全球供热现状及对我国的启示
发布者:dxh | 来源:能源研究 | 0评论 | 1898查看 | 2019-02-13 18:02:15    

供热是最大的能源消费领域,全球终端能源消费中供热占到50%左右。从全球能源消费情况来看,使用清洁能源正在成为重要的发展趋势,可再生能源供热占全球供热的近10%。


目前,我国政府正在积极推进北方地区冬季清洁取暖工程。而丹麦、德国、俄罗斯冬季漫长寒冷、供暖需求巨大,其供热事业发展较早,拥有完善的供热体系和丰富的供热经验。了解上述三国供热事业发展情况,学习他们发展供热的经验,并与我国现阶段供暖实际相结合,对我国的供暖发展具有启示和借鉴意义。


一、全球供热市场基本情况


(一)


供热市场总体情况


供热是全球最大的能源终端消费领域。向住宅、工业部门以及其他用途的供热约占全球总能耗的50%。供热消费中,工业部门(如生产用热、干燥、工业热水等用途)占比略高于50%,建筑物房屋(空间采暖、热水供应、烹饪等用途)占比约46%,其余是农业部门供热消费(见图1)。


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图1 全球供热主要消费部门


国际能源署发布的数据显示,自2010年以来,全球供热领域的能源消耗基本保持稳定。供热能源强度每年下降约2.6%,与建筑面积的增长速度大致相同。加拿大、中国、欧盟、俄罗斯和美国等主要供热市场的能源强度都有所改善。化石燃料仍是大部分建筑物空间采暖和热水供应的主要能量来源。这一时期,全球与建筑物供热相关的碳排放量总体基本保持不变。


2010~2017年间,全球热泵和可再生能源供热设备的销量以每年5%左右的速度持续增长,到2017年,已占到当年供热设备总销量的10%,但还无法企及化石燃料供热设备的销售规模。碳密集型和低效率的加热技术仍是全球供热市场的主流。化石燃料供热设备占供热设备总销量的50%左右,效率较低的传统电供热设备销量约占25%(见图2)。


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图2 全球供热市场技术分布


在中国、欧洲和俄罗斯的很多地区,区域供热系统在满足建筑物供暖需求(特别是空间采暖)方面继续发挥重要作用。区域供热在能源价值链中的灵活性更强,拥有更多的低碳发展空间,可为建筑物供热低碳化积极贡献力量。此外,最近几年效率高于90%的冷凝式燃气锅炉逐渐取代效率低于80%的燃煤、燃油锅炉和传统燃气锅炉。但这并不足以实现国际能源署可持续发展情景(SDS)目标(即将全球平均温升控制在2℃以内的气候目标)。为达成SDS目标,到2030年,全球热泵、太阳能供热和现代的区域供热所占比例应达到新增供热规模的三分之一以上。


迄今为止,已有3个国家在配合《巴黎协定》提交的国家自主贡献文件中明确提到在其民用建筑或商业建筑中使用热泵用于水的加热。加勒比海地区、中东地区和撒哈拉以南非洲地区的22个国家提到将太阳能作为其可持续能源行动的一部分,用于建筑物的供热和制冷。


(二)


可再生能源供热情况


根据国际能源署的数据,近年来,全球可再生能源供热保持着约2.6%的年均增长率,2010~2017年间从393Mtoe(百万吨油当量)增至472Mtoe(百万吨油当量),涨幅接近20%。2017年,可再生能源供热占全球供热的9%。


从热源类型看,尽管近年来太阳能供热、地热能供热及可再生能源电力供热得到了大力的推广,但目前全球大部分可再生能源供热还是来自于生物质能源(见图3)。


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图3 各种热源的可再生能源供热


从消费部门看,建筑物房屋和农业部门的可再生能源供热增速(27%)是工业部门可再生能源供热增速(13%)的两倍有余。工业部门可再生能源供热绝大部分是生物质能供热。对于建筑物房屋和农业部门,生物质能供热约占可再生能源供热的一半,可再生能源电力供热也占据相当大的比重。


从消费地区看,欧盟是全球可再生能源供热的最大消费地区,其次是美国和中国。作为全球主要的可再生能源供热消费国家/地区,巴西、中国、欧盟、印度和美国的可再生能源供热消费量加起来,约占全球总量的三分之二(见图4)。


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图4 各国/地区的可再生能源供热


国际能源署预计,2018~2023年间全球可再生能源供热将增长20%,其中,供热增长的三分之二来自中国、欧盟、印度和美国,生物质能供热对供热增长的贡献最大。按照上述增幅计算,到2023年,全球供热来源中可再生能源占比将增至12%。目标和政策是可再生能源供热增长的重要驱动力,各国政府尚需采取更加积极的措施和行动来部署可再生能源供热。


(三)


供热技术发展情况


1.生物质能供热


在各种可再生能源供热中,生物质能供热的增长速度略低(9%),但生物质能供热的效率提升空间很大。此外,生物质能源的传统应用,比方说明火烹饪,可以被现代的可再生能源供热方式取代,如沼气池和各种炊具。


国际能源署发布的数据显示,2017年,全球可再生能源直接供热中约70%来自于生物质能源(不包括传统方式应用的生物质能源)。工业部门的生物质能供热比例高于建筑物房屋的生物质能供热比例。目前,生物质能源可满足全球约8%的工业供热需求,这主要集中在制造生物质废料和残渣的工业部门。


预计到2023年,工业部门的生物质能源消耗将增长13%。尤其在水泥制造部门以及糖和乙醇制造部门,生物质能源还有很大的开发潜力。对建筑物而言,到2023年,生物质能供热预计将增长8%,低于过去6年期间16%的增长速度。欧盟民用建筑的生物质能供热消费在全球的占比最高(54%),其中以法国、德国和意大利的消费最多。意大利引领欧洲颗粒炉市场。美国仍然是建筑物房屋消费生物质能供热最多的国家。


在欧洲,生物质能主要用于供热、交通和电力,其中,供热占总使用比例的75%。生物质能在欧洲的供热主要用于三个领域:一是用于分散式民用供热,德国、意大利、法国、奥地利应用较多。二是用于集中式区域供热,代表国家有丹麦、瑞典、立陶宛、芬兰。三是用于工业供热,典型的国家有比利时、芬兰、爱尔兰、葡萄牙、瑞典、斯洛文尼亚。在政府的推动之下,丹麦对生物质能的应用度最高。2016年,丹麦生物质能占能源消费总量的28%,预计到2020年,这一比例将提升至38%。


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图5 2012~2023年全球生物质能供热消费(2018年后为预测数据)


2.太阳能供热


太阳能供热是增长最快的可再生能源供热技术,在过去十年中累计装机容量增加了250%,但近年来增速有所放缓(见图6)。全世界太阳能供热装机容量大部分由小型家用太阳能供热装机(用于为单户住宅提供热水)构成,同时,太阳能供热也越来越多地出现在区域供热系统以及一些工业应用中。


国际能源署发布的数据显示,2017年,全球太阳能供热总装机同比增长3.5%,达到472吉瓦(热),比全球太阳能光伏发电总装机高出20%。到2023年,全球建筑物房屋的太阳能供热消费预计将增加40%以上,达到46Mtoe(百万吨油当量)。


虽然独立的太阳能热水器装置在全球市场占主导地位,但在以丹麦为首的若干国家,大型太阳能供热系统与区域供热系统或大型建筑物相连接的案例获得推广。截至2017年底,全球大约有300个装机大于350千瓦(热)的大型太阳能供热系统处于运行状态,总容量为1140兆瓦(热)。这种大规模的太阳能供热系统在经济性上通常优于小型系统。


太阳能供热的工业应用潜力巨大,特别是在食品饮料、纺织、农业和化学品等低温供热需求增长的工业部门。2017年是工业部门太阳能供热应用创纪录的一年,17个国家的124个项目共增加了超过130兆瓦(热)的太阳能供热装机(涨幅46%),其中最大的是阿曼Miraah项目1期100兆瓦(热)太阳能供热工程,该项目主要用于提高石油采收率。


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图6 全球太阳能供热装机情况


3.地热能供热


目前全球只有少数国家将地热能直接用于供热。国际能源署数据显示,2017年,仅中国和土耳其就占全球地热能供热消费的80%。2012~2017年间,全球地热能供热消费几乎翻番,这主要得益于中国地热能供热的快速增长。预计2018~2023年间,地热能供热消费增长率将降至24%,但在许多国家和行业仍将发挥重要作用。


地热能供热大部分用于沐浴(45%)和空间采暖(34%),但在一些国家,农业部门(主要用于温室保温)也是地热能供热的重要应用部门。近年来,在强有力的政策支持下,荷兰的能源密集型温室部门扩大了地热利用,该国成为继中国、土耳其和日本之后的第四大(农业部门)地热供热消费国。


在其他地区,新增地热能供热主要应用于区域供热系统。2017年欧盟共有9座地热供热站投运,其中有75兆瓦(热)新增装机位于法国、意大利和荷兰。


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图7 2012~2023年全球地热能供热消费(2018年后为预测数据)


4.电力供热


电力保障了全球约7%的供热需求,其中主要是建筑物的供热需求。工业部门的电力供热正在得到推广,而建筑物房屋的热泵应用已经越来越普及。国际能源署发布的数据显示,2012~2017年间,全球热泵销量增长了一倍以上,从2012年的180万套增至2017年的400多万套,年均增长约30%。其中90%以上的增长来自中国,其余增长大部分来自欧盟、日本和美国。


随着电力消费中可再生能源电力比例增加,以及供热用电比例增加,2010~2017年间,用于供热的可再生能源电力消费增加了约25%。全球建筑部门的供热用电增长尤其显著,涨幅为27%,其中近一半是来自中国的贡献。到2023年,工业部门和建筑物房屋的供热用电预计将分别增长20%和11%。


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图8 2012~2023年全球可再生能源电力供热消费(2018年后为预测数据)


5.热电联产


热电联产是采用不同类型的化石能源和可再生能源,在统一的作业环节实现电力热力联合生产的技术。在能源领域,无论是发达国家,还是发展中国家,能源系统的发展方向都是在减少能源消费总量的前提下有效地满足能源需求,热电联产正是未来能源行业发展的趋势之一。


2016年,全球热电联产总装机达到755.2吉瓦。其中亚太地区装机占比46%(以中国、印度和日本的热电联产装机为主),欧洲地区装机占比39%(尤其是俄罗斯的热电联产装机较大),中东、非洲和其他地区占比15%(主要集中在非洲北部和南部)。欧洲是热电联产的传统市场,亚太地区是热电联产的主要增长市场,其装机占比已接近50%(见图9)。


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图9 全球热电联产的地区分布


欧洲热电联产装机主要集中在德国,热电联产在国内电力结构中占比最大的是斯洛伐克。欧盟热电联产中可再生能源占比已从2010年的15%增至2015年的21%,使用的主要燃料依旧是天然气。2015年,天然气在欧盟热电联产燃料中的占比为44%。同年,热电联产在欧洲发电和制热结构中的占比分别为11%和15%(最近几年欧洲热电联产的发电制热比例较为稳定)。根据欧洲热电联产路线图,到2030年,热电联产将满足欧洲20%的发电和25%的制热需求。欧盟发展热电联产的侧重点是应用可再生能源和小型分布式能源来满足分散的用户需求,同时达到最佳的经济效益和能源效率指标。


世界各国对热电联产的关注正在不断增长。预计2025年前全世界热电联产装机的年均增长速度将维持在2.8%的水平,到2025年热电联产总装机容量有望增至972吉瓦。从全球热电联产发展趋势来看,使用清洁能源的小型热电联产项目将成为主流,当然也有俄罗斯等国,将以建设大型热电联产项目为主。


二、典型国家供热分析


(一)


丹麦


1.能源概况


丹麦地处北欧,国土面积狭小,自然资源十分有限,除石油和天然气外,其他矿藏很少。上世纪70年代以前,丹麦超过90%的能源消费依赖进口。1973~1974年的世界第一次石油危机爆发后,对进口能源极度依赖的丹麦,陷入了更深的能源危机。丹麦政府以此为契机,大力调整能源供应结构,提高能源使用效率,积极开发可再生能源和清洁能源。经过多年的不懈努力,丹麦摆脱了能源依赖进口的现状,到1997年已实现能源完全自给,随后能源依赖度呈现显著负值,说明其自身能源供给大于自身需求,成为欧盟能源依赖度最低的国家之一。


从上世纪80年代至今,丹麦的经济增长总量超过75%,能源消耗总量基本维持不变,二氧化碳排放有所下降,在1996年时就已达到排放峰值,实现了经济发展和能源消耗脱钩(见图10)。如今,丹麦是世界上能源效率最高的国家之一,在可再生能源开发利用方面,特别是风力发电和生物质能热电联产应用,在欧盟成员国中处于领先地位。由于大量采用节能技术和大力发展可再生能源产业,丹麦在能源供应和温室气体减排方面的各项指标普遍优于其他发达国家。


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图10 丹麦经济增长、能源消耗和碳排放变化趋势


2.供热历史与现状


早在上世纪70年代,热电联产区域供热技术已在丹麦各个城市得到应用,约30%的家庭受益于区域供热系统。随后几十年间,节能高效的热电联产系统不仅在丹麦的大型城市兴建,还在中小型城市中推广。如今,超过60%的丹麦家庭使用区域供热系统,这些热量不仅用于建筑物采暖,还可以用于生活热水。丹麦约70%的区域供热由热电联产机组完成。区域供热和热电联产的广泛应用是丹麦提高能源利用效率、断开经济增长与能源消耗联系、减少碳排放的原因之一。


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表1 丹麦区域供热发展历程



丹麦的区域供热分为集中的大型区域供热和分散的小型区域供热。丹麦大型区域供热系统热源较为多样,如大型燃煤、生物质或天然气电厂、城市焚烧厂、工业余热和尖峰负荷锅炉。而小型区域供热系统的单个输送管网供应量通常不超过1000个热用户,热量由一台基本负荷机组和一台或多台尖峰负荷备用机组供应。基本负荷机组一般是以天然气为燃料的热电联产机组,或是以生物质为燃料的锅炉或者是垃圾焚烧锅炉,而尖峰负荷备用机组是以油或天然气为燃料的简单锅炉,建设成本投入较少。一些小型电厂安装了太阳能供热系统或电加热锅炉代替原有的燃油备用机组。


近年来,越来越多的可再生能源代替化石燃料应用于丹麦的区域供热。2014年,丹麦约50%的区域供热来自可再生能源(见图11)。这些可再生能源包括生物质、沼气、太阳能、地热能和可再生能源电力。目前,可再生能源在丹麦热力供应中的比重已经稳居首位,超过了天然气和煤炭。


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图11 丹麦区域供热热源结构


在丹麦,生物质资源的利用主要包括木块、木屑和秸秆。1993年以来,丹麦一直在增加大规模生物质热电联产电厂的建设。早期建设的大型燃煤热电联产电厂也在向燃烧生物质转变。多年以来,生物质一直是丹麦能源结构的重要组成部分。除了生物质,垃圾也成为区域供热的一个重要热源。除正常回收以外,丹麦几乎所有的垃圾都能用于能源生产,仅有一小部分垃圾被填埋处理。通常情况下,垃圾被热电联产电厂利用,从而以较高的整体效率生产热量和发电。此外,丹麦还是世界上最大的太阳能区域供热市场。在过去的几年里,丹麦1000平方米以上规模的太阳能供热厂数量显著增加。目前全球超过80%的大型太阳能区域供热项目都位于丹麦。据丹麦能源署发布的官方报告《太阳能供热发展策略》,到2030年,太阳能供热将承担丹麦15%的供热负荷。


储热是丹麦区域供热的一个重要元素。丹麦大型和小型的区域供热系统热电联产厂都设有短期储热设施。短期储热解决方案的主要目的是将电力生产从热电联产中分离出来,让热电联产厂依据电力需求,在不影响供热基础上根据电力市场价格波动合理配置热电联产。而丹麦的季节性储热主要应用于大规模的太阳能供热。太阳能供热系统在夏季能够产出比即时需要的更多热量,随着冬季供热需求达到峰值,很多大型太阳能区域供热系统利用大型季节性储热装置,实现冬天提取夏季储存的多余热量。在丹麦的多宁隆德,结合季节性储热的大型太阳能供热系统覆盖了区域供热年需求的40%。对于丹麦的许多区域供热系统而言,季节性储热变得尤为重要。


丹麦的大型区域供热一般由多个局部输配管网组成,各输配管网之间用长输管网相连。各区域供热管线联网运行,全年365天24小时供热(夏季供应生活热水),温度压力稳定,管网年平均热损失约6%。丹麦的热力管线长度在欧盟各国的热力管线长度排名第一,管线总长度大于3万千米。由于地广人稀,丹麦热力管线基本采用直埋或架空的敷设方式,管材在生产过程中做预拉伸,有效降低了供热管线出现故障的几率。


在供热计量方面,丹麦的供热一次管网敷设到各家各户,每个独立的建筑都有属于自己的换热设备,用户可以按照自己的需求单独、灵活地调节,并通过安装的热计量装置根据各自的实际用量进行缴费,其所缴的费用通常由基础热费和实际用热热费两部分组成。热力公司在互联网上建立了用户用热的信息系统,每个用户可以通过互联网查询自己个人的用热信息。丹麦住房建设部门1996年颁布的条例要求所有建筑物安装热计量装置,违反者将受处罚。通过实施供热计量,丹麦的室内采暖总能耗降低了50%。


3.经验总结


作为区域供热领域的领先国家,丹麦拥有国际领先的绿色技术,以及低成本、高效率和高质量区域供热系统的建设经验,并且还培育出专业性的区域供热产业。丹麦区域供热领域的重要成就是多年积极的能源政策、系统化的供热规划以及有效监管共同作用的结果。


(1)采取积极的能源政策


丹麦是全球利用可再生能源发展最早、成就最显著的国家之一,政府把发展低碳经济置于国家战略高度,并制定出一系列能源发展目标:2020年生物能源在能源结构中占36%,一半的电能来自于风能;2030年国家逐步淘汰使用化石燃料;2035年发电、供热所需能源全部来自生物能;2050年完全淘汰化石燃料,只使用可再生能源。这意味着,到2050年丹麦的可再生能源生产将满足电力、供热、工业和交通运输的全面能源需要。


根据丹麦政府2010年6月颁布的《国家可再生能源行动计划》,明确制定了未来可再生能源的发展目标:到2020年,国内39.8%供热和制冷用能要来自可再生能源。此后丹麦颁布的《能源政策协议》提出支持对太阳能热和生物质进行区域供热的利用。另外,能源税、碳排放税、欧盟的二氧化碳排放交易体系等也给相关项目带来了足够的发展资金。


针对建筑物节能,丹麦早在1961年就开始制定并实行了新建筑节能标准,之后建筑节能标准随着社会的发展不断提高。丹麦政府不仅对新建建筑有标准,而且非常注重对既有建筑的节能改造,并设有专门的政府补贴。现在新建建筑的供热能耗只有1977年的25%左右。2000年,丹麦引入了被动房超低能耗建筑的概念,被动房的认证参考了德国被动房的标准和指标。此外,政府还通过建立财税激励机制、征收建筑采暖燃料税、给予节能投资补贴等手段,推动降低建筑能耗工作。


(2)完善立法加强监管


在丹麦的可持续发展进程中,立法始终扮演着一个非常重要的角色。丹麦政府于1979年通过了第一部《供热法案》,随后经过多次修改,如今依然有效。首部《供热法案》确定的主要原则有:地方政府/市政部门负责新建供热项目的审批;地方政府/市政部门必须保证按照最佳的社会经济效益选择项目;尽可能通过热电联产方式实现供热;必须按照“真实成本”为消费者提供联合供热价格,这意味着供热价格不得高于也不得低于实际的热力生产成本。丹麦的《供热法案》还规定了全国范围热力管网的具体区划。在每个区划内部,通过丹麦供热立法规定了具体的供热方式。这些供热区划包括:分户独立供热系统;通过全国天然气网提供的天然气供热;分散式区域供热;集中式区域供热。当某个建筑物的业主想要为房屋供热,或希望对现有供热单元进行改造,而且该建筑物恰好处于天然气供热或区域供热区划范围内,该供热系统就必须得到市政府的批准。当某个区域供热公司要建设一个新的供热设施、铺设热力管线或向某个新小区提供区域供热时,也必须获得市政管理部门的审批。审批流程通常只涉及区域供热公司和市政当局,但也可能涉及到天然气公司,以及单方或双方的咨询顾问。其主要的审批标准是社会经济性评估,只有展示出最佳净社会效益的项目才能获得优先审批权。


(3)制定系统化的供热规划


区域供热是一个大的系统,具体规划的时候,需要将供热系统和其他能源系统结合起来,从全局层面规划,才能优化供热系统效率。丹麦在供热领域的应用中,着眼于规划的整体性、热源的灵活多样性和设备技术的创新利用。具体来讲,丹麦区域供热有太阳能电锅炉、太阳能供暖燃气、内燃机、热泵等多种供热形式,并可以根据不同地区的整体情况对这些供热设备进行调整,还可以对热能进行储存,需要的时候用来供热和制冷,这些都有助于提升整个供热系统的灵活性。


到2020年,丹麦大约有一半的用电量将由风力发电提供,鉴于此,丹麦将更加重视区域供热和热电联产系统的灵活性,如充分利用储热等,以支持提高风力发电在能源系统所占的比例。有丹麦学者提出,未来的第四代区域供热技术将完全摒弃化石燃料,形成分布式智能能源网。如图12所示,第四代区域供热的重点是能源效率、灵活性、所有可用的可再生能源以及余热资源的集成。


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图12 丹麦区域供热网发展进程


(二)


德国


1.能源概况


德国自然资源贫乏,在原料供应和能源方面很大程度上依赖进口。上世纪70年代,德国能源进口量占能源需求总量的50%左右,现在则已超过70%。1973年发生的世界第一次石油危机使德国人深切体验到本国对化石资源的依赖。危机过后,德国相继通过了一系列法律并实施了大量能效措施,制定了到2020年将一次能源消费量降低20%的目标,并在2014年12月通过了相应的《国家能效行动计划》。


提高能效与发展可再生能源共同构成了德国能源转型的两大支柱,并取得了可观的成效。德国能源生产率在1990~2015年间提高了63%,每吉焦耳能量的产值从128.8欧元增至205.5欧元;能源需求自1990年起开始回落,国内生产总值却大幅增加(见图13);工业所需的能源减少了10%以上,其经济生产力却翻了一番。


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图13 德国经济增长和能源消耗变化趋势


2.供热历史与现状


德国的供热分为集中供热和独立供热。德国集中供热系统是在二战后发展起来的。受当时不同政治制度的影响,西德的热电厂把提高效率放在首位,集中供暖占供热系统的9%,居住密度比较高的高层住宅基本都采用集中供暖;东德继承了前苏联的发展思路,大力发展集中供热,并把减少投资放在首位,集中供暖占供热系统的30%。如今德国集中供热仅占全部供热系统的12%左右,虽然占比不大,却很发达。集中供暖的热源为区域能源网络的热电厂和调峰锅炉、独立供暖锅炉。其中热电联产占集中供暖系统的60%,把通过吸收太阳能得到的热量作为调峰锅炉和独立供暖锅炉的热量补充。


德国是欧洲热电联产装机容量最大的国家。世界第一次石油危机爆发之前,德国热电联产全部使用煤炭,危机爆发后,德国开始探索天然气和生物质能作为热电联产的来源。目前,德国主要采用天然气和燃油,配合少量的电、煤炭和可再生能源进行热电联产。热力生产企业往往非常注重生产效率。首先是控制锅炉大小,现代的锅炉可以精确控制燃料和空气的混合比例,使燃料充分燃烧,减少因燃烧不完全而产生的有害气体;其次还要改良控制系统,通过合理设计烟道、回收预热等措施,以提高能源利用效率。


如今,德国集中供热系统依旧发达,但家庭独立供热的比例正在逐年上升。在德国,一户或几户使用一个锅炉进行供热,城市里许多楼房的地下室设有天然气锅炉,负责全楼的供暖和热水供应。德国大多数家庭采用天然气、燃油等方式供热,还有少量住宅用电或煤等方式采暖。近年来,太阳能、风能等可再生能源逐渐应用到独立供热领域,化石能源在建筑热源中的占比正在削减。2015年,德国既有建筑热源中天然气占80%,燃油占11%,其余种类相加不足一成;而新建建筑热源结构最主要的变化在于天然气消费比例大幅降低,降至51%,燃油比例降至2%,代替天然气和燃油的是地源热泵以及集中供暖,占比分别达到30%和8%。


供热计量方面,两德统一后,从1991年开始德国对既有住宅建筑开展大范围的综合改造,其目的之一就是降低建筑能耗,如改造楼内采暖系统、安装新的散热器和自动温控阀进行温度调节、增加电子式热分配器进行供热计量。1994年德国集中供暖开始全面实现分户热计量收费。实施供热计量的住宅,供暖和热水供应能耗大幅减少。


3.经验总结


在德国,供热板块占终端能源消费的一半,而国内总共约4000万个家庭用于采暖和热水的能源又占供热板块的三分之二左右。如何提高热能生产效率,增加建筑保温,一直备受关注。从国家的法律条例、供暖设备到房屋结构设计,再到普通民众的生活习惯,节能、环保的观念贯穿始终。


(1)完善节能法律法规


德国很早就发现建筑物拥有巨大的节能潜力。早在1976年,当时的德国政府就从石油危机中汲取教训,推出了第一部《节能法》和紧随其后的《保温条例》。这些法规不断得到发展,同时根据技术进步加以调整。2002年生效的《节能法》就旨在规范锅炉等供暖设备的节能技术指标和建筑材料的保暖性能等。《可再生能源供热法》要求自2009年起所有新建住宅都必须使用一定比例的可再生能源来满足能源需求。为达到这一要求可以采取的措施包括用太阳能供热辅助燃气或燃油供热,或者采用热泵、颗粒燃料供热等100%可再生能源供热系统。2013年《节能法》要求自2019年起新建政府公共建筑达到近零能耗建筑标准、2021年起所有新建建筑达到近零能耗建筑标准、2050年所有存量建筑改造成近零能耗建筑。此外,德国政府还配套出台一系列措施,如国家能源效率行动计划、促进使用可再生能源的取暖设备发展计划等,旨在提高能源使用效率及其在建筑领域的应用程度。


(2)注重低能耗房屋设计推广节能供暖设备


采用被动房超低能耗建筑技术体系和提升可再生能源使用比例是德国实现能效目标的主要技术路线。德国70%的住宅年龄超过35年,其建造时间是在第一个《保温条例》通过之前。许多建筑隔热处理不足,锅炉老旧,供暖使用的也是燃油或天燃气等化石能源。一般德国家庭的年供暖需求约为每平方米居住面积145千瓦时,相当于14.5升石油。高能效的新建筑(被动式节能住宅)仅需十分之一。既有建筑可以通过节能改造和改用可再生能源等措施降低一次能源需要量最多可达80%。改造措施包括提高建筑围护结构的保温隔热性能、更新建筑构件、升级供热供冷系统和改进控制技术。德国仅在2015年一年就为建筑物节能改造投入了530亿欧元。德国政府通过利率优惠的贷款和补贴为这类改造措施提供支持。


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图14 德国不同类型住宅年度供暖功耗(单位:升/平方米)


扶持政策的一大重点是更换陈旧的供暖设备和从化石能源转向使用可再生能源。1975年,德国一半以上的住宅供暖使用的是燃油,现在这一比例已不足三分之一。住宅新装供暖设备大部分使用的是天然气和可再生能源。太阳热能设施、生物质能暖气和利用环境热源的热泵已经可以覆盖供暖需求的10%以上。为加快更新速度,德国政府自2000年开始为暖气改造提供补贴。


根据德国建筑物热能需求方面的节能目标,与2008年相比,到2020年,建筑物热力需求要降低20%,可再生能源在热力需求中的占比要达到14%。2015年,德国可再生能源在热力需求中的占比已达到13.2%。2008~2016年间,德国国内与建筑物相关的终端能源消费下降了6.3%,降至3234拍焦耳(见图15),即占到其终端能源消费总量的35%。其中,建筑物采暖约占终端能源消费总量的28%,热水供应和制冷约占5%。虽然住宅面积和有效空间增加,建筑物供热的能源消耗仍然是减少的(个别年份会出现增加是由天气情况所致)。这主要是新建筑和翻新旧建筑能效标准提高的结果。德国政府还计划到2050年将建筑物对石油和天然气这两种一次能源的需要量降低80%。为达到这一目标,不仅需要大幅度提高建筑物的能效,还要增加可再生能源在供热和制冷方面的比例。


*根据德国2010年能源构想,该国2020年建筑物终端能源消费应较2008年下降20%。


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图15 德国建筑物终端能源消费


(3)培养民众节能意识


数十年来,德国公众逐渐培养起了对高效利用能源的意识。德国人习惯在出门前或入睡前调低暖气用量,如果家中长时间无人就直接关掉暖气阀门,以节省开支避免浪费。德国政府在引导国民节能方面也采用了多重手段,如执行热量计量,使能源消费透明化,通过查询消费账单了解用户的节能意识和用能习惯,督促用户节能,并通过配备恒温阀帮助用户节能。再如通过电价、油价调整来限制电暖气、油供暖的使用等。


(三)


俄罗斯


1.能源概况


俄罗斯领土广阔,是世界上能源资源最丰富的国家,其中石油储量位居世界第八,接近100亿吨,是全球大型的石油生产国,天然气储量位居世界第一,占比接近30%,产量居世界首位,消费量居世界第二位,而煤炭等其他资源储量也非常巨大。自前苏联时期起,能源开采业就是其国民经济命脉,在经济体制急剧转轨之后,俄经济结构并没有发生明显变化,能源依然是其经济的主心骨。


俄罗斯大部分地区气候严寒,因此十分重视供热技术的发展,是全世界最早发展集中供热的国家之一,至今已有百余年的集中供热历史。


2.供热历史与现状


俄罗斯的供热以集中供热为主,热电厂和区域锅炉房为主要热源。前苏联的集中供热,无论是热负荷数量、热网长度、热电厂规模,还是供热综合技术等各方面,在国际上都曾占据极其重要的地位。热电联产早在前苏联的供电和供热系统中就已经大量使用,在城市和大型工业中心布设大型装机的热电厂后,热电联产的应用主要有利于在严寒气候环境下实现经济效益最大化。上世纪50年代末期,热电联产系统已在城市及工业中心全范围应用。70年代初,热电厂保证了城市和工业36%的用热需求。至90年代,供热功率超过300兆瓦的热电厂已超过80个,其中12个热电厂供热功率超过600~700兆瓦,9个超过1000兆瓦。前苏联解体后集中供热发展停滞,热电联产生产能力大幅下降,大型热电设施停止建设,设备与管网加速老化。从1995年至今,俄罗斯国内热力生产减少了25%以上,其中热电厂的热力生产减少了19%。俄罗斯国内发电量逐渐增长,但热电厂的发电量从2010年开始已经减少了4%。尽管热电厂的产量绝对水平有所下降,但对于俄罗斯来说,热电厂在国内电力生产中的占比持续维持在三分之一以上,在热力生产中的占比接近二分之一(见图16)。


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图16 俄罗斯热电厂在国内发电制热结构中的占比


截至2016年底,俄罗斯在运热电厂总计512座,与2015年相比减少了7座。供热锅炉房总计7.38万座,安装锅炉超过18.6万个,其中61.3%的锅炉使用天然气作为燃料。除了集中供热系统的锅炉房外,国内还有大约15.5万个独立的小型燃气供热锅炉(装机不超过0.001Gcal/h),这些锅炉多数安装在教育、卫生、文化机构,以及市政部门等公共场所,用于为建筑物房屋供暖和提供热水。2016年全年,俄罗斯新投运供热锅炉房6637座,其中78%为装机不超过3Gcal/h的小型锅炉房,1.5%为装机大于等于100Gcal/h的大型锅炉房。2005~2016年间,全俄热力总装机容量减少了6%。其中供热锅炉房平均装机从9.6Gcal/h降至8.0Gcal/h,降幅16.7%,这在一定程度上也反映出俄罗斯国内小装机锅炉房数量增加以及热力供应去中心化的趋势。


2016年,在俄罗斯供热系统热源结构中,天然气占比74%,是最主要的供热能源,煤炭和燃油的占比分别为21.5%和2.8%,其他燃料约1.6%(见图17)。与2012年相比,2016年燃煤锅炉数量减少了1064个,降幅4.1%;重油锅炉减少了303座,降幅11.6%;燃气锅炉增加了1892个,增幅4.4%。地区的可再生热源主要包括薪材、木屑块等。


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图17 俄罗斯供热热源结构


2012~2016年间,俄罗斯集中供热系统热力管网总长度及其管径分布变化较小。管线(主要是直径200~400毫米管线)长度增长了2020千米,达到17.15万千米,其中以中央联邦区热力管网最为发达,长度4.42万千米,占全俄热力管线总长度的25.7%。如果按照管线的服役年限统计,2016年,俄罗斯供热系统管线中有28.8%超年限服役,需要更换。俄罗斯当年供热管网的热损失约占全国供热总消费量的8%~9%(见表2)。


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表2 俄罗斯热力总消费量及管网热损(单位:millionGcal)


供热计量方面,俄罗斯的供热费用主要根据住房面积加上公摊面积计量。如果个人住宅有专业供暖计量设备,可按量缴费;如果没有,则按当地规定缴纳。住宅房间数量、登记住户人口数量、按全年还是供暖期缴费等也都是影响暖气费用的因素。自2012年起俄罗斯发布联邦法规实行供热计量,既有建筑实行楼栋计量按面积分摊热量,新建建筑实行分户热计量。


3.经验总结


经过百余年的发展和积累,俄罗斯在集中供热和热电联产领域取得了一定的成就,在理论研究方面达到了很高的水平,在实践中积累了丰富的经验。虽然前苏联解体后该国热力工业一度停滞,但是近年来,随着经济的复苏,从供热行业法律法规,到热网的现代化节能改造、集中供暖系统综合优化,再到大型和小型热电厂联合集中供热的新发展理念,俄罗斯再次加大了对热力行业的关注。


(1)建立供热行业基本法律


为了协调供热领域各级管理者、相关企业、热用户及投资者之间的关系,约束政府行为、企业行为和社会行为,以及促进相关问题的解决,2010年7月27日,俄联邦供热行业基本法《供热法》开始实施。《供热法》确定了与热能和热媒生产、传输、消耗以及供热系统创建、运行和发展有关的经济关系和法律基础,明确了国家权力机关和地方政府在供热领域的管理权和控制权,规定了各级组织为热力用户提供可靠保证的权利和职责。《供热法》已成为供热行业的纲领性文件,产生了多方面影响。各级管理者开始加强对供热质量的关注,供热系统的可靠性明显得到提高,重大事故发生率降至十几年前的几十分之一,紧急事故的处理也更迅速。同时,城市供热规划的制定水平和监督机制得到加强,具有负责人签名并盖章的供热规划文件在互联网上公布并受到公开监督,有助于提高供热规划的质量和经济性。另外,保障项目实施依靠更优化的方案和更强的建设能力,可以促进热电联产集中供热良好经济条件的建立。


(2)开展供热节能改造和综合优化


前苏联解体后,由于资金拮据,出现了政府对热电厂和供热系统投资减少、科研项目及经费萎缩、技术装备老化等一系列问题。其中,集中供热系统中汽轮机设备、热电厂设备老化和热网陈旧导致的热损失增加和热效率下降是俄罗斯热力工业发展遇到的较大困难。


随着经济的复苏,俄罗斯加大了对供热发展的关注力度。为降低供热管网热损失,俄罗斯近年来将热网现代化节能改造作为重点工程,经过广泛节能改造,各地区开始建成现代化热网,并对集中供暖系统综合优化,方案包括:采用节能工艺、材料和设备;建筑物采用局部热源;对锅炉及小型热电厂进行改造;设置备用热网及热源;供暖系统可进行自动控制调节。在尚未设置热电厂和区域发电站的居民区,可以考虑采用全面自动化的蒸汽动力、燃气涡轮机和蒸汽-燃气热电厂等热源形式。实现更广泛的工艺、设备与材料节能,提高集中供暖系统可靠性成为俄罗斯热力工业的一大工作重点。


(3)大小型热电厂联合集中供热


尽管热电联产效益明显,但是俄罗斯热电厂在发电制热中出现应用减少的趋势,热电联产的装机负荷有所降低,许多用户建设了独立锅炉,与集中供热系统脱离,导致热电厂燃料利用效率降低,再加之设备老化,不可避免地会带来单位投资费用的上涨。生产商生产效率的降低和热电厂装机负荷的减少直接影响到集中供热的热力用户,增加了消费者的费用压力。


俄罗斯解决热电厂使用效率低下的方案之一,就是像欧洲国家那样,将大型装机化整为零,并使之更加接近能源用户,即建设分布式小型热电厂,以此来提高使用效率。除此之外,改造原有热电厂和新建大型热电厂依旧符合经济利益的需求。毕竟,俄国内能源价格低廉,并且随着城市化进程,能源消费群体庞大,能源需求增长潜力巨大。2000年以来,俄罗斯热能动力工程逐步复兴。小型热电厂建设得到发展,热电厂自动化设备实现国产化,形成以大型和小型热电厂联合集中供热为主的新发展理念。


未来,热电联产集中供热仍将是俄罗斯热力工业的优先发展方向。在能源需求较高并且较为稳定的情况下,俄罗斯建设热电联产项目经济可行。当然,在吸引投资发展热电联产的过程中也会遇到一些障碍,比如,电力热力消费需求增速降低;与热力市场相比电力市场装机改造升级的激励因素更多等。2016年,俄罗斯供热系统投资较2015年增长了5%,达到1000亿卢布,约占全俄投资总量的0.9%。其中51%的投资额用于热力生产领域(热电厂和供热锅炉房),45%用于热力输送和热力分配领域。


(4)加强核能供热的应用


利用传统核能发电厂供热在俄罗斯和东欧地区较为普遍。上世纪70年代,当时的苏联有8座多种堆型的热电联供反应堆相继投入运行。这些反应堆与常规的燃油或燃煤热电厂一样,采用背压式或凝气式机组为居民住宅、公用设施、相关部门以及农业温室提供热量。此外,苏联还于1954~1976年间在奥布宁斯克运营过一座专用于供热的研究堆。在这些成功运行经验的基础上,苏联又研发了专门用于区域供热的反应堆——热功率分别为500兆瓦和300兆瓦的AST-500和AST-300。


近年来,根据国际能源、环境发展新形势,以及减少国内天然气需求以获得天然气出口巨大收益的需要,俄罗斯将具有传统优势的核能重新列为新能源的重点发展方向,持续推动核能供热,以此解决其高寒地区漫长冬季的集中供热问题。发电同时进行供热的机组超过俄在运核电机组总数的85%。核能供热的集中供热系统使用80~150摄氏度热水或蒸汽作为热源,供热功率25~200兆瓦,供热半径通常限制在数千米范围内,反应堆选址靠近城市负荷中心和用户,对技术和安全性的要求更高。2016年,有4座俄城市表示了对使用小堆进行热电联供的兴趣。俄罗斯已为在阿尔汉格尔斯克建设热电联供核反应堆开展可行性研究。俄罗斯国家原子能集团在地区电力研究中发现,俄有14个厂址适于建设总计多达38座的热电联供反应堆。


三、对我国供暖实践的启示


(一)制定国家供热法规


法律规范和相关政策是供暖行业发展的基础。如丹麦1979年通过的《供热法案》规定了全国范围热力管网的具体区划,明确了供热部门和当地政府的权力,包括参与制订供热规划、确定能源基础设施、以及可以优先使用的资源等。该法案开启了丹麦公共供热规划新时代,后经多次修改并一直持续至今。俄罗斯2010年实施的《供热法》明确了国家机关和地方政府的供热管理权和控制权,规定了各级组织提供热力服务的权利和职责。该法案成为俄罗斯供热行业的纲领性文件,对行业监管、供热规划、供热质量和事故率等方面产生积极影响。


我国在能源领域已颁布《中华人民共和国节约能源法》和《中华人民共和国可再生能源法》,但在供暖立法方面,虽然部分省份相继发布供暖地方性条例、供暖管理办法,但还没有一部专门的国家法律法规。为使供暖事业得到法律层面的保护,应尽快制定颁布供暖立法,以加强对供暖市场的监管,维护供暖市场秩序和消费者的合法权益。通过供暖立法,有效地规范供热管理的方方面面,使供热的建设、管理、经营等有法可依;完善供热采暖系统建设的技术标准体系,将标准中安全、节能、环保、卫生等要求纳入工程建设强制性条文;约束供热单位行为,明确违反供热规定应当承担的法律责任;鼓励相关单位因地制宜,在产业技术政策的指导下,积极研究开发利用新能源、新技术的多种供热采暖方式等。


(二)立足国情发展供暖热源


各国都是立足于自身资源禀赋和能源结构,采取适应本国国情的供暖能源类型。如俄罗斯天然气资源丰富,天然气的消耗占据总供暖消耗的70%以上,为国内主要供暖能源;丹麦和德国在世界第一次石油危机后,减少了对进口天然气、石油的依赖,大力发展可再生能源。在我国,取暖用煤年消耗约4亿吨标煤,其中散烧煤(含低效小锅炉用煤)约2亿吨标煤,这也是我国多煤少油缺气的能源结构所决定的。因此,未来一段时间内煤炭依旧是我国主要能源,但要进行煤的清洁化利用。在条件允许的地区,以集中供暖代替散煤燃烧、以热电联产代替燃煤锅炉,对现有燃煤机组进行超低排放改造,达到使用年限后或无改造价值的燃煤机组逐步更换为清洁能源设备。


同时,要着力发展可再生能源用于清洁供暖。当前我国可再生能源用在集中供暖中的比例仅为1%。我国为农业大国,产生大量农业废弃物,将之作为生物质热源用于采暖,发展空间巨大。但同时也要制定相应的生物质锅炉的排放标准,实现超低排放,使其成为真正的清洁供暖。


此外,还应研究推进核能供热等产业发展。核能供热低碳清洁,环保效益显著,并且成本可控,价格具有竞争力,因此是集中供热的理想热源。以一座400兆瓦供热堆为例,经初步投资估算,每年可替代32万吨燃煤或1.6亿立方米燃气。首堆建成后,可供热面积约1000万~2000万平方米,相当于能为40万~80万人口供热。批量化后,供热价格可低至每平方米13元以下,在全年5个月供暖期内,相当于每100平方米的房子年供热费用在1300元以下,远低于燃气和电供热价格。


按照我国政府应对全球气候变化做出的承诺,以及清洁供暖发展目标,低温核供热技术正迎来新的发展机遇。目前,核能供热产业已在我国北方地区积极推进。中核集团、中广核和国家电投三大核电集团以及清华大学已经在9个省份、24个城市开展了相关厂址普选和产业推广工作。


(三)推动建筑节能


国内现在针对建筑节能仅处于尝试阶段,建筑工业化项目的增加,被动式建筑的建造成功,对于我国未来大力发展建筑节能都有一定的推动作用。在建筑节能的探索与创新中,可以借鉴德国和丹麦的经验。


我国建筑节能领域的法律法规主要有《节约能源法》《民用建筑节能条例》,目前已有10多个省市制定了本地区的《民用建筑节能条例》。未来可进一步完善建筑节能政策法规。针对住宅、农村建筑、公共建筑、工业建筑等不同类型建筑,分别制修订相关工程建设节能标准,在设计、施工、运行管理等环节落实建筑节能要求。可进一步提高建筑能效标准,有条件的地方要执行更高水平的建筑节能标准和绿色建筑标准。


对于既有建筑改造,我国与德国一样,以改造围护结构为主,通过增强围护结构保温性能来减少建筑能耗。除此之外,还可以改造末端用能设备,减少供暖末端能耗。对于新建建筑,则要在设计阶段就充分考虑节能,以前瞻性的眼光对建筑进行节能设计。同时,鼓励发展超低能耗建筑、绿色建筑,减少能源消耗。


(四)改革供热计量


实施供热计量后,丹麦的室内采暖总能耗降低了50%。德国实施供热计量的住宅,供暖和热水供应能耗均有大幅减少。而据统计,我国民用住宅若能用好计量,供热能耗有望降低三分之一以上,相当于每年节约标煤2000万吨以上,减排二氧化碳超5000万吨。在我国,国家住建部2000年便提出“分户计量”的改革方向,通过“一户一表”计量,谁用热谁付费、多用热多付费,由此鼓励行为节能、提高用能效率。《节约能源法》也明确,“对集中供热的建筑分步骤实行供热分户计量、按照用热量收费”。近20年间,计量装置在北方大规模推广,花费高达百亿。然而,我国供热计量发展并不顺利,节能效果不尽如人意,还频现大量设备闲置等问题。


究其原因,专家表示,计量本身并没有错,问题在于如何计量。建筑保温效果、供暖方式等都是影响用热能耗的重要因素,不能唯计量表论。此外,计量表的使用维护、供热企业的参与积极性等方面也存在诸多问题。要真正通过计量推动节能,亟需调整当前技术路线。相比分户方式,以单体建筑或热力站的总热量作为计量依据更合理,同时可解决早期高能耗建筑高于基准值部分的热量由谁承担的问题。改变现有经营模式,将热力站前面的一次网与热力站后面的庭院管网分开运行,二者再按热力站计量数据结算。同时,计量也离不开政策支持。可通过税收优惠、财政补助、贷款贴息等方式,激励热企积极参与;鼓励地方政府增加配套资金或与其他项目结合等方式加大投入等。同时,制定国家供热法规和中长期规划,建立部门间协调机制形成合力,引导地方行为并加以监督。


(五)重视储热的应用


在供热系统中,不管是逐日,还是从夏季到冬季,热水都可以被储存。储热不同于其他存储或任何产品,因为它断开了生产时间与消耗时间的联系。对于集中供热而言,这意味着从热电联产厂、太阳能集热器、剩余风电和工业余热等方式中得到的热可被储存起来,在需要的时候直接使用。在丹麦,集中和分散区域供热的热电联产地区均有储热设施。逐日储热的解决方案主要可让热电联产厂依据其电力需求优化配置其热电联供,并且仍然能够在需要时提供热量。随着储热大规模发展,利用更多本被浪费的能量成为可能。大规模热存储考虑的是将热量从温暖季节储存到到寒冷季节。热量可从多种来源收集,如太阳能集热器、热电联产以及非稳定生产的工业流程等。储热保障了能源系统的灵活性,不论从经济还是从环境角度看,对于优化整个系统都至关重要。

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