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时间：2020-07-07 14:53 
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我国北方地区目前有民用建筑近 200亿平米，其中城镇建筑 130亿平米，其余为农村建筑。城镇建筑与农村建筑的主要差别是建筑的密集程度。城镇建筑容积率（建筑面积与区域土地面积之比）高于0.6，近年来高层建筑比例增加，建筑容积率可高达 3以上。农村建筑相对稀疏，容积率一般都低于0.6。建筑的密集程度不同决定供暖方式的不同。
80 年代及以前建造的城镇建筑门窗和外墙保温水平一般，为满足室内热舒 适冬季需要的热量为 0.4~0.7GJ/m2，而全面推广建筑节能工作以来，城镇建筑的 围护结构保温水平有了显著提高，尤其是进入本世纪以后，很多新建城镇建筑冬 季供暖需热量已经降低到 0.2GJ/m2以下。目前北方地区城镇建筑平均的冬季供 暖需热量约为0.27GJ/m2。
相对于城镇建筑，农村建筑的保温状况不容乐观。在80年代北方农村很多 为土坯墙、或土窑洞，具有较好的保温性能。但以后都盖起了砖房，却很少采用 保温材料，再加上门窗漏风，低层建筑体形系数大，同样气候条件下单位面积建 筑需要的热量是城市建筑的 2-3倍。尽管冬季供暖室温一般在 10~15℃，低于城 镇建筑水平，但需要的热量却高达 0.5~1GJ/m2。近年来一些地区（如北京市）开展农宅的保温改造工作，由国家投资补贴推动农宅增加保温和南向阳光厅，取得了很好的效果。但大多数农村建筑保温改造还有待深入。
高密集区的城镇建筑目前主要采用规模不同的集中供热方式。我国北方县及 县以上城市绝大多数都已建成覆盖主城区范围的城市供热网，目前北方地区集中供热系统的供热面积已接近 100亿平米，剩余的不足 30亿平米的城镇建筑主要 采用各类分散方式供暖。而低密集区的 70亿平米的农宅中约 70%则采用分散方 式供暖，其余在冬季空置或不供暖。
目前城镇集中供热系统的热源约一半由热电联产电厂提供，另一半则是容量不同的燃煤或燃气锅炉提供，此外还有很少部分由工业余热、多种方式的水源热 泵等提供热源。按照产出能源火用分摊的方法由热电厂的输出电力与热量共同分摊热电厂消耗的燃料，则热电联产的供热能耗在 18kgce~35kgce/GJ之间，取决于热电厂热量制备的方式、热电机组性能及其运行状态。燃煤热电厂的污染物大气排放状况取决于其采用的脱硫、脱销和除尘方式及运行水平。目前我国燃煤电厂实行的是世界上最严格的排放标准，一些新建的和经过改造的大型燃煤电厂的排放水平已经优于常规的天然气电厂。2017年的政府工作报告中提出要对燃煤电厂进行超低排放改造，所以在严格的运行监管基础上大型燃煤电厂（20万kW发电机组及以上）可以达到清洁燃烧标准，接近零排放。但是对于小容量机组，脱硫、脱销等超低排放技术相对来说成本高、效率低，所以这些小容量机组将逐渐淘汰。与燃煤电厂类似，燃煤锅炉的效率也主要取决于锅炉的容量和形式。目前单位热量的煤耗为 40kgce/GJ~55kece/GJ。一般来说，单体容量越大的锅炉效率越高，而容量在 20蒸吨以下的燃煤锅炉从效率到污染物排放等各方面看，都比大容量锅炉差得很远，属应该淘汰对象。大容量燃煤锅炉投入超低排放装置 并严格管理运行，也可以实现清洁燃烧，但净化成本相对高于燃煤电厂。尽管大型热电联产电厂和大容量燃煤锅炉提供了北方城乡建筑冬季60%以上的供热热量，但其排放的污染物在目前各类冬季供暖设施排放到大气中的污染物总量中不到 15%。
以北京为代表的一些城市近年来大量引进天然气替代燃煤，由燃气热电联产 电厂替代燃煤热电联产，由大型燃气锅炉替代燃煤锅炉。这样做使电厂和锅炉排 放的粉尘与硫化物进一步降低，但对降低氮氧化合物排放总量的贡献不大。尤其 是改为燃气-蒸汽联合循环的热电联产电厂后，由于其热电比仅为燃煤电厂的一半，为了输出同样的热量，发电量要翻番，燃料总量也要增加约 40%，从而导致氮氧化合物的排放总量不减反升。目前的PM2.5的主要产生源来自大气中的氮氧化合物，因此燃煤热电联产电厂改为燃气蒸汽联合循环的热电联产电厂并不有利于治霾。
集中供热热源产出的热量并不完全等于末端供暖建筑所需要的热量。由于输送热量的管网热损失，以及末端调节不当导致的过量供热，集中供热热源提供的 热量目前平均比建筑供暖需热量高约25%。这使得目前集中供热尽管获得了高效低污染热源，但也付出的代价。
城镇建筑总量的 30%左右的建筑由于各种原因未能接入集中供热网。其中一多半采用燃气壁挂炉、各类型的电动热泵供 热，其能耗在 30kgce/GJ~45kgce/GJ之间。由于使用燃气或电力驱动，所以也属于清洁供暖。平均10%左右的城镇建筑目前仍采用散煤小锅炉或分户燃煤土暖气供暖。农村采暖建筑中的约一半也是这种散煤土暖气方式。这两部分总量不到 40 亿平米的建筑平均能耗30kgce/m2 以上，并且基本上无任何消烟除尘措施，其污染物排放总量占我国北方冬季各类供暖设施排放总量的约50%，是导致我国北方地区冬季雾霾的重要污染源，也是清洁供暖整改的重点。
在远郊区和主要粮食作物区目前的建筑主要供暖方式仍然是在火炕中燃烧秸秆。这种方式应占到北方农村供暖建筑的一半左右。秸秆在柴灶中直接燃烧效 率低于15%、所排放的灰分高，是构成我国冬季雾霾污染物的重要组成部分。通过先进技术改变秸秆燃烧方式，提高效率并减少污染物排放，是清洁供暖的又一重要任务。
农村与城乡交界地区大量的散烧燃煤土暖气以及远郊的秸秆直接燃烧能耗高、污染物排放量大，但供暖效果并不好。城镇集中供暖的室温基本可维持在20℃以上，而这些散烧户的室温大多在10-15℃。由于炉具不良等原因，冬季室内空气质量差，粉尘、一氧化碳等污染物超标现象严重。因此，通过清洁供暖工作改变这一地带的供暖状况，不仅可以减少大气的污染物排放，降低供暖能耗，而且可以改善这一低收入群体的生活质量，显著提高他们的生活水平。
综上所述，我国北方地区城乡供暖建筑约180亿平米（另有20亿平米左右为非采暖建筑），冬季需要的供热量约60亿 GJ，其中城镇建筑130亿平米，需要的供热量为35GJ。目前城乡建筑供暖总能耗折合约3亿吨标煤，其中100亿平米集中供热能耗1.1亿吨；20亿平米分散燃气、热泵等方式能耗0.25亿吨；40亿平米城乡散煤供暖能耗1.2 亿吨；20亿平米农宅采用原生生物质燃烧供暖，折合标煤0.5亿吨。散煤供暖和原生生物质燃料供暖两项仅占供暖总面积的三分之一，但排出的污染物占冬季建筑供暖向大气排出的污染物总量的 80%，应作为清洁供暖改造的主要对象。
由于冬季供暖燃烧造成的向大气的污染物排放，是冬季形成雾霾的主要原因之一。这是清洁供暖行动直接面对的问题和必须解决的任务。此外，随着我国城镇化的发展，冬季城乡建筑供暖领域还面临着如下问题：
随着城镇化迅速发展，城镇房屋增长迅速，城镇需要供暖的建筑也以每年近 8%的速度增长。这就需要相应的增加配套热源以满足需求的增长。为了缓解雾霾。各地严格限制各种燃煤应用，消减燃煤锅炉，严格控制增设燃煤热电联产电厂。而天然气供应量不足，并且其价格为同热值燃煤的 3 倍以上，很难完全靠天 然气替代燃煤。城镇清洁取暖工程的主要目标之一就是取缔目前的小容量燃煤锅 炉，并逐步减少大容量的采暖用燃煤锅炉。但是，如何替代燃煤锅炉，发展什么样的新型热源，既清洁，又经济，成为困扰各地供热企业和相关政府部门的难题；
采用热电联产是目前各类供暖热源中效率最高的热源方式，也完全有可能通过超低排放改造实现清洁排放。但目前的热电联产的运行模式都是“以热定电”，也就是根据供热的需要运行电厂，根据供热的需要确定发电量。我国北方的主要 电源为燃煤热电厂，城市用电日夜间的峰谷差调节、与风电的变化所需要的协同调节，目前都主要依靠燃煤电厂完成。由于这些燃煤电厂的调节才使得我国北方的风电在春、夏、秋季基本上能够有效上网。然而进入冬季供暖期之后，相当多的燃煤电厂改为“以热定电”的模式运行，不再承担电力调峰的功能，这就导致 冬季电网中的灵活电源缺失严重，从而出现严重的弃风现象。我国目前风电丢弃率高达20%，而其中约80%都发生在冬季供暖期。热电联产占用了电网中的灵活电源，成为出现冬季弃风现象的主要原因。如何使热电联产电厂在为城市建筑提 供热量的同时还成为电网调节的灵活电源，在保证供热的同时还能承担电力的负荷调节，成为进一步发展风电等可再生能源和进一步利用好热电联产这种高效热源的关键问题。
城市对热量和电力需求之比，也就是热电比，与城市热电联产产生的热量与电力之比之间的不匹配也逐渐成为严重问题。随着城市经济结构的转型，高能耗产业消减，电力需求减少，而与此同时由于第三产业发展和房屋的大量建设，冬 季供暖需要的热量又不断增加。这导致需求侧的热电比持续增加。目前北方一些大城市需求侧的热电比最高为3-4，比燃煤热电联产热源侧可提供的热电比1.2-1.5高出两倍多，比燃气热电联产可提供的热电比0.7-1高出4到5倍。当城市需求侧的热电比是热源侧热电比的2倍时，热电联产最多承担城市供热热源的一半，否则热电厂产生热量的同时所发出的电力已经超过城市当时的用电负荷，必须对外输出电力。东北地区冬季为了平衡热电比满足热电联产发电的需要，只 能停掉红沿河核电站的一台核电机组，并且放弃冬季大量风电；北京市目前热电 联产热源尽管只承担全市四分之一建筑的供热，2017年仍出现由于电力过剩而
不得不停止一台发电机组，消减供热量的现象。发展电热型热源，尽管可以增加电力负荷，减少直接的热力需求，改变需求侧热电比，但简单地把电力这种高品位能源转变为供热用热量这种低品位能源，是在能源转换中的巨大浪费，绝不可提倡。如何解决需求侧和供给侧热电比的匹配问题，是发展热电联产这种高效清洁的城市供热热源必须解决的关键问题。
进入本世纪以来，北方农村出现的大趋势是由户式散煤锅炉替代原来的生物质火炕。这一替换改善了农宅冬季的室内环境，提高了热舒适并减少了原来散烧秸秆造成的室内严重污染。要实行清洁取暖，就要取消这些散煤锅炉，那么采用 什么清洁的取暖方式呢？自2016年以来，从华北地区开始，在中央和地方财政支持下，开始了“煤改气”、“煤改电”取消散煤的工程。为此，各地开始投入巨量资金进行农村基础设施改造工程，通过农网改造增加农户入户电力容量，通过天然气管网的铺设使农户接入管道燃气。无论是以电力还是以燃气作为燃料替代 散煤或原生生物质燃料，燃料费用要增加4到6倍，完全超出大多数农户可承受的范围。为此，各地只好出台各种采暖燃料补贴政策，把燃气补贴到1元/Nm3以下，低谷电力补贴到0.10元/kWh。很难想像地方财政有能力可以这样长期补贴下去。要真正实现农户可持续的清洁取暖，可以有国家和地方财政支持工程建设与改造，但不可能持续地依靠财政补贴解决运行燃料费用。所以，发展可承受的清洁取暖方式，实现农村取暖的可持续发展，是清洁取暖工程必须解决的问题。
以下从建筑需求侧、热量输送方式、热源方式这三个供暖系统的基本环节出 发，分别分析各种技术方式的影响和作用。
供暖系统为建筑提供热量用来平衡建筑对外界散失的热量。改善建筑的保温水平，减少建筑的冷风渗入，可以显著降低对热量的需求，从而减少要求供热量，也就减少了热源的能耗和热源造成对大气的污染物排放量。以北京的建筑为例， 80年代建造的房屋外墙无保温，钢窗气密性差，维持室内 18℃时整个冬季需要的热量为0.5GJ/m2。按照节能 50%的要求外墙保温，更换气密性好的门窗，维持室内18℃需要的热量可降低到0.25GJ/m2。而进一步加强保温，并改善外窗的气密性时，现在已经完全可以使热量需求降低到0.15GJ/m2的水平。这样供暖所需要的热量仅为原来的30%，或者说同样的热量可以为三倍面积的建筑供暖。这样的保温改造需要的投资约为200-300元/m2，大约为热源建设需要的投资的2-3 倍。但是却大幅度降低了供暖系统的运行能耗、污染物排放、也降低了运行成本。目前北京郊区农村正在进行煤改电的清洁供暖改造。为了满足每户供暖用电9kW的供电容量要求，电力部门需要投入平均每户2万元的电网增容改造费用。如果用这笔费用进行建筑的节能改造，可以使供暖负荷降低到原来的三分之一，供暖 热泵电力装机容量可以减少到每户 4kW以下，这样不需要再进行电力增容改造，且大幅度降低了供暖运行电耗。所以清洁供暖改造首先应该对建筑进行围护结构 保温改造。根据优化分析，当围护结构保温达到一定水平后，进一步提高保温水 平的投入就会大于保温节能形成的收入，这个平衡点根据当地外温的不同大致在冬季供暖能耗为0.1-0.2GJ/m2左右。因此应取这个平衡点作为围护结构保温的标准，当供暖需热量高于这一平衡点，应进一步通过加强保温和改善密闭性，而达到或低于这一平衡点后，节能和减排的重点就应该是提高热源和输配系统的效率。
集中供热需要通过输热管网把热量从热源输送到建筑末端，这需要一定的初投资和运行管理费用，热量输送导致的热量损失和输送能耗可以占到所输送热量的3%到20%。每个末端对热量的需求是不一致的而集中供热又很难根据末端实 际的需求进行精确调节。一般情况都是以最冷的末端能够满足要求为调节目标，由此就导致为了满足个别用户的要求，多数建筑用户出现过热现象。这种“过量 供热”一般造成的热量浪费也为末端实际需求热量的5%到20%。这样，集中供热的管网损失和过量供热共导致8%到35%的热量浪费。目前我国北方集中供热 系统的平均损失约为25%。既然集中供热造成这样大的热量损失，为什么还要采用集中供热方式呢？这是因为北方地区的供暖热源主要是燃煤锅炉或热电联产模式运行的燃煤电厂。分散地使用燃煤很难处理其烟气污染、炉渣污染，运行管理也非常麻烦。只有大规模利用燃煤，才能实现相对清洁地处理烟气、炉渣，并实现运行调节的机械化和自动化。这是北方地区大规模集中供热系统发展至今的唯一理由。当热源方式改变为可以小规模自动化运行的清洁热源之后，如采用天然气锅炉、各类热泵、以及直接电热热源时，无论是用能效率、污染物排放都与系统规模无关，而分散的自动化运行可能更容易管理、且节省人力成本。这时，集中供热方式就不再有任何存在的必要。使用分散的供暖方式，可以大大减少管网热损失、避免末端过量供热现象，省掉前述提到的集中供热的8%到35%的损失。而继续使用集中供热方式，在热源处得不到任何收益，却还要为集中供热的 这些浪费和损失买单。所以系统方式一定要与热源方式相适应、相匹配，集中供热系统仅仅是为了燃煤而存在，在改为可分散化的清洁热源后，就应该同时放弃集中供热方式。
实际上目前在北方地区各个中等以上城市已经建成的集中供热网又是实现供暖节能减排的宝贵资源。世界上很少国家能够建成我国北方城市这样完善的城 市供热管网，怎样用好这个管网，是供暖清洁改造的重要课题。把天然气锅炉、电热、或空气源热泵制备的热水送到集中供热管网中输送，实际上无任何意义。我国北方城市的热网应该用来输送热电联产电厂和各类工业生产过程排出的低品位热量。这些热量由于是工业生产过程需要排出的余热，不充分利用就只能白 白丢掉。通过集中供热管网收集、输送这部分热量，以替代各种常规能源，这才是集中供热网最主要的应用。
现在再来具体分析和评价可能利用的各类供暖热源。
我国能源的65%以上都用于各类工业生产。而其中钢铁、有色、建材、化工、炼油这五大耗能产业消耗了工业用能的 70%。这些产业消耗的能源部分转化为最终产品，部分转换为30℃到80℃范围的低品位热量，以水蒸发冷却、空气冷却或与环境辐射换热冷却的方式排放到大气中。在一般的工业生产过程中总希望全年四季工艺参数稳定不变，这样相对于夏季较高外温，工业过程排放的低品位余热利用价值不大，但对北方的冬季，外温到了零度以下，这样的低品位热量恰 是可利用价值很高的供暖热源，应作为宝贵的供暖热源充分回收利用。使用这部分热源作为供暖热源，如果与原本的工业生产过程相比没有付出额外的能源，则应该认为是零能耗热源，从而也是清洁能源。当工业生产过程排出的余热温度较高（例如65℃以上）时，可以通过吸收式换热器把热源侧进出口之间的小温差变为长途输送时循环水供回水之间的大温差，实现长距离的经济输送，当排出的余热温度较低时，则需要通过电动热泵提升其温度品位或引入另外一股温度较高的 热源驱动吸收式热泵提升其温度品位。初步估算，我国北方供暖地区具有规模以上的可以用的工业余热资源2.4 亿kW，如果建筑供暖负荷为40W/m2，则可为60亿平米接入集中供热系统的建筑提供供暖热源。目前我国已有一批成功的工业余 热供暖案例，如唐山迁西县两个钢厂为整个县城近 500 万平米建筑供暖；赤峰一个铜冶炼厂的余热接入赤峰市供热管网，为赤峰市区提供相当于180万平米建筑 供暖所需要的热量。工业低品位余热是在清洁供暖改造中必须高度关注、充分开发利用的热源，且属于清洁热源范畴。
我国北方地区有装机容量超过5亿kW的燃煤电厂。这些电厂中目前仅有不超过2亿kW的电厂冬季按照热电联产方式运行，为集中供热系统提供约2.5亿kW的热量，为50亿平米的建筑供热。而如果这5亿kW的燃煤电厂中的70%得以充分开发利用，即可提供5.5亿kW 热量，可为超过100亿平米的建筑供暖。目前主流的热电联产方式是抽凝方式，为了使热源有较好的独立的热量调节能力，仅抽取低压蒸汽加热热网循环水，而相当于抽气量一半左右的低压蒸汽还是继续 做功发电后，从尾部以乏汽的形式通过冷却塔或空冷岛排出。2009年起我国开始推广回收这部分低温乏汽余热的热电联产改造，主要是采用三种方式：1)在末端降低回水温度至35℃以下，在电厂利用高温抽汽驱动吸收式热泵，回收乏汽余热，加热热网循环水。这种方式可以全部回收汽轮机乏汽余热，与原来的纯凝 发电方式相比，每输出1kWh热量仅减少发电量 0.12～0.17kWh；2）不进行末端的降低回水温度改造，提高汽轮机背压或直接改为背压方式运行，利用低压蒸汽直接加热热网循环水。这种方式也可以回收全部乏汽余热，但由于背压提高，每输出1kWh热量减少发电量0.18-0.22kWh；3)不进行末端的降低回水温度改造,利用高温抽汽驱动吸收式热泵回收乏汽余热。这种方式由于热网回水温度高，所以不能回收全部乏汽余热，每输出1kWh 热量减少发电量0.15～0.22kWh。余热深度回收的热电联产电厂每 kW 标称电力装机容量可以输出热量 1.6kW,而目前大多数热电联产电厂单位标称发电量所输出的热量在1.2kW以下，有些甚至不到1kW。在很多情况下热源输出不足是因为缺少发电指标，在这种情况下一些地区又热心于建新的热电厂以满足热源需求，而电厂越多发电上网的指标越紧缺，热源问题也就仍不能解决。因此深度挖潜，回收热电联产电厂的全部低品位余热才是解决热源不足最有效的措施，也是发展热电联产热源的首要任务。
这是指直接抽取地下千米以上深井的地下热水，直接作为供热热源。当抽出的地下水温度高于50℃时，这是很好用的供暖热源。为了保护地下水资源，实现可持续利用，要求释放出热量后的地下水100%回灌。怎样对抽出的地下水梯级利用，尽可能降低回灌水温度，从而使单位抽水量释放出最多的热量，是开发这种地下热资源面对的主要课题。怎样监管这种系统，确保运行者全部回灌，则是政府部门必须高度注意的监管责任。地热供暖系统仅是水泵消耗电力，因此属于 高效节能热源，并且为清洁热源。然而我国地热资源分布很不均匀，可以勘探 到具有可开发价值的地热资源的地区并不广泛。
在冬季取各种温度高于外温的水作为低温热源，通过热泵进一步提高热量的温度品位，从而成为供暖热源。根据作为低温热源的水的来源，可以是原生污水、处理后的中水、地下水、以及海水等。水源热泵系统依靠电动热泵消耗电力从低 温热源中取热，并提升热量的温度品位。提升温差越大，单位热量需要的耗电量也就越高。当作为低温热源的水温为 10℃到15℃，提升后的热水温度为40℃到45℃时，电动热泵的COP可达到5。也就是1份电力可以获得5份热量。作为低温热源水的温度降低到5℃，要求的热水温度为55℃时，热泵的COP就只能在3左右。这时尽管1份电力还可以产生3份热量，但由于火力发电的效率也仅有三分之一，所以这时的热泵与燃煤锅炉相比，能耗处在同等水平。因此水源热泵是否高效节能取决于其所工作的低温热源温度和要求输出的热量温度。采用水源热泵以电力为动力，避免了当地的燃煤直接燃烧，但与燃煤锅炉相比，并不是一定总是节能的。当抽取地下水作为低温热源时，保证降温之后的水的有效回灌， 不造成对地下水资源的破坏，是这种水源热泵必须严格监管之处。出于对地下水资源的保护，近年来很多地方已经禁止采用地下水水源热泵方式了。
除地下水之外，水源热泵作为低温热源取水的还可以是污水厂处理后的中水、集中的污水、或者冬季不结冻的海水、湖水等。这些可作为低温热源的水源只能 来自特定的位置。如果这个位置远离被供暖建筑，则需要制备较高的热水才能避 免过高的热量输送管线的建设和运行成本。而提高制备的热水水温，又会导致热 泵系统的效率下降、经济性变差。这就限制了水源热泵应用范围，也成为规划设 计水源热泵时必须认真考虑和对待的问题。
不抽取地下水，而是在地下埋放作为换热器的管道，通过管道中的水循环与地下土壤的换热，可以把循环水加热到接近土壤的温度，再通过热泵从循环水中提取热量，产生供热所需要的高温热水。当从地下返回的循环水为10℃、要求的 高温热水温度为45℃时，电动热泵的COP也可以达到4以上。这种方式由于不抽取地下水，因此不会对地下水资源带来任何影响，但在地下埋放大量作为换热器的管道，有时会影响地下空间的开发利用，因此需要对当地土地规划和地下空 间应用的充分论证后才能建设。
如果埋放换热管道的土层内有稳定的地下水渗流，则地下土层温度由当地地下水温度决定，热泵系统的运行模式对其影响不大。如果地下土层内无有效的地 下水渗流，则在冬季持续从地下提取热量，就会使土层温度逐渐下降，热泵系统 的性能也就会逐渐恶化。这时需要在夏季向地下补充热量。具体的方式是利用这套热泵系统在夏季制冷，为建筑的空调提供冷源。把从室内提取的热量通过地埋管排放到地下，补充冬季被热泵系统提取的热量。这样就需要冬夏之间的热平衡，冬天提取的热量与夏季释放到土层中的热量接近。冬季通过热泵系统为集中供热提供热源的建筑就要在夏天通过同样的系统进行集中空调。对于我国华北、西北 地区的办公建筑，冬天需要的供暖热量与夏天需要空调排除的热量基本接近，因此是实现集中供热、集中空调的好方式。然而对于这一地区的居住建筑来说，夏天的集中空调的实际用电量将远高于目前广泛使用的一室一机的分体式空调，从而采用地源热泵方式导致一年中总用电量大幅度上升，所以这种地源热泵方式不适合居住建筑。
近年来在西北地区开始发展一种中深层地源热泵系统。利用石油钻井技术钻2000 到3000米深、直径约200mm的井，在其内放置换热管。循环水经过换热管道与管道周边岩土换热，返回时的温度可在20℃到30℃之间，通过热泵从循环水中提取热量，再将其提升至供暖要求的40℃到45℃，送到室内供暖系统中。这种方式也需要耗电来驱动电动热泵，但由于低温热源温度高，所以COP可以超过5。这种情况下系统提取的热量确实来自于底层深处向地表的传热，所以它可以在全年都稳定地提供热量，不需要浅层地源热泵那样全年的冷热平衡。这种方式只是从地下取热，不会造成对地下环境的任何影响，对地下岩土结构也没有过多的要求，只要能够钻井，就能够使用。一口井可以提供 200kW~400kW 的热量，为一万多平米的建筑供热。除了初投资较高（每口井和设备投资150万到200万元）外，这一方式目前看来无地域限制，应该是一种适合于居住建筑冬季供暖的有效方式，满足节能和清洁供暖要求。
再一种热泵方式就是直接从空气中取热，经过热泵提升其热量的温度水平，使其成为供暖热源。当外温在-5℃左右，直接利用热泵产生热风、向室内供暖时，热泵的COP可以达到3以上。当室外温度为-15℃时，利用目前国内新开发研究出的空气源热泵也可以正常供热，COP在2以上。最近三年在北京郊区农村煤改电工作中，主要是采用了这种分户的空气源热泵，获得了较好的供暖效果。
因为是从空气中提取热量，所以需要有大量的空气循环。大规模的集中系统很难实现大量空气的无掺混循环，从而导致热泵附近的空气温度低于外温，热泵能效大幅度降低。因此空气源热泵应该尽可能小型化，分散供暖，如同我国目前 大量使用的分体式空调方式，一室一机、或一户一机。
空气源热泵的另一侧可以直接是热风，也可以产生热水、再通过散热器等室内末端装置向室内释放热量。热风方式的设备一体化程度高，安装和维护方便，很适合为一个房间单独供暖的需要。以往的这种空气—空气热泵在设计中都以空 调供冷为主要目标，系统参数与机组结构都更多地考虑夏季空调的需要，这导致冬季室内有吹风感、室内上热下冷、和干燥等不适。近年来一些厂家专门针对华北、西北地区冬季供暖要求开发研制出“空气源热泵热风机”，专门针对冬季供暖需要而设计，通过下送风方式显著改善了室内舒适性，使其成为非常适合农宅的分室供暖需要。
而产生热水再通过室内末端换热供暖的方式室内系统相对复杂，需要较多的安装维护工作。由于增加了水泵和水循环系统，系统COP从热风的3左右降低到2.5左右。由于系统热惯性较大，所以启动缓慢，更适合连续供暖，而不适合有人时开，无人时关的节约用能的运行模式。
燃煤、燃气和生物质燃料锅炉都属于传统的直接通过燃料燃烧产生热量的方法。与前面各类热源方式相比，在能源利用率和清洁供暖上都不如前面前述各种热源方式。
由于污染治理、运行维护等多种原因，燃煤锅炉必须大容量，现在看来至少是单台20蒸吨（14MW）以上的锅炉才有可能实现经济地脱硫脱销和烟尘净化。为了实现燃煤的清洁燃烧，近年来陆续研发出水煤浆等新的燃煤锅炉方式，可以实现较高水平的清洁燃烧。
燃气锅炉可以实现无尘、无硫燃烧，但其释放的氮氧化合物约为燃煤锅炉的70%。由于氮氧化合物是目前形成雾霾的主要原因，因此天然气锅炉并不能认为是完全清洁的。天然气成分中有较大比例的氢，从而使其排烟中有较多的水蒸气， 这成为可见的“白烟”。回收这部分水蒸气的热量，可以使天然气产热量提高10%，是天然气应用中节能的主要方向。发达国家普遍使用的“冷凝锅炉”就是可回收天然气排烟中的水蒸气余热的锅炉。对于我国单独用来为建筑供暖的系统，由于回到锅炉的回水温度比较高，国外的冷凝锅炉很难真正实现水蒸气余热的有效回收。对于大型天然气锅炉，近年来国内已经创新研发出多种烟气冷凝回收技术，并在工程应用中获得很好的效果。应用推广这些天然气烟气余热深度回收技术，是天然气锅炉供暖中应推广的最主要的节能减排技术措施。实际上天然气锅炉的效率与锅炉容量无关，户式小型壁挂炉燃烧温度低，反而更容易实现低氮燃烧和烟气的冷凝余热回收。当采用地板供暖时，进入壁挂炉的水温仅为 30℃，这就可以直接利用国外成熟的冷凝锅炉技术，实现高能效的清洁燃烧。所以如果使用天然气燃烧供暖，分户壁挂炉应该是比大型天然气锅炉更节能更清洁的方式。
现在一些地方开始推广电热锅炉供暖。这种情况下电到热的转换效率也就是COP不到1，远低于各类热泵方式时的2-5。因此，电热锅炉属低效的高能耗方式。使用电热锅炉的目的是为了消纳谷电，参与电力的峰谷差调节。实际上完全可以有其它的不降低能源转换率的协助电力峰谷差调节的方法。利用热泵把电力高效地转换为供暖热量，再利用建筑物本身的热惯性在建筑末端蓄热，也可以实现电力峰谷差的调节。目前国内还开发出利用相变材料高密度地蓄存热泵制备的 50℃左右的中温热量的蓄能技术，也可以在电力低谷期间制备和储存热量，待电力高峰期释放利用。这样既保证了高效的能源转换，又参与了电网的峰谷差调节。采用大型电热锅炉还需要集中供热网输送热量，热网造成的 10%~40%的输热损 失和过量供热损失都不可避免。而充分利用电力的易输送易调节的特点，把电力输送到建筑末端，在最末端转换为热量，至少可以免去集中供热网的输热损失，并避免过量供热现象。所以从哪个角度看，大型电热锅炉都是低能效方式，不应该作为清洁的供暖方式推广。
在有条件的地方利用太阳能产生热量作为供暖热源，应该是最符合节能减排和清洁供暖的方式。利用太阳能的基本条件是拥有充足的可接受太阳光的表面，因此太阳能供暖在城郊和农村的低密度住区要远远优于高密集的市区。可以用太 阳能热水器产生热水作为供暖热源，但热水系统复杂，且要防冻、蓄热等，维护运行管理复杂，在农村推广有一定问题。还可以采用热风式太阳能集热系统，有太阳能集热器直接产生热风，再将热风引入室内供暖或经过楼板内蓄热降温后再 进入室内。这种方式维护简单，不会冻结，利用建筑结构本体自行蓄热，系统造价也低廉，应该作为太阳能资源充沛的西部地区低密集区域的主要供暖方式。
以下针对实现我国北方地区清洁供暖的一些关键问题和技术分别进行分析
实现清洁供暖，第一个问题就是；应该选用哪些热源作为供暖热源？按照前文所述，我国北方地区规模以上目前排出的各类工业余热达2.4亿kW。这些工业余热所排出的热量从30℃到150℃不等。考虑到热量过多地分布在低温段不宜回收、辐射方式排出的热量回收困难等情况，再考虑一些生产状况不确定等可靠性不高的情况，可以有把握地稳定地提供热量的北方工业余热约为1.0亿kW。北方热电厂有效的电力装机容量为5亿kW，充分挖掘其70%，既可提供余热5.5亿kW。二者之和为6.5亿 kW，如果北方城镇集中供热建筑面积为150亿平米，那么平均可以为每平米建筑提供43W/m2 热量，完全可以满足建筑供暖的基荷。只要再提供10W/m2 的调峰热源作为严寒期调峰和事故状态下备用，就可以满足这些建筑冬季供暖需求。这种调峰热源希望灵活性强，清洁高效易调节，所以最适合在供暖末端用天然气锅炉。天然气调峰热源每个冬季最多折合满负荷运行1000小时，这样，每平米供暖建筑每个供暖季消耗10kWh/m2，折合1Nm3/m2 天然气。全国150 亿平米集中供热建筑，一共需要天然气150亿，与目前北京城市煤改气冬季供暖所消耗的天然气处在同一数量级，但是解决的是整个北方地区城 镇集中供热系统的热源。工业余热能耗可以仅考虑部分热泵提升耗电和热量输送 耗电，共计每个供暖季耗电210亿kWh，热电联产热源的热量每个供暖季折合耗煤0.4亿tce，热量输送耗电570亿kWh。按照发电煤耗把耗电量都折合为标煤，按照热量法把天然气也折合为标煤，城镇热网连接的150亿平米城镇建筑冬季供暖能耗合计为 0.9亿tce，平均每平米建筑能耗6kgce/m2。
北方城镇还有30-40亿平米建筑远离城市热网，不适合接入城市热网，这就需要安排单独的热源。为了保证大气质量，应尽可能为这部分建筑安排清洁热源。可根据具体情况优先采用各类电动热泵热源，对不适合空气源热泵又无法安装深 层地热热泵的严寒地区和一些其它原因无法使用热泵的建筑，可采用各类天然气锅炉。对于居住建筑应优先使用分户天然气壁挂炉。如果是25亿平米电动热泵，15亿平米天然气锅炉，则冬季供暖季消耗电力750亿kWh，天然气150 亿Nm3。 这两部分共折合0.45亿tce，相当于每平米11kgce/m2。
由此，城镇190亿平米供暖建筑每个供暖季能耗可控制在1.35亿tce，为我 国目前120亿平米供暖建筑供暖能耗1.8亿 tce的75%。
实现上述热源模式，就要使主要的热电厂在冬季都按照热电联产模式运行。
然而，目前北方地区缺少灵活调节的电源，调节电力需求和风电上网造成的供与需求之间的不平衡主要依靠燃煤电厂。如果按照热电联产“以热定电”模式运行，就使得电网缺少灵活电源无法应对供需之间的不平衡。由此，必须改变热电联产“以热定电”的运行模式，而是要“热电协同”，热电联产电厂在供热的同时也要承担电力调峰功能。实际上，热电厂经过改造完全可以成为热电协同模式的热电联产电厂。主要方式是在热电厂设置两个巨型的蓄热水罐，当用电高峰期，电厂可以按照全负荷发电模式运行，由低谷期蓄存在高温蓄热水罐的热水作为驱动源，通过吸收式热泵提升当时的汽轮机乏汽余热，加热热网循环水。此时还剩余部分乏汽余热蓄存在低温蓄热水罐中。在低谷期，则最大程度抽汽，并将其转换为高温热水存储于高温蓄热水罐。利用电动热泵提取当时排出的低温乏汽和存储于低温热水罐中的低温热量，用这些热量加热热网循环水，满足当时的供热需求。采用这种模式，可以实现电厂100%的余热回收，同时输出的电力可在38%-100%之间快速调节。这就破解了冬季由于热电机组都转为热电联产之后缺少灵活调节电源的困境，使得热电联产模式下的燃煤机组比纯发电模式的燃煤机组具有更好的电力输出调节特性，成为电网上的灵活电源。这样一来，就可以把所有可能与大热网联接的热电厂都改造为热电联产电厂，而不再顾虑冬季电力调峰问题。如果北方地区5亿kW火电厂中的3亿kW改造成热电协同模式的热电联产电厂，则可以在稳定地提供5亿kW热量的同时，还可产生2.4亿kW的电力调节能力，除应对1.5亿kW左右电力负荷侧的日峰谷差外，还可以提供0.9亿kW的风电接纳能力，这大约就是目前我国北方地区风电的装机容量。
由于热电联产电厂输出的热量与电力之比仅能在一定的范围内，我国北方大多数城市冬季严寒期的热电比需求大于热电联产电厂的热电比范围。这样，仅依靠热电联产电厂提供热量，就会出现电力过剩而热量不足的现象。为此，需要有部分热负荷由电力承担。采用直接电热的方法固然可以缓解这一热电矛盾，但高品位电力转换为低品位热量造成巨大的能源浪费。可以采用各类热泵的方式，把电力高效地转化为热量，从而增加了需求侧对电力的需求，减少了其对热量的 需求，降低了终端需求侧的热电比，从而缓解北方城市供需间热电比不匹配的现象。
对于消费型城市，由于工业用电低、且缺少工业余热，需要由热泵提供1/4左右的热量，才能解决热电比的需求匹配问题；对于东北、内蒙、新疆等严寒地区的大城市，当缺少足够的工业电力负荷时，电力供暖的比例可能要达到1/3以 上。而对于其它的华北、西北地区各大中城市，基本都有较大的工业布局，具有足够的电力负荷，因此就应该尽可能优先发展热电联产供热方式，热泵仅作为少量补充。
当然，适当发展“北电南输”，在冬季把北方热电联产电厂生产的过多电力输送的南方非采暖区，替代那里的燃煤电厂，也应该是未来缓解冬季热电比供需间不匹配矛盾的又一有效途径。
实际上我国北方地区的夜间最低电负荷所对应的发电厂余热量加上40%的北方地区规模以上高能耗工业所产生的低品位余热已经足以满足北方地区县及县以上城镇的供热的基础负荷了。前述部分地区热电比源侧与需求侧之间的不匹配主要是由于热电联产余热和工业余热的产出地与需要热量的建筑所在地之间地理位置上的不匹配所致。也就是说，对于北京等工业很少的消费型大城市来说，工业用电负荷很低，需求侧热电比高；而对一些制造业为主的城市，较高的工业用电导致热电比在1附近，这时源侧就有多余的热量。仔细分析的结果，发现对于我国目前的工业生产和热电厂布局，以半径为120公里划区，基本上可以实现热量的供与需的平衡。也就是说在最远输热距离不超过120公里的条件下，我国北方地区的县以上城镇基本上可以找到热电厂或大型工业余热热源，满足其供暖 的基础负荷需要。这样，问题就转为：热量经济输送距离是多少？长距离输送热量是否能保证其安全性，热损失和输送泵耗以及初投资是否可接受？分析表明， 经济输送距离与管径成正比，管径越大，经济输热距离越长。而输热功率又与管 径的平方成正比，因此输热功率越大，经济输送距离越长。十年前国内就提出了大温差热量输送技术，相比传统的热量输送方式，供回水温差提高了 50%-80%，这就意味着单位热量的输送成本可降低 30%-45%。采用大温差输送技术，对于平原地区，当输送功率为 2000MW时（大约可为5000万平米建筑供热），长途输送100公里所损失的热量低于4%，管道设备投资按照 10 年静态回收的话，包括循环水泵电耗，输送成本不高于25元/GJ，如果所输送的热量为余热废热，采集成本为15元/GJ，则采用长途输送获得热量的成本基本上与在末端建大型燃煤 锅炉相当，远低于燃气锅炉成本。再考虑燃煤锅炉当地排放的污染治理等问题，应该认为输送100公里内的余热要优于在当地兴建大型燃煤锅炉。在平原地区长途输送的技术已经很成熟，所以只要设计合理，也没有安全性问题。当输送途中要穿山越岭，或者两地高差很大（超过 200米）时，管道修建和隔压及防止水击 的安全措施有时会较大程度地增加初投资，但随着热量长途输送技术的不断发展完善，相关成本还有进一步降低的空间。
目前国内已经建成的山西古交—太原输热工程，利用古交电厂的余热为太原市供热。两地高差180米，尽管输送距离为 40公里，但其中穿越隧道16公里，并5次跨越汾河，地理条件非常复杂。整个工程投资约40亿，输送热量功率 3000MW，为约 7000 万平米建筑提供供暖热量。2016-2018供暖季这个系统已经安全运行了三个供暖季，各项运行数据基本达到设计预计指标，当年的经济收益可以偿还项目贷款利息和部分本金。我国北方地区大多数的地理条件优于古交—太原管网，100公里输送距离的投资及运行成本大约与这个项目接近。因此，这个项目的运行将开启我国长距离热量输送事业。
我国北方城市目前都建有健全的集中供热网，连接了主城区绝大多数建筑。
如何用好这一宝贵的热网资源，实现清洁供暖，是必须正确对待的大问题。如前文所述，巨大投资和高额运行成本的城市热网不应该用来输送电力、燃气等易于 输送的能源直接转化的热量，而只能输送必须在特定位置产生的热量。这主要包括：燃煤热电联产的余热、各类工业生产过程的余热、城市垃圾燃烧处理得到的热量、城市污水处理后中水的低品位热量等。如前文所分析，如果实现在半径不超过120公里的规模下的跨区域热量输送，我国北方大多数城市都可以通过大规 模集中供热系统从上述这些热源中得到 40W/m2以上的热量，这就可以满足城市供暖的基础负荷，也就是初寒期末寒期的全部负荷及最寒冷期负荷的70%以上。这可以使巨大投资的跨区域热量输送网和热电联产热源在整个供暖期长期稳定运行，保证巨大初投资的收益。严寒期热量不足部分，则由各类局部调峰热源满足需要。局部调峰热源可以采用天然气锅炉，解决严寒期短时间内对热量的巨大需求。即使天然气调峰锅炉提供冬季最大负荷时30%的热量，也仅相当于整个冬季总热量的约4%-7%，因此并不会由于天然气价格过高的增加供热成本。燃气锅炉的初投资远低于热电联产等高效热源，但运行成本远高于这些高效热源。因此用燃气锅炉调峰，解决严寒期热量的不足，而尽可能使区域热网和各类余热利用热源在整个供热季节都能满负荷投入，这应该是整体经济性最佳的方式。调峰 用天然气锅炉应该尽可能分散地设置在供热系统的二次侧，也就是与建筑直接相连的系统上。这样，可以不占用一次热网资源，不占用宝贵的热量输送管网，同时，还可以有效降低这些热源的供热参数。把天然气锅炉这些调峰热源引入到二次管网，缩短了热源到末端的距离，由此就可以大幅度改善系统的调节特性，使得出现突然变冷或突然变暖的气候时，及时调整，避免建筑过冷或过热。这些局部热源还可以大大提高供热系统的安全可靠性，使城市供暖实现双热源高可靠供暖。
对于总人口在10万左右或更少、且远离集中热网的县、镇，如果附近找不 到高能耗工业或热电厂提供余热，只能发展独立的供热热源。依照这类人口聚集区功能的不同，供暖热源方式也就不同。当这种县镇人口聚集区的主要功能是为 周边农牧林区提供经贸、文化及医疗服务时，周边一定会有大量的产粮区、林区或牧区。此时可以优先利用这些区域的秸秆、枝条、生物粪便等生物质能，通过压缩颗粒化方式把这些生物质材料转化为易于储存、利于燃烧的颗粒燃料，再通过生物质锅炉进行集中供暖。对于一些没有足够生物质资源的旅游区，冬季往往属于萧条期，建筑的空置率高。这时应该优先采用各类分散的电动热泵供暖方式，既可以快速保证要使用的房间很快达到室温要求，又可以避免大量空置房间无谓采暖造成的浪费现象。对于空气源热泵不适宜的极严寒区，可以采用燃气壁挂炉或设置在终端的电热采暖方式，实行分散式供暖。
对于人口聚集程度低于1万人的乡村，已经不适合发展集中供热方式。这时就应该根据当地的资源、环境和气候状况，因地制宜地发展各类清洁的分散供暖方式。对于产粮区、林区，必然有大量的秸秆、枝条等生物质材料产出，通过压 缩颗粒的方式将其加工成生物质颗粒燃料，是解决这类地区炊事和采暖的最好的能源。目前国内已经开发出多种型号的小型生物质颗粒燃烧器，适合于分户的炊事和采暖，实现高效和清洁的燃烧。这类生物质颗粒燃烧器可以使燃烧效率从以前散烧方式的不足20%提高到50%以上，排放烟气的清洁程度也接近于天然气燃烧的排烟。由于生物质材料为自产，颗粒加工费在100元/吨左右，每吨生物质颗粒可替代0.7吨燃煤，这样，农户承担的燃料费用不高于原来的燃煤费。当没有足够的生物质材料可利用时，可行的方式是分散的空气源热泵。2016年以来在华北地区农村开展的大规模清洁取暖工程最成功的方式就是分户或分室的空气源热泵。尤其是每个房间一套的空气源热泵热风机，可以实现快速启停，适合于目前农村这种“部分时间、部分空间”采暖方式的需求，且免维护、低故障，在北京、河南、山东一些农村深受欢迎。而采用分户的空气源热泵热水机，在室内通过热水循环依靠散热器供暖的方式，由于系统缓解多，故障率相对就高。 这种方式往往同时为一户各个房间供暖，不容易停掉部分房间，这就出现无人房间还要持续供暖的现象，造成一定的热量浪费。2016和2017年在北京郊区农村统计的结果表明，在满足采暖要求的条件下，热泵热风机整个冬季的用电量为 20-40kWh/m2，而热泵热水机为30-60kWh/m2。如果农宅采暖面积为100平米，采用热风机时的供暖用电在3000kWh/户左右。目前无补贴的农电价格为0.5元/kWh，1500元/户与原来的燃煤采暖成本大致相当。对于东北、内蒙等地一些既没有足够的生物质能，气候寒冷又不适合空气源热泵供暖的农村（这种农村实际上非常少），采用分散的电热方式是最后的保底方式。这种情况下应该高度重视建筑的保温和气密性，在改善房间保温性能上的投资可以很快从节省运行电费中回收。
西藏、青海、甘肃、宁夏等地区是我国太阳能资源最充足的地区。在这些地区发展被动式建筑，充分接收太阳能热量，利用建筑本身的蓄热性能储存白天收到的太阳能，完全可以使夜间室内温度不低于15℃。只要层高不超过三层，屋顶 及南侧接收到的太阳能就可以使整个建筑实现零能耗采暖。从降低投资、容易利 用建筑结构本体蓄热、以及便于维护等多方面看，太阳能热风方式应该是实现这些地区被动式采暖的最适宜方式。目前在川西藏区、甘南等地区已经有了一些这样的示范性项目，在常规的建筑投资标准下建成的一些学校校舍可以实现零能耗的舒适采暖。
目前在北方地区开展的这场清洁取暖大工程对改善冬季大气雾霾现象，还百姓以蓝天；对改善农民冬季居住状况，缩小城乡差别；对调整我国能源结构，减少化石能源消耗；都有重大意义，是中央提出的能源生产和消费侧革命的重大实 践。三年来在华北地区的改造工程实践在这三方面都取得良好效果。
我国不同地区在人口密集程度、气候条件、资源环境等多方面都有巨大差别，因此因地制宜、事实求是应该是清洁取暖工程应坚持的重要原则。北方地区清洁取暖唯一的普适性原则就是：要清洁和节能，房屋改造应先行。加强围护结构保温、改善房间气密性，可以在提高室内舒适性和降低采暖能耗上得到显著回报。对于城市来说，应该充分利用热电联产和工业生产释放的大量余热作为冬季集中供热方式供暖的主要热源。对于县镇和农村，则应优先发展生物质能源 和被动房，再依靠电力来补齐不足。
通过统一规划、相互协调，我国完全可以发展出全新的北方冬季采暖方式，有效改善百姓居住环境，找回冬季的蓝天。这一工程还将对我国的能源革命起到重要的引领和实践作用。
文章摘自《中国绿色建筑2019》，作者：江亿
