱中的冰漿為建筑供冷，釋出冷量后成為25 ℃的溫水。進入秋季，再利用富余的電力通過熱泵將冷水箱中25 ℃的溫水冷卻到10 ℃，提取出的熱量將熱水箱中的熱水由65 ℃升溫至90 ℃。由此實現(xiàn)利用春、秋季的富余電力，將夏季建筑物排出的熱量用于冬季采暖，既可減少冬、夏季采暖空調(diào)的用電量，也能解決冬季建筑采暖缺少熱源的問題。通過這一方式全年獲取的冷／熱量之和與用電總量之比可達5，即使考慮儲熱、儲冷損失，綜合COP>4，優(yōu)于單獨的熱泵制熱、制冷表現(xiàn)。
更重要的是，跨季節(jié)儲熱／儲冷的用電主要發(fā)生在電力富余的春、秋季，顯著降低冬、夏季的用電量；熱電協(xié)同可實現(xiàn)春、秋季過剩的電力向嚴重缺電的冬、夏季轉(zhuǎn)移，一定程度上緩解電力系統(tǒng)在不同季節(jié)之間的供需矛盾?；谙嚓P(guān)原理的系統(tǒng)已在濟南市的能源站使用。
全年內(nèi)，系統(tǒng)冬季供熱量等于夏季冷負荷總量，用于春季和秋季熱泵制冰、制熱消耗的電力之和，華北地區(qū)公共建筑的冷熱負荷特點大致符合這一關(guān)系。在長江流域，夏季用冷量更大、冬季用熱量偏小，需要設(shè)置冷卻塔以在春季排出部分制冰產(chǎn)生的熱量。在冬季用熱量更大的東北地區(qū)，需要在秋季從外界補充來自空氣、水體、土壤或者人類活動排放的低品位余熱（在非采暖季的秋季容易獲得）。
對于跨季節(jié)儲熱／儲冷設(shè)施，春、秋季利用熱泵制熱、制冰，目的是利用當時的過剩電力，制取的熱水、冰漿只是儲存，并不為了滿足當時應用。熱泵無需連續(xù)運行，可以根據(jù)電力系統(tǒng)的供需狀況選擇在電力負荷低谷期運行，同步實現(xiàn)春、秋季的電力日內(nèi)和短期兩類峰谷調(diào)節(jié)。盡管需要增加熱泵的裝機容量與配電功率，但其他儲能設(shè)施同樣不可避免。
五、新型零碳熱力系統(tǒng)的經(jīng)濟社會效益
新型零碳熱力系統(tǒng)通過分散式熱泵提取自然界的低品位余熱，可解決建筑運行5×109 GJ的熱量需求，消耗電力5.4×1011 kW·h；應用余熱共享系統(tǒng)，可解決7.6×109 GJ的工業(yè)用中低壓蒸汽需求、5.4×109 GJ的北方城市冬季供暖用熱需求，消耗電力1.46×1012 kW·h。如果完全利用燃煤鍋爐制備這些熱量，每年需要消耗7.2×108 tce（1 GJ熱量對應消耗40 kgce）、排放1.87×109 tCO2；與完全利用電熱法相比，用電量由5×1012 kW·h減少到2×1012kW·h。通過熱電協(xié)同的運行方式，各類熱泵消耗的電力多是電力負荷低谷期、春季和秋季電力過剩的電力。當電力系統(tǒng)高比例采用風光電力后，可以認為這些熱力系統(tǒng)的可靈活調(diào)節(jié)用電量來自風光電力，僅有循環(huán)水泵、蒸汽壓縮機的部分用電不能根據(jù)電力系統(tǒng)峰谷變化進行調(diào)節(jié)（在總用電量中的占比不足20%）。如果電力系統(tǒng)全年的平均度電碳排放責任因子<0.4 kgCO2/(kW·h)，則新型熱力系統(tǒng)的碳排放總量<1.6×108 tCO2，僅為全部采用燃煤制備這些熱量產(chǎn)生碳排放量的8%。
建設(shè)新型零碳熱力系統(tǒng)，主要涉及利用自然環(huán)境作為低溫熱源的分散式熱泵系統(tǒng)、回收人類活動排放的低品位熱量的余熱共享系統(tǒng)。① 分散式熱泵按照制熱量計算的裝機總量約為1×109 kW，熱泵投資強度為1~1.5元/W，總投資為1萬億~1.5萬億元，主要依靠建設(shè)方、使用方的分散投資完成，將實現(xiàn)5×109 GJ熱量的低碳供給。這些熱泵主要用于替代分散式燃氣壁掛進行供熱，制備1 GJ熱量由消耗28 m3的天然氣改為消耗100 kW·h的電力；如果天然氣價格為3元/m3、電價為0.54元/(kW·h)，則靜態(tài)回收期在10年以內(nèi)。② 回收人類活動排放余熱的余熱共享系統(tǒng)是重要的能源基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括：約2.5×109 GJ的跨季節(jié)儲熱設(shè)施，需要1萬億元投資、5×105畝土地；集中供熱管網(wǎng)方面的改造和擴建（尤其是新建沿海核能余熱輸送管網(wǎng)），需要投資約3000億元；各種余熱熱源的回收改造（尤其是核電余熱、各類火廠余熱、流程工業(yè)的余熱），需要投資約5000億元；利用低負荷期電力、余熱共享系統(tǒng)提供余熱制備工業(yè)生產(chǎn)用蒸汽，供汽能力為5×105 t/h，需要投資約1.5萬億元；建筑供暖利用方面的吸收式電動熱泵降低回水溫度改造，需要投資約2000億元（設(shè)備和改造費用約為13元/m2）。
新型零碳熱力系統(tǒng)共需投資3.5萬億~4萬億元，如果15年完成建設(shè)，每年投資約2500億元。工程全部建成后，每年可提供工業(yè)用蒸汽3×109 t、建筑采暖用熱5.4×109 GJ，按照當前市場價格計算的收入為0.966萬億元。制備這些熱量需消耗低谷電力1.46×1012 kW·h，按照低谷電價0.35元/(kW·h)計算的運行電費為5000億元，疊加購買余熱的成本為800億元、運行維護費為1500億元、設(shè)備折舊費為2300億元，總運行成本為0.96萬億元，與收入基本持平。
在此基礎(chǔ)上，新型零碳熱力系統(tǒng)還可獲得多方面收益。① 具有靈活的用電調(diào)節(jié)能力，可認為所用電力是零碳電力?；厥盏挠酂釋儆趶U熱，沒有為了提供余熱而增加碳排放，可視為零碳供熱。與完全采用燃煤鍋爐提供熱量相比，每年減少排放1.7×109 tCO2。② 依靠儲熱提供北方城市建筑冬季的供熱熱源，提高工業(yè)生產(chǎn)用蒸汽供應的可靠性。③ 為核電、調(diào)峰火電、流程工業(yè)、數(shù)據(jù)中心等余熱產(chǎn)生源提供可靠的冷卻方式，相應生產(chǎn)過程在全年內(nèi)都可以獲得可靠的冷源。④ 制造業(yè)生產(chǎn)用能需要零碳轉(zhuǎn)型，余熱共享系統(tǒng)依靠原本排放的余熱、低谷電力制備生產(chǎn)用蒸汽，提供穩(wěn)定的零碳蒸汽制備能力，為零碳工業(yè)園區(qū)建設(shè)提供關(guān)鍵支撐。
余熱共享設(shè)施建設(shè)需要投資3.5萬億~4萬億元，約50%用于土木工程，如大規(guī)模跨季節(jié)儲熱水庫建設(shè)、余熱共享系統(tǒng)管網(wǎng)建設(shè)、余熱回收和蒸汽制備系統(tǒng)安裝。相關(guān)需求可顯著帶動我國土建施工能力、建筑材料產(chǎn)能。另外的50%用于以各種新型熱泵為主的熱量變換裝備，我國在此領(lǐng)域擁有全套的知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)水平、制造水平都處于國際領(lǐng)先地位。建設(shè)余熱共享系統(tǒng)可以進一步發(fā)展這一制造業(yè)領(lǐng)域并增強國際市場競爭力。
六、建設(shè)新型零碳熱力系統(tǒng)需要的政策支持
新型熱力系統(tǒng)的建設(shè)分為兩個方面：依靠分散的使用者建設(shè)和改造的分散式熱泵系統(tǒng)，依靠國家統(tǒng)一規(guī)劃推進建設(shè)的余熱共享系統(tǒng)。
對于分散式熱泵系統(tǒng)，需要電價政策和改造工程的補貼機制。例如，實施“家電下鄉(xiāng)”政策，支持農(nóng)民采用分散式熱泵采暖，對購買高能效熱泵熱水器提供部分補貼，鼓勵居民更換原來的燃氣熱水器等。拉大電價峰谷差，促進熱泵在電力負荷低谷期運行，實現(xiàn)分散式熱泵制備熱量的零碳化。
余熱共享系統(tǒng)的建設(shè)需要從國家層面進行統(tǒng)一規(guī)劃，因其涉及余熱資源合理利用、供需匹配、輸熱管線布局、儲熱設(shè)施優(yōu)化等復雜環(huán)節(jié)，局部最優(yōu)方案未必全局最優(yōu)。需要在全面調(diào)查余熱資源與熱需求的基礎(chǔ)上，制定科學統(tǒng)一的頂層規(guī)劃并確保嚴格執(zhí)行；將余熱共享系統(tǒng)納入重大能源基礎(chǔ)設(shè)施；管網(wǎng)系統(tǒng)、跨季節(jié)儲熱設(shè)施是余熱共享系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺和服務(wù)設(shè)施，應依據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的方式開展建設(shè)，并參照電網(wǎng)模式管理運營。進一步，建立熱量按溫度品位的核算方法和定價機制，激勵企業(yè)投資余熱回收改造和熱量轉(zhuǎn)換設(shè)施，通過市場化運營獲得收益。隨著余熱共享基礎(chǔ)設(shè)施和交易平臺的逐步完善，余熱產(chǎn)出端和應用端可主動投資基礎(chǔ)設(shè)施，開展余熱回收利用，在實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟收益的同時，推動熱源從燃料向余熱轉(zhuǎn)型。
此外，為了促進基于新型熱力系統(tǒng)的熱電協(xié)同，建議推行實時動態(tài)電價并合理拉大不同時刻的電價差，促進用熱終端通過儲熱替代儲電，在為電力系統(tǒng)削峰填谷的同時，可從電力價格差中獲取較大收益，既有助于零碳電力系統(tǒng)建設(shè)，又可實現(xiàn)熱力系統(tǒng)的零碳熱量制備。
七、結(jié)論
建設(shè)新型零碳熱力系統(tǒng)是能源低碳轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)“雙碳”目標的重要支撐，包括為低用熱密度的建筑提供采暖、生活熱水以及部分蒸汽需求的分散式熱泵，回收人類活動排放的各種余熱為北方地區(qū)建筑采暖、工業(yè)生產(chǎn)等提供高密度用熱的余熱共享系統(tǒng)。兩部分將共同實現(xiàn)未來1.8×1010 GJ熱量（不包括工業(yè)高壓蒸氣）供應，不再消耗燃料，而僅消耗2×1012 kW·h電力，且通過靈活調(diào)節(jié)可確保80%的消費電力為零碳電力。
為了加速推動熱力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型，建議將新型熱力系統(tǒng)作為能源體系建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，明確主管部門、發(fā)展目標、轉(zhuǎn)型路徑，盡快發(fā)布規(guī)劃方案和指導意見；加快推進零碳供熱科技攻關(guān)，在熱泵，熱量變換，余熱回收，長距離、低成本輸熱，跨季節(jié)儲熱，熱電協(xié)同等共性關(guān)鍵技術(shù)方面實施重點突破與示范應用；以“余熱共享新基建”為核心，全面優(yōu)化熱力系統(tǒng)建設(shè)管理機制和市場化交易機制，激活多元市場主體主動開展余熱回收的設(shè)施建設(shè)與高效利用；實行實時動態(tài)電價制度并合理拉大電價差，促進熱力系統(tǒng)消耗零碳電力以及通過儲熱實現(xiàn)熱電協(xié)同。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
