近年來，我國以京津冀為代表的廣大地區深陷霧霾困擾。由于霧霾問題是直接關系民生的重大問題，黨和國家領導人對此高度重視。2016年12月21日，習總書記在主持中央財經領導小組第14次會議時強調：“推進北方地區冬季清潔取暖，關系北方地區廣大群眾溫暖過冬，關系霧霾天能不能減少，是能源生產和消費革命、農村生活方式革命的重要內容。”

      煤炭一直是我國北方城鄉居民冬日取暖的主要能源，環保部2016年底印發的《民用煤燃燒污染綜合治理技術指南(試行)》提出了“民用煤污染治理應以環境空氣質量改善為核心，采取因地制宜、綜合治理、多措并舉、分步推進的步驟實施”的治理總體思路。

      但是，隨著2017年冬季供暖季在11月15日前后的到來，我國北方一些城鄉陸續傳出供暖燃氣不足的消息，產生“氣荒”。從11月28日0時起，河北省天然氣供應進入Ⅱ級預警（橙色），甚至河北某醫院供氣也受到限制。天然氣新增的需求大部分來自最近幾年清潔供暖中的“煤改氣”工程，煤改氣工程之下，很多地方燃煤取暖被禁止，對天然氣的需求大幅度增加，超出了相關單位供氣的能力。

      顯然，由于清潔取暖是一項復雜的系統工程，采取的實施路線稍有偏頗，后果不堪設想。這就需要我們在實施清潔供暖戰略中，一方面要細致周到的推進實施、另一方面要借助先進的實施理念，實施方案，確保清潔供暖工作真正的變成惠民工程，并且切實解決國家發展中面臨的能源和環境約束問題。本文擬就清潔供暖實施方案進行創新思考，為清潔供暖戰略提供一條重要的實施思路。

      一、清潔供暖的重大意義

      1. 我國供暖情況現狀

      目前我國的供暖體系，按照區域對供暖方式進行分類統計，城市供暖主要采用集中供暖方式，農村則多采用分散供暖方式。無論哪種供暖方式，基于煤炭廉價易用的特點，雖然經濟社會已經高度發展，我國居民供暖仍然以燃煤為主。

圖1 我國北方地區冬季取暖的特點[1]

      在集中供暖系統中，燃氣鍋爐和熱電聯產等清潔取暖的供暖面積呈現快速、持續增長的態勢。集中供暖發展時間長、技術成熟可靠，目前采用的集中供暖熱電廠排污水平已經很低。

      而在我國人口接近50%的北方農村則大量采用散煤取暖。散煤，是一種在小鍋爐、家庭取暖、餐飲用煤中廣泛使用的民用煤，灰分、硫分比例高，但價格便宜。在生活水平不斷提高的農村地區，冬季室內散煤取暖也逐漸顯現出多方面問題：盡管戶均耗煤量已超過城市居民水平，但冬季室內溫度大多在10~16℃之間，不足以滿足室內舒適性的基本要求；大量分散的散煤低效燃燒導致冬季室內外空氣質量惡化，并且還成為形成冬季北方大面積PM2.5的主要污染源之一。

      2. 京津冀供暖季深陷霧霾

     2016年，我國煤炭消費量18.88億噸油當量，同比下降4.7%，但仍然占世界煤炭總消費量的50.58%。煤炭在我國能源消費結構的比重達到62%，遠高于30%的世界煤炭平均水平。

      國網能源研究院高級工程師霍沫霖博士強調，占煤炭消費總量4.7%的農村生活散煤產生高達74.9萬噸細顆粒物排放，幾乎持平于占煤炭消費總量43.2%的電煤所產生的88.57萬噸排放。由于單位排放強度最大，農村生活散煤應成為散煤治理的重中之重。國務院參事室特約研究員吳吟曾指出，“1噸散煤燃燒排放的污染物相當于火電燃煤排放污染物的5到10倍”。而一噸散煤燃燒產生的煙塵(顆粒物)、二氧化硫、氮氧化物更是達到電廠大型鍋爐處理后的10倍以上。2017年8月31日,《2017中國散煤治理調研報告》在京發布，報告預計全國散煤消費量應在7.5億噸左右。該課題總報告由中國工程院院士、清華大學環境學院院長賀克斌和中國煤控項目分析師李雪玉編寫。

圖4 北京供暖季霧霾景象

      散煤問題已成為影響京津冀大氣治理效果的最短板，也直接影響到中國的能源消費轉型。2016年1月，國家城市環境污染控制技術研究中心研究員彭應登通過燃煤量和污染系數計算得出，北京本地每年排放的7.2萬噸PM2.5污染物質中，15%來自本地散煤燃燒。此外，散煤還貢獻了十分之一的氮氧化物污染和三分之一的二氧化硫污染。在一場京津冀區域散煤燃燒污染控制與管理技術交流會上，環保部總工程師趙英民指出，京津冀區域目前每年燃煤散燒量超過3600萬噸，占京津冀煤炭用量的十分之一，但對煤炭污染物排放量的貢獻總量卻達一半左右。

      近年，為了治理冬季首都霧霾，京津冀地區協同聯動進行了很多卓有成效的以“煤改氣”、“煤改電”為主的清潔供暖改造工作。目前北京全市優質能源占比提升到84%以上。北京市年用煤總量已由2300萬噸，壓減到1000萬噸以內;建成四大燃氣熱電中心，實現電廠生產燃氣化；核心區、城六區和通州區基本“無燃煤鍋爐”。北京已連續兩年總投入100億元以上，對農村地區800多個村(鎮)實施煤改氣(電)，預計到2018年，全市農村地區煤改氣(電)將全部完成。2017年9月29日，中國社會科學院城市發展、中國城市經濟學會與環境研究所在京發布《城市藍皮書：中國城市發展報告No.10》。報告認為，總體來看，我國的霧霾治理已經取得一定成效，但京津冀依然是空氣污染最嚴重的區域。

     3. 清潔供暖意義重大

      在全世界范圍，2015年12月，《聯合國氣候變化框架公約》近200個締約方在巴黎氣候變化大會上達成《巴黎協定》。2016年10月5日，聯合國秘書長潘基文宣布，《巴黎協定》于當月5日達到生效所需的兩個門檻，并將于2016年11月4日正式生效。根據《巴黎協定》，各締約方承諾，在工業化前水平上，要把全球平均氣溫升幅控制在2攝氏度以內，并提出努力將氣溫升幅限制在1.5攝氏度內的目標。

      在我國，北方清潔供暖關系廣大人民群眾生活，是重大的緊迫的民生工程、民心工程。黨的十九大指出：我國社會主要矛盾已經轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾。當前北方開展的清潔取暖重大決策的提出，正是源于對這一矛盾的深刻認識。

      目前采取的清潔供暖措施已然產生了巨大的經濟和社會效益：

     首當其沖就是節能減排。例如，國家電網公司自推廣實施電采暖以來，已累計完成替代電量277億千瓦時，相當于減少散燒煤1551萬噸。與此同時，電采暖還累計減少二氧化碳排放2762萬噸，減少二氧化硫、氮氧化物和粉塵污染物排放878萬噸，北京平原地區、天津武清區等地率先建成“無煤區”。

      給百姓生活品質帶來大幅提升。老百姓家里不用再堆散燒煤了，不用再處理煤灰了，無論是家庭生活小環境、還是村鎮大環境都得到根本改善。安全方面主要體現在以往燃煤取暖造成的煤氣中毒、火災等安全事故顯著減少。農戶室內供暖溫度穩定、適宜，提高了居住舒適性。

      提高清潔能源消納力度。國網甘肅公司在金昌、瓜州等光伏基地推廣電采暖244萬平方米；吉林公司利用棄風電量，推動建成全球最大的32萬千瓦取暖電鍋爐。2016至2017年取暖季，青海、新疆、吉林、遼寧等地通過清潔取暖消納棄風棄光電量近3億千瓦時。

      清潔采暖行業快速發展。電采暖還帶動電采暖行業健康快速發展，近年來電采暖設備和關鍵技術也不斷取得進步和突破，電采暖設備類別不斷增加，市場規模持續擴大。僅北京地區2016年“煤改電”市場規模就超過50億元。

     若全面采取清潔供暖，將大幅改善人民群眾生活質量，提高清潔能源利用率，降低碳排放，并在很大程度上解決霧霾問題。“2017年散煤減少7000萬噸，2020年減少2億噸以上”，這是8月31日發布的《中國散煤治理調研報告(2017)》提出的目標。

      但是，近兩年的清潔供暖工作，由于工期緊張，且替代工作量大，實施過程中暴露出大量的現實問題。例如，中國農村能源行業協會郝芳洲說，“散煤需要治理，但散煤燃燒替代戰略應該如何推行？一些地方下發節能爐具補貼政策沒多久，在氣源短缺情況下，又出臺了燃氣壁掛爐補貼標準，由于脫離實際，政策難以執行。”典型的問題總結如下：

     1) 散煤取締過程中，引入多種“煤改電”、“煤改氣”的設備及配套建筑，使得熱力系統更加復雜，供暖成本高企；

     2) 天然氣等代替散煤的能源緊缺，甚至產生“氣荒”現象，供暖高峰期為了保供暖，部分工礦企業的用氣需求無法滿足，供暖安全性也不能完全保障；

     3) 改電后發電一次能源仍多為化石能源，多個地區雖然風力或太陽能資源豐富，卻仍有超過20%的比例新能源被棄用。蒙西地區冬季供暖季，棄風率竟然超過50%！

      因此，急需一種靈活高效、可集中可分散、甚至能夠參與環境治理的清潔供暖解決方案。能源互聯網清潔供暖解決方案應運而生。

      二、能源互聯網引領清潔供暖的技術變革

     縱觀發達國家，在散煤治理方面，“清潔化改造+能源替代”成主攻方向，而能源互聯網是公認消納新能源的最佳方案。英國倫敦自1956年《清潔空氣法》頒布實施以來，要求居民、商業和工業部門燃用的煤炭改為天然氣和電力，經過多年的努力，其空氣質量得到明顯改善。此外，通過散煤治理推動能源使用結構調整也是美國減少燃煤排放的關鍵。美國近半個世紀以來，煤炭消費向規模較大、治污設施完善的大型電廠機組集中，民用消費比例逐漸降低，減少散煤污染排放量，從而保障空氣質量。

      我國可再生能源供熱潛力很大。研究測算，我國可再生能源供熱潛力可達30億噸標準煤以上。各類可再生能源供熱方式增長迅速，太陽能熱利用持續增長，風電清潔供熱與生物質能供熱在示范應用的基礎上開始進入規模化發展階段，地熱能的開發利用更呈現較快增長，各地因地制宜開展了可再生能源供熱的實踐。對于建筑密度高的城市建成區，采用集中供暖的方式已經十分成熟。對于建筑密集度低的北方廣大農村，集中供熱網的投資高，運行效率低，因此應發展分散的清潔供熱方式。

     1. 傳統清潔供暖的技術路徑

      傳統清潔供暖的技術路徑可以分為熱源的清潔能源替代及熱網和建筑的節能性能提升。在熱源的清潔能源替代方面，主要是將天然氣、電能、可再生能源等清潔能源通過增效、轉換、光熱、光電、風電、水電、熱泵等高效技術的獨立或耦合應用替代傳統熱源，這種替代既包括熱源的新建、也包括熱源的改造。

     2016年，北京市共完成663個村莊熱源的清潔能源替代工作。其中，“煤改氣”占12.3%，“煤改電”占87.4%。在“煤改電”中，空氣源熱泵占主導地位，達到75.9%，蓄熱式電暖氣占22.3%，地源熱泵不足0.1%，采用其他電采暖設備占1.7%。

      探討能源互聯網清潔供暖解決方案之前，我們先來分析一下傳統清潔供暖主要技術路徑的特點：

     從以上分析可以看出，傳統清潔供暖技術的主要技術路徑，均存在或多或少的問題，其優缺點和局限性，導致了清潔供暖工作推動的困難重重，效果不夠顯著。

     2. 基于能源互聯網清潔供暖解決方案

      能源互聯網是一種互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業發展新業態。基于能源互聯網的清潔能源場景與傳統清潔能源場景具有顯著的區別，清華大學能源互聯網研究院深入研究清潔供暖專題，提出基于能源互聯網技術的清潔供暖解決方案。

      在能源互聯網清潔供暖解決方案中，分布式清潔電能充當能源互聯網熱源主力，天然氣作為補充熱源；光伏或風電通過清潔供暖途徑可以獲得大量的消納，解決“棄風棄光”能源浪費問題；將傳統配電網絡作為傳輸能量的媒介，代替傳統熱力網，延伸至難以建設熱力網絡的廣大區域（尤其是大量使用鍋爐房和散煤的村鎮，電力網早已普及）；各類熱用戶從熱負荷的角色轉變為能源互聯網的綠色能源節點，通過信息物理系統融合技術，它們可以受控參與對電力網的調峰調頻，及作為各個能源系統的穩定性控制手段。同時，若在較大熱用戶處增設電蓄熱設備，還能能夠使得熱負荷獲得日負荷曲線、甚至年負荷曲線的削峰填谷，平抑電力需求等虛擬電廠重要功能（如圖5所示）。

圖5 基于能源互聯網清潔供暖解決方案示意圖

      從圖5可以看出，整套解決方案也可以稱為虛擬熱電廠方案。供暖系統變成了能源系統的重要設施，能夠通過云端大數據處理，及虛擬熱電廠的控制策略實現大范圍的能源調配，極大的增加了清潔供暖的經濟和社會效益，引領清潔供暖向著創新、協調、綠色、開放、共享及優質高效的方向發展，最終助力實現能源消費方式革命。

      針對解決方案中的關鍵技術之一，電蓄熱將迎來在國內的發展高峰期。電蓄熱起源于上世紀五十年代的歐洲，至今已有六十多年歷史。作為政府項目，德國政府聯合奔馳、AEG和西門子等多家著名企業研發了利用電力低谷時段蓄能設備。數十年來電蓄熱在歐洲一直發揮其獨特的調峰加供暖的優勢，至今仍廣泛應用于德國智能電網和供熱服務。

      蓄熱機組如果利用谷電蓄熱，然后按需釋放用于供熱服務，所以在電力調峰和清潔供熱兩方面均可發揮有效作用。

      在清潔供熱方面，電蓄熱作為“煤改電”，電能替代和城市清潔供熱的有效途徑，可滿足新區的清潔供熱需求，解決城市供熱全覆蓋過程中出現的各種難題。

     在電網調峰方面，電蓄熱設備可大量消納電網的谷電或過剩電力，用于地區電網的削峰填谷，促進電網平穩運行，延長電網設備壽命。

圖6 電蓄熱機組與多種供電源工程示意圖

      3. 能源互聯網引領清潔供暖變革

      深入推進上述能源互聯網清潔供暖解決方案，能夠帶動清潔能源供暖領域技術變革。這些變革體現在：

      1) 能源互聯網大大簡化熱力系統。將電力網和熱力網互聯之后，傳統的各類熱力公司可以簡化統一或取消，只需要解決電供暖的技術問題，其他的清潔能源發電技術問題都是電力網既有成熟技術，清潔供暖問題可以大大簡化。

      2) 能源互聯網熱力系統是電力系統有效的調峰調頻手段。熱力系統與儲熱技術相結合，利用谷電蓄熱、抑制高峰期用電，相當于把清潔供暖變成了電力調峰設施。

      3) 能源互聯網清潔供暖可以完美解決“棄風棄光”等能源浪費問題。能源互聯網能夠統籌電力、熱力、天然氣管網等多個網絡，將各類能源轉化為電能，尤其是風電太陽能實現效益最大化。（棄風棄光率降低至5%以內）

      4) 能源互聯網熱力系統提高能源利用效率。能源互聯網將每個獨立能源解決的問題統籌為多能互補、建立協同綜合的供暖能源網絡，解決供暖中單一能源缺乏導致的瓶頸，和成本高企、性價比不高的問題，進一步提高能源的利用效率。（天津城市能源互聯網北辰產城融合區能源利用效率提升20%）

      三、清潔供暖解決方案的經濟性分析

     日前，國家電網向所屬單位印發《關于在各省公司開展綜合能源服務業務的意見》。意見稱，將綜合能源服務放在更加突出的位置上，有利于鞏固公司售電市場、擴展業務范圍、提升客戶服務新能力，帶動公司相關產業發展，培育新的市場業態，增加新的效益增長點。并構建多元化分布式能源服務。

      本章我們以電網公司投資清潔供暖項目為例（從經濟效益角度考慮電力公司投資的動因，分析現行煤改電VS直購電VS能源互聯網三種清潔供暖解決方案的經濟性，實際情況可能不僅僅是經濟效益，還有別的系統因素或復雜原因，左右電力公司的投資動因。）：

     1. 估算場景和邊界條件

     三種方案中第一種為實際工程測算，后兩種方案為估算，估算場景為冀北電力公司為某煤改電工程從變電站10千伏母線引出一條線路，需新建長度為10km的10kV專用配電線路，配送容量2MW用于清潔供暖熱負荷，線路形式為典型配電水泥桿加線路。約定邊界條件：

     1) 現行“煤改電”進行清潔供暖，冀北公司不執行階梯電價政策，用電價格暫按階梯電價一檔標準執行，即每千瓦時0.52元，若購電成本按照0.38元考慮，則購售價差為0.14元/千瓦時[5]；

     2) 直購電方案河北省收取過網費用按照0.03元/千瓦時估算[3]；

     3) 能源互聯網清潔能源供暖方案采用虛擬熱電廠的需求側響應控制策略，熱負荷假設為目前北京地區較為常用的空氣源熱泵，需求側響應成本估算采用等效法，等效法中采用抽蓄等效，典型抽水蓄能電站單位造價約8000元/千瓦[2]；

     4) 能源互聯網虛擬熱電廠成套應用年使用費用約5萬元（包含控制器、通訊設備、和軟件使用費）；

     5) 配電網每公里建設總投資按照20萬估算[4]；

     6) 在清潔供暖場合，配電網建設或改造后同時率接近1，按照0.9估算；

     7) 年供暖121天，天取暖16小時，年供暖實際用電時間約2000小時；

     8) 電網缺少經濟的調峰手段，電網調峰矛盾日益突出。

     2. 現行“煤改電”清潔供暖方案測算[5]

     1) 投資合計：2016年冀北公司完成某村共計85戶“煤改電”工作，“煤改電”配套電網建設主要規模為：改造10千伏線路4.077公里、低壓線路0.856公里、新建400千伏安配變1臺、改造200千伏安配變1臺，工程總投資179.52萬元（該投資實際還提供了部分非清潔供暖熱負荷之外的負荷）。

     2) 回報合計：“煤改電”改造后，采暖季用電量增加5.9萬千瓦時。煤改電采暖季電網收入為0.826萬元（收益低于改造之初的熱負荷預計）。

     投資回報率：約0.5%

     3. 直購電清潔供暖方案估算

     3) 投資合計：210萬元，折合單位造價約1050元/千瓦（配電網建設費用200萬、運行維護成本10萬/年）。

     4) 回報合計：采暖季收取電費過網費，按照熱負荷用電估算年過網費收益為10.8萬元，合54元/千瓦。

     投資回報率：約5%

     4. 能源互聯網清潔供暖方案估算

     1) 投資合計：215萬元，折合單位造價約1075元/千瓦（配電網建設費用200萬、運行維護成本10萬/年、能源互聯網成套應用年使用費用約5萬元）。

     2) 回報合計：用等效法計算清潔供暖電力調頻調峰作用回報，假設電供暖容量中僅有5%可以用作調峰調頻，則等效為1MW的抽水蓄能電站的功能，節約調峰建設投資達800萬元（約8000元/千瓦），按照使用年限50年攤平投資估算，約160元/千瓦。節約調峰抽水蓄能電站運行成本（抽蓄消耗能量等）約100元/千瓦（實際跟電價水平關系密切）。

     投資回報率：約25%

     注：本文所涉及估算結果為初步核算結果，歡迎各位業內專家朋友提供新的線索、建議，大家共同探討，為做好清潔供暖事業做出貢獻！

     5. 三種方案的對比分析

      從上表可以看出，電網公司如采用現行“煤改電”清潔供暖方案，屬于進行公益投資，無任何收益，完全為虧本投資；采用直購電供暖方案進行清潔供暖專線建設，預計超過20年才能收回成本，如考慮融資成本，則也無法投資賺錢，因此電網公司也將缺乏經濟因素方面的推進動力；而采用能源互聯網清潔供暖方案，即便考慮融資代價，預計僅需4~5年即可收回成本，因此從收益角度分析，電網公司主導清潔供暖這一輔助服務工作采用能源互聯網各種方案應該可以得到強力推進。