關于北方城市工業余熱供熱的調研與探討

趙宇通 王春林

摘 要：本文針對我國北方城市工業余熱供熱及清潔取暖資源的調研內容進行論述，形成針對城市及周邊低碳供熱資源的調研思路。通過調研各類統計資料，形成了低碳供熱資料，包括電廠余熱、工業余熱、風電資源、生物質資源、污水余熱、城鎮垃圾等熱源形式的北方城市低碳能源供熱能力的調研清單。針對北方城市及周邊的低碳及清潔能源資源，給出工業余熱作為能源供熱的調研方法和建議。為城市利用工業余熱供熱提供基礎規劃資料，從而探究北方低碳供熱的發展方向。

關鍵詞：工業余熱；低碳供熱；清潔能源；調研方法

中圖分類號：TU833；TK11+5? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2024）04-0016-05

2020年以來，我國提出了“碳達峰”和“碳中和”（雙碳）的目標，如何從目前以化石能源為主的能源結構轉向為低碳甚至是零碳能源結構是這一政策能否實現的關鍵。應推動能源清潔低碳安全高效利用，深入推進工業、建筑、交通等領域低碳轉型[1]。目前能源結構革新是我國各行業非常重要的一個工作目標，而供熱系統作為城市能源系統中非常重要的一個環節卻時常被忽視，往往人們更為關注的是節電、節氣、節水。根據相關專家的研究，城市級的供暖的能耗和碳耗可以占到我國全部建筑運行維護能耗和碳耗的1/4以上。城市供熱的目的是為人民提供舒適的生活和工作環境，降低建筑能耗和碳耗不能以犧牲人們的環境舒適性為代價，對于供熱系統如何實現低碳甚至是零碳供熱，目前的方法主要是“節流”，即降低建筑物本身的能源消耗：采用傳熱系數較小的墻體材料和結構，降低建筑自身向外界的傳熱量；使用密封性較強的門窗，使室內外空氣通過門窗縫隙交換的能力大大降低；不同地方設立不同的建筑節能標準等措施。目前“節流”這個手段已經取得較好的效果，工藝技術也比較成熟，但若想進一步降低能耗和碳耗已經很難得到很大的進展。今后我國城市供熱系統的熱源結構和熱源效率優化是從“開源”的角度來降低建筑能耗碳耗的，低碳能源供暖就是優化熱源的有效模式。

近年來北方城鎮集中供熱面積快速增加，對于北方城市供熱來說，工業余熱作為清潔、低碳的供暖熱源，成為一個城市降碳的重要舉措和可行方式。我國2020年總能耗折合49.8億tce，工業能耗占65%，其中70%以上用于冶金、化工、水泥、燃料等生產行業，這些行業能源綜合利用效率不足50%[2]，余熱回收潛力巨大。我國北方城鎮集中供熱仍以燃煤和燃氣為主，截至2020年底工業余熱集中供熱面積占比僅為1.2%[3]。未來工業余熱可以占到北方城鎮供暖的20%以上，研究發展工業余熱是我國城市能源結構革新的非常重要的環節。

本文就工業余熱及低碳能源調研給出了調研的思路和方式方法，以期為北方城市工業余熱調研工作提供參考。

1 工業余熱調研目的

結合我國工業大國的基本國情，我國各類工業余熱資源豐富，且我國城鎮的集中供熱管網覆蓋率高，未來應發展以工業余熱為主的低碳清潔供熱技術。工業余熱供熱調研是為了工業余熱等清潔能源作為供熱熱源積累前期數據并且作為北方城市未來供熱規劃的基礎數據。城市級供暖系統的建設和設計若采用工業余熱等低碳清潔能源作為熱源，需要在城市供熱規劃和設計前摸清整個城市及周邊可采用的工業余熱，而工業余熱作為供熱熱源是近些年采用的新技術，各個城市普遍無相關資料和數據，并且各個城市的工業產業也在不停地隨著行業發展而變化，工業余熱的數據和資料每個時期變化很大。目前我國北方地區對于工業余熱等低碳清潔熱源的供熱數據較為欠缺，缺少各個城市的工業余熱作為熱源供熱的相關調研工作，北方地區城市缺少較為全面和系統的工業余熱調研思路和方法。故而，在“雙碳”政策背景下北方城市急需盡快進行工業余熱供熱的調研工作，也是實現低碳供熱需長期進行的工作，對于我國能源結構有著重要的意義。

2 工業余熱調查內容及調研任務

2.1 調研內容

工業余熱調研從城市層面，圍繞供熱系統和清潔能源資源展開，城市及周邊資源如圖1所示，主要調研內容包括城市及周邊城鎮的工業余熱及其他低碳清潔資源和城市供暖系統現狀。

2.1.1 調研思路

為了對城市進行工業余熱低碳清能源規劃，首先需要了解城市既有供熱系統的現狀，通過對既有供熱系統的調研，分別從熱源、輸配、末端上了解目前城市供熱運行存在的問題，并逐一給出解決思路。其中，為了解決上述問題，需要對城市的可行熱源進行調研。除了工業余熱資源外，熱電聯產、風電資源等低碳清潔熱源都是調研的范疇。通過合理組合分配熱源，可以實現較大比例的工業余熱和低碳清潔熱源供暖，避免“一刀切”式的煤改氣或者頻繁使用低效高污染的散煤鍋爐。與此同時，調研也需要對城市發展情況進行調研，以便進行未來供熱規劃。這樣，分別從熱量供給側和需求側進行調研規劃，實現工業余熱低碳清潔供熱。此外，在進行城市調研的同時，也需要對城市周邊的縣鎮進行相同內容的調研，調研思路如圖2所示。從宏觀層面完成對工業余熱熱源資源的部署，促進城市和周邊城鎮低碳清潔供熱協調發展。

因此，工業余熱調研有以下幾項核心任務：

（1）城市供熱系統現狀調研及問題總結。

（2）城市周邊現狀熱源及其他清潔熱源資源調研。

（3）城市發展現狀調研及未來規劃。

（4）城市周邊縣鎮供熱現狀及供熱資源調研。

（5）工業余熱低碳清潔供熱技術路線規劃。

圍繞上述核心任務，調研小組需要分別進行細致的調研和分析任務。

2.2 調研具體任務

工業余熱調研以發現現有供熱系統存在的問題和為城市設計工業余熱及低碳清潔取暖發展路線為核心目標。在工業余熱調研中，以一個城市和周邊的縣鎮為單位進行調研。需要完成詳細數據調研清單。考慮到具體城市的情況，在實際調研的過程中不局限于僅滿足此章節描述的調研任務要求，需多從實際角度出發思考存在的問題和需要調研的資料，更好地實現調研目標。

2.2.1 城市供熱系統現狀調研

通常來看供熱系統運行現狀的數據主要從各個城市的熱力公司獲得，城市住建委相關供熱管理部門也會有部分數據統計。如果一個城市存在較多的熱力公司，則以最主要的熱力公司為重點調研對象，其他小型熱力公司只調研熱源容量、供熱面積、熱網情況這些基本信息。可以和當地城市的供熱管理部門了解城市整體供熱情況（如熱力公司個數，各自規模，熱網等），再選取最大的熱力公司進行重點調研。

在調研供熱系統運行數據時一般需要調研歷史三年的數據，時間間隔為一天或者一小時。但調研小組可以視實際情況決定。如果運行系統無自動監控系統且歷史數據獲取比較麻煩則可以僅獲取歷時一年的數據。

（1）熱源系統現狀：包括并不限于熱源位置，規模，熱源工作流程，供熱面積，熱源運行供熱量、能耗，熱源出口運行數據（溫度、流量）；對于熱源為熱電聯產的單位，除上述資料外，還需要調研熱電聯產機組裝機容量，年度發電量，供熱量，煤耗，發電滿小時數，汽輪機熱平衡圖。

（2）輸配系統運行現狀：包括并不限于一次網運行數據（溫度、流量、壓力），一次管網圖紙，一次管網總長度，一次網所帶總面積，歷史三年一次網運行電耗，水耗：根據熱源的位置和一次網水泵的位置確定，公司統計。歷史三年一次網運行數據（溫度、流量、壓力）：如果為單一熱源，則可能與上一節熱源出口數據重合。是否存在蒸汽管網，蒸汽管網長度。各熱力站位置和負責供熱面積，熱力站類型，歷史三年熱力站熱耗、電耗、水耗：最好根據各個站分別給出。歷史三年熱力站運行數據（溫度、流量、壓力）：對于有自控系統的熱力站，建議全面獲取數據。對于無自控系統的熱力站，可以選取典型站獲取。

（3）末端建筑情況：城市保溫改造進度、節能建筑與非節能建筑的面積和分布情況、末端建筑采暖形式、散熱器供暖和地暖供暖各自面積。

（4）運行管理機制：包括并不限于熱力公司運行調節方法，居民、公建供熱價格和熱網建設費，熱源購熱價格，熱力站電價、水價。

（5）調研內容總結：通過關鍵指標的計算，總結調研內容。這里提供一些調研中需要計算的關鍵指標。但實際指標可能不止于下表，根據各個調研的實際情況靈活分析。

2.2.2 城市周邊工業余熱資源調研

在進行工業余熱資源調研時，注意多參照相關研究和文獻中對工業余熱資源利用的陳述，結合調研的產量和流程結果計算供熱利用潛力。包括有余熱回收潛力的高能耗工業企業包括但不限于：鋼鐵企業、煉銅企業、水泥企業煉油廠、燒堿廠，需要收集工藝流程圖、每項工藝對應產量、各工藝溫度概況和余熱回收潛力、是否已進行相關改造等。

我國城市及周邊的工業資源豐富，與之帶來的工業能耗也十分巨大，2020年底我國工業各行業能耗達到32.27億tce，如圖3所示各工業行業能耗情況[4]。目前可以采用技術比較成熟的工業余熱資源有以下五種：黑色金屬冶煉（主要為鋼鐵）、有色金屬冶煉（主要為銅、鋁）、化工業（制酸、合成氨、電石、甲醇、氯堿）、石油煤炭及其他燃料加工（主要為石油化工）和其他行業（主要為水泥熟料制造）[5]，調研內容主要圍繞著這五種工業資源來進行。其他工業余熱資源由于成本、技術等原因還不能大規模回收利用，不做考慮和論述。

2.2.3 城市周邊其他低碳清潔熱源資源調研

在進行城市周邊其他低碳清潔熱源資源調研時，注意多參照相關研究和文獻中對低碳清潔熱源資源利用的陳述，結合調研的產量和流程結果計算供熱利用潛力。包括的資源如下：

（1）風電資源：機組位置、裝機容量、發電小時數、逐月發電量、上網電量等。

（2）生物質資源：主要農作物種類、周邊農作物秸稈產量、剩余可回收秸稈量等。

（3）垃圾和污水資源：城市主要垃圾和污水處理廠位置、處理能力、處理工藝、有無熱量回收潛力等[6]。

（4）太陽能資源及水利資源：機組位置、機組裝機容量、發電小時數、逐月發電量、上網電量等。

調研時注意了解這些低碳清潔熱源資源是否已進行了供熱相關的改造，或者是否有改造的計劃。

2.2.4 城市發展現狀調研及未來規劃

在調研中規定現狀為調研時間上一年年底統計的數據。進行規劃時根據各地規劃年限確定。

（1）發展現狀：城市行政規劃、各區人口、用地面積、建筑面積，城市主導產業等。并計算現狀人均建筑面積。

（2）未來發展規劃：是否有城市整體的發展規劃，對未來人口和面積的估計，未來城市工業企業發展情況，是否有遷入或者遷出的工業企業等。

2.2.5 城市周邊縣鎮供熱現狀及供熱資源調研

（1）縣鎮基本信息：人口、用地面積、建筑面積等。

（2）縣鎮供熱現狀：按照上文2.2.1所述進行調研。

縣鎮周邊工業余熱資源和其他低碳清潔熱源資源調研：按照上文2.2.2和2.2.3所述進行調研，注意考慮與城市的重合部分。

2.2.6 工業余熱及低碳清潔供熱技術路線規劃

（1）總結城市和縣鎮供熱系統存在的問題，分別提出解決技術路線，降低供熱系統能源消耗，提升供熱質量。

（2）根據城市發展現狀和未來的規劃，預測城市和縣鎮供熱負荷需求。

（3）根據調研結果，設計工業余熱及其他低碳清潔能源的利用方案，提升現有優質熱源供熱能力，開發周邊可行的工業余熱及低碳清潔熱源利用，綜合考慮城市和周邊縣鎮的協調發展。

（4）根據熱源方案，同時設計配套的管網和運行調節技術。

3 工業余熱調研方法

由于工業余熱調研的數據量龐大，涉及部門和單位較多，這里對調研方法和時間安排給出建議。當然，調研小組需根據實際工作時應靈活協調，根據實際情況制定調研計劃。調研示意圖4所示：

3.1 調研涉及部門和單位

（1）城市發改委及工業企業管理部門及各類清潔資源管理部門：對當地工業企業進行管理，不同類型資源可能歸不同部門管理。

（2）城市住建委供熱管理部門：負責管理整個城市供熱事務，協調熱力公司與用戶的需求。

（3）具體工業企業。

（4）城市熱力公司：直接負責供熱，可能會有多個分公司或者分所，可能有多個熱源和熱網運行情況出現。

（5）熱電廠、工廠：很多城市熱源和熱力公司獨立運行，熱源將熱量銷售給熱力公司。

（6）周邊縣鎮供熱管理部門和熱力公司。

3.2 調研方法建議

在調研的過程中首先通過城市住建委和發改委等相關管理部門了解城市的宏觀供熱和發展情況完成城市發展現狀調研及未來規劃調研任務。再聯絡各個熱力公司，如果一個城市有多個熱力公司，則可以根據調研時間精力選擇最大最具代表性的熱力公司進行細致供熱現狀調研，其余熱力公司粗略調研現狀。

對熱力公司調研的同時，可以根據當地熱源情況，針對周邊有供熱資源的熱源單位（電廠、工業企業），對工藝流程進行細致調研，分析計算供熱潛力。對于生物質、垃圾污水這樣的資源，以走訪和問卷調研的形式獲取信息。同時，對當地企業的發電情況，耗電量情況進行調研，方便后面進行整體能源規劃[7]。

針對工業余熱及其他低碳清潔資源調研時，首先根據相應城市的統計年鑒獲得該城市該生產工藝或其他環節的生產總量，結合工程案例和文獻相關工藝環節回收余熱的估算方法獲得可回收余熱量，如下式所述。

某城市工業余熱回收量

在城市調研后，對周邊縣鎮供熱情況進行調研，設計問卷填寫的方式完成調研任務。尤其對于縣鎮和城市有共用熱源的情況，一定要做到細致調研，合理統籌規劃城市和縣鎮發展。因此，在調研前，建議先對各縣鎮的基本情況有所了解。根據工作精力選擇重點縣鎮細致調研。

在一個城市或地區調研結束后，需要對調研數據進行匯總，進行科學整理，統一數據及整理格式，方便日后數據的綜合分析和方案設計。

4 結論和展望

工業余熱作為熱源供熱是我國實現“雙碳”政策的有效手段和行動路線，工業余熱供熱的大范圍應用的前提就是對于城市及周邊的充分且有效的調研。本文對于工業余熱調研的內容清單、調研方法等內容進行了闡述，這些內容是根據多次項目的實際、實地調研總結歸納出來的，通過本文闡述的調研內容和方法進行了多個北方城市工業余熱調研，并且得到了相關城市工業余熱及低碳清潔供熱規劃中的大量基礎數據，對于今后北方城市的工業余熱利用有著很大的參考意義。

參考文獻：

〔1〕中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要[N].人民日報，2021-03-13（001）.

〔2〕趙國明.工業余熱、廢熱在集中供熱中的應用[C]//中國市政工程華北設計研究總院有限公司，中國建設科技集團股份有限公司.2021供熱工程建設與高效運行研討會論文集.煤氣與熱力，2021：3.

〔3〕清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2023（城市能源系統專題）[M].北京：中國建筑工業出版社，2023.58，59.

〔4〕國家統計局能源統計司.中國能源統計年鑒2021[M].北京：中國統計出版社，2022.60-65.

〔5〕夏建軍.流程工業余熱資源及利用[J].可持續發展經濟導刊，2022，20（04）：30-31.

〔6〕鄭雯，夏建軍，左河濤，等.北方地區清潔熱源與熱負荷調研[J].區域供熱，2019，9（01）：26-35+53.

〔7〕王東，左河濤，方豪，等.清潔供熱規劃關鍵問題的思考[J].建筑節能，2020，48（09）：51-54.