王 洁

（山东建筑大学建筑城规学院，山东 济南 250101）

1 疫情之后的能源转型与我国的低碳目标

联合国第六期《全球环境展望》提出，地球健康与人类健康成正相关，城市污染与温室气体排放是全球疾病与死亡的最大原因。自新冠肺炎疫情以来，医疗活动及居家行为的增多对能源与环境造成影响。居家隔离措施增加了消费者网上购物与外卖行为，从而导致包装垃圾的增加；武汉的医院在疫情防控期间产生的医疗废物是正常运行的近5倍；居家隔离也对寒冷地区冬季供暖的舒适度、健康安全及能源消耗提出更高要求。

2015年，《联合国气候变化框架公约》第二十一次缔约方会议就能源安全问题、社会可持续健康发展问题达成《巴黎协定》。大会提出，到2050年建筑碳排放量要比2010年下降80%～90%。在气候变化大会上，我国承诺将在2030年前实现碳排放峰值，并在2030年前将人均能源强度降低60%～65%，在2060年实现“碳中和”。为此，我国逐渐将关注重点转移到区域供热与建筑能效上，在北方冬季寒冷与严寒地区，供暖占据冬季建筑能耗的60%以上，降低北方地区的供暖能耗是实现节能减排的关键。

2 第四代区域供热的优势

区域供热系统由连接一个区域内建筑物的管道网络组成，该区域的供热需求由中央单元或多个分布式供热或发电厂满足。丹麦阿尔堡大学的伦德等人于2014年提出“第四代区域供热”概念。前三代皆在以化石燃料为主导的供应环境中开发，第四代可整合高份额的可再生能源及余热。第四代区域供热还主张建立“智能能源系统”，实现部门间能源储存与运输。

3 模拟采暖季不同供暖模式的能源消耗

居住建筑作为重要的城市建筑形态，其运行能耗达建筑总能耗的48%，降低居住建筑能耗是实现“2030年完成碳排放峰值”的关键。本文能耗模型基于Rhino6的Umi区域能耗模拟插件进行运算。能耗模拟方法如图1所示，通过建立三维模型，输入边界条件参数与供暖模式参数，使用Umi工具模拟能耗，分析3种供暖模式的能耗、居民人均能源强度与CO2排放量。

图1 对比不同供暖模式的能耗模拟方法（图片来源：作者自绘）

3.1 典型案例选定

我国北方地区清洁采暖比例较低（占总采暖面积的34%）。北京春秋季短，冬季较长，平均气温11.5℃，冬季多为西北风，夏季多为东南风，采暖期从11月15日至次年3月15日，长达4个月。按照“十三五”规划，北京将在“十三五”期间将煤炭消费量削减至400万t，而如今已远远超过这一目标。目标建筑选择北京市朝阳区某住宅小区。该小区由多栋高层建筑组成，分别为5栋15层、5栋18层及5栋24层住宅。模拟对象选择15层、18层与24层的组合方式，涵盖小高层与高层，具有典型性。

3.2 能耗计算

Umi（urban modeling interface）是基于Rhino平台与EnergyPlus气象数据（EPW）的能耗模拟插件，可评估一个城市或一个地区的建筑能耗及获取自然采光的能力，以3D可视化和数据图表形式呈现。使用Umi动态模拟概念化住区的供热能耗情况。

3.2.1 计算边界条件

设定模拟区域的采暖期为11月15日至次年的3月15日；采取连续运行的计算方式；删除地下室、楼道及楼梯等公共场所的计算区域；室内通风参数采用默认数据进行设置，由于疫情，增加每日0.5h的自然通风时长；基于GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》，建筑立面窗墙面积比设定为南向0.34，北向0.1，东西向0.2。将室内模拟温度设为18.7℃，模拟气象数据来自EnergyPlus气象参数网站。

3.2.2 燃气锅炉集中供暖能耗计算

在Umi中设定燃气锅炉的具体参数值：额定热功率1.4MW，设定工作压力0.8MPa，循环水泵水量为80m3/s，进出口水温设为70～95℃，扬程为32m，热效率0.8。通过对小区燃气锅炉逐时能耗的统计，计算出整个采暖季燃气锅炉的总能耗为6 670 601kW·h，CO2排放量为1 200 704.8t，采暖季的单位面积能耗值为39.10kW·h。

3.2.3 热电联产集中供暖能耗计算

模拟区域供热面积选用1台板式换热器（BK250B-150），2台循环水泵，额定功率为 18.5kW（TP100-370/4），扬程H=23m，流量G=197t/h；1台额定功率1.1kW的补水泵（CRN3-15），扬程H=119m，流量G=5.6t/h。热电厂基于一次供热管网将热源送至小区，在小区的换热站进行换热后，通过二次管网送至各住户。模拟结果显示，该模式整个采暖季的总能耗为5 567 404 kW·h，CO2排放量为2 793 412.4t，采暖季的单位面积能耗值为 27.68kW·h。

3.2.4 热电联产与热泵集成

依据第四代区域供热设定参数，采用低温水，30～60℃，一般供水温度 50℃，回水温度 30℃，降低燃煤比例15%，将热电联产与热泵结合，减少CO2排放。计算得出，整个采暖季该模式的总能耗4 594 803kW·h，CO2排放量为1 128 601.0t，采暖季的单位面积能耗值为22.10kW·h，能耗量大大降低。

3.3 计算结果分析

由上述模拟计算得出，小区燃气锅炉、热电联产集中供热、热电联产与热泵集成系统的能耗比为1.44∶1∶0.81，能耗最高的为燃气锅炉，最低的为热电联产与热泵集成；经过公式数据转换得出，每个居民的能源使用强度分别为 213.80，151.75，120.58；CO2排放量分别为 1 200 704.8，2 793 412.4，1 128 601.0t。

1）热电联产供暖的CO2排放量最大，热电联产与热泵集成的供热方式采暖能耗最少，其减排效果虽低于燃气锅炉但差别不大，若想提高减排效果，与燃气锅炉的CO2排放量拉开距离，关键是提高终端的热泵能效。

2）燃气锅炉的碳排放量不高，但是全天然气的对外进口需求量巨大。如果用来供暖，对我国能源安全威胁较大。因此需要提倡一种更长期更可持续的供暖模式。

3）应加强供暖电气化应用可再生能源的强度与比例，减少火电使用的投入，热泵应用合适的热源，较使用火电的成本更低且运行效率更高。

4 结语

本文通过模拟不同能源占比下的供暖模式，得出热电联产与热泵集成的第四代区域供热方式较燃气锅炉、纯热电联产供热具有更低的CO2排放量及能源消耗，是我国实现《巴黎协定》2030年碳排放目标与2060年“碳中和”目标的重要手段。然而，为实现最佳的能源效率和经济效益，该系统的合理设计和调度需基于数学规划方法的优化模型，着重发展储能技术，提高终端热泵能效是关键。