天然氣是現(xiàn)有化石能源中碳排放水平最低的類型。按發(fā)熱量計算，天然氣在燃燒過程產(chǎn)生的碳排放約為石油的75%、煤炭的60%。天然氣作為低碳化石能源，在現(xiàn)階段替代煤炭具有顯著減少碳排放和緩解環(huán)境污染的作用。

《中國天然氣發(fā)展報告（2022）》的信息顯示，2021年中國天然氣占一次能源消費總量的比例為8.9%。在2021年中國天然氣的消費結(jié)構(gòu)中，城市燃氣占比為32%，其中家用燃氣具是消費主體。預計到2030年天然氣占一次能源消費總量的比例為15%，2050年達到20%。按照中國的能源發(fā)展戰(zhàn)略，天然氣的供應和使用仍將繼續(xù)增長。目前，中國仍然有廣大地區(qū)未建成燃氣管網(wǎng)，這些都將成為燃氣具未來的市場。因此，家用燃氣具行業(yè)需要探索可持續(xù)發(fā)展的低碳之路。

低碳發(fā)展的基本措施：提升熱效率

提高熱效率是家用燃氣具低碳發(fā)展的基本措施。如今，高效率的燃氣具產(chǎn)品在國內(nèi)市場的占比并不高。例如，在國內(nèi)市場，燃氣熱水器市場基本以能效2級產(chǎn)品為主，占到市場整體銷量的80%以上，能效1級產(chǎn)品占比僅約為10%。目前，無論燃氣熱水器，還是燃氣采暖熱水爐，能效1級產(chǎn)品主要是有效利用煙氣中水蒸氣凝結(jié)過程釋放的熱量以提升熱效率。但是，此過程中產(chǎn)生的冷凝水處理和排放問題至今仍是阻礙市場推廣的重要因素。燃氣熱水器和燃氣采暖熱水爐一般安裝在陽臺或廚房里，冷凝水呈弱酸性，若沒有進行有效處理可能對建筑材料和給排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成一定的腐蝕。所以，針對這類產(chǎn)品，進一步完善冷凝水排放處理將成為解決高效率產(chǎn)品普及應用的重要措施。

政策層面，現(xiàn)階段提高熱效率的主要措施是，利用國家、地方的能效法規(guī)，促進高效率燃氣具在市場上的銷售占比繼續(xù)提升。例如，能效標準和其他市場監(jiān)管政策，可以推動燃氣熱水器和燃氣采暖爐冷凝技術(shù)進步，從而增大高效低碳產(chǎn)品的銷售占比；能效標準的提高也將促進燃氣灶具高效燃燒技術(shù)改進，從而提高熱效率。

更具前景的多能源系統(tǒng)

由于在技術(shù)上通過優(yōu)化燃燒過程實現(xiàn)燃氣具熱效率繼續(xù)上升的空間已經(jīng)不大，通過系統(tǒng)化利用方式的轉(zhuǎn)變提高燃氣利用效益的措施日益受到關(guān)注。促進太陽能熱利用系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)在住宅和類似場所應用，是可再生能源和節(jié)能技術(shù)應用的重要發(fā)展方向。作為熱源設(shè)備，太陽能熱利用系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)與燃氣熱水器和燃氣采暖熱水爐等燃氣具之間，既存在相互取代的競爭關(guān)系，同時又存在相互促進的互補關(guān)系。2022年，北京地區(qū)一些新建項目不允許采用獨立的燃氣加熱系統(tǒng)，但是作為熱泵、太陽能等低碳加熱系統(tǒng)的后備熱源裝置，燃氣加熱系統(tǒng)仍然有廣闊的發(fā)展空間。

事實上，這幾類熱源設(shè)備各有優(yōu)劣。太陽能熱利用系統(tǒng)的運行狀態(tài)受日照和氣溫等氣象條件制約，太陽能加熱方式難以單獨作為熱源使用。空氣源熱泵在較低的環(huán)境溫度下運行，制熱能力和運行經(jīng)濟性會明顯降低。與燃氣熱水器和燃氣采暖熱水爐相比，雖然太陽能熱利用系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)通常運行費用較低，但是其購置費用較高。燃氣加熱方式則具有穩(wěn)定性好、響應速度快等優(yōu)勢，可以彌補太陽能集熱、空氣源熱泵等產(chǎn)品加熱過程受氣象因素影響的問題，積極發(fā)揮燃氣加熱措施的優(yōu)勢，可以有效促進以太陽能熱利用系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)為代表的低碳熱源的應用發(fā)展。因此，利用燃氣加熱措施作為太陽能熱利用系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)的后備加熱措施而構(gòu)成的多能源集成熱源系統(tǒng)，不僅可以顯著改善熱源系統(tǒng)的運行可靠性和使用舒適性，也可以優(yōu)化系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性。

德國ROTEX公司冷凝式燃氣采暖熱水爐，與直流調(diào)速空氣源熱泵構(gòu)成集成供熱系統(tǒng)，由于內(nèi)置空氣源熱泵換熱器，簡化了集成供熱系統(tǒng)的配置，顯著降低系統(tǒng)制造成本。該產(chǎn)品在2014年獲得Plus X獎

2022年初，一套由氫能燃氣加熱裝置和空氣熱泵集成的零碳供熱系統(tǒng)在英國彭布羅克郡投入運行。該示范項目是由英國研究與創(chuàng)新基金資助的“米爾福德港－能源王國項目”，項目坐落在米爾福德港。該系統(tǒng)使用了伍斯特博世（Worcester Bosch）公司的純氫氣型燃氣采暖熱水爐，兩種加熱裝置可以進行切換，根據(jù)運行的環(huán)境條件、熱負荷需求以及實時電價，選擇最優(yōu)的運行模式，一般情況下，熱泵優(yōu)先運行。由于系統(tǒng)運行的氫氣和電力均利用可再生能源轉(zhuǎn)換，所以系統(tǒng)運行過程的碳排放量為零。同時，該零碳供熱系統(tǒng)搭載的控制系統(tǒng)采用了智能電網(wǎng)的需求響應技術(shù)，在電網(wǎng)供電能力出現(xiàn)短時突然變化時，及時降低熱泵的用電負荷甚至停止運行，切換成燃氣采暖熱水爐運行模式。這主要是為了應對以太陽能或風力獲取清潔電能過程中因云層狀態(tài)或風力大小而出現(xiàn)的電力輸出穩(wěn)定性問題。智能電網(wǎng)在多年前已研發(fā)并應用住宅用戶端的智能化需求響應技術(shù)，將住宅中的設(shè)備與電網(wǎng)建立雙向互動聯(lián)系。在正常情況下，該零碳供熱系統(tǒng)每兩分鐘檢測一次運行參數(shù)進行調(diào)集控。

英國對這類集成系統(tǒng)抱有較高的期望。因為對于多數(shù)英國的既有住宅，這類系統(tǒng)是實現(xiàn)低碳供熱最為切實可行的方式。研究表明，由于保溫性能差和其他限制，約50%的英國住宅不適合使用獨立熱泵供熱，對既有住宅結(jié)構(gòu)進行改造的費用又過于高昂。因此，利用空氣源熱泵與燃氣采暖熱水爐構(gòu)成集成供熱系統(tǒng)可以較好地解決這些問題。

英國的多能源供暖示范項目，配套了空氣源熱泵和氫氣采暖熱水爐，具備智能電網(wǎng)需求響應能力

電能替代

電能替代是近年來能源體系變革的重要課題，各國都在進行相關(guān)的探索和實踐。這也是家用燃氣具行業(yè)探索低碳發(fā)展之路需要密切關(guān)注的方向。

在中國，2016年國家發(fā)展和改革委員會、財政部等多部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進電能替代的指導意見》，規(guī)定電能替代的電量主要來自可再生能源發(fā)電，以及部分超低排放煤電機組。2022年，國家發(fā)展和改革委員會等10部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進一步推進電能替代的指導意見》，旨在持續(xù)推進電能替代，在終端能源消費環(huán)節(jié)實施以電代煤、以電代油等。這有利于提升終端用能清潔化、低碳化水平，促進清潔能源消納，助力實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標；有利于用戶參與電力系統(tǒng)靈活互動，增加新能源消納能力，促進能源綠色轉(zhuǎn)型；有利于提高中國電氣化水平，擴大電力消費，滿足人民群眾美好生活需要。

與家用燃氣具直接相關(guān)的文件是，北京市城市管理委員會近日發(fā)布了《北京市“十四五”時期供熱發(fā)展建設(shè)規(guī)劃》。該規(guī)劃明確要求，北京市城鎮(zhèn)地區(qū)積極發(fā)展再生水源熱泵和地源熱泵等新型供熱方式；不再新建獨立燃氣供熱系統(tǒng)，新建的耦合供熱系統(tǒng)中新能源和可再生能源裝機占比不低于60%。

在歐洲，2016年荷蘭議會通過法案，自2017年7月1日起，新建的建筑不再配套燃氣管道。類似的情況隨之相繼出現(xiàn)。2020年，奧地利首都維也納設(shè)立了多個“氣候保護區(qū)”，在氣候保護區(qū)的新建筑物內(nèi)禁止使用石油或天然氣供暖。自2014年烏克蘭政局發(fā)生變化，導致過境烏克蘭的天然氣供應一度中斷之后，圍繞能源安全和低碳議題，德國積極尋求減少乃至棄用天然氣的措施，其中最新出臺的措施是，2022年德國政府修訂了《建筑能源法》。該規(guī)定從2024年開始，新安裝的燃氣供暖系統(tǒng)必須至少達到65%的可再生能源使用率，不再允許使用獨立燃氣供熱系統(tǒng)。2022年9月，愛爾蘭政府決定，自2025年起禁止安裝燃氣和燃油鍋爐為新建和現(xiàn)有住宅供暖。

在北美地區(qū)，2016年加拿大安大略省發(fā)布了一項為期4年的節(jié)能減排計劃，將逐漸以電力取代天然氣，減少溫室氣體的排放。不過，在盛產(chǎn)天然氣的加拿大實施這樣的計劃受到多方的反對，該計劃于2017年廢除。但是在隔壁的美國，加利福尼亞州伯克利于2019年通過了美國第一個天然氣入戶禁令。這引發(fā)了一場天然氣之爭，包括舊金山、西雅圖、丹佛和紐約在內(nèi)的一些大城市已經(jīng)頒布或提議采取措施，禁止或不鼓勵在新建住宅和建筑中使用天然氣。2021年12月，美國紐約市議會通過了一項法案，禁止所有新建筑接入天然氣，使紐約市成為美國頒布措施限制在新建筑中安裝使用天然氣的暖風爐、采暖壁爐和熱水采暖系統(tǒng)的最大城市。這項擬于2023年生效的禁令針對7層以下建筑物。同時，這些禁令的出臺，也導致了美國亞利桑那州、得克薩斯州、俄克拉荷馬州、田納西州、堪薩斯州和路易斯安那州進行立法，禁止在本州推行天然氣禁令。此外，俄亥俄州也在考慮類似立法。

日本大金公司的空氣源熱泵可利用燃氣加熱裝置作為后備熱源

能源系統(tǒng)的韌性

日本的電能替代方案是以“全電氣化住宅”項目在2006年啟動。該方案旨在實現(xiàn)全面的電能替代，住宅中不配備任何的燃氣具。在2011年“311東日本大地震”發(fā)生之前，“全電氣化住宅”項目在日本發(fā)展迅速，一定程度導致了同期日本市場的燃氣具銷量每年以兩位數(shù)的幅度萎縮。但是，經(jīng)歷這場大地震后，一些“全電氣化住宅”開始使用液化石油氣和燃氣具。直接原因是，災后電力供應恢復正常比燃氣供應多用了1倍的時間。同時，通過總結(jié)多年的實踐經(jīng)驗，人們認識到單一的電力供應雖然可以滿足全部的生活用能需要，但是經(jīng)濟性不是最優(yōu)的，在使用的便利性和舒適性方面，家用燃氣具仍然具有一些優(yōu)勢。例如，燃氣加熱在響應速度、運行穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢是顯而易見的。最重要的原因是，多種能源混合構(gòu)成的能源供應系統(tǒng)具有較強的韌性，可以更有效地提高對自然災害的抵御能力。同時，單一電力能源供應對于消費者而言，多數(shù)情況下經(jīng)濟性也是必須解決的問題。例如，加拿大安大略的天然氣限用政策的撤銷，經(jīng)濟性是其中的重要因素。

影響城市能源系統(tǒng)配置的因素有許多。其中，城市電力消費的增加是碳達峰、碳中和目標實現(xiàn)過程中，解決可再生電力出路的重要舉措。同時，利用這些電力制備可再生燃氣，如合成天然氣、氫氣等也可以利用可再生電力。隨著生物天然氣和合成天然氣和氫氣進入燃氣管網(wǎng)，燃氣的低碳屬性將逐步凸顯出來。從這個角度，保持燃氣供應的穩(wěn)定也成為促進可再生能源利用的舉措。無論為了保證能源供應系統(tǒng)的韌性，還是促進可再生能源利用以及天然氣利用的低碳化，燃氣和電力并存的城市能源供應體系，能夠更好地滿足城市能源供應的需求。

德國威能公司以燃氣采暖熱水爐作為后備熱源的集成供熱系統(tǒng)配套的空氣源熱泵

對于家用供熱系統(tǒng)的可再生能源利用，系統(tǒng)韌性主要體現(xiàn)在不利的氣象條件下確保供熱的穩(wěn)定，由于經(jīng)濟性和住宅安裝條件的約束，燃氣加熱裝置的集成將對系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性有顯著的提升效果。低溫空氣源熱泵雖然可以運行在-25℃~-15℃的環(huán)境條件下，但是在寒冷地區(qū)長時間連續(xù)在低于-15℃的環(huán)境下運行，系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性會隨之成為一個突出的問題。熱力學規(guī)律決定了熱泵循環(huán)方式在進風溫度下降時制熱量和能效隨之下降，類似直流調(diào)速、增焓等低溫熱泵技術(shù)進步，只能夠使一些隨進風溫度降低而產(chǎn)生的附加安全性、可靠性等問題得到一定程度的解決，補償一部分由于工作點變化增加的熱力損失，但是不可能實現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。任何技術(shù)措施都無法改變住宅供熱負荷隨環(huán)境溫度降低而增大，而空氣源熱泵的制熱能力隨進風溫度降低而減小的規(guī)律，換熱面積、循環(huán)風量、外形尺寸等都是無法突破的約束。

理論上，空氣源熱泵有能力獨立承擔住宅全部的供熱負荷，前提是運行環(huán)境溫度不低于其明示的最低溫度。實際上，氣象條件具有一定程度的不確定性，例如，作為空氣源熱泵選型依據(jù)的最低環(huán)境溫度與當?shù)氐臉O限最低溫度之間，大致上有5℃~10℃的差異，空氣源熱泵的技術(shù)性能約束決定了在寒冷地區(qū)，當環(huán)境溫度處于極端狀態(tài)下，只能處于停機狀態(tài)，即使勉強維持運行，制熱能力也將明顯降低，無法適應在此條件下住宅供熱負荷顯著增大的需求。所以，在有條件的情況下，寒冷地區(qū)利用燃氣加熱裝置作為空氣源熱泵的后備熱源，可以顯著改善供熱系統(tǒng)的熱負荷響應能力和韌性，使用戶以更經(jīng)濟的方式獲得舒適性、可靠性的改善。同時，與獨立的燃氣供熱系統(tǒng)相比，天然氣消耗量減少60%~80%。

對于配備燃氣加熱裝置作為后備熱源的家用集成供熱系統(tǒng)，空氣源熱泵的容量只需要滿足相應住宅最大熱負荷2/3左右配備，燃氣加熱裝置的熱負荷則按不小于住宅最大熱負荷的1/2配備，這大致上是最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟性配置方案。按單位制熱量計算，空氣源熱泵的購置費用一般為燃氣加熱裝置的數(shù)倍。因此，在此基礎(chǔ)上，燃氣加熱裝置的容量按住宅最大熱負荷全額配套，所增加的初始投入不多，但是供熱系統(tǒng)的韌性明顯提高，即使熱泵發(fā)生故障，供熱系統(tǒng)的能力不受影響。由于空氣源熱泵在夏季可以為滿足空調(diào)需要進行供冷運行，在這類供熱集成系統(tǒng)中另一項系統(tǒng)配置方案是空氣源熱泵只按夏季空調(diào)最大供冷負荷確定容量，不需要對冬季的供熱需求專門放大容量，這是冬冷夏熱地區(qū)配套家用集成供熱系統(tǒng)最經(jīng)濟的方案。

太陽能供熱系統(tǒng)受日照和環(huán)境溫度影響的特點十分明顯，因此，配套后備熱源是常見的情況。太陽能供熱系統(tǒng)通常只能承擔供熱系統(tǒng)全年熱負荷的20%~40%。對于多數(shù)的家用太陽能供熱系統(tǒng)而言，在冬季利用太陽能滿足全天的住宅熱負荷，即使在日照條件良好的情況下可以實現(xiàn)，也未必具有經(jīng)濟性的優(yōu)勢。因為這需要相當大的集熱器面積，不僅導致系統(tǒng)造價高，而且在非采暖季節(jié)，過大的集熱面積可能造成集熱器輸出的熱量得不到有效利用而造成浪費。更麻煩的是，集熱器溫度過高現(xiàn)象可能導致一些安全風險以及集熱器易損壞等問題。顯然，太陽能供熱方式十分脆弱，如果沒有后備熱源，太陽能供熱方式不可能具有市場生命力。

綜上所述，天然氣作為低碳化石能源，在現(xiàn)階段替代煤炭具有顯著地減少碳排放和緩解環(huán)境污染的作用，按照中國的能源發(fā)展戰(zhàn)略，天然氣的供應和使用仍然需要大幅增加，目前仍然有廣大地區(qū)未建成燃氣管網(wǎng)，這些都是燃氣具未來的市場。太陽能和熱泵加熱方式與燃氣加熱方式的互補，在終端利用方面實現(xiàn)燃氣系統(tǒng)化應用，是突破燃燒熱效率瓶頸的有效措施。城市電力消費的增加是碳達峰、碳中和目標實現(xiàn)過程中，解決可再生電力出路的重要舉措，同時，可再生燃氣和可再生電力將共同成為構(gòu)建堅強城市能源供應體系的組成部分。