江亿院士：余热回收--未来的“零碳热源”

2021年12月15日，中国生物多样性保护与绿色发展基金会（简称“中国绿发会”）大气治理与低碳发展工作委员会结合“双碳”战略和我国生态文明建设进程，组织召开PM2.5&CO2论坛，邀请20余位院士、专家共同参会，研讨PM2.5居高不下的原因，深度解析降低 PM2.5的途径和创新技术。

会上，中国工程院院士、清华大学建筑学院教授江亿通过细致翔实的讲解，对“余热回收与减碳降污-进展与趋势”进行了主题介绍。绿会融媒现将发言内容整理分享如下：

尊敬的各位专家，各位来宾，感谢有机会参加PM2.5&CO2论坛，今天就“余热回收与减碳降污-进展与趋势”为主题进行介绍。余热，是未来中国社会在零碳环境下最主要的零碳热源。生活生产中包括北方冬天的建筑采暖都是低品位热源，大概一年40亿GJ，有5.6亿千瓦的最大热需求强度，现在是热电联产，甚至于区域锅炉房还使用着大量的化石能源，导致包括PM2.5的排放，也包括二氧化碳的排放，这是生活所用。

另外轻工业生产过程还需要大量的低品位热量，像造纸、纺织、印染、皮革、制药食品等等，它们有的需要热水提供热量，或者是低压蒸汽，那么现在这些热量也都是燃煤燃气锅炉，还有像江浙一带的热电联产，目的也是为了给他们提供生产用热，这些加起来据不完全统计，一年的需求量也在3亿吨标煤左右，需要75亿GJ的热量。这两项一年是5亿吨煤，然后排放15亿吨二氧化碳，同时这还是PM2.5的重要产生源。

供热，除了城市还有农村的小散煤供热，所以在零碳目标下，怎么解决这些热源需求，能不能给他们提供零碳热源？同时把污染物排放一起治理？我想这可能就是今天我们要讨论的话题之一，那么未来的热源从哪来？现在是化石能源社会，燃料燃烧就会得到热量，各种低品位的热量就出来了，将来零碳能源的时候指的是什么？风电、光电、水电、核电，但是这些还不足以满足这么大的低品位热源需求，而这些电它都是直接出电，不是先出热，没有燃料以后只能是生物燃料，我们可以拿热电力去直接获得热量，通过电加热来实现。但是这实际是特别好的。高品位能源转变为低品位能源，成本高，让很多人觉得这不合适，所以最合适的是用热泵把电力热量从低位热源提起来，再加点电，然后产生热量来满足需求。这样去做，一份电能够出好几份热，从不同的角度下看低温是多少度，高温是多少度，接近的话效率就会特别高，能出8份-10份，相差较远的话，也能出上2-3份。

今天我们不讨论热泵，就想说要用热泵这是好事，但并不是拿点电就能出这么多热的，它必须有一个低温下的热量，低温下的热量从哪里来？是否还有其他的比低温要好得多的各类低品位热源？哪里有这样的余热？除了自然的空气、水、地底之外，像延安现在还有5000万千瓦的装机容量的核电，将来要搞到2亿千瓦，这时大伙都觉得核电必须好好发展，就在北方就能有1亿千瓦的核电，这核电发出电来，剩下的余热就都排到海里去了。这就是为什么把那核电站建在海边。将来要是北方有1000万的核电，每年往海里就得排30亿GJ的热量。刚才说缺热量,其实是缺40亿GJ的热，这样一年就能排出30亿GJ，未来一定还保留一部分调峰的火电。此外现在一说起来高能耗高碳排放的工业，像冶金钢材、有色建材等，这些东西中国最后还一定会有，只是生产工艺、生产方式发生了变化，但是即使变了，它还需要排热，生产过程能散出大量的热来，这是一定的，因为它耗能，耗完能之后，做完产品，然后能源最后转化成热量，产生低品位热量，估计的结果也得有20亿GJ。

再就是各种生产生活排放的低品位余热现在越来越多，比如说计算中心排热，还有各种各样的生活设施，有用蒸汽的地方，只要用蒸汽，他排出去的热量初步估算也有10亿GJ。要是这些热量在冬天的功率都用起来，能用到70%，冬天能出5亿千瓦，就能满足120亿平米的供热要求，大概是未来北方城镇供热建筑面积需要的75%，也就是能满足3/4。剩下的那些再拿空气源热泵、地源热泵、水热泵再解决，但是这是指的冬天满足功率的要求，可是实际上全年排热量要大得多，光冬天最多用了一小半，90亿GJ的话，冬天才最多用了40亿。

当余热资源成为特别宝贵的宝贝的时候，是不是就应该发展跨季节储热方式，把全年的热量都存起来，这样不仅可以供应建筑采暖，还有刚才说到的那些轻工业生产过程的用热，通过直接用或者拿热泵给提到它想要的点上去，这时候把这些个余热资源都充分用起来，就会变得特别好玩了。

所以以后配合低碳能源发展，大规模的跨季节储热，就变得非常之重要。实际上各国都在加速这方面开发，尤其像欧洲，比如北欧这十几年来一直在做，中国也在开始做，对各种技术方案都进行了深入的技术经济分析和一些实验。

前几年，在内蒙古一整个山头地下都埋上了100多米的管来出热，通过直接往地底下灌水，多数情况下温度品位损失较大，所以最后还是一个大的热水池，跟热水库似的加保温盖飘在上面，防止它的热量从表面飘走，这大概是目前技术经济比起来最可行的办法，在欧洲已经有了实际运行的装置，比如在西藏、张家口也有。

那么关键问题就是经济问题和土地问题，到哪里找合适的地理条件，充分利用自然的地形地势使得储热成本能在一立方米的热水量少于100块钱人民币，要是能够办成就特别好，它可以采集全年各个季节的各种低品位余热，给它热量的温度调成一致，从而解决我们未来热源不足的问题。下一步就能实现热源和热需求之间的解耦。

那怎么解决这二者之间时间上的矛盾？有大规模跨界储能的事就可以解开了，包括跨季节的时间不一致，夏天处理冬天用。这样一来，利用余热的热量采集设备是一笔大的投入，而且比较复杂，但是以前光冬天满足采暖要求，一年只有1/3的时候用，利用率就比较低。所以储热装置就要让它全年都利用起来，从而加快这块投入的回收期，并且提高供热的可靠性，因为供热总得安全可靠，总得什么时候都得有，但是我有跨界储备装置，这时候心里就踏实了，不用再备用热源，也不会影响供热。

一般意义上跟各种其他能源相关的事比起来，这并不是非常大的投资，同时我们还发现可以好好把沿海核电搞好，不光是把余热收集起来，是拿余热做海水淡化，这样每年除了供热以外还能产生100亿立方米的淡水，以此来解决淡水不足的问题。我们如果是在北方地区实施，春夏秋一共得存25亿焦的热量余热，要是90度存起来，放热放到20度，用70度温差，那么需要90亿立方米的总的出水容量，一共1万亿，一万亿跟各种其他的跟能源相关的比起来，这并不是非常大的投资，同时通过这个事情我们发现，还可以好好把沿海核电搞好，不光是把余热收回来，而是拿余热做海水淡化，做出热淡水，每年除了供热还能产生100亿立方米的淡水，解决水的淡水不足的问题，因为中国是一个缺水国家，这就跟南水北调的总量差不多，每年也就是100亿立方米。

同时，避免沿海的核电导致的热污染，我们可以把全年的工业排热得以回收，从而还可以减少大量的工业用冷却水，进一步缓解北方的水资源短缺问题。那么要实现这些，跨界储能在里头起的非常重要的作用，因为它可以调蓄平衡关系，让全年这些热都能好好使用。所以畅想一下未来的系统该是什么样的，有大的集中的管网，这种各种热量：像核电的余热、电厂的余热、工业余热、数据中心的余热，都能通过热泵升温都到大管网里。

大管网连着大规模的一个或者两个跨季节储热的装置，实际就是巨大的热水池子，然后春夏秋冬都可以满足各个时候的工业用热，它通过热泵可以整合，当然还能满足冬天建筑的采暖需要。这就是一个全面采集各种余热，为各种不同需求提供服务，未来支撑我们零碳能源系统的一个非常重要的补充。让零碳能源系统除了有电的供应，还有热力的供应。

中国已经在北方绝大多数除了青海之外的县级以上建立，而且很多北方的省会城市也正在陆续建造大规模、跨区的几十公里长距离的热网，除了北京之外，其他的各大城市像天津、石家庄、保定、兰州、西安等，在旁边100公里以内都能找到足够的余热热源，所以这个供需关系是平衡的。这几年在长距离输送的基础上得到了明显的突破，使得我们热水循环输送的经济距离就能达到100公里左右。如果输热淡水的经济距离能到200公里，这样的话就要把沿海核电余热充分挖掘利用。

我们国家发展零碳余热系统，有很好的条件，一个是国内各省会已经正在建大热网，具备丰富的热电联产经验，好些电厂都实现了热电联产余热的深度回收，也有大量工业余热回收的成功案例，相关的关键设备和技术现在都已具备。当然还有些关键技术还需进一步开发完善。

谢谢大家。谢谢主持人。希望大家多提建议，共同把中国的余热工程做起来，配合零碳能源系统，配合零碳电力系统发展，实现碳达峰碳中和目标，还我蓝天。

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整理/阿西叶 审/Tammy