区域供热系统生命周期碳排放比较研究：基于余热与热电联产配置的工程分析

《Results in Engineering》：Comparative Life Cycle Assessment of District Heating Supply Pathways: Insights from Waste Heat and CHP Configurations

本研究针对供热部门占全球碳排放近30%的严峻挑战，以爱尔兰塔拉特区域供热系统为案例，创新性地整合SimaPro生命周期评估与HOMER Pro技术经济优化模型，系统比较了余热供热、天然气CHP和沼气CHP三种区域供热方案。研究发现沼气CHP系统在20年生命周期内可实现每功能单位138.911 kg CO2eq的碳足迹，较天然气CHP降低72.9%，为新兴区域供热市场的低碳转型提供了关键决策依据。

　　

在全球能源转型的大背景下，供热部门的 decarbonisation（脱碳）已成为实现气候目标的 critical challenge（关键挑战）。数据显示，供热不仅占据全球能源需求的40%，更是贡献了近30%的温室气体排放。特别是在欧盟范围内，建筑采暖和热水供应消耗了28%的能源，其中高达70%仍依赖化石燃料。这种能源结构不仅加剧了气候变化，也使得像爱尔兰这样的国家面临巨大的 decarbonisation（脱碳）压力——爱尔兰目前是可再生能源供热利用率最低的欧洲国家之一，2022年这一比例仅为6%。

面对这一严峻形势，district heating (DH，区域供热) 系统展现出巨大潜力。作为一种集中供暖方式，DH系统通过管道网络将热水或蒸汽从中央能源站输送到多个建筑，相较于分散的个体供暖系统，它能显著提升能源效率并降低排放。在丹麦等北欧国家，DH系统已成功覆盖超过三分之二的家庭供热需求。然而，传统的DH系统往往依赖天然气或煤炭等化石燃料，其环境效益有限。如何将可再生能源、工业余热等低碳热源整合进DH系统，并科学评估其全生命周期的环境影响，成为当前 research gap（研究空白）所在。

正是在这样的背景下，发表在《Results in Engineering》上的研究论文《Comparative Life Cycle Assessment of District Heating Supply Pathways: Insights from Waste Heat and CHP Configurations》展开了深入探索。该研究以爱尔兰首个大型区域供热网络——Tallaght District Heating Scheme (TDHS，塔拉特区域供热系统) 为案例，创新性地提出了一个 integrated LCA framework（综合生命周期评估框架），旨在全面比较不同供热路径的 embodied carbon（隐含碳）和 operational carbon（运行碳）排放。

为了科学回答上述问题，研究人员采用了多项关键技术方法。首先是构建了一个综合生命周期评估（LCA）框架，该框架严格遵循ISO 14040/14044标准，结合使用了SimaPro软件（用于生命周期清单分析和环境影响评估，数据库为Ecoinvent 3.8，评估方法采用Environmental Footprint 3.1）和HOMER Pro软件（用于热电联产系统的技术经济建模和运行碳排放优化）。其次，研究建立了详细的生命周期清单（LCI），数据来源于制造商技术手册、当地利益相关者（如Codema和南都柏林郡议会）以及文献。案例对象为爱尔兰的塔拉特区域供热系统（TDHS），其热需求数据基于实际规划。此外，研究还进行了二维敏感性分析，考察了锅炉效率和生物质可用性两个关键参数对系统性能的影响。

3.1. Embodied Carbon Results（隐含碳结果）

通过对TDHS（余热供热）系统和拟议的CHP（热电联产）系统进行SimaPro建模分析，研究人员得出了其建设阶段的碳排放。结果显示，TDHS系统的总隐含碳为402,000 kg CO₂eq，而CHP系统为256,000 kg CO₂eq，前者高出后者57%。造成这一差异的主要原因是TDHS的Energy Centre（能源中心）建筑，其碳排放高达199,000 kg CO₂eq，这主要源于其建设过程中大量使用的钢材、混凝土和保温材料。具体而言，TDHS系统消耗了133,000 kg CO₂eq的钢材和25,700 kg CO₂eq的混凝土（70m3），远高于CHP系统的82,200 kg CO₂eq钢材和10,300 kg CO₂eq混凝土（28m3）。尽管CHP系统的核心设备——MWM燃气发动机需要从德国曼海姆长途运输（1,418公里），产生了较高的运输排放（13,900 kg CO₂eq vs TDHS的7,020 kg CO₂eq），但其整体材料消耗的碳强度更低。这表明，在基础设施建设阶段，CHP系统是更具碳效率的选择。

3.1.1. Life Cycle Impact Assessment（生命周期影响评估）

利用Environmental Footprint 3.1方法进行的全面LCIA显示，TDHS系统在几乎所有环境影响类别中都表现出比CHP系统更高的负担，尤其是在human toxicity, cancer effects（人类毒性，致癌效应）、climate change（气候变化）、resource use, fossils（资源使用，化石燃料）和ecotoxicity（生态毒性）等方面。单指标评分结果进一步证实，TDHS的总环境影响显著高于CHP系统。这意味着，如果未来继续发展类似TDHS的余热供热系统，需要在材料选择（如使用再生钢、低碳混凝土）、设计优化和模块化建造等方面进行改进，以降低其隐含碳足迹。

3.2. Operational Carbon Results（运行碳结果）

研究的另一核心部分是使用HOMER Pro软件对天然气CHP和沼气CHP系统的运行碳排放进行模拟和优化。

3.2.2. Sensitivity Cases Analysis（敏感性案例分析）

敏感性分析表明，锅炉效率和生物质可用性是影响系统碳排放的关键因素。当锅炉效率为95%且生物质供应量达到3-5吨/天时，系统年碳排放最低，约为569,894 kg CO₂/年。而当锅炉效率降至75%且生物质供应仅为1吨/天时，碳排放升至最高的1,386,995 kg CO₂/年。这凸显了提高设备效率和保障生物质可持续供应对于实现DH系统低碳运行的重要性。

3.2.3. Optimisation Results Analysis（优化结果分析）

在最优敏感性条件下（锅炉效率95%，生物质可用性3吨/天），HOMER Pro的优化结果表明，配置1,000 kW沼气CHP、天然气备份锅炉和热负荷控制器（TLC）的系统架构具有最低的运行碳排放，年排放量为510,894 kg CO₂。这与天然气CHP基准方案的年排放量1,882,292 kg CO₂相比，减少了72.9%。该最优系统中，沼气CHP单元年运行8,760小时，消耗沼气938吨，发电2,572,491 kWh（电效率51.4%），并产生1,083,644 kWh的热能，满足总热需求（3,770,001 kWh/年）的40.5%。剩余的59.5%热量由高效天然气锅炉提供。沼气消耗在每日傍晚（18:00-20:00）达到高峰。

3.3. Interpretation: Comparing the Total Carbon（解读：总碳比较）

通过dominance analysis（主导性分析）将隐含碳和20年运行碳结合分析，研究人员得出了更全面的结论。分析清晰地表明，对于能源转换系统而言，使用阶段的碳排放远超过基础设施的隐含碳。虽然两种CHP系统的隐含碳相近（年化后均为约12,800 kg CO₂eq/年），但它们的运行碳足迹差异巨大。归一化到每提供1000 kWh热量的功能单位（FU），天然气CHP系统在整个生命周期内排放502.677 kg CO₂eq/FU，而沼气CHP系统仅为138.911 kg CO₂eq/FU，减排幅度达72.4%。这强有力地证明，燃料来源的碳强度是决定供热系统全生命周期气候影响的最主要因素。

3.4. Discussion（讨论）

研究结果与现有文献相互印证。沼气CHP的碳排放因子（约0.135 kg CO₂eq/kWh_th）落在文献报道的典型范围（0.05-0.15 kg CO₂eq/kWh）内，而天然气CHP的排放因子（约0.5 kg CO₂eq/kWh_th）也符合预期。研究确认了LCA的一个核心原则：在能源系统中，运行阶段的排放通常占主导地位。因此，战略干预措施应优先关注燃料替代，这比仅仅改进建筑阶段的材料效率能带来大得多的碳减排效益。

4. Conclusions and Future Recommendations（结论与未来建议）

该研究通过综合LCA框架明确指出，沼气CHP系统在 embodied carbon（隐含碳）和 operational carbon（运行碳）方面均表现出显著的环境优势，是爱尔兰实现区域供热低碳化的更可持续选择。尽管TDHS余热利用系统在运行阶段可能具有低碳潜力，但其较高的基础设施建设碳成本以及缺乏运行数据支持，使其整体可持续性在当前阶段存在不确定性。研究强调，燃料选择是决定DH系统长期环境绩效的关键。未来研究应侧重于将不确定性分析和季节性变化纳入模型，以更全面地评估生物质供应稳定性、设备部分负荷效率等变量对沼气CHP和余热供热等低碳路径碳足迹的影响，为政策制定和基础设施规划提供更 robust（稳健）的决策支持。