隨著城鎮化建設帶來的人口聚集和社會經濟的飛速發展，生產、生活和生態用水量持續增加，導致我國北方沿海地區淡水資源愈發匱乏。

目前，海水淡化是解決淡水資源短缺的主要途徑。然而，由于節能和低碳發展的要求，使得我國很難通過大規模蒸餾法進行海水淡化。

對此，清華大學建筑節能研究中心提出“水熱聯供”的概念，即利用北方東部沿海地區火電與核電余熱為動力，采用新的蒸餾方式，將海水制取為溫度為100℃~120℃的熱淡水。

這些熱淡水可通過單管長途輸送，不僅能用于建筑供暖，還能在終端分離出常溫淡水，滿足城市淡水的需求。

“由于該技術消耗的余熱量與供熱熱量相同，所以實現了零能耗海水淡化。”

中國工程院院士、清華大學建筑節能研究中心主任江億告訴《中國科學報》，從連云港到大連沿海地區的1億千瓦火電和核電，可滿足這一地區40億平方米建筑冬季供熱需求，占我國北方城鎮未來供熱建筑總量的四分之一；在供暖期產生的35億噸淡水，還能滿足這一地區20%的淡水供應需求。

中國工程院院士張建云、王浩、馬軍等專家一致認為，我國沿海城市基本均為缺水城市，水熱聯供項目可有效利用沿海火電和核電余熱，并開辟出非常規水資源，對節能減排、低碳發展、提高供水安全性、實現可持續發展都有重要作用。

北方沿海地區供水供能困境

上世紀八九十年代，為了滿足日益增長的水需求，超采地下水導致一些地區地下水位持續下降，生態環境遭受不同程度的破壞。

進入本世紀，南水北調、引黃濟冀等工程使得地下水超采有所緩解，但江億認為，完全依靠調水并不能實現淡水供應的長治久安，只有多源頭供水才能有效應對各種自然和人為災害導致的供水安全問題。

當前，全球很多缺水地區都把海水淡化作為解決水資源不足問題的重要途徑。在中東地區，海水淡化占其淡水來源的40%以上。然而，我國海水淡化提供的淡水量還不足南水北調的2%。

“原因之一就是，我國沿海海水中硼含量較高，采用膜分離法很難去除這些有害成分，所制備的淡水無法滿足生活用水，尤其是飲用水的要求。”江億告訴記者，若采用真空加熱蒸餾的方法制取蒸餾水，雖然可有效去除海水中各類有害物質，得到高質量淡水，但卻需要消耗大量熱能，也難以滿足國內低碳發展的要求。

實際上，在我國北方東部沿海地區，從吉林丹東沿渤海、黃海至連云港，布滿了核電和火電。

這些發電廠通過海水冷卻方式在生產8000萬千瓦電力的同時，也向海水排放了超過12000萬千瓦的低品位余熱量。僅有部分電廠在冬季回收其排放的余熱，為周邊城鎮建筑供暖。

不過，江億表示，由于熱量輸送的經濟距離為50~80公里，而北方東部沿海地區的很多電廠，尤其是核電廠，大多與建筑密集的城鎮距離超過100~150公里，因此就很難利用這些電廠的余熱在冬季為遠距離的城鎮供熱。

水熱聯供的創新

三年前，清華大學建筑節能研究中心就提出“水熱聯供”的概念。該技術主要由水熱聯產、水熱同送、水熱分離三個關鍵環節構成。

水熱聯產是利用核電廠或火電廠發電后的蒸汽余熱，通過蒸餾方式用海水制備熱淡水。

江億給出的數據顯示，1兆瓦130℃蒸汽余熱可制備7.5噸/時的120℃熱淡水；一臺30萬千瓦燃煤火電機組產生的余熱，可以把6000噸/時3%鹽分、5℃的海水分離為2300噸、溫度為120℃的熱淡水和3700噸、鹽分約為5%、溫度為8℃的濃海水。

水熱同送，即利用單管實現長途輸送熱淡水，其功能相當于通過循環水輸送熱量的兩根熱水管道和一根輸送常溫淡水的管道。

“三管變一管，管道初投資可降低到原來的一半以下，驅動水泵的耗電量則降低到原來的1/3。這樣一來，輸送熱量的經濟距離就從原來的50~80公里增加到150~200公里。”江億說，我國北方東部沿海地區大型、超大型城市，與附近沿海的核電或火電廠的距離，正好處于這一范圍之內。

水熱分離，即在城市熱網接入處通過換熱器把熱淡水的熱量傳遞給城市集中供熱網的循環水。

據江億介紹，城市熱網循環水供回水溫度為115/40℃時，淡水溫度通過換熱后可降低到45℃。

此時，再通過電動熱泵進一步把淡水溫度降低到10℃~15℃，所獲取的熱量同樣可以作為供熱熱源。若城市熱網采用了低回水溫度技術，供回水溫度為115/15℃的話，則在城市熱網接入處直接換熱就可以把淡水溫度降低到20℃。

通過安裝少量熱泵，還可進一步把水溫降低到10~15℃，從而再多提取10%的熱量。

江億告訴記者，若進入系統的海水溫度為5℃，排出的濃海水為8℃，最終在城市終端輸出的淡水溫度是10℃，則系統的熱效率為92%，同時在水熱分離處熱泵還要消耗總熱量3%左右的電力。

這就意味著，系統的用能水平與常規熱電聯產相當。如果所消耗的熱能全部計入供暖能耗的話，則相當于實現了零能耗的蒸餾法海水淡化。

社會和經濟效益顯著

在我國北方東部沿海長達1500公里的海岸線上，目前已建成裝機容量為8000萬千瓦的核電和火電。

根據規劃，未來將建成約1億千瓦的核電和調峰火電。如果全部按照水熱聯供方式回收這些電廠的發電余熱，則可形成1.2億千瓦的供熱能力和日產淡水2246萬噸/日的海水淡化能力。

需要強調的是，“海水淡化盡管是利用核電余熱，但核島熱量是在其輸出后又經過三個換熱環節才接觸到所處理的海水，且海水側接近真空態的低壓，因此，即使在事故狀況下，也不會對所制備的淡水造成任何放射性污染。”江億說。

從節能減排的角度，根據初步分析計算，大規模推廣水熱聯供技術，每年可減少二氧化碳排放1.7億噸，接近我國目前化石能源燃燒所造成的二氧化碳排放總量的2%。

同時，每提供1兆瓦的熱量對應的電耗不到200千瓦時，遠低于采用各類熱泵時的電耗。

1.2億千瓦的熱量就可以為40億平方米建筑提供冬季供暖的基礎負荷，基本滿足這一地區城鎮建筑供暖的需要。

而從投資成本的角度來講，水熱聯供的供熱能耗和熱電聯產相同，初投資與熱法海水淡化制水相同，制水相當于零能耗。即使把輸送成本全部攤入輸熱，水熱同送輸熱成本也比傳統長輸供熱低40%。

北方沿海地區若實施水熱聯供項目，總投資約6700億元，其中裝備投資4200億元（主要是鋼鐵材料，可消納鋼鐵過剩產能），土建安裝投資1500億元。

與會專家一致認為，項目的實施，不僅可作為經濟內循環的新增長點，也將成為擴大有效投資、拉動就業、保障國計民生的重要舉措。

目前水熱聯供技術已經具備示范條件，為促進該技術的發展與應用，張建云等人建議，該項目應作為疫情后的“新基建”內容列入國家相關計劃，“十四五”期間盡快建成1個示范項目，以示范工程拉動工程技術研發應用，并進一步在北方沿海地區推廣建成2~3個重點工程，到2035年全面實現北方沿海城市35億噸水資源供應和40億平方米的建筑清潔供熱。

此外，專家們還建議由科技部、國家發展改革委等部委牽頭，設立國家科技重大專項，針對技術實施的關鍵問題展開聯合科研攻關，推動示范項目，促進技術推廣。

《中國科學報》 (2020-10-28 第3版 能源化工)

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