天然氣是現(xiàn)有化石能源中碳排放水平最低的類型。按發(fā)熱量計(jì)算，天然氣在燃燒過(guò)程產(chǎn)生的碳排放約為石油的75%、煤炭的60%。天然氣作為低碳化石能源，在現(xiàn)階段替代煤炭具有顯著減少碳排放和緩解環(huán)境污染的作用。

《中國(guó)天然氣發(fā)展報(bào)告（2022）》的信息顯示，2021年中國(guó)天然氣占一次能源消費(fèi)總量的比例為8.9%。在2021年中國(guó)天然氣的消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，城市燃?xì)庹急葹?2%，其中家用燃?xì)饩呤窍M(fèi)主體。預(yù)計(jì)到2030年天然氣占一次能源消費(fèi)總量的比例為15%，2050年達(dá)到20%。按照中國(guó)的能源發(fā)展戰(zhàn)略，天然氣的供應(yīng)和使用仍將繼續(xù)增長(zhǎng)。目前，中國(guó)仍然有廣大地區(qū)未建成燃?xì)夤芫W(wǎng)，這些都將成為燃?xì)饩呶磥?lái)的市場(chǎng)。因此，家用燃?xì)饩咝袠I(yè)需要探索可持續(xù)發(fā)展的低碳之路。

低碳發(fā)展的基本措施：提升熱效率

提高熱效率是家用燃?xì)饩叩吞及l(fā)展的基本措施。如今，高效率的燃?xì)饩弋a(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的占比并不高。例如，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng)基本以能效2級(jí)產(chǎn)品為主，占到市場(chǎng)整體銷量的80%以上，能效1級(jí)產(chǎn)品占比僅約為10%。目前，無(wú)論燃?xì)鉄崴?，還是燃?xì)獠膳療崴疇t，能效1級(jí)產(chǎn)品主要是有效利用煙氣中水蒸氣凝結(jié)過(guò)程釋放的熱量以提升熱效率。但是，此過(guò)程中產(chǎn)生的冷凝水處理和排放問(wèn)題至今仍是阻礙市場(chǎng)推廣的重要因素。燃?xì)鉄崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t一般安裝在陽(yáng)臺(tái)或廚房里，冷凝水呈弱酸性，若沒(méi)有進(jìn)行有效處理可能對(duì)建筑材料和給排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成一定的腐蝕。所以，針對(duì)這類產(chǎn)品，進(jìn)一步完善冷凝水排放處理將成為解決高效率產(chǎn)品普及應(yīng)用的重要措施。

政策層面，現(xiàn)階段提高熱效率的主要措施是，利用國(guó)家、地方的能效法規(guī)，促進(jìn)高效率燃?xì)饩咴谑袌?chǎng)上的銷售占比繼續(xù)提升。例如，能效標(biāo)準(zhǔn)和其他市場(chǎng)監(jiān)管政策，可以推動(dòng)燃?xì)鉄崴骱腿細(xì)獠膳癄t冷凝技術(shù)進(jìn)步，從而增大高效低碳產(chǎn)品的銷售占比；能效標(biāo)準(zhǔn)的提高也將促進(jìn)燃?xì)庠罹吒咝紵夹g(shù)改進(jìn)，從而提高熱效率。

更具前景的多能源系統(tǒng)

由于在技術(shù)上通過(guò)優(yōu)化燃燒過(guò)程實(shí)現(xiàn)燃?xì)饩邿嵝世^續(xù)上升的空間已經(jīng)不大，通過(guò)系統(tǒng)化利用方式的轉(zhuǎn)變提高燃?xì)饫眯б娴拇胧┤找媸艿疥P(guān)注。促進(jìn)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)在住宅和類似場(chǎng)所應(yīng)用，是可再生能源和節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的重要發(fā)展方向。作為熱源設(shè)備，太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)與燃?xì)鉄崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t等燃?xì)饩咧g，既存在相互取代的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，同時(shí)又存在相互促進(jìn)的互補(bǔ)關(guān)系。2022年，北京地區(qū)一些新建項(xiàng)目不允許采用獨(dú)立的燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)，但是作為熱泵、太陽(yáng)能等低碳加熱系統(tǒng)的后備熱源裝置，燃?xì)饧訜嵯到y(tǒng)仍然有廣闊的發(fā)展空間。

事實(shí)上，這幾類熱源設(shè)備各有優(yōu)劣。太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)受日照和氣溫等氣象條件制約，太陽(yáng)能加熱方式難以單獨(dú)作為熱源使用?？諝庠礋岜迷谳^低的環(huán)境溫度下運(yùn)行，制熱能力和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性會(huì)明顯降低。與燃?xì)鉄崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t相比，雖然太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)通常運(yùn)行費(fèi)用較低，但是其購(gòu)置費(fèi)用較高。燃?xì)饧訜岱绞絼t具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，可以彌補(bǔ)太陽(yáng)能集熱、空氣源熱泵等產(chǎn)品加熱過(guò)程受氣象因素影響的問(wèn)題，積極發(fā)揮燃?xì)饧訜岽胧┑膬?yōu)勢(shì)，可以有效促進(jìn)以太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)為代表的低碳熱源的應(yīng)用發(fā)展。因此，利用燃?xì)饧訜岽胧┳鳛樘?yáng)能熱利用系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)的后備加熱措施而構(gòu)成的多能源集成熱源系統(tǒng)，不僅可以顯著改善熱源系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和使用舒適性，也可以優(yōu)化系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

德國(guó)ROTEX公司冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t，與直流調(diào)速空氣源熱泵構(gòu)成集成供熱系統(tǒng)，由于內(nèi)置空氣源熱泵換熱器，簡(jiǎn)化了集成供熱系統(tǒng)的配置，顯著降低系統(tǒng)制造成本。該產(chǎn)品在2014年獲得Plus X獎(jiǎng)

2022年初，一套由氫能燃?xì)饧訜嵫b置和空氣熱泵集成的零碳供熱系統(tǒng)在英國(guó)彭布羅克郡投入運(yùn)行。該示范項(xiàng)目是由英國(guó)研究與創(chuàng)新基金資助的“米爾福德港－能源王國(guó)項(xiàng)目”，項(xiàng)目坐落在米爾福德港。該系統(tǒng)使用了伍斯特博世（Worcester Bosch）公司的純氫氣型燃?xì)獠膳療崴疇t，兩種加熱裝置可以進(jìn)行切換，根據(jù)運(yùn)行的環(huán)境條件、熱負(fù)荷需求以及實(shí)時(shí)電價(jià)，選擇最優(yōu)的運(yùn)行模式，一般情況下，熱泵優(yōu)先運(yùn)行。由于系統(tǒng)運(yùn)行的氫氣和電力均利用可再生能源轉(zhuǎn)換，所以系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的碳排放量為零。同時(shí)，該零碳供熱系統(tǒng)搭載的控制系統(tǒng)采用了智能電網(wǎng)的需求響應(yīng)技術(shù)，在電網(wǎng)供電能力出現(xiàn)短時(shí)突然變化時(shí)，及時(shí)降低熱泵的用電負(fù)荷甚至停止運(yùn)行，切換成燃?xì)獠膳療崴疇t運(yùn)行模式。這主要是為了應(yīng)對(duì)以太陽(yáng)能或風(fēng)力獲取清潔電能過(guò)程中因云層狀態(tài)或風(fēng)力大小而出現(xiàn)的電力輸出穩(wěn)定性問(wèn)題。智能電網(wǎng)在多年前已研發(fā)并應(yīng)用住宅用戶端的智能化需求響應(yīng)技術(shù)，將住宅中的設(shè)備與電網(wǎng)建立雙向互動(dòng)聯(lián)系。在正常情況下，該零碳供熱系統(tǒng)每?jī)煞昼姍z測(cè)一次運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)集控。

英國(guó)對(duì)這類集成系統(tǒng)抱有較高的期望。因?yàn)閷?duì)于多數(shù)英國(guó)的既有住宅，這類系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)低碳供熱最為切實(shí)可行的方式。研究表明，由于保溫性能差和其他限制，約50%的英國(guó)住宅不適合使用獨(dú)立熱泵供熱，對(duì)既有住宅結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造的費(fèi)用又過(guò)于高昂。因此，利用空氣源熱泵與燃?xì)獠膳療崴疇t構(gòu)成集成供熱系統(tǒng)可以較好地解決這些問(wèn)題。

英國(guó)的多能源供暖示范項(xiàng)目，配套了空氣源熱泵和氫氣采暖熱水爐，具備智能電網(wǎng)需求響應(yīng)能力

電能替代

電能替代是近年來(lái)能源體系變革的重要課題，各國(guó)都在進(jìn)行相關(guān)的探索和實(shí)踐。這也是家用燃?xì)饩咝袠I(yè)探索低碳發(fā)展之路需要密切關(guān)注的方向。

在中國(guó)，2016年國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、財(cái)政部等多部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)電能替代的指導(dǎo)意見(jiàn)》，規(guī)定電能替代的電量主要來(lái)自可再生能源發(fā)電，以及部分超低排放煤電機(jī)組。2022年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等10部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)電能替代的指導(dǎo)意見(jiàn)》，旨在持續(xù)推進(jìn)電能替代，在終端能源消費(fèi)環(huán)節(jié)實(shí)施以電代煤、以電代油等。這有利于提升終端用能清潔化、低碳化水平，促進(jìn)清潔能源消納，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)；有利于用戶參與電力系統(tǒng)靈活互動(dòng)，增加新能源消納能力，促進(jìn)能源綠色轉(zhuǎn)型；有利于提高中國(guó)電氣化水平，擴(kuò)大電力消費(fèi)，滿足人民群眾美好生活需要。

與家用燃?xì)饩咧苯酉嚓P(guān)的文件是，北京市城市管理委員會(huì)近日發(fā)布了《北京市“十四五”時(shí)期供熱發(fā)展建設(shè)規(guī)劃》。該規(guī)劃明確要求，北京市城鎮(zhèn)地區(qū)積極發(fā)展再生水源熱泵和地源熱泵等新型供熱方式；不再新建獨(dú)立燃?xì)夤嵯到y(tǒng)，新建的耦合供熱系統(tǒng)中新能源和可再生能源裝機(jī)占比不低于60%。

在歐洲，2016年荷蘭議會(huì)通過(guò)法案，自2017年7月1日起，新建的建筑不再配套燃?xì)夤艿?。類似的情況隨之相繼出現(xiàn)。2020年，奧地利首都維也納設(shè)立了多個(gè)“氣候保護(hù)區(qū)”，在氣候保護(hù)區(qū)的新建筑物內(nèi)禁止使用石油或天然氣供暖。自2014年烏克蘭政局發(fā)生變化，導(dǎo)致過(guò)境烏克蘭的天然氣供應(yīng)一度中斷之后，圍繞能源安全和低碳議題，德國(guó)積極尋求減少乃至棄用天然氣的措施，其中最新出臺(tái)的措施是，2022年德國(guó)政府修訂了《建筑能源法》。該規(guī)定從2024年開(kāi)始，新安裝的燃?xì)夤┡到y(tǒng)必須至少達(dá)到65%的可再生能源使用率，不再允許使用獨(dú)立燃?xì)夤嵯到y(tǒng)。2022年9月，愛(ài)爾蘭政府決定，自2025年起禁止安裝燃?xì)夂腿加湾仩t為新建和現(xiàn)有住宅供暖。

在北美地區(qū)，2016年加拿大安大略省發(fā)布了一項(xiàng)為期4年的節(jié)能減排計(jì)劃，將逐漸以電力取代天然氣，減少溫室氣體的排放。不過(guò)，在盛產(chǎn)天然氣的加拿大實(shí)施這樣的計(jì)劃受到多方的反對(duì)，該計(jì)劃于2017年廢除。但是在隔壁的美國(guó)，加利福尼亞州伯克利于2019年通過(guò)了美國(guó)第一個(gè)天然氣入戶禁令。這引發(fā)了一場(chǎng)天然氣之爭(zhēng)，包括舊金山、西雅圖、丹佛和紐約在內(nèi)的一些大城市已經(jīng)頒布或提議采取措施，禁止或不鼓勵(lì)在新建住宅和建筑中使用天然氣。2021年12月，美國(guó)紐約市議會(huì)通過(guò)了一項(xiàng)法案，禁止所有新建筑接入天然氣，使紐約市成為美國(guó)頒布措施限制在新建筑中安裝使用天然氣的暖風(fēng)爐、采暖壁爐和熱水采暖系統(tǒng)的最大城市。這項(xiàng)擬于2023年生效的禁令針對(duì)7層以下建筑物。同時(shí)，這些禁令的出臺(tái)，也導(dǎo)致了美國(guó)亞利桑那州、得克薩斯州、俄克拉荷馬州、田納西州、堪薩斯州和路易斯安那州進(jìn)行立法，禁止在本州推行天然氣禁令。此外，俄亥俄州也在考慮類似立法。

日本大金公司的空氣源熱泵可利用燃?xì)饧訜嵫b置作為后備熱源

能源系統(tǒng)的韌性

日本的電能替代方案是以“全電氣化住宅”項(xiàng)目在2006年啟動(dòng)。該方案旨在實(shí)現(xiàn)全面的電能替代，住宅中不配備任何的燃?xì)饩?。?011年“311東日本大地震”發(fā)生之前，“全電氣化住宅”項(xiàng)目在日本發(fā)展迅速，一定程度導(dǎo)致了同期日本市場(chǎng)的燃?xì)饩咪N量每年以兩位數(shù)的幅度萎縮。但是，經(jīng)歷這場(chǎng)大地震后，一些“全電氣化住宅”開(kāi)始使用液化石油氣和燃?xì)饩?。直接原因是，?zāi)后電力供應(yīng)恢復(fù)正常比燃?xì)夤?yīng)多用了1倍的時(shí)間。同時(shí)，通過(guò)總結(jié)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，人們認(rèn)識(shí)到單一的電力供應(yīng)雖然可以滿足全部的生活用能需要，但是經(jīng)濟(jì)性不是最優(yōu)的，在使用的便利性和舒適性方面，家用燃?xì)饩呷匀痪哂幸恍﹥?yōu)勢(shì)。例如，燃?xì)饧訜嵩陧憫?yīng)速度、運(yùn)行穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。最重要的原因是，多種能源混合構(gòu)成的能源供應(yīng)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的韌性，可以更有效地提高對(duì)自然災(zāi)害的抵御能力。同時(shí)，單一電力能源供應(yīng)對(duì)于消費(fèi)者而言，多數(shù)情況下經(jīng)濟(jì)性也是必須解決的問(wèn)題。例如，加拿大安大略的天然氣限用政策的撤銷，經(jīng)濟(jì)性是其中的重要因素。

影響城市能源系統(tǒng)配置的因素有許多。其中，城市電力消費(fèi)的增加是碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，解決可再生電力出路的重要舉措。同時(shí)，利用這些電力制備可再生燃?xì)?，如合成天然氣、氫氣等也可以利用可再生電力。隨著生物天然氣和合成天然氣和氫氣進(jìn)入燃?xì)夤芫W(wǎng)，燃?xì)獾牡吞紝傩詫⒅鸩酵癸@出來(lái)。從這個(gè)角度，保持燃?xì)夤?yīng)的穩(wěn)定也成為促進(jìn)可再生能源利用的舉措。無(wú)論為了保證能源供應(yīng)系統(tǒng)的韌性，還是促進(jìn)可再生能源利用以及天然氣利用的低碳化，燃?xì)夂碗娏Σ⒋娴某鞘心茉垂?yīng)體系，能夠更好地滿足城市能源供應(yīng)的需求。

德國(guó)威能公司以燃?xì)獠膳療崴疇t作為后備熱源的集成供熱系統(tǒng)配套的空氣源熱泵

對(duì)于家用供熱系統(tǒng)的可再生能源利用，系統(tǒng)韌性主要體現(xiàn)在不利的氣象條件下確保供熱的穩(wěn)定，由于經(jīng)濟(jì)性和住宅安裝條件的約束，燃?xì)饧訜嵫b置的集成將對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性有顯著的提升效果。低溫空氣源熱泵雖然可以運(yùn)行在-25℃~-15℃的環(huán)境條件下，但是在寒冷地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)在低于-15℃的環(huán)境下運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性會(huì)隨之成為一個(gè)突出的問(wèn)題。熱力學(xué)規(guī)律決定了熱泵循環(huán)方式在進(jìn)風(fēng)溫度下降時(shí)制熱量和能效隨之下降，類似直流調(diào)速、增焓等低溫?zé)岜眉夹g(shù)進(jìn)步，只能夠使一些隨進(jìn)風(fēng)溫度降低而產(chǎn)生的附加安全性、可靠性等問(wèn)題得到一定程度的解決，補(bǔ)償一部分由于工作點(diǎn)變化增加的熱力損失，但是不可能實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。任何技術(shù)措施都無(wú)法改變住宅供熱負(fù)荷隨環(huán)境溫度降低而增大，而空氣源熱泵的制熱能力隨進(jìn)風(fēng)溫度降低而減小的規(guī)律，換熱面積、循環(huán)風(fēng)量、外形尺寸等都是無(wú)法突破的約束。

理論上，空氣源熱泵有能力獨(dú)立承擔(dān)住宅全部的供熱負(fù)荷，前提是運(yùn)行環(huán)境溫度不低于其明示的最低溫度。實(shí)際上，氣象條件具有一定程度的不確定性，例如，作為空氣源熱泵選型依據(jù)的最低環(huán)境溫度與當(dāng)?shù)氐臉O限最低溫度之間，大致上有5℃~10℃的差異，空氣源熱泵的技術(shù)性能約束決定了在寒冷地區(qū)，當(dāng)環(huán)境溫度處于極端狀態(tài)下，只能處于停機(jī)狀態(tài)，即使勉強(qiáng)維持運(yùn)行，制熱能力也將明顯降低，無(wú)法適應(yīng)在此條件下住宅供熱負(fù)荷顯著增大的需求。所以，在有條件的情況下，寒冷地區(qū)利用燃?xì)饧訜嵫b置作為空氣源熱泵的后備熱源，可以顯著改善供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷響應(yīng)能力和韌性，使用戶以更經(jīng)濟(jì)的方式獲得舒適性、可靠性的改善。同時(shí)，與獨(dú)立的燃?xì)夤嵯到y(tǒng)相比，天然氣消耗量減少60%~80%。

對(duì)于配備燃?xì)饧訜嵫b置作為后備熱源的家用集成供熱系統(tǒng)，空氣源熱泵的容量只需要滿足相應(yīng)住宅最大熱負(fù)荷2/3左右配備，燃?xì)饧訜嵫b置的熱負(fù)荷則按不小于住宅最大熱負(fù)荷的1/2配備，這大致上是最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性配置方案。按單位制熱量計(jì)算，空氣源熱泵的購(gòu)置費(fèi)用一般為燃?xì)饧訜嵫b置的數(shù)倍。因此，在此基礎(chǔ)上，燃?xì)饧訜嵫b置的容量按住宅最大熱負(fù)荷全額配套，所增加的初始投入不多，但是供熱系統(tǒng)的韌性明顯提高，即使熱泵發(fā)生故障，供熱系統(tǒng)的能力不受影響。由于空氣源熱泵在夏季可以為滿足空調(diào)需要進(jìn)行供冷運(yùn)行，在這類供熱集成系統(tǒng)中另一項(xiàng)系統(tǒng)配置方案是空氣源熱泵只按夏季空調(diào)最大供冷負(fù)荷確定容量，不需要對(duì)冬季的供熱需求專門放大容量，這是冬冷夏熱地區(qū)配套家用集成供熱系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)的方案。

太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)受日照和環(huán)境溫度影響的特點(diǎn)十分明顯，因此，配套后備熱源是常見(jiàn)的情況。太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)通常只能承擔(dān)供熱系統(tǒng)全年熱負(fù)荷的20%~40%。對(duì)于多數(shù)的家用太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)而言，在冬季利用太陽(yáng)能滿足全天的住宅熱負(fù)荷，即使在日照條件良好的情況下可以實(shí)現(xiàn)，也未必具有經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)檫@需要相當(dāng)大的集熱器面積，不僅導(dǎo)致系統(tǒng)造價(jià)高，而且在非采暖季節(jié)，過(guò)大的集熱面積可能造成集熱器輸出的熱量得不到有效利用而造成浪費(fèi)。更麻煩的是，集熱器溫度過(guò)高現(xiàn)象可能導(dǎo)致一些安全風(fēng)險(xiǎn)以及集熱器易損壞等問(wèn)題。顯然，太陽(yáng)能供熱方式十分脆弱，如果沒(méi)有后備熱源，太陽(yáng)能供熱方式不可能具有市場(chǎng)生命力。

綜上所述，天然氣作為低碳化石能源，在現(xiàn)階段替代煤炭具有顯著地減少碳排放和緩解環(huán)境污染的作用，按照中國(guó)的能源發(fā)展戰(zhàn)略，天然氣的供應(yīng)和使用仍然需要大幅增加，目前仍然有廣大地區(qū)未建成燃?xì)夤芫W(wǎng)，這些都是燃?xì)饩呶磥?lái)的市場(chǎng)。太陽(yáng)能和熱泵加熱方式與燃?xì)饧訜岱绞降幕パa(bǔ)，在終端利用方面實(shí)現(xiàn)燃?xì)庀到y(tǒng)化應(yīng)用，是突破燃燒熱效率瓶頸的有效措施。城市電力消費(fèi)的增加是碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，解決可再生電力出路的重要舉措，同時(shí)，可再生燃?xì)夂涂稍偕娏⒐餐蔀闃?gòu)建堅(jiān)強(qiáng)城市能源供應(yīng)體系的組成部分。