家用燃气具的低碳之路

天然气是现有化石能源中碳排放水平最低的类型。按发热量计算，天然气在燃烧过程产生的碳排放约为石油的75%、煤炭的60%。天然气作为低碳化石能源，在现阶段替代煤炭具有显著减少碳排放和缓解环境污染的作用。

《中国天然气发展报告（2022）》的信息显示，2021年中国天然气占一次能源消费总量的比例为8.9%。在2021年中国天然气的消费结构中，城市燃气占比为32%，其中家用燃气具是消费主体。预计到2030年天然气占一次能源消费总量的比例为15%，2050年达到20%。按照中国的能源发展战略，天然气的供应和使用仍将继续增长。目前，中国仍然有广大地区未建成燃气管网，这些都将成为燃气具未来的市场。因此，家用燃气具行业需要探索可持续发展的低碳之路。

低碳发展的基本措施：提升热效率

提高热效率是家用燃气具低碳发展的基本措施。如今，高效率的燃气具产品在国内市场的占比并不高。例如，在国内市场，燃气热水器市场基本以能效2级产品为主，占到市场整体销量的80%以上，能效1级产品占比仅约为10%。目前，无论燃气热水器，还是燃气采暖热水炉，能效1级产品主要是有效利用烟气中水蒸气凝结过程释放的热量以提升热效率。但是，此过程中产生的冷凝水处理和排放问题至今仍是阻碍市场推广的重要因素。燃气热水器和燃气采暖热水炉一般安装在阳台或厨房里，冷凝水呈弱酸性，若没有进行有效处理可能对建筑材料和给排水系统结构造成一定的腐蚀。所以，针对这类产品，进一步完善冷凝水排放处理将成为解决高效率产品普及应用的重要措施。

政策层面，现阶段提高热效率的主要措施是，利用国家、地方的能效法规，促进高效率燃气具在市场上的销售占比继续提升。例如，能效标准和其他市场监管政策，可以推动燃气热水器和燃气采暖炉冷凝技术进步，从而增大高效低碳产品的销售占比；能效标准的提高也将促进燃气灶具高效燃烧技术改进，从而提高热效率。

更具前景的多能源系统

由于在技术上通过优化燃烧过程实现燃气具热效率继续上升的空间已经不大，通过系统化利用方式的转变提高燃气利用效益的措施日益受到关注。促进太阳能热利用系统和热泵系统在住宅和类似场所应用，是可再生能源和节能技术应用的重要发展方向。作为热源设备，太阳能热利用系统和热泵系统与燃气热水器和燃气采暖热水炉等燃气具之间，既存在相互取代的竞争关系，同时又存在相互促进的互补关系。2022年，北京地区一些新建项目不允许采用独立的燃气加热系统，但是作为热泵、太阳能等低碳加热系统的后备热源装置，燃气加热系统仍然有广阔的发展空间。

事实上，这几类热源设备各有优劣。太阳能热利用系统的运行状态受日照和气温等气象条件制约，太阳能加热方式难以单独作为热源使用。空气源热泵在较低的环境温度下运行，制热能力和运行经济性会明显降低。与燃气热水器和燃气采暖热水炉相比，虽然太阳能热利用系统和热泵系统通常运行费用较低，但是其购置费用较高。燃气加热方式则具有稳定性好、响应速度快等优势，可以弥补太阳能集热、空气源热泵等产品加热过程受气象因素影响的问题，积极发挥燃气加热措施的优势，可以有效促进以太阳能热利用系统和热泵系统为代表的低碳热源的应用发展。因此，利用燃气加热措施作为太阳能热利用系统和热泵系统的后备加热措施而构成的多能源集成热源系统，不仅可以显著改善热源系统的运行可靠性和使用舒适性，也可以优化系统的技术经济性。

德国ROTEX公司冷凝式燃气采暖热水炉，与直流调速空气源热泵构成集成供热系统，由于内置空气源热泵换热器，简化了集成供热系统的配置，显著降低系统制造成本。该产品在2014年获得Plus X奖

2022年初，一套由氢能燃气加热装置和空气热泵集成的零碳供热系统在英国彭布罗克郡投入运行。该示范项目是由英国研究与创新基金资助的“米尔福德港－能源王国项目”，项目坐落在米尔福德港。该系统使用了伍斯特博世（Worcester Bosch）公司的纯氢气型燃气采暖热水炉，两种加热装置可以进行切换，根据运行的环境条件、热负荷需求以及实时电价，选择最优的运行模式，一般情况下，热泵优先运行。由于系统运行的氢气和电力均利用可再生能源转换，所以系统运行过程的碳排放量为零。同时，该零碳供热系统搭载的控制系统采用了智能电网的需求响应技术，在电网供电能力出现短时突然变化时，及时降低热泵的用电负荷甚至停止运行，切换成燃气采暖热水炉运行模式。这主要是为了应对以太阳能或风力获取清洁电能过程中因云层状态或风力大小而出现的电力输出稳定性问题。智能电网在多年前已研发并应用住宅用户端的智能化需求响应技术，将住宅中的设备与电网建立双向互动联系。在正常情况下，该零碳供热系统每两分钟检测一次运行参数进行调集控。

英国对这类集成系统抱有较高的期望。因为对于多数英国的既有住宅，这类系统是实现低碳供热最为切实可行的方式。研究表明，由于保温性能差和其他限制，约50%的英国住宅不适合使用独立热泵供热，对既有住宅结构进行改造的费用又过于高昂。因此，利用空气源热泵与燃气采暖热水炉构成集成供热系统可以较好地解决这些问题。

英国的多能源供暖示范项目，配套了空气源热泵和氢气采暖热水炉，具备智能电网需求响应能力

电能替代

电能替代是近年来能源体系变革的重要课题，各国都在进行相关的探索和实践。这也是家用燃气具行业探索低碳发展之路需要密切关注的方向。

在中国，2016年国家发展和改革委员会、财政部等多部委联合印发了《关于推进电能替代的指导意见》，规定电能替代的电量主要来自可再生能源发电，以及部分超低排放煤电机组。2022年，国家发展和改革委员会等10部委联合印发《关于进一步推进电能替代的指导意见》，旨在持续推进电能替代，在终端能源消费环节实施以电代煤、以电代油等。这有利于提升终端用能清洁化、低碳化水平，促进清洁能源消纳，助力实现碳达峰、碳中和目标；有利于用户参与电力系统灵活互动，增加新能源消纳能力，促进能源绿色转型；有利于提高中国电气化水平，扩大电力消费，满足人民群众美好生活需要。

与家用燃气具直接相关的文件是，北京市城市管理委员会近日发布了《北京市“十四五”时期供热发展建设规划》。该规划明确要求，北京市城镇地区积极发展再生水源热泵和地源热泵等新型供热方式；不再新建独立燃气供热系统，新建的耦合供热系统中新能源和可再生能源装机占比不低于60%。

在欧洲，2016年荷兰议会通过法案，自2017年7月1日起，新建的建筑不再配套燃气管道。类似的情况随之相继出现。2020年，奥地利首都维也纳设立了多个“气候保护区”，在气候保护区的新建筑物内禁止使用石油或天然气供暖。自2014年乌克兰政局发生变化，导致过境乌克兰的天然气供应一度中断之后，围绕能源安全和低碳议题，德国积极寻求减少乃至弃用天然气的措施，其中最新出台的措施是，2022年德国政府修订了《建筑能源法》。该规定从2024年开始，新安装的燃气供暖系统必须至少达到65%的可再生能源使用率，不再允许使用独立燃气供热系统。2022年9月，爱尔兰政府决定，自2025年起禁止安装燃气和燃油锅炉为新建和现有住宅供暖。

在北美地区，2016年加拿大安大略省发布了一项为期4年的节能减排计划，将逐渐以电力取代天然气，减少温室气体的排放。不过，在盛产天然气的加拿大实施这样的计划受到多方的反对，该计划于2017年废除。但是在隔壁的美国，加利福尼亚州伯克利于2019年通过了美国第一个天然气入户禁令。这引发了一场天然气之争，包括旧金山、西雅图、丹佛和纽约在内的一些大城市已经颁布或提议采取措施，禁止或不鼓励在新建住宅和建筑中使用天然气。2021年12月，美国纽约市议会通过了一项法案，禁止所有新建筑接入天然气，使纽约市成为美国颁布措施限制在新建筑中安装使用天然气的暖风炉、采暖壁炉和热水采暖系统的最大城市。这项拟于2023年生效的禁令针对7层以下建筑物。同时，这些禁令的出台，也导致了美国亚利桑那州、得克萨斯州、俄克拉荷马州、田纳西州、堪萨斯州和路易斯安那州进行立法，禁止在本州推行天然气禁令。此外，俄亥俄州也在考虑类似立法。

日本大金公司的空气源热泵可利用燃气加热装置作为后备热源

能源系统的韧性

日本的电能替代方案是以“全电气化住宅”项目在2006年启动。该方案旨在实现全面的电能替代，住宅中不配备任何的燃气具。在2011年“311东日本大地震”发生之前，“全电气化住宅”项目在日本发展迅速，一定程度导致了同期日本市场的燃气具销量每年以两位数的幅度萎缩。但是，经历这场大地震后，一些“全电气化住宅”开始使用液化石油气和燃气具。直接原因是，灾后电力供应恢复正常比燃气供应多用了1倍的时间。同时，通过总结多年的实践经验，人们认识到单一的电力供应虽然可以满足全部的生活用能需要，但是经济性不是最优的，在使用的便利性和舒适性方面，家用燃气具仍然具有一些优势。例如，燃气加热在响应速度、运行稳定性等方面的优势是显而易见的。最重要的原因是，多种能源混合构成的能源供应系统具有较强的韧性，可以更有效地提高对自然灾害的抵御能力。同时，单一电力能源供应对于消费者而言，多数情况下经济性也是必须解决的问题。例如，加拿大安大略的天然气限用政策的撤销，经济性是其中的重要因素。

影响城市能源系统配置的因素有许多。其中，城市电力消费的增加是碳达峰、碳中和目标实现过程中，解决可再生电力出路的重要举措。同时，利用这些电力制备可再生燃气，如合成天然气、氢气等也可以利用可再生电力。随着生物天然气和合成天然气和氢气进入燃气管网，燃气的低碳属性将逐步凸显出来。从这个角度，保持燃气供应的稳定也成为促进可再生能源利用的举措。无论为了保证能源供应系统的韧性，还是促进可再生能源利用以及天然气利用的低碳化，燃气和电力并存的城市能源供应体系，能够更好地满足城市能源供应的需求。

德国威能公司以燃气采暖热水炉作为后备热源的集成供热系统配套的空气源热泵

对于家用供热系统的可再生能源利用，系统韧性主要体现在不利的气象条件下确保供热的稳定，由于经济性和住宅安装条件的约束，燃气加热装置的集成将对系统的技术经济性有显著的提升效果。低温空气源热泵虽然可以运行在-25℃~-15℃的环境条件下，但是在寒冷地区长时间连续在低于-15℃的环境下运行，系统运行的经济性会随之成为一个突出的问题。热力学规律决定了热泵循环方式在进风温度下降时制热量和能效随之下降，类似直流调速、增焓等低温热泵技术进步，只能够使一些随进风温度降低而产生的附加安全性、可靠性等问题得到一定程度的解决，补偿一部分由于工作点变化增加的热力损失，但是不可能实现逆转。任何技术措施都无法改变住宅供热负荷随环境温度降低而增大，而空气源热泵的制热能力随进风温度降低而减小的规律，换热面积、循环风量、外形尺寸等都是无法突破的约束。

理论上，空气源热泵有能力独立承担住宅全部的供热负荷，前提是运行环境温度不低于其明示的最低温度。实际上，气象条件具有一定程度的不确定性，例如，作为空气源热泵选型依据的最低环境温度与当地的极限最低温度之间，大致上有5℃~10℃的差异，空气源热泵的技术性能约束决定了在寒冷地区，当环境温度处于极端状态下，只能处于停机状态，即使勉强维持运行，制热能力也将明显降低，无法适应在此条件下住宅供热负荷显著增大的需求。所以，在有条件的情况下，寒冷地区利用燃气加热装置作为空气源热泵的后备热源，可以显著改善供热系统的热负荷响应能力和韧性，使用户以更经济的方式获得舒适性、可靠性的改善。同时，与独立的燃气供热系统相比，天然气消耗量减少60%~80%。

对于配备燃气加热装置作为后备热源的家用集成供热系统，空气源热泵的容量只需要满足相应住宅最大热负荷2/3左右配备，燃气加热装置的热负荷则按不小于住宅最大热负荷的1/2配备，这大致上是最优的技术经济性配置方案。按单位制热量计算，空气源热泵的购置费用一般为燃气加热装置的数倍。因此，在此基础上，燃气加热装置的容量按住宅最大热负荷全额配套，所增加的初始投入不多，但是供热系统的韧性明显提高，即使热泵发生故障，供热系统的能力不受影响。由于空气源热泵在夏季可以为满足空调需要进行供冷运行，在这类供热集成系统中另一项系统配置方案是空气源热泵只按夏季空调最大供冷负荷确定容量，不需要对冬季的供热需求专门放大容量，这是冬冷夏热地区配套家用集成供热系统最经济的方案。

太阳能供热系统受日照和环境温度影响的特点十分明显，因此，配套后备热源是常见的情况。太阳能供热系统通常只能承担供热系统全年热负荷的20%~40%。对于多数的家用太阳能供热系统而言，在冬季利用太阳能满足全天的住宅热负荷，即使在日照条件良好的情况下可以实现，也未必具有经济性的优势。因为这需要相当大的集热器面积，不仅导致系统造价高，而且在非采暖季节，过大的集热面积可能造成集热器输出的热量得不到有效利用而造成浪费。更麻烦的是，集热器温度过高现象可能导致一些安全风险以及集热器易损坏等问题。显然，太阳能供热方式十分脆弱，如果没有后备热源，太阳能供热方式不可能具有市场生命力。

综上所述，天然气作为低碳化石能源，在现阶段替代煤炭具有显著地减少碳排放和缓解环境污染的作用，按照中国的能源发展战略，天然气的供应和使用仍然需要大幅增加，目前仍然有广大地区未建成燃气管网，这些都是燃气具未来的市场。太阳能和热泵加热方式与燃气加热方式的互补，在终端利用方面实现燃气系统化应用，是突破燃烧热效率瓶颈的有效措施。城市电力消费的增加是碳达峰、碳中和目标实现过程中，解决可再生电力出路的重要举措，同时，可再生燃气和可再生电力将共同成为构建坚强城市能源供应体系的组成部分。