2017年以來，中國的清潔供暖政策顯著改善了空氣質量。然而，非化石能源在中國城市區域供熱系統中的份額仍然較低，且許多新的燃煤熱電聯產電廠正在建設中。中國要在 2030 年達到碳達峰，并在 2060 年實現碳中和，就必須對區域供熱技術做出戰略性選擇。本研究發現，用新的和改進的燃煤熱電聯產電廠取代污染煤炭技術將導致大量的碳鎖定，并阻礙相關燃煤發電機組的退役。擴大使用工業余熱和空氣/地源熱泵，可以避免新建熱電聯產項目，并從2020年到2030年減少26%的碳排放。研究結果表明，政府最近提出的區域供熱脫碳的建議非常重要。

研究基于《全球燃煤電廠追蹤》（2023年6月），《全球鋼廠追蹤》（2022年3月），最近的同行評審文獻、行業報告和中國城市基礎設施統計年鑒等數據來源編制了中國燃煤電廠、鋼鐵廠、化工廠、核電廠和城市集中供熱系統的基礎設施數據庫。基礎設施數據庫包含約 1,000 座燃煤電廠、約 170 座鋼鐵廠、約 150 座化工廠和兩座核電廠。該數據庫利用2020年中國城市基礎設施數據，統計了中國北方15個省份約300個城市（包括地級市和縣級市城區）的位置、集中供熱能力和集中供熱需求。研究還從《中國城市基礎設施統計年鑒》中收集了2020年城市層面的城市固體廢物（MSW）量和廢水處理量數據。

使用各區域供熱技術的特定排放因子來計算碳排放量。燃燒供熱技術的二氧化碳排放因子來源于之前的研究（見原文補充注釋 3 以及補充表 4 和 5）。對于基于電網的電力技術，研究利用國際能源署（IEA）既定政策和可持續發展情景中的數據以及擬定的省級可再生能源組合目標來估算 2020 年和 2030 年基于電網的電力碳強度（見原文補充表 6）。

根據單位容量 （C）、容量系數 (CF)、當地供暖天數 (HD) 和最大熱電比 (HtPR) 計算區域供熱潛力DHPP，如公式 (1)。

對于燃煤電廠，根據發電量和電力循環效率（η）使用公式（2）估算冷凝器中的可回收廢熱量（RWH）。冷凝器中包含的總能量輸入的百分比表示為α（見原文補充表9）。同時，本研究使用大型電熱泵技術的性能系數 (COP) 估算區域供熱潛力，如公式 (3) 所示。

工廠（包括燃煤電廠、鋼鐵廠、化工廠、核電站）產生的熱量需要通過長距離管道輸送到城市。研究提出了從工廠到城市建設新供熱輸送管道的可能方案，都基于固定費用運輸問題（FCTP）的優化算法，如公式（4）-（6）所示。

區域供熱技術在第 t 年的單位熱量年度化總成本（ATC）可以用公式（7）計算：

其中I表示初始投資成本（見原文補充表11），AF表示年金系數。本研究中將折扣率定為7%。

（1）常規情景（BAU）：假設燃煤電廠在其 2019 年容量因子下運行，直到其 30 年歷史壽命結束，以及中國總發電量中非化石能源的占比將從 2020 年的35%增加到2030年的45%。

（2）加速電力行業脫碳情景：假設相同的電廠繼續運行，但它們的容量因子在 2020 年至 2030 年期間降低 18%，以及中國總發電量中非化石能源的占比將在 2030 年增加到 67%。

為了代表2030年非化石供熱技術與現有和新建熱電聯產部署的不同滲透水平，研究構建了三個區域供熱投資情景，包括高煤、中煤和低煤（表1）。首先假設在高/中/低碳情景中，2030 年將使用20%/50%/80%的當地可用低碳供熱資源（城市污水處理、廢水處理、生物質能）。然而，在大多數城市，這些資源只能滿足一小部分（通常小于10%）的供熱需求。因此，需探索利用現有的煤炭熱電聯產資源和工業余熱來滿足剩余需求。在高煤方案中，工業余熱未被考慮在內。所有三個情景都假設對現有燃煤電廠的現有熱電聯產資源進行優化利用。

研究評估了15種區域供熱技術的二氧化碳排放、成本和可用性，包括5種化石燃料技術和10種非化石技術（圖1），得到以下結果：

• 目前廣泛使用的煤基技術，即燃煤鍋爐和熱電聯產抽汽技術，成本低但二氧化碳排放高；

• 改進的燃煤熱電聯產技術與當前的煤基技術相比，成本和排放都大幅降低；

• 用非化石替代技術取代煤基技術面臨資源有限和成本較高的挑戰；

• 利用大型基于電網的電熱泵從鋼鐵廠回收余熱技術在2020年的成本與當前煤基技術相當，但排放大幅降低。隨著電網脫碳，排放還可能進一步降低；

• 空氣/地源熱泵運營成本與燃煤鍋爐相似，但資本成本較高。

碳排放

在高煤情景下，區域供熱的總碳排放量在2030年將比2020年增加11%，但在中煤和低煤情景下將分別減少2%和26%（圖2b）。

成本

在高煤和中煤情景下，單位熱量的總供熱成本在2020年至2030年期間將下降，而在低煤情景下供熱成本將上升。對于低煤情景，本研究估計在2020年至2030年期間需要約1萬億人民幣（約1400億美元）的總資本投資來實現低碳區域供熱技術的實施。因此，當前和預計的2030年碳價格仍然不足以實現近期清潔供熱政策提案的全面實施。

新燃煤熱電聯產投資的碳鎖定風險

新的燃煤熱電聯產廠將導致中國大多數北方城市在2020年至2030年期間的總碳排放量增加，這些電廠可能會鎖定對煤炭的依賴，并在幾十年內持續產生排放，阻礙向替代的低碳供熱技術的過渡以及中國2060年碳中和目標的實現。

熱電聯產廠運行對碳鎖定的影響

現有和新建熱電聯產電廠將在2020年至2060年期間累計鎖定約19000太瓦時的燃煤發電量，并產生近30億噸的排放。最有效的減少碳鎖定的方法是避免新建熱電聯產廠并利用非化石替代方案。

新熱電聯產廠可以通過改進現有燃煤電廠的熱電聯產資源利用以及其他非化石選項來替代。對于新投產的熱電聯產廠，采用改進的熱電聯產技術并規劃提前退役（或碳捕集改造）對于最小化未來排放將非常重要。

研究發現，中國城市區域供熱系統中，以新建和改進的燃煤熱電聯產廠替代污染煤炭技術會導致大量的碳鎖定，而擴大工業余熱和空氣/地源熱泵的使用可以避免新建熱電聯產廠的需求，并在 2020 年至 2030 年期間將碳排放降低 26%。基于相關研究結果，為中國區域供熱系統提供以下低碳轉型策略：

一是“熱電聯產豐富”城市：改善現有熱電聯產資源的利用以取代污染性煤炭技術可以逐步轉向低碳技術。通過改進措施，現有電廠資源可滿足 2030 年約 41% 的城市區域供熱需求。

二是“工業余熱豐富”城市：最大限度地利用工業廢熱，預計CO₂排放量將相對2020年水平大幅減少50%以上，極大地幫助這些工業城市實現2030年CO₂排放峰值目標。此外，到 2030 年，大多數城市的單位熱量總成本將保持與2020 年水平相當，而運營成本將平均增加約20%。

三是“供熱資源有限”城市：需要廣泛部署空氣/地源熱泵到 2030 年，以滿足供暖需求。與 2020 年水平相比，這一部署將使 CO₂排放量平均減少 65%。然而，它也會使單位熱量的總成本和運營成本增加一半以上。

技術發展與風險并存：任何技術的潛力與局限都需要合理被評估。例如，改進的燃煤熱電聯產技術雖能降低成本和排放，但存在碳鎖定風險；而一些非化石技術雖環保但可能受資源限制。

注重區域差異與因地制宜：例如中國不同城市不僅在供熱資源上存在明顯差異，而且在供暖市場條件上也存在明顯差異，因此，在制定供熱策略時需要考慮完善。

減排是項復雜的系統工程：區域供熱系統是能源系統的一部分，其低碳轉型應與電力系統等其他能源子系統的發展統籌考慮。