江億院士：發(fā)展熱泵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)零碳能源的關(guān)鍵途徑
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“雙碳”目標(biāo)是我國能源發(fā)展的巨大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)碳中和就必須推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，推動(dòng)能源系統(tǒng)從以化石能源為基礎(chǔ)的碳基能源轉(zhuǎn)為以可再生能源為基礎(chǔ)的零碳能源，全面電氣化就成為能源轉(zhuǎn)型的主要任務(wù)之一。熱泵契合終端用能電氣化發(fā)展的需求，是電力高效轉(zhuǎn)為熱量的最佳途徑。無論是建筑領(lǐng)域，還是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他民用領(lǐng)域，在有合適的低位熱源的條件下，使用熱泵替代鍋爐或者電熱爐來提供熱能，利用余熱采集、區(qū)域供熱網(wǎng)、大規(guī)?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱、長距離輸熱，為工業(yè)和建筑提供所需的各類熱量，以滿足建筑供暖、生活熱水和各類工業(yè)生產(chǎn)過程的熱量需求，將大大減少整個(gè)國家化石燃料的消耗，從而助力碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
零碳能源的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)
零碳能源很重要的一個(gè)特點(diǎn)就是能源轉(zhuǎn)化鏈的改變，化石能源的轉(zhuǎn)換方式是化石燃料燃燒后釋放熱量，被直接使用，或者轉(zhuǎn)化成機(jī)械功使用。
零碳能源的轉(zhuǎn)化方式有兩個(gè)特點(diǎn)，一是能源以直接出電的形式，如核電、水電、風(fēng)電、光電，可以直接利用。另一個(gè)就是由電到熱的過程，不像以前一樣需要燃燒后由熱變電，而是恰好相反，正是因?yàn)檫@樣巨大的變化，也意味著整個(gè)能源轉(zhuǎn)換熱能的方式和熱能系統(tǒng)都要作出相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。
當(dāng)然，生物質(zhì)燃料比如秸稈、枝條、牛糞等也可以燃燒出熱，不過生物質(zhì)燃料占比不到未來能源總量的20%，所以主要還是用電，大力發(fā)展核電、水電、風(fēng)電、光電，這樣才可以實(shí)現(xiàn)零碳能源。按照零碳能源的特點(diǎn)，如何通過電力高效地提供熱量？這是一個(gè)挑戰(zhàn)。
電動(dòng)熱泵是通過電力高效地提供熱量的方式
熱泵是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置，也是目前全世界備受關(guān)注的新能源技術(shù)。熱泵通常是先從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經(jīng)過電力做功，再向人們提供可被利用的高品位熱能。它是在低溫下提取熱量，通過用電來做功，把溫度較低的熱量提高到溫度較高的品位釋放出去，只要找到合適的低品位熱源，熱泵就可以高效地實(shí)現(xiàn)由電變熱，這是未來實(shí)現(xiàn)零碳能源非常重要的一條路徑。
熱泵一般分為蒸汽壓縮式和吸收式兩種。蒸汽壓縮式熱泵是熱泵中最為普遍而廣泛應(yīng)用的一種。這類熱泵工質(zhì)通常在由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置及蒸發(fā)器等部件組成的系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)，并通過工質(zhì)的狀態(tài)變化及相變來實(shí)現(xiàn)將低品位熱能泵送至高品位溫度區(qū)。而吸收式熱泵是通過消耗較高品位的熱能來實(shí)現(xiàn)將低品位熱能向高品位溫度區(qū)傳送。
電動(dòng)熱泵是破解零碳能源問題的重要技術(shù)。電動(dòng)熱泵可以由電變熱，并且效率非常高，只要找到合適的低品位熱源，熱泵就可以高效地實(shí)現(xiàn)由電變熱，這是未來實(shí)現(xiàn)零碳能源的重要路徑。它適應(yīng)的場所是制備中溫?zé)崃浚袦厥侵?00攝氏度以下，或者比100攝氏度略高的熱量，如目前正大量替換的燃煤燃?xì)忮仩t，都是產(chǎn)生中溫?zé)崃?，熱泵在這一領(lǐng)域可以大顯身手。
工業(yè)生產(chǎn)方面，大量的輕工業(yè)生產(chǎn)，包括紡織業(yè)、食品、皮革等，低壓蒸汽或者這個(gè)范圍里的熱量，大多數(shù)是由化石能源提供的。每年有近10億噸的化石燃料用于提供低溫?zé)崃浚挤请娀茉聪牡慕话?。在工業(yè)領(lǐng)域，以電力作為驅(qū)動(dòng)方式，替代工業(yè)生產(chǎn)中的燃煤鍋爐，可有效實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)。
工業(yè)領(lǐng)域中還有一個(gè)用到熱量的環(huán)節(jié)是干燥過程，熱泵也可以在其中制備所要求的熱量。這就是利用熱泵回收排出的熱濕空氣中的熱量制備熱風(fēng)，這種方式在很多場景下都適用，如農(nóng)副產(chǎn)品干燥、彩色印刷品的油墨快速干燥等。使用熱泵作為熱源，提高了工藝控制精度、環(huán)境的潔凈度和產(chǎn)品質(zhì)量，且其運(yùn)行費(fèi)用接近燃煤鍋爐，綜合經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于燃煤。
實(shí)際上某些工業(yè)鍋爐，也可以把燃?xì)飧某呻姛?，但并非全靠熱泵供能，高溫的時(shí)候熱泵的經(jīng)濟(jì)性一般，還是直接用電熱，但這些加熱過程往往需要一個(gè)預(yù)熱的過程，可以用熱泵回收出口的余熱，為預(yù)熱過程提供熱源，這樣可以提高控溫精度，改善產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)綜合分析，采用電動(dòng)熱泵預(yù)熱可比直接電加熱節(jié)電20%～30%，再考慮產(chǎn)品質(zhì)量的提高，綜合經(jīng)濟(jì)效益與燃?xì)獬制剑梢暂^好地替代化石能源。
還有一些肉類加工廠，可以回收冷庫制冷余熱，再通過熱泵提升溫度，制備生產(chǎn)用熱水和蒸汽；食品加工廠可以提取產(chǎn)品冷卻過程中的排熱，利用熱泵升溫，制備生產(chǎn)用蒸汽；還有印染業(yè)、紡織業(yè)、制革業(yè)、造紙業(yè)、制藥業(yè)等都有可能利用熱泵從排出的熱濕空氣或熱水中提取熱量，制備生產(chǎn)較高溫的熱量。
電動(dòng)熱泵在建筑用能方面也有廣泛的應(yīng)用前景。我國北方供熱區(qū)地域遼闊，涵蓋北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、山東、河南、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆的全部城鎮(zhèn)地區(qū)，以及四川的一部分。北方城鎮(zhèn)建筑冬季供暖的熱量需求每年大約在50億吉焦左右，目前主要由燃煤燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)和燃煤鍋爐（占比約80%）提供，還有各類燃?xì)忮仩t及電動(dòng)熱泵（占比約5%）。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，供熱負(fù)荷飛速提升，電動(dòng)熱泵的應(yīng)用還有很大的增長空間。
同時(shí)，熱泵還可以為集中供熱無法抵達(dá)的地區(qū)提供供暖熱源，尤其是長江以南，一年需要供熱的時(shí)間只有兩三個(gè)月，不適合建立龐大的集中供熱管網(wǎng)，熱泵就是解決冬天供熱的最好方式之一。尤其是建筑保溫性能不斷改善，需要的熱量越來越少，集中供熱可能并不經(jīng)濟(jì)，電動(dòng)熱泵分布式供暖便能發(fā)揮其優(yōu)越性。在農(nóng)村分散的低密度建筑中，用空氣源熱泵，以“部分時(shí)間、部分空間”的方式來供暖最合適。
還有一個(gè)重要領(lǐng)域，就是生活熱水制備。生活熱水一般在50攝氏度左右，這是電動(dòng)熱泵的適用范圍。當(dāng)COP值（通過熱泵一度電能提升多少度熱量）等于3時(shí)，電價(jià)為0.90元/千瓦時(shí)，其能源費(fèi)用低于燃?xì)?元/標(biāo)立方米的燃?xì)鉄崴?。需要注意的是，空氣源熱泵制備生活熱水一定要分散制備，盡可能減少輸送過程中的熱量損失。
電力實(shí)現(xiàn)零碳化，主要的電力不再是通過化石能源產(chǎn)生出來的，這就需要我們對(duì)熱泵的節(jié)能和適用性有新的認(rèn)識(shí)。以前認(rèn)為，只有熱泵的COP>3才是節(jié)能，但是未來電力主要來自風(fēng)電、光電、水電、核電，只要COP>1，就比電熱鍋爐節(jié)能，就可以應(yīng)用。盡管目前70%的電力仍然來自于煤電、氣電，但零碳電力比例在逐年增加，終端全面電氣化和電力的零碳化必須同步進(jìn)行、相互促進(jìn)，放開熱泵適用性的邊界，將產(chǎn)生很多新的適合應(yīng)用熱泵的領(lǐng)域，加快全面電氣化的進(jìn)程，這對(duì)中國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。
從何處獲取低溫?zé)嵩矗?/strong>
從污水處理之后輸出的中水可以獲取5～20攝氏度的熱源，從江河湖?？色@取5～25攝氏度的熱源，從地下?lián)Q熱器可換熱5～20攝氏度熱源等。除了從自然界獲取熱源，還可以回收各類低品位余熱，包括在冶金生產(chǎn)過程中的沖渣池、化工生產(chǎn)過程的冷卻水、水泥生產(chǎn)過程的排煙，這些都比自然獲取的熱源品位效率要高得多。
低溫余熱蘊(yùn)藏在低于200攝氏度的煙氣及低于100攝氏度的工業(yè)液體之中，這是一個(gè)巨大的寶藏。在工廠中的各種冷卻水，包括空壓機(jī)冷卻水、電廠冷卻水、各種工藝降溫冷卻水，都有余熱可回收。簡單講，只要有冷卻塔運(yùn)行的地方就有可回收的余熱，溫度在10～50攝氏度之間的冷卻水都可進(jìn)行余熱回收。我們做過的很多項(xiàng)目，都是利用低溫冷卻水的余熱制取高達(dá)68攝氏度的熱水用于生產(chǎn)工藝，一年就可以收回投資，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。
跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)是充分回收利用余熱資源的關(guān)鍵
采用跨季節(jié)儲(chǔ)熱方式，把全年的熱量都儲(chǔ)存起來，不僅可以供應(yīng)建筑采暖，還可通過熱泵提升溫度，滿足各類工業(yè)用熱需求。
歐洲（尤其是北歐）近十年來大力研究開發(fā)跨季節(jié)儲(chǔ)熱，對(duì)多種技術(shù)方案都進(jìn)行了深入的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為對(duì)大型熱水池加保溫蓋是目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能最佳的方式。歐洲已建有多個(gè)實(shí)際運(yùn)行裝置，在我國也有建成項(xiàng)目，包括西藏仲巴縣、張家口礬山鎮(zhèn)等項(xiàng)目。其中，找到合適的低成本跨季節(jié)儲(chǔ)熱方式（<100元/立方米）是充分利用余熱的關(guān)鍵。
跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目的收益主要來源于以下方面：一是采集全年各個(gè)季節(jié)的低品位余熱，解決熱源不足的問題；二是實(shí)現(xiàn)熱源與熱需求之間的解耦，不再需要調(diào)峰熱源，蓄熱水池與末端實(shí)行變流量調(diào)節(jié)，滿足各種負(fù)荷變化需要；三是熱量采集設(shè)備可以全年利用，提高了裝置的年利用率，從而加快裝置投資的回收期；四是提高了供熱系統(tǒng)的可靠性，只要有一大池?zé)崴?，熱源處出現(xiàn)問題基本不會(huì)影響供熱，不再需要“備用熱源、備用管道”；五是通過提高熱源回收率，減少要求的熱源容量，減去調(diào)峰熱源等多方面效益，可以回收跨季節(jié)蓄熱的投資。
未來，零碳電力是什么樣的？用熱泵如何獲得足夠的低溫?zé)嵩矗侩娏?yīng)是否充足？這是大家普遍關(guān)心的問題。
冬季水電減少到40%，光電時(shí)間減少，風(fēng)電并不增加，零碳電力相對(duì)不足。在不考慮冬季采暖的條件下，未來冬季電力缺口在6.5億千瓦，如果冬季全面通過電能為建筑供熱，則供應(yīng)缺口約為8億千瓦。依靠儲(chǔ)氫可以在一定程度上解決零碳電力季節(jié)差問題，但投資高、經(jīng)濟(jì)性差。季節(jié)差是未來實(shí)現(xiàn)零碳電力必須要面對(duì)的問題。通過比較各種方式得到以下結(jié)論：解決電力季節(jié)差問題，還是要保留部分燃煤燃?xì)夂蜕镔|(zhì)燃料的火電，再通過CCUS方式回收其排放的CO2，需要設(shè)置6.5億千瓦火電作為調(diào)峰和可調(diào)配電源，年運(yùn)行2000小時(shí)，年發(fā)電量1.3萬億千瓦時(shí)。這些調(diào)峰火電運(yùn)行時(shí)，會(huì)釋放大量的余熱。如何通過熱電聯(lián)產(chǎn)方式回收利用這些余熱，如何通過跨季節(jié)儲(chǔ)熱解決這些余熱與需求之間的時(shí)間差，都需要全面規(guī)劃和深入研究。
建設(shè)余熱采集和輸送網(wǎng)，為建筑和工業(yè)提供熱量
隨著低碳社會(huì)的發(fā)展，熱量會(huì)越來越珍貴。因?yàn)橐郧笆峭ㄟ^燃料燃燒提供熱量，再把熱量變成電，熱在前，電在末端。推行零碳電力后，電在前，熱在末端，于是熱的珍貴性就凸顯了。大規(guī)?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱在經(jīng)濟(jì)性和低碳發(fā)展等各方面都具備可行性，可以把全年的余熱收集起來，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)零碳。由于有了儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)熱會(huì)比儲(chǔ)電更經(jīng)濟(jì)。
建設(shè)大規(guī)?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱裝置，采集全年各類余熱，可解決我國北方城鎮(zhèn)供熱的零碳熱源問題。一是可采集儲(chǔ)存春夏秋季的各類余熱，用于冬季供暖，如春夏秋采集并儲(chǔ)存25億吉焦余熱，可完全滿足冬季供暖熱源需求；二是可徹底解決熱源與傳輸可靠性、調(diào)峰等各種問題，實(shí)現(xiàn)零碳供熱；三是利用北方沿海核電，每年還可產(chǎn)生100億立方米淡水，且避免了沿海熱污染；四是全年的工業(yè)排熱得以回收，可大量減少工業(yè)用水，緩解北方水資源短缺；五是可調(diào)整供需平衡關(guān)系，全年都可以利用余熱為工業(yè)生產(chǎn)供熱。
推動(dòng)燃煤、燃油、燃?xì)獾幕茉唇Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐运?、風(fēng)電、光電、核電、生物質(zhì)能等構(gòu)成的零碳能源，徹底擺脫對(duì)化石能源的依賴，是實(shí)現(xiàn)能源安全和可持續(xù)發(fā)展、徹底改變我國能源結(jié)構(gòu)、解決我國能源問題、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的根本途徑。
我國北方已經(jīng)具有發(fā)展區(qū)域熱網(wǎng)的條件，北方地級(jí)以上城市，絕大多數(shù)市內(nèi)已建成區(qū)域熱網(wǎng)；多數(shù)省會(huì)城市陸續(xù)建設(shè)大規(guī)?？鐓^(qū)域熱網(wǎng)；除北京等超大城市，各城市周邊都有足夠的余熱熱源。近年來，隨著長距離余熱輸送技術(shù)得到突破，熱水循環(huán)輸送經(jīng)濟(jì)距離可達(dá)100千米；沿海利用余熱制備95攝氏度熱淡水，單管水熱同送，經(jīng)濟(jì)輸送距離200千米；北方沿海核電余熱充分挖掘利用，可以滿足沿海岸線方向150千米以內(nèi)區(qū)域的建筑和工業(yè)生產(chǎn)用熱。
我國要實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整以及化石能源向零碳能源轉(zhuǎn)變，首先要推動(dòng)電力系統(tǒng)革命，建成以風(fēng)電、光電、水電、核電為主的新型電力系統(tǒng)；其次需要?jiǎng)?chuàng)新生產(chǎn)工藝流程，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)過程革命，包括冶金、有色、化工、建材等行業(yè)和領(lǐng)域；工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要的熱量要依靠新的零碳熱源來提供；建筑取暖、生活熱水需要確定零碳的熱源方式；炊事等其他燃?xì)鈶?yīng)用需要逐步實(shí)現(xiàn)電氣化。電動(dòng)熱泵和余熱采集、儲(chǔ)存和輸送系統(tǒng)可以為工業(yè)和建筑提供所需要的各類熱量。電動(dòng)熱泵新的發(fā)展方向，是利用常溫余熱生產(chǎn)蒸汽，根據(jù)需求制備不同溫度的熱量。
