一、 引言
随着人们生活水平的提高，冬季取暖需求将长期存在。当前，我国北方地区清洁取暖比例低，特别是部分地区冬季大量使用散烧煤，大气污染物排放量大，迫切需要推进清洁取暖，这关系到北方地区居民温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容。
2017 年，“电代煤”和“气代煤”（以下简称“双替代”）政策的推动下，京津冀及周边地区实际完成“双替代”近 600 万户，据估算，减少散煤约 1800 万吨。其中“2+26”城市完成 475 万户（超额 17%完成任务）。但同时也应该看到大力推进“煤改气”，曾令华北地区一度出现“气荒”，一些地区冬季天然气供需缺口达到 10%-20%。一方面反映了我国对清洁供暖、改善大气环境的迫切需求，另一方面我国的清洁取暖难以依靠一两种能源来解决（能源供给与经济性压力），另外在供热管网、电网、天然气管网与调峰等基础设施方面还存着很多短板。当前情况下，发挥清洁煤、电力、天然气、地热等多种清洁能源的优势，宜煤则煤、宜气则气、宜电则电，多能互补，是我国北方地区实现清洁供暖的可行方式。
二、 北方供暖基本情况
2.1 供暖区域和时间
冬季采暖是我国北方居民的生活需求。中国供暖分界线位于北纬 33 度附近的秦岭和淮河一带，历史可追溯至上世纪 50 年代，中国在苏联援助下为城市居民安装集中供热系统。但当时的中国正面临严峻能源短缺，于是作为中国南北分界线的"秦淮线"就成为集中供暖的界限。
根据《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021 年）》，北方地区包括北京、天津、河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、山东、陕西、甘肃、宁夏、新疆、青海等 14 个省（区、市）以及河南省部分地区，涵盖了京津冀大气污染传输通道的“2+26”个重点城市（含雄安新区，下同），具体包括：北京市、天津市，河北省石家庄、唐山、廊坊、保定、沧州、衡水、邢台、邯郸市，山西省太原、阳泉、长治、晋城市，山东省济南、淄博、济宁、德州、聊城、滨州、菏泽市，河南省郑州、开封、安阳、鹤壁、新乡、焦作、濮阳市的行政区域。
（2）取暖总面积约 206 亿平方米
截至 2016 年底，我国北方地区城乡建筑取暖总面积约 206 亿平方米。其中，城镇建筑取暖面积 141亿平方米，农村建筑取暖面积 65 亿平方米。“2+26”城市城乡建筑取暖面积约 50 亿平方米。
2.2 供暖用能现以煤炭为主
（1）用能结构
根据 2016 年底数据，我国北方地区取暖使用能源以燃煤为主，燃煤取暖面积约占总取暖面积的 83%，天然气、电、地热能、生物质能、太阳能、工业余热等合计约占 17%。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，主要分布在农村地区。北方地区供热平均综合能耗约 22 千克标煤/平方米，其中，城镇约 19 千克标煤/平方米，农村约 27 千克标煤/平方米。
（2）供暖热源
在北方城镇地区，主要通过热电联产、大型区域锅炉房等集中供暖设施满足取暖需求，承担供暖面积约 70 亿平方米，集中供暖尚未覆盖的区域以燃煤小锅炉、天然气、电、可再生能源等分散供暖作为补充。城乡结合部、农村等地区则多数为分散供暖，大量使用柴灶、火炕、炉子或土暖气等供暖，少部分采用天然气、电、可再生能源供暖。
（3）热网系统
截至 2016 年底，我国城镇集中供热管网总里程达到 31.2 万公里，其中供热一级网长度约 9.6 万公里，供热二级网长度约 21.6 万公里。集中供热管网主要分布在城市，城市集中供热管网总里程约 23.3万公里，占城镇集中供热管网总里程的 74.6%，县城集中供热管网总里程约 7.9 万公里，占城镇集中供热管网总里程的 25.4%。
（4）热用户
热用户取暖系统包括室内末端设备和取暖建筑。室内末端设备主要有散热器、地面辐射、发热电缆或电热膜、空调等，以散热器为主。北方地区城镇新建建筑执行节能强制性标准比例基本达到 100%，节能建筑占城镇民用建筑面积比重超过 50%。农村取暖建筑中仅 20%采取了一定节能措施。
三、 集中清洁供暖技术经济性分析
集中供暖清洁化主要包括三个途径：一是通过热电联产等集中供热替代；二是采用优质煤+先进锅炉技术；三是使用天然气、电、生物质等清洁燃料替代燃煤。集中供暖优点有：①提高能源利用率、节约能源。②有条件安装高烟囱和烟气净化装置，便于消除烟尘，减轻大气污染，改善环境卫生。 ③减少工作人员及燃料、灰渣的运输量和散落量，降低运行费用，改善环境卫生。④易于实现科学管理，提高供热质量。
3.1 热电联产供暖
热电联产供热的燃料主要以煤炭为主，也采用天然气、燃油等燃料。采用热电联产技术，由于发电部分的固有的热力学冷源损失用作供热，从而节约了燃料，能源利用效率比单纯发电约提高一倍以上。
在适用范围方面，热电联产首先考虑的就是供热半径，热负荷是否在经济的供热半径以内，否则热网投资太大会影响热价。根据《热电联产管理办法》（发改能源[2016]617 号）的要求，以热水为供热介质的热电联产机组，供热半径一般按 20 公里考虑，供热范围内原则上不再另行规划建设抽凝热电联产机组。以蒸汽为供热介质的热电联产机组，供热半径一般按 10 公里考虑。
我们计算技术经济性取值：烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放分别按照 5mg/m3、35mg/m3、50mg/m3 （超低排放），综合能效 85%，煤价 540 元/吨。
3.2 先进燃煤工业锅炉供暖
我国自主研发的高效工业煤粉锅炉燃烧充分，技术成熟，可将工业锅炉热效率提高 20%~30%，达90%以上。采用空气分级燃烧技术，逆喷式悬浮燃烧方式可有效降低 SO2 和 NOx 的生成。目前已广泛应用于城市工业供汽和供热。煤粉锅炉较传统链条锅炉节煤 30%左右；烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放可以达到 10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3，采用布袋除尘器、低硫煤和湿法脱硫装置或活性半焦吸附技术，应用低过量空气系数、空气分级燃烧技术等使 NOx≤200mg/m3，再应用 SCR 或 SNCR，达到超低排放标准。
在适用范围方面，煤粉锅炉系统对燃料煤粉有一定要求，煤种以褐煤、长焰煤为主，而且要求煤质比较稳定。
我们计算技术经济性取值：能效 90%，煤价 800 元/吨(优质煤)。
3.4 地热供暖（热泵技术）
采用热泵技术取暖，可以把热量从低温传送到高温，包括水源热泵、地源热泵以及空气源热泵。如果其冷端通过管道埋植于水中，称之为水源热泵；若冷端通过管道埋植于土壤中，称之为地源热泵。水源热泵、地源热泵目前主要应用在北方冬季寒冷的地区。
这里以水源热泵进行计算。消耗的电能来自超低排放的燃煤发电，其烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放分别按照 5mg/m3、35mg/m3、50mg/m3，能耗按照 309kgce/kWh 计算。按照 COP 值（制热量与输入能量比值）为 5 计算，电价按照 0.5 元/kWh 计算。
3.5 集中供暖技术经济性对比
清洁燃煤和清洁能源取暖均有污染物排放，但排放环节和排放量不同，燃煤、燃气取暖等污染物排放发生在取暖过程；电取暖、热泵取暖（空气源、地源、水源）、太阳能取暖等污染物排放发生在取暖前的电力生产过程。采用全生命周期方法科学、全面评价不同取暖方式节能环保效果。
以普通燃煤锅炉为基准，传统燃煤工业锅炉以层燃式链条炉为主，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放分别按照 50mg/m3、300mg/m3、300mg/m3（锅炉大气污染物排放标准 GB13271），能效按照 60%计算，煤价按照 540 元/吨计算。
从能耗来看，地热供暖最低，天然气锅炉、先进燃煤锅炉、热电联产相当，传统燃煤锅炉最高；从污染物排放来看，地热供暖、天然气锅炉、先进燃煤锅炉、热电联产基本相当，传统燃煤锅炉最高；从经济性来看，地热供暖、先进燃煤锅炉、热电联产运行成本基本相当，天然气锅炉最高。
四、 分散清洁供暖技术经济性分析
在农村地区和城市集中供暖覆盖不到的部分区域，以分散供暖为主。传统燃煤炉具取暖污染较为严重，可以用优质煤+先进炉具、电取暖、天然气取暖和热泵等技术来替代。
4.1 优质煤+先进燃煤炉具取暖
采用优质煤配先进燃煤取暖炉具可以实现清洁取暖。《商品煤质量管理暂行办法》规定京津冀及周边地区、长三角、珠三角限制销售和使用灰分（Ad）≥16%、硫分（St,d）≥1%的散煤。北京、天津等地方也制定了煤炭质量相关标准来规范煤炭的使用。其中北京市制定了《低硫煤及制品》（DB11/097-2014）；天津制定了《工业和民用煤质量》地方标准；河北制定了《洁净型煤》（DB13/1055-2009）和《工业和民用燃料煤》（DB13/2081-2014）。以上标准对民用及工业动力等用途的煤炭产品进行了规定。
根据第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册和《民用水暖煤炉通用技术条件》2016 年报批稿，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放分别按照 50mg/m3、100mg/m3、150mg/m3，能效按照 70%计算，吨煤价格 1000 元。
4.5 分散清洁供暖技术经济性对比
以传统燃煤炉具取暖作为清洁采暖的基准，根据第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册和《民用水暖煤炉通用技术条件》2016 年报批稿，传统燃煤炉烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放分别按照 400mg/m3、350mg/m3、300mg/m3，能效 40%，吨煤价格 600 元。按照典型民宅（100m2）的采暖热负荷指标 23.5W/m2，全年供暖季累积热负荷为 29GJ。设备成本按照十年折旧均摊到每年。 从能耗来看，燃气炉、南方地区空气源热泵、先进燃煤炉比较低，电采暖、普通炉、北方地区空气源热泵比较高；从污染物排放来看，普通炉最高，先进燃煤炉次之，燃气炉、空气源热泵、电采暖较低；从燃料成本方面，电采暖最高，空气源热泵、燃气炉较高，先进燃煤炉最低；从费用年值来看（考虑设备），空气源热泵最高，电采暖次之，先进燃煤炉最低。
六、 清洁供暖能源结构预测
6.1 2017 年清洁供暖任务超额完成
2017 年，“电代煤”和“气代煤”政策的推动下，京津冀及周边地区实际完成“双替代”（“气代煤”和“电代煤”）近 600 万户，据估算，减少散煤约 1800 万吨。其中“2+26”城市完成 475 万户（超额 17%完成任务），建成约 1 万平方公里的“散煤禁燃区”，农村清洁取暖破题。从减煤途径来看，以“气代煤”为主，占比近七成，“气代煤”主要分布在河北；“电代煤”总体规模占比不足 30%，主要分布在北京、天津和河南。
2017 年，京津冀及周边地区实际淘汰 10 万余台燃煤小锅炉。其中，“2+26”城市淘汰 4.4 万台，淘汰小煤炉等散煤燃烧设施 10 万多个。
根据环保部公报，2017 年全国平均 PM2.5 浓度同比下降 6.5%，其中 74 个城市及京津冀、长三角和珠三角地区 PM2.5 平均浓度分别下降 6%、9.9%、4.3%、6.2%。
6.2 从经济承受力来看，没有补贴，“双替代”成本高
从农村居民经济可承受能力来看，在没有政府补贴的情况下，可以承受清洁煤+先进炉具的方案。政府推动的“双替代”是以大量补贴推动的。地方财政负担较重，未来随着新项目的推进，以及原有项目的运营维护仍需大量投入，部分地方政府进退两难，另外还要承担温暖过冬的保障压力。以北京“煤改电”为例，每户每年 10000 度电补贴指标，每度电补 0.2 元，如按此补贴强度推广到所有北方地区，光运行费用就需要每年 2000-3000 亿补贴，这还没考虑巨额初投资。
从用户角度来看，由于政府采取“先用后补”的补贴方式，用户担心补贴不到位、运行费用高，不敢敞开用，导致 2017-2018 年采暖期家庭供暖温度普遍偏低。
6.3 从能源供应来看，天然气缺口大，峰谷差加大
2017 年中国天然气进口储存度近 40%，地下储气库工作能力占 3.4%。LNG 接收站储罐均是正常运营储罐，可供调峰使用的容量很小。干线管道管存气只有在应急状况下可动用，不具备调峰能力。“气代煤”新增加大量的天然气需求，从季节上又集中在冬季，对我国的天然气保障能力是巨大的挑战。华北地区天然气季节峰谷比已达到 3.5，应急储备仅 1 亿立方米，还不够该地区冬季平均四分之一天的消费量。2017 年“气荒”之后，重点区域“气代煤”项目规划和推进趋于理性，目前一些地区已经转向更多采用“电代煤”取暖。
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