城市中具有大量沒有得到充分利用的熱能，尤其是廣泛存在的太陽能、地熱、污水、江河水、空氣中的低品位熱能，以及鋼鐵、化工等工業(yè)過程中的熱能。以工業(yè)熱能利用為例，據估計，我國工業(yè)生產過程中排放的低品位熱量（低于100℃）達到5億噸標準煤以上，但利用率僅不足3%，由此帶來的資源浪費與減排壓力不容忽視。
城市作為能源的主要消費市場，有必要盡可能挖掘低品位熱力資源利用潛能，這正應是城市節(jié)能降碳的必要路徑。
而以“電熱協(xié)同、跨網互濟”為核心理念的城市清潔電熱協(xié)同網解決方案，致力于通過一系列電熱轉換先進低碳技術的聚合建立新型電熱互動關系，在打破熱能產-用時空障礙、獲取低成本靈活性資源、實現(xiàn)城市熱能“應用盡用”的同時，有效提升城市能源系統(tǒng)平衡能力與綜合能源利用效率，助力城市優(yōu)化能源結構，最終支撐以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)構建，服務碳達峰碳中和目標。
低品位熱能高質量利用迫在眉睫
工業(yè)部門是城市低品位熱能資源最為豐富的領域。據國外研究機構統(tǒng)計，工業(yè)部門對化石能源的利用過程中，被有效利用的能源量僅占40%，其余60%都最終轉化為了余熱。
目前，熱力供給中煤炭、天然氣占比超過90%。由于大量低品位工業(yè)熱能利用長期得不到重視，造成了大量的能源資源浪費與高碳、高污染物排放，也帶來了環(huán)境治理成本的居高難下。
建筑用熱和工業(yè)過程用熱各占熱力消費總量約50%?；茉醋鳛榧s束逐漸趨緊的高品位能源，用來供給建筑和非能源密集型行業(yè)所需的低品位熱力無疑是能源品位上的浪費。因此，低品位熱能利用已迫在眉睫。
從熱力需求側看，隨著我國城鎮(zhèn)化工作持續(xù)推進，城鎮(zhèn)集中供暖建筑面積仍將不斷增加，這正意味著未來巨大的熱力消費增量市場。
但在供給側，在我國存量煤電到期關停、嚴控新建煤電的發(fā)展戰(zhàn)略下，僅依靠熱電聯(lián)產供熱將較難以滿足用熱需求。與此同時，煤電轉向電力靈活性調峰主體可能同時帶來熱力供應的波動性，使得電與熱矛盾凸顯，這就需要從目前的“以熱定電”模式轉向“電熱協(xié)同”的多種制熱蓄熱協(xié)同互補模式。
不僅如此，未來，隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)構建，以及供熱電氣化的逐步普及，熱力消費的巨大需求和周期性變化意味著簡單的電能替代將大大增加電力峰谷差，給電力穩(wěn)定供應帶來較大沖擊的同時，也將帶來用熱成本的大幅上升。因此，有必要探索供熱電氣化支撐新型電力系統(tǒng)構建、協(xié)同降低用能成本的新路徑。
筆者認為，隨著技術進步，充分利用工業(yè)余熱、太陽能、地熱能等低碳的低品位能源供應低品位熱力需求，是城市節(jié)能降碳的現(xiàn)實必要路徑，將成為我國實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的重要突破口。
“城市清潔電熱協(xié)同網”正獲得共識
雖然低品位熱能利用存在較大復雜性，但以電力驅動為基礎的新一代供熱技術已經能夠將這些低品位熱能整合到熱網中。
事實上，當下，以實現(xiàn)低品位余熱“應用盡用”為目標的城市清潔電熱協(xié)同網解決方案正形成多方共識。由于其在工業(yè)生產過程中適用范圍廣泛，可以說是一項具有顛覆性意義的技術革命。
所謂“城市清潔電熱協(xié)同網”，是以數(shù)字化為引領，以高質量電氣化為基礎，以5D低碳技術（數(shù)字化管理、需求管理、分布式、熱電解耦協(xié)同、脫碳）為驅動，實現(xiàn)對低品位熱能高質量利用，提升能源綜合利用能效的城市新型能源基礎設施。
這里“電熱協(xié)同”體現(xiàn)在，對于熱網系統(tǒng)，在熱用戶終端采用電力驅動的高效熱泵，以熱網介質為熱源制熱，供熱參數(shù)可以通過調節(jié)熱泵的變頻靈活調整；對于電網系統(tǒng)，依托熱力系統(tǒng)的大慣性，為電力系統(tǒng)提供大量靈活性負荷，幫助可再生能源的消納。
其具體包括以下三個層面：一是通過電力驅動為基礎的新一代供熱技術，將低品位熱能整合到供能系統(tǒng)中；二是以“電制熱+蓄熱蓄冷”為補充，實現(xiàn)供能穩(wěn)定的同時提供更低成本的電力靈活性資源；三是利用熱系統(tǒng)的大慣性，結合直流柔性網關、“光儲直柔”建筑，實現(xiàn)與建筑熱系統(tǒng)協(xié)同互補，有力支撐分布式光伏就地平衡和友好并網。
我們測算，城市清潔電熱協(xié)同網解決方案通過實現(xiàn)城市各種低品位熱力資源的物盡其用，將有效推動行業(yè)節(jié)能增效，可有望使區(qū)域電氣化水平提升約20%、降低區(qū)域負荷峰谷差率下降5%以上，同時幫助企業(yè)降低用能成本10%以上，并催生百億級城市綠色新興經濟落地，對于城市發(fā)展綠色經濟、降低區(qū)域碳排放、改善人民生活品質等都有非常好的應用價值。
全面商用條件已具備
可以說，在碳達峰碳中和目標已成全國各地發(fā)展硬約束的情況下，推動以低品位熱能利用為代表的新一代節(jié)能技術應用向縱深邁進，必將成為各地尋求經濟綠色、低碳、高質量發(fā)展的現(xiàn)實選擇。
從當前實踐看，清潔電熱協(xié)同網解決方案已正逐步在蘇州、天津等地探索落地示范項目。經過大量可研工作，我們認為項目投資運營模式清晰，投資回收期可低至五年以內，已具備全面商用條件。
以重工業(yè)城市——江蘇省張家港市為例，我們經過調研發(fā)現(xiàn)，在張家港高鐵新城具有低品位熱能高質量利用技術系統(tǒng)級應用的巨大潛力。
張家港高鐵新城周邊永鋼、沙鋼等工業(yè)企業(yè)有大量低品位熱能尚未被利用，如能在高鐵新城規(guī)劃的同時，統(tǒng)籌考慮低品位熱能利用基礎設施的建設及新技術的利用，則能夠產生巨大的節(jié)能效益，助力當?shù)毓?jié)能降碳目標的實現(xiàn)。
經測算，在充分利用低品位熱能的供熱方案實施后，可使高鐵新城區(qū)域能源系統(tǒng)運行成本降低20%，碳排放總量降低45%，同時為電網提供200MW功率調節(jié)資源，協(xié)助消納1000MW光伏、風電資源。
但縱觀全國，當前，低品位熱能利用總體規(guī)模較小，目前的落地項目基本以單個企業(yè)級項目為主，缺乏系統(tǒng)統(tǒng)籌與規(guī)劃。雖然城市清潔電熱協(xié)同網建設已不存在技術上的障礙，但要真正落地實現(xiàn)還有待各方的有效協(xié)同。
在此筆者建議，相關部門積極組織展開廣泛調研，盡快出臺針對各行業(yè)的低品位熱能利用指導性意見，加強政策引導，鼓勵技術創(chuàng)新與試點示范，集聚產、學、研、政、融、協(xié)等各方力量，共同推動清潔電熱協(xié)同網落地實踐，并在實踐中不斷提升改進，使之更好服務碳達峰碳中和目標、助力我國經濟社會高質量綠色低碳發(fā)展。
（作者系國網(蘇州)城市能源研究院院長）
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