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ENERGY OF CHINA4 院 士 论 坛Academician Speech 我国能源供给与消费优化精准 配置探讨 以浅层地热能与建筑物供暖制冷配置为例 武 强 1，2，涂 坤1，2，3，徐生恒1，2，曾一凡1，2，刘守强1，2，朱 柯1，2 （1. 中国矿业大学 （北京） 地球科学与测绘工程学院，北京 10083； 2. 国家煤矿水害防治工程技术研究中 心，北京 10083； 3. Departmentof Environmental Sciences University of California, Riverside, CA 92521） 摘要当前我国面临着资源约束矛盾突出、能源利用效率低和应对气候变化等问题。要圆 满解决这些矛盾和问题，不仅需要能源消费侧和供给侧的革命，而且消费侧与供给侧之间能源 如何优化精准配置也同样十分重要。本文系统地阐述了能源供给与消费优化精准配置的原理和 内涵；以建筑物供暖与制冷能源需求为例，科学地分析了浅层地热能为建筑物供暖制冷在品位 上、空间上和时间上配置的合理性。在新时代推进能源生产和消费革命的背景下，开展我国能 源供给与消费优化精准配置研究，对更好地积极应对能源、环境与经济带来的挑战具有战略性 意义，对提高我国能源利用效率有重要现实意义。 关键词能源供给；消费优化；精准配置；浅层地热能 中图分类号F426 文献标识码A 文章编号1003-2355-202005-0004-04 Doi 10.3969/j.issn.1003-2355.2020.05.001 Abstract At present, China is faced with problems such as the contradiction of resource restriction, the low efficiency of energy utilization, and the responsibility of addressing climate change, etc. In order to solve these contradictions and problems satisfactorily, it not only needs a revolution on energy supply side and consumption side, but also the revolution on how to optimize the precision allocation of energy between supply side and consumption side is equally important. The principle and connotation of optimal and accurate allocation of energy supply and consumption is systematically expounded in this paper. Taking the energy demand of heating and cooling for building as an example, the reasonable allocation of shallow geothermal energy for providing heating and cooling to buildings in grade, spatial, and time is scientifically analyzed. Under the background of promoting the revolution of energy production and consumption in the new era, carrying out the research on the precision allocation of energy supply and consumption in China has the important strategic signifi cance to better respond to the challenges of energy, environment, and economy. It is also of great practical signifi cance to improve the effi ciency of energy utilization in China. Key words Energy Supply; Consumption Optimization; Precision Allocation; Shallow Geothermal Energy 收稿日期 2020-03-21 基金项目国家自然科学基金重点项目 （编号 41430318） ；国家重点研发计划资助项目 （编号 2016YFC0801801） ；国家自然科学基金 （编 号 41572222，41602262，41702261，41877186） ；中央高校基本科研业务费项目 （编号 2010YD02） ； 作者简介武强 （1959-） ，男，内蒙古呼和浩特人，教授，博导，中国工程院院士。 变化进入新阶段，新一轮能源革命蓬勃兴起。我 国经济发展步入新常态，面临着世界能源竞争加 剧、能源消费总量持续增加、能源发展质量和效 率问题突出等挑战，能源转型变革任重道远 [1-4]。 0 引言 能源是人类社会生存发展的重要物质基础， 攸关国计民生和国家战略竞争力。当前，世界能 源格局深刻调整，供求关系总体缓和，应对气候 第42 卷 第 5 期 2020 年5 月5 院 士 论 坛Academician Speech 因此，面对国际能源发展新趋势、能源供需格局 新变化和保障生态文明建设等问题，就必须推动 能源生产和消费革命。 1 能源现状 1.1 能源生产供给分析 经过长期发展，我国已成为世界上最大的能 源生产国，形成了煤炭、石油、天然气、电力、 可再生能源全面发展的能源供给体系。2017 年煤 炭、石油、天然气、水电、核电和可再生能源等 折算为标准煤的产量如图 1，煤炭产量为 25.14 亿 tce，占一次能源供给比例高达 70。煤炭在一次 能源生产结构中占主导地位是由长期以来中国“富 煤、贫油、少气”的资源禀赋特征决定的。 4.28 1.46 1.97 0.31 2.74 25.14 图 1 2017 年我国分品种能源生产量结构图 单位亿 tce 数据来源国家统计局。 1.2 能源消费分析 我国能源消费结构目前仍以煤炭为主，2015 年 一次能源消费的比重为 64，是全球煤炭消费占 比的 2 倍多。近年来，随着 “节能减排”上升为国 家战略，中国一次能源消费结构正在进行不断调整 优化，总体呈现出煤炭消费比重下降，而清洁能 源天然气和可再生能源的消费比重呈上升的趋势。 预计至 2020 年，煤炭消费总量得到一定控制，占 比降至 60，较 2015 年下降 4 个百分点；石油消 费占比 17，基本保持稳定；天然气与可再生能 源占比升至 8 和 15。到 2030 年，煤炭消费占 比大幅下降至 49，石油消费占比仍基本稳定在 17，天然气和可再生能源等清洁能源占比分别上 升到 12 和 22，分别提高了 4 个百分点和 7 个 百分点，尤其以可再生能源的提升最快，见图 2。 我国人均能源消费量与世界主要发达国家相 比仍存在较大差距。2017 年，我国人均能源消费 量为 3.2 tce，比世界平均水平 2.6 tce 高 0.6 tce， 但远低于北美能源消费模式下的加拿大和美国的 64 60 49 18 17 17 6 8 12 12 15 22 020406080100 2030 2020 2015 图 2 2015 年、2020 年及 2030 年我国一次能源消费结构 [5] 人均能源消费量，也远低于欧洲能源消费模式下 的德国、法国和英国等国的人均能源消费量，见 图 3。 2.6 3.2 5.2 9.8 13.6 4.1 5.1 5.8 02468101214 tce/ 图 3 2017 年世界及主要国家人均能源消费量 数据来源2018 年 BP 世界能源年鉴和世界银行。 1.3 能源供给与消费优化精准配置 党的十九大报告指出，中国要在 2020 年全 面建成小康社会，2035 年基本实现社会主义现代 化，到本世纪中叶要把我国全面建设成为社会主 义现代化强国。因此，在可预见的未来，我国能 源消费总量仍将持续增长以满足未来发展的新目 标。但与此同时，我国却面临着资源约束矛盾突 出、能源利用效率低、生态环境压力大、应对气 候变化等问题。要圆满解决这些矛盾和问题，不 仅需要能源消费侧和供给侧的革命，而且消费侧 与供给侧之间能源如何优化精准配置的革命也同 样十分重要。 能源优化精准配置是指对不同能源品位、不 同时间领域、不同空间分布的能源，以开源和节 流为手段，在能源供给侧和消费侧运用科学高效 的方式实施优化精准匹配和合理精确供应。目前， 我国普遍存在着不合理的能源消费现象，一方面 我国主要产品能耗比世界平均水平高，能源利用 效率低；另一方面我国能源消费存在大量的“大马 ENERGY OF CHINA6 院 士 论 坛Academician Speech 拉小车”现象，比如消耗大量高品位能源用于解决 仅需要低品位能源即可满足的建筑物供暖与制冷 问题等。因此，实现能源供给与消费优化精准配 置，对改善我国能源消费结构、提高我国能源利 用效率水平、缓解高品位能源短缺和减少二氧化 碳排放等均具有极其重要的意义。 2 地热能特点与供给能力分析 以太阳能、风能、地热能和生物质能为代表 的可再生能源，在自然界中是可以不断再生、永 续利用的资源，适宜就地开发利用，且对环境无 害或危害极小 [6] 的独特优势而越来越受到人们的 重视和关注。地热能是一种绿色低碳、可循环利 用的可再生能源，其直接利用不受风能和太阳能 等所面临的昼夜与季节性变化的限制，且具有储 量大、清洁环保、稳定可靠等特点，其最重要的 优势是在时间域连续稳定，在空间域面广量大。 因此，地热能是一种现实可行且具竞争力的连续 稳定可再生能源。 地热能资源按其在地下的赋存状态，可以分 为浅层地热能，温度低于 25℃，深度一般小于 200 m；中深层水热型地热能，温度高于 25℃， 埋深一般在 3000 m 以浅；深层干热岩，一般没有 或者有很少流体，温度高于 150℃，埋深一般大于 3000 m。其中，浅层地热能和中深层水热型地热 能属常规地热能，干热岩属非常规地热能 [7]。 地 热 能 开 发 利 用 “ 十 三 五 ”规 划 指 出， 在 “十三五” 期间，新增地热能供暖与制冷面积 11 亿 m2， 其中新增浅层地热能供暖与制冷面积 7 亿 m2； 新增水热型地热供暖面积 4 亿 m2。到 2020 年，地 热供暖与制冷面积达到 16 亿 m3，地热能年利用量 7000 万 tce，地热能供暖年利用量 4000 万 tce[8]。 相比于常规地热能，深层地热资源的开发面临着 更多技术难题，特别是近年来受到广泛关注的干 热岩，开发难度更大；我国的干热岩开发还处于 起步阶段 [9]，相比国外存在较大差距，规模化利 用和商业化运行尚待时日。 3 建筑物供暖与制冷能源需求分析 目前，建筑能耗与交通能耗、工业能耗并列， 成为我国能源消耗的三大“能耗大户”之一，占全 社会总能耗的 30 左右 [10]。2014 年，中美两国 发布中美气候变化联合声明 ，中国提出到 2030 年左右二氧化碳排放达到峰值或早日达峰，并提 出到 2030 年非化石能源占一次能源消费比重提高 到 20 左右。因此，要实现这一目标，能源节约 要实行总量和强度的双控，同时也要实现能源消 费方式和优化配置的彻底革命。 随着交通运输业的快速发展，交通能耗已成 为我国能源消费增长最快的行业，交通能耗主要 使用高品位矿物燃料，比如石油和天然气等；工 业能耗主要用于化工、冶金和矿物开采等高耗能 行业，需要大量的电、原油等高品位能源。由于 我国石油和天然气等高品位能源短缺，对国外依 赖度较高。因此，在如此严峻的能源约束下，通 过能源的优化精准配置，把为建筑物供暖与制冷 的高品位能源用于工业和交通运输行业，为工业 和交通运输行业等持续增加的能源消耗提供空间。 建筑能耗包括建筑材料、建筑建造和建筑运 行能耗，其中，建筑材料和建造过程的能源消耗 占建筑能耗的 20 左右；建筑运行能耗通常指人 们日常用能，如供暖和制冷、照明和建筑物内电 器使用等；而在建筑运行能耗中，采暖和制冷是 最耗能的，占建筑能耗的 60 左右 [11]。多年以 来，我国为建筑物供暖采用的是燃烧煤炭为主、 甚至是天然气的方式。然而，煤炭和天然气都是 高发热量和优质的高品位能源，其自身可用于更 为高端运用的能源形式。采用高品位能源为建筑 物供暖不仅导致能源品位矛盾问题突出和匹配差 异变大，造成资源浪费；而且也在利用过程中产 生二氧化碳和氮氧化物等废气，破坏生态环境。 遗憾的是，多年以来人们并没有认识到建筑 物供暖与制冷的根本问题，即建筑物的供暖与制 冷对能源的品位要求非常低。建筑物采暖对地热 水的温度要求较低，一般不低于 60℃就可以，现 在地热采暖中也有利用 50℃ 60℃地热水为建筑 物供暖的 [12]。因此，从能源品位的角度来说，节 能且环保的热泵技术 [13] 利用低品位的浅层地热能 为建筑物供暖与制冷是目前最好的形式，也具有 其他能源无法替代的独特优势。 4 浅层地热能供给与建筑物供暖制冷消 费的优化精准配置 相比于其它为建筑物供暖与制冷的形式，只 有浅层地热能能够同时满足建筑物供暖与制冷在 品位、空间和时间上的要求。浅层地热能温度相 对稳定且储量大，可利用热泵技术将赋存于地层 中的相对稳定的低品位热源转化为可以利用的高 品位热源，实现为建筑物冬季供暖和夏季制冷的 空调系统。 第42 卷 第 5 期 2020 年5 月7 院 士 论 坛Academician Speech 4.1 品位配置的合理性 虽然浅层地热能的原始温度无法直接满足建 筑物的供暖与制冷需求，但已非常成熟的热泵技 术为相对恒温浅层地热能解决建筑物供暖制冷问 题提供了技术支撑，可实现温度相对稳定的低品 位热能向高品位能源转化，达到同时满足建筑物 供暖与制冷的目标，为浅层地热能开发利用注入 了新的生命力。然而，我国目前大部分是采用燃 烧煤炭、天然气等高品位能源为建筑物供暖，却 较少采用以浅层地热能等低品位能源来满足建筑 物供暖需求的方式。因此导致供给侧和消费侧的 能源品位匹配不对称，大量资源浪费，能源利用 效率低下。 我国虽然地热资源丰富，但应对地热资源梯 级精准利用，避免造成资源浪费。若中深层水热 型高温地热资源和干热岩仅为建筑物供暖，则必 然导致能源供给侧和消费侧能源品位配置不合理， 造成高品位热能资源的浪费；但对于量大面广的 浅层地热资源，通过热泵技术即可满足能源品位 与建筑物对供暖的能源品位要求，做到供给侧与 消费侧能源品位对接、合理配置。因此，在我国 现代能源体系中不仅要开发“绿色资源” ，而且要 建造能源消费与供给优化精准配置的“绿色工程” 。 努力把浅层地热能为建筑物供暖与制冷建成我国 现代能源体系中能源品位优化精准配置的“双绿 色”典型代表。 4.2 空间配置的合理性 充分发挥浅层地热能分布广、储量大和资源 稳定的优势，让浅层地热能为建筑物供暖与制冷 遍地开花。目前中深层水热型地热资源的开发局 限于地热异常区，远离异常区就无法利用中深层 水热型地热资源；其次干热岩开发还处于研究试 验阶段，实现系统开发利用为时尚早，且埋藏深 度合理的我国干热岩资源分布具有一定规律，使 用范围受到限制。因此，分布广泛且地理空间配 置更合理的浅层地热能应成为建筑物供暖与制冷 的主要形式。 随着人们生活品质的不断提升，传统地理空 间上的秦岭淮河供暖线已经不再适用。南方冬 季阴冷潮湿，极寒天气频频出现，人们对供暖的 需求越来越迫切；而热泵技术利用浅层地热能冬 天供暖，夏天制冷，特别适合在南方地区使用， 可破解南方供暖困局，为人们提供一个温暖和舒 适的生活环境。此外，浅层地热能为建筑物供暖 与制冷应该从中心城市走向广大的乡镇和农村地 区。虽然目前北方供暖大力推广 “煤改电”和 “煤 改气”替代燃煤；但是，我国电力供应存在区域不 平衡，农村电网改造难度大等问题，对农村供暖电 力保障提出较大挑战，致使 “煤改电”效率低。同 时，由于天然气过度依赖进口及管网设施不完善 和价格改革滞后等原因，天然气在全国会出现 “气 荒”问题，一旦气源紧张，农村燃气供暖自然得 不到保障。然而，在广大乡镇和农村地区，地热 能资源丰富，供应稳定，适用条件优势明显，发 展潜力巨大，这些优势是电供暖和天然气供暖无 法比拟的。因此，浅层地热能空间优化配置对广 大乡镇和农村地区为建筑物供暖与制冷意义重大。 4.3 时间配置的合理性 浅层地热能不仅可为建筑物夏季制冷又可用 于冬季供暖，即具有冷热双供的显著特点，其利 用不受季节变化的影响；中深层地热能和干热岩 提取的较高温度的热源在冬季可为建筑物供暖， 但在夏季建筑物需要制冷时二者却“不知所措” 。 因此，相比于中深层地热能与干热岩，浅层地热 能为建筑物供暖与制冷在时间配置上更具合理性， 既能在寒冷冬天温暖建筑物，也能在炎热夏天凉 爽建筑物。而资源和温度相对稳定的浅层地热能 结合当前的季节性地下储能技术巧妙地解决了浅 层地热能供给与建筑物供暖与制冷的时间配置问 题。季节性地下储能技术如同一家银行，冬季将 大气环境中丰富的“冷”或夏季的“热”季节性地 储存在地下含水层中，从而形成了“地下水冷库” 或“地下水热库 [14]” ，储存夏天的热能温暖冬天， 储存冬天的冷能凉爽夏天，是一种可再生的能源 系统。季节性储能技术能够充分利用浅层地热能 和建筑物供暖与制冷二者能量需求的“时间差效 应” ，达到可持续循环利用的状态，从而实现建筑 物节能减排目标。 5 主要结论与建议 利用低品位的浅层地热能替代煤、天然气等 高品位能源为建筑物供暖与制冷，不仅满足了建 筑物供暖与制冷在能源品位、时间和空间上的需 要，也实现了能源供给侧与消费侧之间能源优化 精准配置；这对破解资源环境约束、改变粗放型 能源消费方式、提高能源利用效率和降低社会用 能成本等方面具有重要启示作用，更对我国构建 清洁低碳、安全高效的能源体系有重要现实意义。 ● （下转第19 页） 第42 卷 第 5 期 2020 年5 月19 国 外 能 源Overseas Energy 经济计划启动于 2016 年。 布鲁塞尔市以灵活、包容和协作的方式设计 倡议，提升创意认可度。政府部门随着人们观点 的改变，保持着灵活和开放的创新态度对倡议进 行调整，这种包容的合作方式加深了人们的参与 度和认同感。而同时随着人们对循环经济机遇与 效益的认识不断加深，这种包容的环境也会鼓励 更多跨界前沿创新的开发。 同时，布鲁塞尔市也加强了对循环经济理念 的能力建设，该倡议在实施之初便有 220 多家企 业在落实循环经济倡议时获得了教育培训和支持， 1400 多人接受了教育培训。布鲁塞尔自由大学发 起了“城市发展与循环经济讲座” ，旨在将公私部 门的参与者与学术界联系起来。 * 案例来源于麦克阿瑟基金会循环经济城 市案例集 参考文献 [1] 麦克阿瑟基金会 循环经济城市 / Circular economy in cities [EB/OL]. http//www.ellenmacarthurfoundation.org/our- work/activities/circular-economy-in-cities. 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