北京市主要供熱方式碳排放及經(jīng)濟性分析

文_孫干 北京節(jié)能環(huán)保中心

1 背景

2020年9月，中國在第75屆聯(lián)合國大會提出2030年前碳達峰、2060年前碳中和目標。碳排放問題的根源是化石能源的大量使用，治本之策是轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式，加快推進可再生能源替代，實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。北京市燃氣鍋爐房供熱占全市城市供熱面積的69.2%，在新的形勢下，為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”，應(yīng)加快供熱方式轉(zhuǎn)型，大力推廣熱泵系統(tǒng)替代燃氣鍋爐供熱。本文對燃氣鍋爐、地源熱泵等六種供熱方式的熱效率、碳排放量進行定量對比分析，并綜合測算各供熱方式的經(jīng)濟性，提出熱泵替代燃氣鍋爐的建議。

2 北京市主要供暖方式介紹

北京冬季供熱主要以天然氣為主，天然氣供熱方式包括熱電聯(lián)產(chǎn)供熱、燃氣鍋爐供熱和燃氣壁掛爐供熱。截至2020年底，城鎮(zhèn)地區(qū)供熱面積共計8.95億m2，其中熱電聯(lián)產(chǎn)供熱面積23660萬m2，燃氣供熱（含壁掛爐）供熱面積61474萬m2。天然氣供熱較為清潔，但燃燒過程中會產(chǎn)生4.28kgCO2/Nm3排放，全市燃氣鍋爐供熱碳排放總量達2033萬t，占全市碳排放總量的16%。

北京市可再生能源供熱近幾年快速發(fā)展，主要包括空氣源熱泵、地源熱泵、再生水熱泵和中深層地?zé)岬裙岱绞剑渲谐擎?zhèn)地區(qū)可再生能源供熱面積達到3500萬m2，農(nóng)村地區(qū)88萬戶實施了煤改電，主要為空氣源熱泵和地源熱泵。熱泵是一種利用空氣能或地?zé)崮茏鳛槔錈嵩?，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖制冷空調(diào)系統(tǒng)，熱泵供熱比電鍋爐供熱節(jié)能高效，沒有污染物,排放更加環(huán)保。

3 天然氣供熱分析

3.1 熱效率分析

天然氣鍋爐房供熱系統(tǒng)熱效率包括燃氣鍋爐熱效率和熱網(wǎng)管道輸送熱效率。《工業(yè)鍋爐能效限定值及能效等級》(GB 24500-2020)規(guī)定，1級能效等級的燃氣鍋爐熱效率不低于96%，2級能效等級的燃氣鍋爐熱效率不低于94%。《城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)評價標準》(GB/T 50627-2010)規(guī)定，室外供熱管網(wǎng)輸送效率取值0.95，綜合計算,燃氣鍋爐房供熱系統(tǒng)整體熱效率不小于89.3%。

天然氣壁掛爐供熱系統(tǒng)熱效率主要為燃氣采暖爐熱效率，《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐能效限定值及能效等級》(GB20665-2015)規(guī)定：1級能效等級的燃氣采暖爐熱效率不低于95%，2級能效等級的燃氣采暖爐熱效率不低于85%，節(jié)能評價值要求能效等級達到2級。

3.2 二氧化碳排放量分析

《二氧化碳排放核算和報告要求 熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)》（DB11/T1784-020）規(guī)定，天然氣的二氧化碳排放系數(shù)為4.28kgCO2/Nm3。北京地區(qū)采暖季燃氣鍋爐供熱耗氣量約9Nm3/m2左右，計算得出二氧化碳排放量為38.5kgCO2/(a·m2)。

3.3 經(jīng)濟性分析

經(jīng)濟性分析主要考慮供熱系統(tǒng)初投資、運行維護費用和燃料費用。初投資采用費用年值法進行年化分攤，運行維護費用按照初投資的4%選取。由于天然氣壁掛爐是用戶自采暖設(shè)備，運行維護費用忽略不計。燃料費用根據(jù)供熱規(guī)模及天然氣氣價確定，由于建筑面積和圍護結(jié)構(gòu)不同，建筑熱負荷相差大，燃氣鍋爐供熱耗氣量也相差較大，耗氣量在7～11Nm3/m2范圍之間。

北京市2020年11月15日～2021年3月15日采暖季天然氣供暖價格標準為城六區(qū)2.78元/m3，其他區(qū)域2.54元/m3，居民戶壁掛爐采暖用氣價格第一檔為2.61元/m3，非居民戶壁掛爐采暖用氣價格第一檔為2.63元/m3，北京市居民供暖天然氣鍋爐補貼標準為7.67元/m2，天然氣分戶采暖（即天然氣壁掛爐）居民采暖用氣補貼為0.73元/m3。按平均耗氣量9Nm3/（a·m2）進行計算，天然氣供熱運行成本在28.41～31.67元/m2之間，天然氣供熱經(jīng)濟性分析結(jié)果如表1所示。

表1 天然氣供熱系統(tǒng)熱效率

4 熱泵供熱分析

4.1 熱效率分析

熱泵熱效率是熱泵系統(tǒng)制熱量與制熱時輸入功率的比值，是衡量熱泵系統(tǒng)能效水平的重要指標。熱泵系統(tǒng)的效率除了受熱泵機組、循環(huán)水泵自身效率的影響外，不同氣候特征、土壤熱物性、建筑負荷特性的差異也會對熱泵效率產(chǎn)生很大影響。根據(jù)北京實際工程項目監(jiān)測情況，空氣源熱泵系統(tǒng)熱效率2.0左右、地源熱泵系統(tǒng)熱效率3.0左右、再生水源熱泵系統(tǒng)熱效率3.5左右、中深層地?zé)嵯到y(tǒng)熱效率5.0左右。

4.2 二氧化碳排放分析

《二氧化碳排放核算和報告要求熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)》（DB11/T1784-2020）規(guī)定，電網(wǎng)供電排放因子為0.604tCO2/MWh，如按單位面積采暖季熱負荷100kWh/m2計算，空氣源熱泵碳排放量為30.2kgCO2/m2，地源熱泵碳排放量為20.1kgCO2/m2，再生水源熱泵碳排放量為17.3kgCO2/m2，中深層地?zé)崽寂欧帕繛?2.1kgCO2/m2。與天然氣供熱相比，分別減少碳排放21.6%、47.8%、55.1%、68.6%。如采用綠色電力+熱泵的供熱模式，則實現(xiàn)零碳排放。

4.3 經(jīng)濟性分析

熱泵供熱系統(tǒng)年綜合運行成本由系統(tǒng)年初始投資、年運行維護費用和采暖年電費三部分組成，初投資采用費用年值法進行年化分攤，運行維護費用取初投資的4%。

北京市居民自供暖用電價格0.48元/kWh，工商業(yè)供暖電價1.0元/kWh。北京市對地源熱泵及再生水源熱泵系統(tǒng)項目給予30%的資金支持，對中深層地?zé)峁┡到y(tǒng)給予50%資金支持。熱泵系統(tǒng)供熱經(jīng)濟性分析結(jié)果如表2所示。

表2 熱泵系統(tǒng)供熱經(jīng)濟性計算結(jié)果

5 對比分析

對六種方式的其他區(qū)域居民供熱進行綜合對比分析，熱泵供熱系統(tǒng)投資成本較高，空氣源熱泵運行費用高于燃氣鍋爐，其他熱泵運行費用均低于燃氣鍋爐。熱泵供熱綜合運行成本均高于燃氣供熱，即使享受政策補貼，其成本仍比燃氣供熱成本高。熱泵供熱碳排放量均低于燃氣鍋爐，環(huán)境效益明顯。具體對比數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同供熱方式的熱效率、碳排放及經(jīng)濟性對比分析

6 結(jié)論

通過對同一供熱基準下各種供熱方式的系統(tǒng)熱效率、二氧化碳排放量以及經(jīng)濟性分析，可以得出如下結(jié)果：

①天然氣供熱碳排放量為38.5kgCO2/(a·m2)，熱泵供熱比天然氣供熱碳排放量可下降21.6%～68.6%，熱泵供熱減碳效果顯著，環(huán)境效益顯著。

②熱泵供熱的初投資和綜合運行成本均高于天然氣供熱，空氣源熱泵運行成本超過居民供暖30元/m2的收費標準，居民采用空氣源熱泵采暖，需給予優(yōu)惠電價或補貼資金支持。

③中深層地?zé)峁崮苄Ц?，綜合運行成本低，適用范圍廣，市場潛力大，應(yīng)大力推廣中深層地?zé)峁┡?/p>