完善集中供热是我国西部“一带一路”沿线地区城镇化建设的重要环节,城市集中供热率的提升是保障居民过冬的关键.表1表示了西部“一带一路”沿线各省自治区集中供热面积变化情况^[6].从表1可以看出各省自治区集中供热面积逐年提高,集中供热方式成为越来越多沿线地区的冬季采暖方式.与2011年相比, 2020年青海省集中供热面积增幅高达3 717.85%,陕西、甘肃、宁夏和新疆增幅分别为313.98%、129.13%、112.06%和83.24%.

从建筑类型上看,随着城镇化进程的推进,各地区住宅建筑供热面积逐年稳步增长.相较2017年,各地区2020住宅供热面积增加约17%～45%; 而对于公共建筑,除甘肃省有较大增幅外,其余城市保持在23%～59%之间,如图3所示.

表1 西部“一带一路”沿线地区集中供热面积(104 m2)
Tab.1 Central heating area along “the Belt and Road” in Western China(104 m2)

图3 “一带一路”沿线城市住宅及公共建筑历年集中供热面积
Fig.3 Centralized heating area of urban residential and public buildings along “the Belt and Road” over the years

西安、兰州、西宁、银川以及乌鲁木齐这五个典型城市的集中供热面积在2011—2020年的变化趋势如图4所示.可以看出,西安以及乌鲁木齐集中供热面积增加较快,2011年,西安与乌鲁木齐集中供热面积分别为6 424万m²与9 215万m²,2020年分别增长至29 139万m²与18 478万m²; 兰州、银川这两座城市集中供热面积增速较慢,而西宁在2017年以前基本没有集中供热,从2017年至2020年,其集中供热面积由7 325万m²增加至8 892万m².

图4 2011—2020年各典型城市集中供热面积变化趋势
Fig.4 Change trend of central heating area in typical cities from 2011 to 2020

通过上节分析得到了不同典型城市集中供热面积的变化趋势.为了得到上述城市集中供热能耗,选取了《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ26—2018)》、《建筑节能与可再生能源利用通用规范(GB 55015—2021)》、《近零能耗建筑技术标准(GB/T 51350—2019)》这三部国家级行业标准规范,以及各省市的建筑节能设计标准进行计算,在不同标准及规范的限定下,各城市供热能耗指标如表2所示^[3,7-13].

表2 不同标准下的西部“一带一路”沿线地区供热能耗指标
Tab.2 Heating energy consumption indicators of Western region along “the Belt and Road” under different standards

结合不同规范标准中的能耗指标,计算得到不同城市供暖能耗,结果如图5所示.

在现行JGJ26—2018规范中的节能指标下,截至2020年,西部“一带一路”沿线地区典型城市按供热能耗大小排序分别为:乌鲁木齐>西安>银川>西宁>兰州,预测到2023年西宁供热能耗将超过兰州和银川.经过初步预测,截至2025年,各城市供热能耗将稳步提高,各城市供热能耗将分别约为:乌鲁木齐5.23×10⁹ kWh、西安4.98×10⁹ kWh、银川1.85×10⁹ kWh、西宁2.49×10⁹ kWh、兰州1.30×10⁹ kWh,结果如图5(a)所示.

据GB 55015—2021规范中的节能指标计算,截至2020年,各典型城市按供热能耗大小排序分别为:乌鲁木齐>西安>西宁>兰州>银川,预计截至2025年,各城市供热能耗将分别约为:乌鲁木齐7.06×10⁹ kWh、西安6.67×10⁹ kWh、西宁3.91×10⁹ kWh、兰州1.78×10⁹ kWh、银川1.72×10⁹ kWh,其结果如图5(b)所示.

根据各地现行节能规范,截至2020年,各典型城市按供热能耗大小排序分别为:西安>乌鲁木齐>西宁>兰州>银川,预计2025年,各城市供热能耗将分别约为:西安4.87×10⁹ kWh、乌鲁木齐4.01×10⁹ kWh、西宁2.03×10⁹ kWh、银川和兰州1.14×10⁹ kWh,其结果如图5(c)所示.

若将居住建筑全部按照GB/T 51350—2019标准进行近零能耗改造,截至2020年,各典型城市按供热能耗大小排序分别为:西安>乌鲁木齐>西宁>兰州>银川,预计到2025年,各城市供热能耗将分别约为:西安4.84×10⁹ kWh、乌鲁木齐3.13×10⁹ kWh、西宁1.73×10⁹ kWh兰州1.10×10⁹ kWh、银川1.06×10⁹ kWh.相比于现行JGJ26—2018规范中能耗指标计算结果,西安供热能耗可降低2.8%,乌鲁木齐可降低40.2%,西宁可降低30.5%,兰州可降低15.4%,银川可降低42.7%.

图5 “一带一路”沿线典型城市居住建筑供热能耗
Fig.5 Heating energy consumption of typical urban residential buildings along “the Belt and Road”

本节调研了各典型城市集中供热不同能源所占比例,如图6所示.

图6 各城市集中供热不同能源所占比例
Fig.6 Proportion of different energy sources for central heating in different cities

从图6可以看出,各城市集中供暖所用热源以热电联产与燃气锅炉为主.西安市与西宁市集中供热的热源形式种类较少,以热电联产与燃气锅炉为主.其中西安市热电联产与燃气锅炉供热比例分别为43.2%与56.8%,而西宁市为89.9%与10.1%.银川、兰州以及乌鲁木齐仍保留燃煤锅炉的集中供暖形式,其所占比例分别为10.2%、9.5%与0.1%.在上述城市中,乌鲁木齐仍存在3.4%的比例采用电采暖形式,西宁市热电联产供暖比例最高,达到了90.0%.

为了得到各典型城市集中供热的常规能源消耗量,首先调研到原煤、天然气及电等不同能源热值,如表3所示.

表3 不同能源热值与效率
Tab.3 Heat value and efficiency of different energy sources

在本文中,热电联产集中供热的能源消耗不计入供暖能耗.依据图5中各典型城市集中供热耗热量以及图6中各典型城市集中供热不同能源所占比例,计算出2020年各典型城市常规能源消耗量,并对2025年常规能源消耗量进行了预测,如表4所示.

表4 不同城市在集中供暖常规能源消耗量及预测
Tab.4 Conventional energy consumption and prediction of central heating in different cities

从表4可以看出,目前,西安、西宁、乌鲁木齐地区集中供暖仍然以消耗天然气供暖为主,其中西安与乌鲁木齐由于集中供暖面积巨大,造成了天然气的大量消耗,若按照目前供暖的供暖方式,2025年天然气的消耗量会进一步增大.除此之外,兰州与银川仍然存在燃煤消耗的情况,这对该地区的环境保护造成了较大的压力.

从表4还可以看出,建筑的节能改造对常规能源消耗量影响巨大.以乌鲁木齐为例,执行《新疆严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准实施细则(XJJ001—2021)》,集中供暖可消耗617万m³天然气,若按照《近零能耗建筑技术标准(GB/T 51350—2019)》进一步优化建筑节能属性,天然气消耗量可降低至481万m³,节能效果显著.

根据计算的不同地区常规能源消耗量,结合原煤、天然气及电力等能源碳排放系数(原煤碳排放系数取0.755 9、天然气碳排放系数取0.448 3、电力碳排放系数取0.785 0)^[14],计算得到不同级别能耗指标、不同能源种类的碳排放量.各能源碳排放量见表5.

表5 各典型城市碳排放量计算
Tab.5 Calculation of carbon emissions in typical cities

从表5可以看出,由于乌鲁木齐主要依靠燃气供暖,且集中供暖面积明显高于其他四座城市,因此其碳排放量远高于其余四座城市.尽管西安供暖面积较大,但是该城市56.8%的供暖面积由热电联产供暖模式承担,因此其碳排放量相对不大.对于银川和西宁,由于其集中供热面积远低于乌鲁木齐与西安,因此其集中供暖碳排放量较低.此外,严格执行《近零能耗建筑技术标准(GB/T 51350—2019)》后,相比各地地方规范,各城市碳排放量仍会降低.预计到2025年,西安、兰州、银川、西宁及乌鲁木齐的碳排放量分别会降低0.7%、4.2%、6.7%、14.5%以及22.0%.

西北地区太阳能、风能等可再生能源十分丰富,利用当地丰富的可再生能源替代常规能源供暖,是西部“一带一路”沿线典型城镇节能减碳的重要举措.图7表示了预计到2025年,5座典型城市通过可再生能源逐级替代常规能源后,碳排放量的变化情况.

从图7可以看出,在集中供热系统中,采用可再生能源逐步替代常规能源后,各城市集中供热领域碳排放量降低十分明显.若2025年各城市均严格执行了《近零能耗建筑技术标准(GB/T 51350—2019)》,采用可再生能源替换常规能源至20%时,相比现阶段执行的JGJ26—2018规范,西安、兰州、银川、西宁及乌鲁木齐集中供热碳排放量可分别减少22.3%、32.9%、54.1%、44.3%以及52.1%.

图7 2025年可再生能源逐级替代常规能源后各城市碳排放量变化
Fig.7 Change in carbon emissions in cities after renewable energy gradually replaces conventional energy in 2025

针对西部“一带一路”沿线西安、乌鲁木齐、西宁、兰州、银川五个典型城市,对其十年来供暖面积及供暖能耗进行了研究,分析了执行不同建筑节能标准对集中供热能耗及碳排放量的影响.此外,分析了不同比例的可再生能源替换原有集中供热的热源时节能与减碳的潜力.得到了如下结论:

(1)集中供热领域节能减碳的首要措施是实行建筑节能改造.特别是对于乌鲁木齐、银川、西宁等地,预计2025年,相比现行JGJ26—2018规范中能耗指标计算结果,严格执行GB/T 51350—2019标准进行近零能耗改造,乌鲁木齐、银川、西宁供暖能耗可分别降低40.2%,42.7%与30.5%.西安与兰州可分别降低2.8%与15.4%;

(2)建筑节能改造也可以有效降低其碳排放量.预计2025年严格执行GB/T 51350—2019标准后,若保持现有集中供暖热源结构形式不变,相比现行的各地方标准,西安、兰州、银川、西宁及乌鲁木齐碳排放量可分别降低0.7%、4.2%、6.7%、14.5%以及22.0%;

(3)可再生能源逐步替换常规能源可显著降低集中供热碳排放量.相比现阶段执行的JGJ26—2018规范,预计2025年在严格执行GB/T 51350—2019标准的基础上,通过可再生能源替代常规能源至20%后,西安、兰州、银川、西宁及乌鲁木齐集中供热碳排放量可分别减少22.3%、32.9%、54.1%、44.3%以及52.1%.

集中供热领域节能减碳方法应从“节流”与“开源”两个方面进行改进.

(1)在“节流”方面,各城市应严格按照现有近零能耗建筑技术标准(GB/T 51350—2019)对建筑进行节能改造,特别是乌鲁木齐、银川、西宁这三个地区,建筑节能改造能大幅度降低供暖能耗与碳排放量;

(2)在“开源”方面,分为以下两个方面.第一,优化现有集中供热系统热源结构.以兰州、银川、乌鲁木齐为例,取缔原煤锅炉等高污染的集中供热热源形式,以西安为例,加大热电联产供热比例,降低碳排放量.第二,尽可能使用可再生能源替代现有常规能源,兰州、西宁、银川等地可利用丰富的太阳能资源满足部分用户的热需求,乌鲁木齐可充分利用其丰富的风能资源来降低常规能源在集中供热中的比例.