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供热行业碳交易探讨（下）
发布时间：
2022-10-14
供热行业碳排放综合情况✦
全世界每年共排放约400亿吨二氧化碳，中国大约占四分之一。而中国目前一次能源消费总量约为50亿吨标准煤，发电（供热）占比45%。
从供热行业看，截至2020年底，我国北方地区建筑供热面积为218亿平方米，其中城镇供热面积148亿平方米，农村供热面积70亿平方米。根据国家统计局数据，2019年，全社会一次能源消耗中，煤炭消费39.2亿吨，天然气消费3150.3亿立方米，一次电力消耗6.05万亿千瓦时，原油消耗9亿吨。经测算，2019年全社会一次能源消耗造成的碳排放量为109亿吨，其中煤炭消耗造成的碳排放占71%，原油消耗造成的碳排放占据23%，天然气消耗造成的碳排放占据6%。
根据清华大学建筑节能研究中心测算，2019年我国建筑运行能源消耗造成的碳排放为21.8亿吨，占全社会一次能耗碳排放的20%。北方城镇供热碳排放为5.5亿吨，占建筑运行碳排放的25.2%。
在城镇集中供热中，2019年，供热产业热源总量中，蒸汽占16.58%、热水占83.42%。热电厂热水供热占53.8%；锅炉房热水供热占36.8%；其他热水供热占9.4%。热电厂蒸汽供热占比88.27%，锅炉房蒸汽供热占比11.17%，其他蒸汽供热占比0.56%。
由于2021年发电行业已经纳入碳排放强制配额交易，因此，从上述数据可以知道，目前大约60%热源为热电联产，这部分已经逐步纳入碳排放交易，而其余的40%包括锅炉房供热及其他供热目前没有进入碳交易市场，这部分的比例非常大。
不同供热方式碳排放强度分析✦
随着技术的发展，供热形式变得多种多样，热源的选择更加丰富。过去的小锅炉等落后方式目前在部分农村区域局部存在，毋庸置疑，这类碳排放强度是非常高的。而目前全国大部分地区基本进入或正在进入清洁供热范畴。
清洁供热，是指因地制宜使用清洁化能源（热源），直接或通过高效输配管网为热用户提供安全、绿色、经济热能的供热方式，其实质是热能的生产、输配及使用的全过程实现节能清洁环保。清洁化能源主要指天然气、电、地热、生物质、太阳能、风能、空气能、工业余热、煤炭清洁利用及核能等能源。热用户涵盖工业、农业及建筑等所有生产、生活场所。
清洁供热定义有广义和狭义之分：
广义的清洁供热是指工业、农业和建筑等所有生产生活场所供应热水和蒸汽的供热方式。主要是指因地制宜使用清洁化能源（热源），直接或通过高效输配管网为热用户提供绿色、经济热能的供热方式。不仅涉及清洁化能源（热源）、高效输配管网（热网）、节能建筑（热用户）等全过程，还包含供热之外的方案设计、融资服务、节能改造、工程施工、精细管理及智慧运营等环节。
狭义的清洁供热主要是建筑清洁供暖，是指高效利用天然气、电、地热、生物质、太阳能、风能、空气能、工业余热、燃煤清洁利用及核能等清洁化能源（热源），直接或通过高效输配管网（热网）为节能建筑（热用户）提供绿色、经济热能的供暖方式。
根据清洁能源的概念可知，供热降低碳排放的途径主要分两类，一是因地制宜采用低排放能源作为热源，二是通过高效输配手段降低能耗，进而降低碳排放。下面从两个方面探讨供热行业碳排放的情况，为未来供热规划提供依据。
从能源角度分析，为减少碳排放强度，各地区根据不同特点选择不同的热源方式。而对各种供热方式碳排放强度进行分析有助于我们在确定供热方案时提供更好的参考依据。以下从燃煤大型集中供热锅炉房、热电联产机组、燃气、热泵、生物质等几个方面进行碳排放对比。所采用数据来自于公开发表资料收集。
由于碳排放的计算涉及到全过程跟踪，例如燃煤的开采、加工、运输、筛选都会产生碳排放，计算过程比较复杂，本次只针对一次能源转换的碳排放进行粗略计算。为方便比对，不针对特定地区，不考虑热指标等数值，单纯计算每输出1GJ热量不同热源的排放情况，估算结果仅供参考。其中1kgce折算二氧化碳排放量定为2.493kg。
1、以煤为主要燃料的供热
（1）小型散烧锅炉
小型散烧锅炉效率低下，一般效率40%-50%左右（杨天麟、朱能《北方地区部分小城镇建筑能耗状况调查与分析》，农村小锅炉0.4，新型0.5），按45%效率计算，每提供1GJ热量标煤消耗量约75.9kg，产生二氧化碳排放约188.9kg。另外，由于小型管网输配效率、节能措施不佳，相同温度条件下相比煤炭清洁利用排放量更高一些。
（2）大中型集中供热锅炉房
采用了煤炭清洁利用的大型集中供热锅炉效率最高可以到85%。按照普通锅炉80%进行计算，每提供1GJ热量产生二氧化碳排放约为106kg。
（3）热电联产
热电联产供热一次能源转化率约为80%左右。其中电可以通过电锅炉、热泵等形式进行热转化。暂按电转为热的热效率95%进行折算，在实际中电不可能全部转化为热，透平转换损失较大，与大型集中供热锅炉效率相比略高， 每提供1GJ热量产生二氧化碳排放约为111kg。2020年碳配额政策中，常规燃煤机组碳排放基准值为126kg/GJ，高效的燃煤机组是可以满足配额要求的。
2、以燃气为主要燃料的供热
燃气供热分为集中供热和燃气壁挂炉供热。燃气锅炉一般热效率可以达到90%以上，家用燃气壁挂炉效率更高一些。天然气的典型热值为8500kcal/Nm3，约产生1.89kg的CO2，按锅炉效率90%计算，1GJ的热量产生的二氧化碳排放量约为59kg。
3、以电作为主要能源的供热
电属于二次能源，目前我国的电力结构在不断优化中，新能源发电的占比越来越大。电供热的形式目前主要有电直接供热（电锅炉、电暖器等）、热泵供热。电供热要区分电力来源，这样可以更准确的评估整个过程中的碳排放强度。
我国的发电目前主要是煤炭发电，根据国家能源局发布2021年全国电力工业统计数据，2021年全国发电装机容量约23.8亿千瓦。比例如下：
除火电外，其他发电方式为清洁电力，碳排放量暂时记为0（由于材料生产过程会产生碳排放，但占比较低，为方便比较不做计算。以太阳能发电为例，目前1wp组件消耗火电发电量约为1.52kwh，生命周期25年，生命期内发电量按1500光照小时计算，可发电1.5kwh/年，占比极少）。而火力发电平均机组效率约33%，目前世界最先进的火力发电机组效率约为46%左右。因此火电的发电过程碳排放强度较大。在碳交易盘查中，普通用电采用电网给出的电力平均排放因子作为计算依据，这个数据会根据不同年度电力构成进行调整。在核算2021及2022年度碳排放量时，全国电网排放因子由0.6101tCO2/MWh调整为最新的0.5810tCO2/MWh。（注：此处进行碳排放量计算采用平均电网排放因子，实际不同地区需要根据六个电网地区排放因子计算。如果新增发电项目计算减排量要用到电力系统的边际排放因子（OM）和新增容量排放因子（BM）两个因子计算）。
（1）电锅炉、电暖气等直接用电设备
电锅炉、电暖器的电-热转化率基本在95%以上。如果使用清洁电力进行供热（光伏、风电、核电等），基本不产生碳排放。如果采用火电机组，效率按40%计算，1GJ热量产生的二氧化碳排放量约为212.5kg。按综合电网因子计算，1GJ热量约消耗278kwh电量，二氧化碳排放量为161kg。如果采用清洁供电，二氧化碳排放计为零。
（2）热泵供热
热泵种类比较多，包括空气源、地源、水源热泵等。此处我们暂时按照空气源热泵平均cop2.5进行计算，1GJ热量约在火电、综合电网情况下分别二氧化碳排放量为106kg、64.4kg。
4、生物质供热
生物质能的植物碳源没有增加大气碳总量，是国际国内方法学体系中公认的零碳能源，其碳排放环境影响比天然气等化石能源具有明显优势。其中，生物质燃气将是减污降碳的重要措施之一。
5、能源排放情况总结：
根据以上分析，采用清洁电力供热无疑是最优的解决方案，但是受限于供热条件、成本等多种因素目前发展不是很快。但随着我国电力结构不断优化，供热行业发展也会逐步从大型集中供热系统向小型分布式多能源互补形式发展，从而降低对煤炭的依赖，后续会加以详细解读。碳排放最高的是采用火力发电的电锅炉、电暖器直接供电方式，当然，这是由于发电侧所导致的。燃气供热在传统能源里排放比较低，在有条件的地区是非常好的选择。天时能源正在不断推进小型分布式多能互补的供热供冷系统，并开发相应的能源管理平台，以应对双碳形式下的能源结构变化带来的影响。
供热的能源消耗和碳排放是一个综合系统，能源的转化率并不意味着到达最终用户的供热效果，还包括输配系统、调控系统、保温系统等多方面因素。以北方集中供热为例，根据统计平均热耗约为0.355GJ/m2，平均电耗为2.0kwh/m2（含热源电耗）。根据天时能源多年对供热客户的数据统计，同一地区能耗差异达到20%以上。在能耗损失中，主要包括输配损失、热网平衡损失、失水损失及电耗损失。
输配系统清洁供热的定义✦
清洁供热定义为高效输配系统，是指管网具有高能效的水力平衡运行工况及保温性能。智能热力站具有高能效的换热性能和节性能，可根据室外温度变化调节二次侧供水温度，保证终端用户室内温度适宜；同时节约能源，实现换热站在无人值守的情况下中控室可以远程调度热力站的参数，保证整个热网的热力平衡，供热系统可以安全可靠地运行。
根据上述定义，供热高效输配系统主要集中在失水率、管道散热损失、水力失调、保温性能几个方面。除此外还有电耗损失。综合论述，供热系统节能其实可以概括为为三个方面：节热、节水、节电。下面分别进行分析。
节热✦
热耗的损失主要包括几个方面：一是管道散热损失。管道的保温性能直接决定了管道散热损失情况。二是热力不平衡带来的损失。热力不平衡表现在末端用户上就是冷热不均，常见现象是前端过热，导致开窗散热等现象，这个在北方严寒地区比较常见。这部分散走的热量属于完全浪费，热力公司为了保证末端用户的供热需求不得不供应更多的热。三是失水产生的热损失。所流失的是加热后的热水，而补水是常温水，这部分升温耗费了大量的热量。四是建筑物保温不好带来的热损失，这个在老旧建筑上及其明显。
北京某小区热损失进行实测结果如下：
供热规模越大，输配系统的管网热损失也越大。这个统计不包含因水力失调损失热量。
根据天时能源多年智慧热网建设的统计数值，在大型间供网系统中，一网水力平衡节能量达到5%-10%，二网水力平衡达到10%-15%。例如天时能源与华为联手打造的哈尔滨太平热力人工智能智慧供热项目中，一网水力平衡节能率为6.9%，通辽热力一网平衡节能率也超过6%。
水力平衡是供热行业一直追求的课题，也是众多专业供热科技公司核心研究方向。水力平衡调节不仅会带来直接热耗的降低，同时也会降低因为冷热不均导致的失水带来的加热损失。某个极寒地区200万平米的直供网失水率300t/h，带来的热损失是非常大的。因此水力平衡的调节是节热的核心。目前国内大型供热公司已经基本布置智慧供热产品，极大的改善了供热能耗。
除了保温及水力平衡，建筑围护结构的性能有更大的影响，农村地区平房与楼房热指标要相差一倍以上。近些年随着三步节能的推进，智慧供热的发展、供热的能耗逐年降低。2019年，北方供暖单位面积能耗为14.1千克标准煤/平方米，与2001年相比，单位面积供暖能耗降低38.3%（如图）。
综上所述，供热节能是综合性工作，如果按照综合节能20%计算，每消耗吉焦热量可以降低二氧化碳排放25kg（按燃煤机组供热基准值计算），我国北方地区131亿平米集中供热面积，平均能耗0.355GJ/平米，数量极其可观。
节电✦
供热系统的耗电占整个供热能耗的5%左右，总成本的10%左右。主要的电耗来自于热网循环泵。不同结构的热网电耗差异很大，下图为2020年供热发展报告中的热力站电耗数据，可以看出，电耗差异非常大，最差的达到11.39kwh/GJ，平均值在3.43kwh/GJ。这个数据是供热协会统计的大型供热企业数据，这还仅仅是热力站的电耗数据。
降低热网输配电耗的核心是降低热网流量，尽量采用小流量、大温差的模式供热。目前热网主要的结构形式包括直供网和间供网。传统直供网电耗最高，主要因为直供网主要介质是低温水，热源提供的温差有限；其二供热系统热网设计按最不利环路选取扬程，导致系统大部分超压，需要减压运行保持水力分配均衡。
三是循环水泵的设计需要兼顾热源流量和用户流量，由于水力平衡不好解决，为兼顾末端效果，系统流量超设计运行，导致温差更小。某北方极寒地区200万平方米直供网系统流量达到7000t-8000t/h，电耗是正常水平的3倍以上。间供网要好一些，一般间供网采用高温水，一网采用大温差小流量的模式，比较优秀的可以做到5-6t/万平米。二网水平差异比较大，这个和换热站的供热面积、供热半径有直接关系。如果换热站单站面积在5万平米以下，基本不会有太大的水力失调现象发生，相对耗电比较低。如果面积超过10万平米，有的甚至达到30万平米以上，就会出现流量过大、电耗过高的现象，这种大面积换热站和直供网一样的，会出现上面说的三个问题。
对于直供网及面积比较大的二级网，比较有效的降低电耗的手段是采用分布式变频水泵的布置方式，也可以叫分级布置。分布式站供热面积控制在一定规模，可以大幅降低因为系统前端超压带来的额外能耗损失。国内专家经测算得出数据是平均节电33.8%。国外应用较早，从上世纪50年代开始采用分级系统。关于分布式变频分级布置可以在越来越多的场景下进行应用，未来会有专题进行分析。
需要注意的是，目前很多直供网采用的混水系统是和分布式变频有实质区别的。混水设计中既有主循环泵还有混水泵（或一二级泵），使水泵变成串联形式，从而增加了输配系统的能耗。但是混水系统在良好的调控下能够使水力平衡变得更好，提高系统温差，从而减少输配能耗，因此这部分还需要具体项目具体分析。
二网平衡中目前普遍采用的是单元阀或户阀的方式，从水力平衡的角度是非常有效的调节方式，但是对于节约循环系统耗电作用有限。阀门是传统调节中减压部件，过多的阀门使系统阻力增大从而增大了循环水泵的电耗。
除了循环系统的电耗，还有热源部分的电耗，包括风机、脱硫脱硝、除尘设备等等。对于一般供热企业综合耗电成本的节约20%是比较现实的。根据北京市供暖系统能耗指标体系（DB11/T 1150-2019）设定的供热单位面积耗电量（kwh/m2，含热源电耗）如下：
按供热平均能耗0.355GJ/m2计算，根据北京市供暖能耗指标准入值，耗电量约为6kwh/GJ，而实际上在北方地区多数供热系统综合电耗远超这个数值。从减碳量的角度计算，节约20%的电耗相当于减碳1.2kg/GJ。
节水✦
供热系统水损失主要有两个方面，一是管网损漏，二是因水力平衡问题所导致末端用户放水损失，北方寒冷地区比较常见。管网损漏是可以通过良好的管理尽量降低的，例如通过完善的管道寿命预测、良好的测漏手段、系统尽量避免超压等方式降低漏损率。用户放水最终归类于水力平衡调节问题，这部分在前面已有描述。除了带来水的经济损失外，主要损耗在对冷水加温带来的热量损失。北京市供暖能耗指标准入值循环水量为15L/m2，按补水温差20℃计算，补水损失热量为1.255MJ，每提供1GJ热量损失率为0.35%。
总结✦
供热系统碳排放热源的选择是主要因素，甚至可以采用几乎零排放热源。但供热运行系统全面节能可以带来20%-30%的节能量，以大型高效燃煤集中供热为例，热源理论二氧化碳排放量为106KG/GJ，保温、输配系统的节能可以达到25KG/GJ左右的二氧化碳减排，数值非常可观。这其中最大的是水力平衡调整带来的经济收益和减碳量。节热、节电、节水本质是一体化的，在水力平衡的前提下，避免了热能的浪费，可以做到更大的温差、更小的流量，从而减少了电耗；用户也减少了放水的情况。
未来随着清洁电力占比逐渐提高，供热运行系统的节碳能力比重逐渐增大。企业可以根据自己的热源情况、输配能耗进行粗略估算碳排放情况。目前热电联产基本已经纳入碳交易配额，北京市规模以上供热企业全部履行配额交易，外地供热企业暂未纳入，但应该不会太久。重要的是，碳配额不是固定值，是随着工艺技术等发展不断降低的，需要引起足够的重视。
*所采用数据大部分来源于公共资源
*统计数据部分来源于2021年清洁能源产业报告
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