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摘 要：
第五代区域供热系统、信息网络技术以及智能控制技术的发展增强了供热网络和连接用户之间能量双向交换的可能性，加之全球清洁能源利用发展的需要，沿着供热网络将出现多个热产消者，其作为智慧热网中的新实体，生产、消费、存储并与其他热网用户共享能源。研究发现，热产消者经过八年左右的发展，经历了初步认识、试验探索及优化管控三个阶段，逐渐从理论研究过渡到示范应用。目前热产消者主要回收利用余热及太阳能热参与热能上网，其有助于提高供热系统运行效率、降低经济成本、减少碳排放以及促进清洁能源的使用，可以从供给侧与需求侧影响发展和布局我国的清洁供暖产业。研究揭示，热产消者已经在北欧一些国家的清洁供暖系统中扮演着较重要的角色，为助力实现碳达峰与碳中和目标，我国应高度重视热产消者的成长发展，充分利用热产消者环保属性，积极促进热电产消者有机结合，因地制宜对多种热源形式进行合理统筹，实现能源的高效利用和清洁能源的最大化消納。
关键词：
碳中和;区域供热;清洁供暖;热产消者;余热;太阳能
中图分类号：F206;X196
文献标识码：A 文章编号：1007-2101（2021）06-0039-08
区域供热（又称“集中供热”）被认为是满足空间供暖和家庭热水需求的更可靠、更高效和更环保的替代解决方案[4]，是实现碳减排目标以及可再生能源整合的关键之一。目前的第五代区域供热系统将增强区域供热网络和连接的用户之间能量双向交换的可能性
[5-6]，这有利于能源资源的更有效利用。同时，热能的双向交换意味着沿着区域供热网络可以存在一个或多个产消者（prosumer），它们消耗、生产、存储、销售并与其他热网用户共享能源[7]。
“产消者”一词最早由美国未来学家阿尔文·托夫勒于1980年创造，指参与生产活动的消费者[8]。能源系统中的产消者被定义为以电或热形式消耗和生产能源的组织或个人[9]。目前能源产消者主要是指电力产消者[10-12]，但近几年供热、制冷领域产消者的数量及相关研究日益增多[7，13]，同时热电双供产消者[14]也逐渐兴起。经过近几年的发展，热产消者主要通过回收利用余热以及使用太阳能集热器的方式参与热能上网。
热产消者引入区域供热系统能提高供热系统的运行效率[15-17]，降低经济成本和减少碳排放[18-19]，同时促进清洁能源的使用[20-21]，这对中国从供热领域推进碳中和进程具有一定的借鉴意义。那么热产消者是如何引入供热系统的，其发展到了什么程度？其对能源、经济和“双碳”目标具体会造成什么影响？以及对中国的清洁供暖发展有着什么样的启示？这些是本文要讨论的主要问题。
二、热产消者的发展历程
（一）热产消者的产生背景
根据2015年联合国195个成员国签署的《巴黎协定》以及近两年全球能源发展的趋势，世界各国在碳排放方面提出了新的目标。
如到2030年，中国二氧化碳排放强度比2005年下降65%以上，美国温室气体排放量较2005年减少50%，欧盟温室气体净排放量与1990年相比减少60%。为了实现这些目标，要实施的战略之一是提高能源系统的效率，同时通过充分利用可再生能源，实现清洁能源的最大化消纳。在这种情况下，供热系统发挥着重要作用。事实上，供热是全球最大的终端能源消费领域。国际能源署数据显示，2018年供热占全球终端能耗的50%，占全球二氧化碳排放的40%，其中热力消费用于建筑物房屋（含空间采暖、热水供应和烹饪）占比约40%。传统供热系统建立在大型集中燃烧厂或利用工业余热源的基础上，其特点是容量大、温度高且碳排放多。因此，为了应对气候变化以及现代供热系统不断增加的热负荷，需要进一步对能源消耗进行优化控制。
区域供热尤其是低温供热系统在碳减排上发挥了重要作用。随着第四代[22]乃至第五代[5]区域供热系统的发展，管道中低温载液成为可能，从第一代高于100℃到第五代温度可以由热交换器控制在15℃～25℃范围内，最大程度上避免了热网沿线的热量损失[23-24]。同时，低温供热系统与智能控制系统相结合一方面促进了供热网络向智能热网[25]转换，智能热网不仅能够执行与传统热网相同的功能，而且能更好地利用分布式的、间歇性的清洁热能资源，如太阳能、余热、地热及生物质能等，并通过高效的资源利用和智能管理实现在需要时提供所需的能源;另一方面增强了区域供热网络和连接用户之间双向能量交换的可能性，由于在终端用户处安装了分布式供热系统，使得热力的双向流动成为可能，从而使终端用户既可以作为消费者，也可以成为生产者。于是，在区域供热领域，一种新的角色产生，即热产消者。特别地，在2014年前后，瑞典和芬兰等国开放了它们的区域供热网络，这为热产消者作为分布式热源参与热能上网提供了机会[26-27]。
因此，随着信息网络技术与智能控制技术的发展和全球清洁能源利用发展的需要，为在供热系统中自行生产和消费热能，并将多余热能上网出售的热产消者出现创造了条件。
（二）热产消者的发展阶段
经过近几年的发展，热产消者已经逐渐在全球（尤其是北欧各国）成为供热系统的新参与者之一，其发展历程主要经历了三个阶段。
1.初步认识阶段（2014—2016年）。该阶段主要分析热产消者引入区域供热系统的可行性以及可能遇到的技术问题。研究热产消者较早的是瑞典学者Brand[28]，2014年其通过计算机程序NetSim模拟了小型太阳能集热器和热泵引入区域供热管网对技术参数（供应温度、流速和压差等）的影响，结果表明，虽然来自热产消者的供水温度通常低于典型的供水温度，易造成压差不同，但引入热产消者是可行的。他的研究为引入热产消者奠定了认识论基础。
2.试验探索阶段（2016—2020年）。该阶段主要分析热产消者的可持续性及对能源、经济和环境发展的影响。为了研究热产消者对能源及环境的影响，Hanne 等[29]以挪威为例，运用动态建模技术研究热产消者对能源及环境的影响，发现利用局部余热是降低区域供热系统需热量和环境影响的重要措施，并由于输送热量的距离较短，分布式供热还有助于减少热损失;而Brange等[20]则以瑞典Hyllie地区为例，指出余热回收的潜力相当大，约占年热量需求的50%～120%，余热的温度需要用热泵提高，因此电力来源是热产消者对环境影响的决定影响因素之一。Postnikov等[30-33]在2016—2020年基于随机过程理论、液压回路理论和热电联产基本定律等理论探讨了产消者参与区域供热系统的可靠性与可持续性问题，提出了一个双层模型以确定区域热源负荷与产消者自有热源负荷之间的最优平衡，指出了区域和分布式热源的联合运营方法，并通过算例分析表明热产消者模式具备一定的潜在经济效益。
3.优化管控阶段（2020年至今）。这一阶段主要研究如何更好地优化带有热产消者的供热系统，通过对其进行管理与控制，最大程度提高能效以及环境经济效益。Maria等[7]通过9种不同情境对比分析了区域供热系统中热产消者位置的最佳分配方式，且证明了可以通过系统网络的最佳液压平衡来实现最大程度降低所需热泵功率。Nord等[34]开发了以数据为基础的模拟区域供热网络的模型，以便更好地表示区域供热网络中热产消者在水力和热力方面的情况，发现变速泵可以解决由于热产消者供给到热网的可再生热量比例增加导致附近换热站的压力失衡问题，并可节省34%的电力，降低14%的热损;王小元等[35-36]构建的基于CO2热泵的产消型数据中心能源系统的热功率比为5.70（制冷热功率比为2.83，加热热功率比为2.87），总功耗约为常规系统的一半（52.86%），能效是常规系统的3.87倍，有效实现了电能的高效利用。
综上，先后有学者对热产消者引入区域供热系统的技术问题，对能源、经济和环境的影响以及是否具备可靠性进行了分析，并探讨如何进一步优化管理与控制，表明热产消者正逐渐得到更多的关注，逐渐从理论研究阶段过渡到示范应用阶段。
三、热产消者的主要类型
未来的区域供热和制冷会转型成为一个完全使用清洁能源的系统。根据利用热源的不同，可将热产消者分成不同的类型，本部分主要分析目前应用较多的利用余热和使用太阳能集热器参与热能上网这两类热产消者的情况。
（一）利用余热的热产消者
回收可再生能源和废物能源应对气候变化是有必要的。利用余热的热产消者指拥有大型制冷机和制冷设施的建筑物，它们在较低的环境温度下需要热量，而在其他情况下供给剩余热量[37]。目前利用工业余热源供热已经较为成熟，尤其是在中欧[38]。但是这样的余热源通常位于城市之外，需要高的熱需求密度，以证明热分配系统所需的投资是合理的[29]。因此，近年来对城市内建筑物余热的利用开始迅速发展。城市环境中存在的潜在余热供应商包括数据中心、办公楼、超市、医院等，理论上任何产生余热的建筑都可以成为热产消者，其作为分布式热源中心参与热网供热[37]。
区域供热网络几乎能够将热量从任何热源传输到建筑物，减少对天然气和煤炭等其他能源的需求。比如瑞典马尔默在建地区存在的潜在产消者“超市和一个室内溜冰场”可以满足该地区的全部供热需求[20];挪威Trondheim本地电网整合两个零售商店和一个数据中心的系统中每个产消者都有不同的位置和不同的供热特点，且本地就近供热有助于减少区域供热供应商使用污染更严重的峰值热源
[29]。这些小规模热源在供热系统中发挥着重要作用，但目前的应用较少。
数据中心的余热回收是目前研究及利用余热的主要方向。数据中心就如同一个巨大的电加热器，由电力供应产生余热作为副产品，产生的热量与区域供热系统成为一个闭环系统，以实现热量循环和最小的热量损失。2018年全球数据中心消耗了电力供应的1%左右[39]，同时数据中心的能源消耗正以每年15%～20%的速度增长[40]，越来越多的数据中心促使人们在其附近的设施中利用这些余热。通过对芬兰[41]及其他北欧国家[13-14]的案例研究发现，数据中心的余热作为清洁能源发展正得到大规模运用，约68%的余热可以回收[42]。余热回收用于建筑供暖能促进循环经济的发展，发挥产消者在循环经济中的作用，在一定程度上成为企业业务流程变革的积极驱动力。
由于冷却温度较低，数据中心的余热等级通常较低，这是其大规模应用的主要障碍[42]。但随着热泵和其他许多低温热、低品位热的发展，利用数据中心的余热逐渐变得容易。比如，对中国哈尔滨某数据中心的一种新型热回收系统进行仿真研究发现该系统不仅能够回收余热，还能够在二级建筑（如公寓、办公室、健身中心等）的空间冷却和加热之间转换[12];同时基于CO 2热泵的产消型数据中心能源系统可有效削减冷负荷，实现制冷电耗的降低，CO 2作为余热回收用热泵的工作介质，可降低全年冷负荷108 MWh，节约制冷电耗167 MWh，能够提高系统紧凑性与环境友好性[35-36]。这些研究结论意味着数据中心可以作为能源消费者和生产者积极参与地区能源代谢。
在中国，受新基建、5G、人工智能、大数据、云计算、移动互联网等技术发展以及在边缘计算、工业互联网、超高清视频、VR/AR等场景应用的推动，数据中心机架规模数量呈现平稳增长。中国IDC发布的《2020—2021年中国IDC行业发展报告》显示，截至2020年，中国数据中心市场规模达到2239亿元，同比增长43.3%，连续第九年增速超过20%。因此，回收数据中心的余热用于中国清洁供热具有较大市场，让数据中心作为产消者有助于企业乃至国家实现碳中和目标。
（二）利用太阳能的热产消者
太阳能供热是低温区域供热系统和未来智慧热网的一个有前途的选择。利用太阳能的热产消者指在屋顶安装太阳能集热器的建筑单元，其在供热系统与集中或多个分散位置相连的用户端处会有能量输入（即生产）和提取（即消耗）现象[42]。热产消者装置与现有的区域供热系统相连接，产生的热量在区域供热网络中比在单个供热装置中更容易利用，因为后者小规模分散的用户自备供热方式与区域供热规模经济不相适应[44]。
Brand等[28]的研究表明引入利用太阳能的热产消者进入区域供热网络是可行的。而将德国南部地区Ludwigsburg-Sonnenberg的区域供热系统扩展到包括太阳能集热器的分布式供热，发现热网可以作为一个自主的微网运行[45]，并且基于产消者的区域供热系统性能往往优于独立供热系统，小区规模、建筑物改造阶段和系统配置等参数对区域供热系统性能有影响，最重要的参数在于选择适当的存储容量与太阳能集热器面积比，较小的地区和有翻新建筑的地区尤其受益于区域供热系统解决方案，该方案的最大太阳能利用率为63%[46-47]。但这类热产消者的一个缺点是夏季供给和冬季需求不匹配，为了延长剩余热量的利用，需要在供热系统中使用蓄热罐进行热能储存[48]，以克服夏季太阳能供应和冬季供暖负荷之间的季节差异等问题。
通过太阳能集热器产热并运用到区域供热系统已经在欧洲得到快速发展[49]。第一个采用平板太阳能集热器并与现有的区域供热网络相连的国家丹麦，目前是世界上太阳能集热器安装面积最大、运行太阳能区域供热项目最多的国家[50];德国2020年区域供热网络的大型太阳能集热器的产量增长了41%，预计到2025年集热器输出功率将增加三倍，达到210兆瓦以上[51]。而中国2014年太阳能集热器装置用于空间供暖的不到0.4%，远低于欧洲，大多数太阳能集热器在农村地区用作单体热水器来生产生活热水[52]。因此，随着蓄热技术、系统安全性技术的成熟和经验的积累，以及清洁供暖的需要，中国大规模利用太阳能集热器产热并入区域供热系统具有可行性和必要性，可以从农村、人口密度低的地方率先大规模发展。
四、热产消者对能源、经济和“双碳”目标的影响
热产消者引入区域供热系统将产生一定的影响，本部分以利用余热和太阳能的热产消者为例分析其对能源、经济和“双碳”目标的影响。
（一）对能源系统的影响
热产消者利用清洁能源产生的热能集成到现有的区域供热系统中，对主要由化石热电厂供热的区域供热网络是有利的，热电联产和纯热锅炉的运行时间将大大缩短，进一步减少热损失和区域供热系统对化石燃料的依赖，带有热产消者的一个能量存储系统可以提高网络系统运行的灵活性，提高供热系统的整体效率。
具体来讲，数据中心作为能源产消者，其产生的废热可以通过多种方式与其周围地区能源系统相互作用，以提高整体能源效率。比如以热水的形式将回收的余热回馈到热网中进行空间供暖，可以使数据中心的电源使用效率提高约10%[53];瑞典斯德哥尔摩数据公园项目计划到2035年满足该市全部供热需求的10%。另外，太阳能集热器产生的热能超过单户住宅用于空间供暖和生活热水的能源需求，有多余的熱量供给热网，连接系统时，产消者可以将其作为蓄热器，年总热能产量约为单独配置时年产量的4倍[54]，将满足高达25%的年热需求[47]。同时将大型太阳能供热系统整合到现有的区域供热系统更有助于灵活的应对未来市场价格的变化[55]。这将在一定程度上减少年热损失，但为了提高这种系统的能源效率，需要更好地操作和控制带有产消者的供热网络。
（二）对经济效益的影响
热产消者引入区域供热系统中既能降低供热成本，同时也能带来一些经济收益，对于偏远地区用电供暖的居民，成为热产消者，可以降低更多费用。比如，在带有储热装置的小型生物质区域供热锅炉以及带有太阳能集热器或本地安装热泵的产消者村庄中，发现季节性储热和本地产消者的整合可以使生物质能区域供热锅炉的运行更加顺畅，并带来更多的社会经济效益[56]。在英国伦敦通过利用数据中心的余热每年节省近100万英镑[10]。中国哈尔滨某数据中心的一种新型热回收系统总运行成本比空气源热泵低45.83万元人民币[12]。基于CO2热泵的产消型数据中心能源系统为建筑供热290 MWh获得年收益4.23万元人民币[35]。
优质的热产消者余热能源回收系统带来的年纯利润约为传统系统的190.34%，通过地源热泵将上游电源供应商和下游热用户耦合在一起，专业热产消者系统将有助于灵活有效地利用低温余热[36]。这些例子都证明了热产消者在能源系统中将带来巨大的经济效益。
除此之外，如果采用“热净计量（thermal net metering）”定价方案，使用与现有电网净计量相同的机制，即超出产消者年度能源需求的额外上网能量可作为下一年的用能额度，热产消者将区域供热系统作为产生但不立即使用的热能的虚拟存储库，方便以后使用。在瑞典已经存在的热净计量系统中，输入到区域供热系统的热能价格是从区域供热系统购买成本的25%[57]。意大利市场拟采用出售能源/购买能源费用比率为0.45，在这种情况下，具有净计量配置的系统相对于无太阳能系统的被动用户将减少约60%的供热费用，并且相对于独立太阳能系统的配置减少约44%费用[58]。通过热净计量管理，公用事业公司可以将产消者提供的热能分配给整个系统，供热系统所代表的能源和经济效益将得到进一步增强。
（三）对双碳目标的影响
中国承诺到2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。根据清华大学建筑节能研究中心估算，中国建筑运行能源消耗造成的碳排放占全国16.4%左右，因此，清洁供暖产业是中国绿色低碳循环发展经济体系的重要组成部分，加快布局和发展清洁供暖产业是中国达成“双碳”目标的重要措施之一。
热产消者作为清洁供暖中的新角色，有助于抓住南方地区供暖需求和乡村振兴机遇，为供给侧减少碳排放发挥重要作用。一方面，随着经济的快速发展，人们对生活质量的要求也越来越高，南方夏热冬冷地区的供暖诉求强烈，但由于可能会造成能耗大幅提升与大量设备的长时间闲置带来巨大的财政和能源压力问题，南方地区不适合开展大范围集中供热，因此发挥热产消者的分布式属性有助于推动分散、局部集中的清洁供暖发展。另一方面，农村地区取暖呈现传统能源与现代能源并存的格局，政府部门的高额补贴支出、农户的采暖支出造成财政和个人的经济压力，在完成清洁供暖改造的地方也容易出现“返煤”现象。通过热产消者模式，有助于因地制宜对多种能源形式进行合理统筹，促进整个农村地区供暖体系全面清洁高效升级。
同时在需求侧，各种建筑设施成为热产消者以后，能提升建筑能效，进一步促进绿色环保建筑乃至零能耗建筑的发展，且本地就近供热有助于减少使用污染更严重的峰值热源。由于对输送热量的需求降低及区域热网（包括当地分散的供热商）热传输距离较低导致的热损降低也将减少碳排放。因此，热产消者将促进清洁供暖产业经济的发展，同时以清洁供暖助力实现“双碳”目标。
五、研究结论及启示
热产消者提高了供热系统的运行效率及能源利用效率，降低了经济成本和减少了碳排放，促进了清洁能源的使用，已经在北欧一些国家的清洁供暖中扮演较重要的角色。同时通过产消者思想，可以将新的系统配置与分散在多个位置的不同热源结合起来，让所有不同的发展因素都在可持续的区域供热系统中得到最佳的整合和管理。这将有助于世界各国碳中和目标的实现。
通過分析热产消者的发展以及其对能源、经济和双碳目标的影响发现，热产消者是智慧热网中的新实体，生产、消费、存储及与热网中的其他用户共享能源。通过创新、价值再造及资源整合，热产消者有助于实现有效和可持续的能源共享进程，在今后的能源系统中将和电力产消者一样发挥着至关重要的作用。热产消者的发展对中国从供热领域推进碳中和进程有如下启示。
第一，高度重视热产消者成长发展。一方面热产消者已经深刻影响能源系统的发展，这一点在电力系统中已经得到证明。为了助力中国2060年前实现碳中和，进一步发展拥有分布式热源的热产消者有助于集中供热系统对能源资源的更有效利用。另一方面利用热产消者可以更好实现多能互补、冷热联供，有效提高能源系统韧性，保障能源安全。因此，需要高度重视热产消者的发展，从政策层面引导，促进热产消者数量增长，积极探索热产消者进入市场的政策、机制和商业模式，发展热产消者经济。
第二，充分利用热产消者环保属性。不论是利用余热还是太阳能集热器，通过能源转化过程之间的协同作用，都能在一定程度上降低碳排放，因此可以设计相应的市场机制，提升热产消者的参与热情以吸引更多的潜在产消者参与进来，将热产消者的环保属性最大化利用。比如对来自不同分布式热源回收的热量进行差异化定价，对相应的建筑单元授予不同等级的楼宇能效证书以在交易时形成环保增值，通过热净计量对上网热能进行规范化管理，以及允许其参与到碳交易市场中来等。
第三，积极促进热、电产消者有机结合。智慧区域供热系统的热产消者在供热领域回应了分布式发电的产消者与电网之间的能量交换概念，这一概念已在电力领域广为运用。但热、电产消者并不是相互独立的概念，通过区域供热可以在一定程度减少电负荷需求，促进电力用于其他需要高质量能源的用途，如运输。因此可以通过热产消者发挥中介属性促进中国的热力市场与电力市场在一定程度进行融合，比如对多余热量上网的用户给予其一定比例的电价补贴，进一步统一热电计量方式，促进能源的高效利用和清洁能源的最大化消纳。
未来可以进一步研究向不同热源（如地热）中引入热产消者模式，通过智能管理地方微观规模的能源系统，再以某种或某几种地方性特色能源为基础的区域供热系统中实现多能互补，进一步加强产消者在区域供热系统的作用。但在研究带有热产消者的智慧热网时，必须用一种涵盖能源、经济和环境的整体视角，研究热产消者引入区域供热系统更进一步的管理和控制优化方法，确保热网平稳、健康、绿色、高效、经济的运行。
（重庆工商大学杨迎、叶丹、雷亦婷、程锴等对本文亦有贡献）
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責任编辑：武玲玲
New Role of Clean Heating Under the Vision of Carbon Neutral：Heat Prosumer
Dai Chunyan1，2，Zhang Zhongwei3，He Jijiang4
（1.School of Management Science and Engineering， Chongqing Technology and Business University， Chongqing 400067，China;2.Chongqing Engineering Technology Research Center for Information Management in Development，Chongqing 400067，China;
3.School of Business Administration，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China;
4.School of Social Science， Tsinghu University，Beijing 100084， China）
Abstract：
The development of the 5th generation district heating system， information network technology and intelligent control technology has enhanced the possibility of two-way energy exchange between heating network and connecting users. In addition to the need of global clean energy utilization and development， there will be multiple heat prosumers along the heating network. As a new entity in the intelligent heating network， production， consumption， store and share energy with other heating network users. It is found that after about eight years of development， heat prosumers have gone through three stages of preliminary understanding， experimental exploration and optimal management and control， and gradually transferred from theoretical research to demonstration application. At present， heat prosumers mainly recycle waste heat and solar energy to participate in the heat energy grid， which helps to improve the operation efficiency of heating system， reduce economic costs， reduce carbon emissions and promote the use of clean energy. It can affect the development and layout of China"s clean heating industry from the supply side and consumption side. The study reveals that heat prosumers have played an important role in clean heating systems in some northern European countries. In order to help achieve the goal of carbon peaking and carbon neutrality， China should attach great importance to the growth and development of heat prosumers， make full use of their environmental protection attributes， actively promote the organic combination of heat and power prosumers， and reasonably coordinate various forms of heat sources according to local conditions， realizing the efficient use of energy and the maximum consumption of clean energy.
Key words：
carbon neutral;district heating;clean heating;heat prosumer;waste heat;solar energy
