综述：区域供热中余热潜力识别工具与方法的综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Review of tools and methods to identify excess heat potentials in district heating

本文系统综述了识别区域供热（DH）余热潜力的工具与方法，涵盖工业、数据中心、Power-to-X（PtX）等多元热源，并基于253篇文献（1988-2025年）归纳了统计评估、空间分析（GIS）、能源系统分析等主流方法的优劣与适用尺度，为能源系统脱碳与高效余热整合提供了方法学参考。

　　

引言：能源转型中的余热价值

能源系统正经历深刻转型，旨在通过摆脱化石燃料和增加可再生能源（RES）占比来减少CO₂排放。提高能源效率是转型的另一关键路径，而回收利用原本被废弃的余热，特别是将其整合到区域供热（DH）系统中，对于实现能源系统脱碳和提升能效具有重要意义。本文所称的“余热”，特指人类活动（如工业、数据中心、污水处理等）产生、未加利用而排入环境的热能，不包括地热、太阳能等自然热源及基于燃烧的能源生产（如热电联产、锅炉）产生的热量。

余热的类型与来源

余热来源广泛，传统上主要来自重工业过程以及城市能源系统与基础设施。根据温度水平，可将其分为四类：

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  极低温余热（0–50 °C）：来源于数据中心、服务业制冷、废水、地铁系统、电力变压器等。这类热量通常需要热泵提升温度后才能用于DH系统，尤其适合低温供热的第四代区域供热系统（4GDH）。
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  低温余热（50–100 °C）：来源于PtX电解、食品饮料工业、干燥、加热/沸腾、压缩空气冷却等过程。根据DH系统供水温度，部分可直接利用，或结合热泵高效整合。
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  中温余热（100–250 °C）：来源于炼油厂与化工过程、高温干燥、某些电子燃料工艺流及各种工业炉和锅炉烟气损失等。这类热量通常可直接用于DH，无需升级。
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  高温余热（>250 °C）：来源于水泥、陶瓷、玻璃和钢铁生产中的窑炉及锅炉废气等。可作为基础负荷直接用于DH或用于产生蒸汽和电力。

不同来源的余热在温度水平、空间分布和时间特性上差异很大，这些因素强烈影响着其用于DH的技术和经济可行性。

研究方法：系统性文献综述

本研究通过在Scopus数据库中系统检索“余热”与“区域供热”相关的文献，最终从1875篇文献中筛选出253篇高度相关的研究（1988-2025年）进行深入分析。这些文献被从多个维度进行归类，包括余热来源、地理尺度、评估方法等，以揭示该领域的研究趋势、主流方法及其特点。

研究发现与趋势

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  研究活跃度与地域分布：自2010年，特别是2015年《巴黎协定》以来，该领域出版物数量显著增长，表明科学界对余热在低碳供暖中作用的关注日益增加。大多数研究由欧洲（德国、丹麦、瑞典等）和中国的研究人员主导。
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  热源关注度的演变：早期研究几乎完全集中于工业过程余热。近年来，数据中心、污水处理厂等低温余热源受到越来越多的关注。同时，随着能源系统电气化转型，Power-to-X（PtX）设施作为新兴余热源，自2022年起相关研究迅速增加。
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  主要研究方法：识别余热潜力的方法主要可分为几大类：
  1. 1.
     统计评估方法：利用国家统计数据（如CO₂排放、能源消耗、生产量）进行宏观估算。优势在于覆盖范围广，适用于初步筛选和国家层面评估；但空间和时间分辨率低，通用化假设可能影响准确性。
  2. 2.
     空间分析方法（GIS）：侧重于余热源的地理定位。可分为：
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       自下而上法：基于详细的排放数据库、能源审计等数据，精度较高。
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       自上而下法：在缺乏详细数据时，将国家级统计数据按某种代理变量（如雇员数）分配至具体地点，不确定性较大。
     • •
       特定地点法：针对具体项目或城市进行详细评估，数据最为准确但收集工作量大。
  3. 3.
     能源系统分析方法：关注余热在能源系统中的时序利用和经济可行性。可分为：
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       区域供热聚焦型：主要模拟DH系统内各热源（包括余热）的协同运行，考虑供需匹配、储能需求等，常用工具有energyPRO、TRNSYS等。
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       部门耦合型：在更广泛的能源系统（电力、供热、交通、工业等）背景下评估余热利用的影响，常用工具有EnergyPLAN、Balmorel、TIMES等。这类研究能揭示余热整合对整体系统优化和可再生能源消纳的效益，但通常需要对各子系统进行一定简化。
  4. 4.
     实证方法：访谈与调查：通过采访行业专家或对工厂运营商进行问卷调查，获取一手数据，有助于验证统计估算、了解实际操作限制和障碍。但可扩展性和普适性有限，通常作为定量方法的补充。

方法的比较、局限与风险

不同方法各有优劣，适用于不同的研究目的和地理尺度。本研究总结了各种方法的典型输入输出、优势及关键局限与风险。普遍存在的局限性包括：

1. 1.
   数据限制：许多研究缺乏实测报告数据。
2. 2.
   行业异质性：不同国家和背景的工业过程差异大，通用关键指标的复用可能导致误差。
3. 3.
   温度要求被忽视：可能高估实际可用潜力。
4. 4.
   空间分析缺失：可能高估与DH网络距离过远的热源的实际利用潜力。
5. 5.
   时间变异性考虑不足：可能忽略余热供应与热需求在时间上的不匹配，导致潜力高估。

结论与展望

本综述表明，识别DH余热潜力的研究日益增多，但存在高估实际可利用潜力的风险。历史上研究多聚焦于工业余热，目前正迅速扩展到数据中心、污水处理厂及PtX设施等新兴热源。研究方法多样，选择取决于数据可得性和研究目标。未来研究应致力于克服现有方法的局限性，加强空间和时间维度的分析，并更多关注部门耦合背景下余热利用的系统性效益。同时，应推动欧洲和中国以外地区的研究，以获得更全球化的视角，共同推动余热在能源系统脱碳中发挥更大作用。