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江亿院士:发展热泵技术是实现零碳能源的关键途径

作者:江亿 来源:中国电力企业管理 发布时间:2022-01-14 浏览:

中国储能网讯:中国工程院院士,建筑环境工程专家。1977年1月毕业于清华大学建工系,1985年获工程热物理专业工学博士。曾参加多项IEA CBCS(建筑和社区的节能)下的国际合作项目。目前为国务院能源咨询专家委员会委员、教育部建筑节能研究中心主任、国家气候变化专家委员会委员、ECBCS理事会中国代表,中国制冷学会理事长。

“双碳”目标是我国能源发展的巨大机遇与挑战。实现碳中和就必须推进能源转型,推动能源系统从以化石能源为基础的碳基能源转为以可再生能源为基础的零碳能源,全面电气化就成为能源转型的主要任务之一。热泵契合终端用能电气化发展的需求,是电力高效转为热量的最佳途径。无论是建筑领域,还是工业、农业和其他民用领域,在有合适的低位热源的条件下,使用热泵替代锅炉或者电热炉来提供热能,利用余热采集、区域供热网、大规模跨季节储热、长距离输热,为工业和建筑提供所需的各类热量,以满足建筑供暖、生活热水和各类工业生产过程的热量需求,将大大减少整个国家化石燃料的消耗,从而助力碳中和目标的实现。

零碳能源的特点和挑战

零碳能源很重要的一个特点就是能源转化链的改变,化石能源的转换方式是化石燃料燃烧后释放热量,被直接使用,或者转化成机械功使用。

零碳能源的转化方式有两个特点,一是能源以直接出电的形式,如核电、水电、风电、光电,可以直接利用。另一个就是由电到热的过程,不像以前一样需要燃烧后由热变电,而是恰好相反,正是因为这样巨大的变化,也意味着整个能源转换热能的方式和热能系统都要作出相应的转变。

当然,生物质燃料比如秸秆、枝条、牛粪等也可以燃烧出热,不过生物质燃料占比不到未来能源总量的20%,所以主要还是用电,大力发展核电、水电、风电、光电,这样才可以实现零碳能源。按照零碳能源的特点,如何通过电力高效地提供热量?这是一个挑战。

电动热泵是通过电力

高效地提供热量的方式

热泵是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置,也是目前全世界备受关注的新能源技术。热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能,经过电力做功,再向人们提供可被利用的高品位热能。它是在低温下提取热量,通过用电来做功,把温度较低的热量提高到温度较高的品位释放出去,只要找到合适的低品位热源,热泵就可以高效地实现由电变热,这是未来实现零碳能源非常重要的一条路径。

热泵一般分为蒸汽压缩式和吸收式两种。蒸汽压缩式热泵是热泵中最为普遍而广泛应用的一种。这类热泵工质通常在由压缩机、冷凝器、节流装置及蒸发器等部件组成的系统中进行循环,并通过工质的状态变化及相变来实现将低品位热能泵送至高品位温度区。而吸收式热泵是通过消耗较高品位的热能来实现将低品位热能向高品位温度区传送。

电动热泵是破解零碳能源问题的重要技术。电动热泵可以由电变热,并且效率非常高,只要找到合适的低品位热源,热泵就可以高效地实现由电变热,这是未来实现零碳能源的重要路径。它适应的场所是制备中温热量,中温是指100摄氏度以下,或者比100摄氏度略高的热量,如目前正大量替换的燃煤燃气锅炉,都是产生中温热量,热泵在这一领域可以大显身手。

工业生产方面,大量的轻工业生产,包括纺织业、食品、皮革等,低压蒸汽或者这个范围里的热量,大多数是由化石能源提供的。每年有近10亿吨的化石燃料用于提供低温热量,占非电化石能源消耗的近一半。在工业领域,以电力作为驱动方式,替代工业生产中的燃煤锅炉,可有效实现低碳生产。

工业领域中还有一个用到热量的环节是干燥过程,热泵也可以在其中制备所要求的热量。这就是利用热泵回收排出的热湿空气中的热量制备热风,这种方式在很多场景下都适用,如农副产品干燥、彩色印刷品的油墨快速干燥等。使用热泵作为热源,提高了工艺控制精度、环境的洁净度和产品质量,且其运行费用接近燃煤锅炉,综合经济效益优于燃煤。

实际上某些工业锅炉,也可以把燃气改成电热,但并非全靠热泵供能,高温的时候热泵的经济性一般,还是直接用电热,但这些加热过程往往需要一个预热的过程,可以用热泵回收出口的余热,为预热过程提供热源,这样可以提高控温精度,改善产品质量。经综合分析,采用电动热泵预热可比直接电加热节电20%~30%,再考虑产品质量的提高,综合经济效益与燃气持平,可以较好地替代化石能源。

还有一些肉类加工厂,可以回收冷库制冷余热,再通过热泵提升温度,制备生产用热水和蒸汽;食品加工厂可以提取产品冷却过程中的排热,利用热泵升温,制备生产用蒸汽;还有印染业、纺织业、制革业、造纸业、制药业等都有可能利用热泵从排出的热湿空气或热水中提取热量,制备生产较高温的热量。

电动热泵在建筑用能方面也有广泛的应用前景。我国北方供热区地域辽阔,涵盖北京、天津、河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、山东、河南、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆的全部城镇地区,以及四川的一部分。北方城镇建筑冬季供暖的热量需求每年大约在50亿吉焦左右,目前主要由燃煤燃气热电联产和燃煤锅炉(占比约80%)提供,还有各类燃气锅炉及电动热泵(占比约5%)。随着城镇化的发展,供热负荷飞速提升,电动热泵的应用还有很大的增长空间。

同时,热泵还可以为集中供热无法抵达的地区提供供暖热源,尤其是长江以南,一年需要供热的时间只有两三个月,不适合建立庞大的集中供热管网,热泵就是解决冬天供热的最好方式之一。尤其是建筑保温性能不断改善,需要的热量越来越少,集中供热可能并不经济,电动热泵分布式供暖便能发挥其优越性。在农村分散的低密度建筑中,用空气源热泵,以“部分时间、部分空间”的方式来供暖最合适。

还有一个重要领域,就是生活热水制备。生活热水一般在50摄氏度左右,这是电动热泵的适用范围。当COP值(通过热泵一度电能提升多少度热量)等于3时,电价为0.90元/千瓦时,其能源费用低于燃气3元/标立方米的燃气热水器。需要注意的是,空气源热泵制备生活热水一定要分散制备,尽可能减少输送过程中的热量损失。

电力实现零碳化,主要的电力不再是通过化石能源产生出来的,这就需要我们对热泵的节能和适用性有新的认识。以前认为,只有热泵的COP>3才是节能,但是未来电力主要来自风电、光电、水电、核电,只要COP>1,就比电热锅炉节能,就可以应用。尽管目前70%的电力仍然来自于煤电、气电,但零碳电力比例在逐年增加,终端全面电气化和电力的零碳化必须同步进行、相互促进,放开热泵适用性的边界,将产生很多新的适合应用热泵的领域,加快全面电气化的进程,这对中国实现“双碳”目标具有重要意义。

从何处获取低温热源?

从污水处理之后输出的中水可以获取5~20摄氏度的热源,从江河湖海可获取5~25摄氏度的热源,从地下换热器可换热5~20摄氏度热源等。除了从自然界获取热源,还可以回收各类低品位余热,包括在冶金生产过程中的冲渣池、化工生产过程的冷却水、水泥生产过程的排烟,这些都比自然获取的热源品位效率要高得多。

低温余热蕴藏在低于200摄氏度的烟气及低于100摄氏度的工业液体之中,这是一个巨大的宝藏。在工厂中的各种冷却水,包括空压机冷却水、电厂冷却水、各种工艺降温冷却水,都有余热可回收。简单讲,只要有冷却塔运行的地方就有可回收的余热,温度在10~50摄氏度之间的冷却水都可进行余热回收。我们做过的很多项目,都是利用低温冷却水的余热制取高达68摄氏度的热水用于生产工艺,一年就可以收回投资,经济效益非常可观。

从何处获取低温热源?

从污水处理之后输出的中水可以获取5~20摄氏度的热源,从江河湖海可获取5~25摄氏度的热源,从地下换热器可换热5~20摄氏度热源等。除了从自然界获取热源,还可以回收各类低品位余热,包括在冶金生产过程中的冲渣池、化工生产过程的冷却水、水泥生产过程的排烟,这些都比自然获取的热源品位效率要高得多。

低温余热蕴藏在低于200摄氏度的烟气及低于100摄氏度的工业液体之中,这是一个巨大的宝藏。在工厂中的各种冷却水,包括空压机冷却水、电厂冷却水、各种工艺降温冷却水,都有余热可回收。简单讲,只要有冷却塔运行的地方就有可回收的余热,温度在10~50摄氏度之间的冷却水都可进行余热回收。我们做过的很多项目,都是利用低温冷却水的余热制取高达68摄氏度的热水用于生产工艺,一年就可以收回投资,经济效益非常可观。

跨季节储热系统

是充分回收利用余热资源的关键

采用跨季节储热方式,把全年的热量都储存起来,不仅可以供应建筑采暖,还可通过热泵提升温度,满足各类工业用热需求。

欧洲(尤其是北欧)近十年来大力研究开发跨季节储热,对多种技术方案都进行了深入的技术经济分析和实验,认为对大型热水池加保温盖是目前技术经济性能最佳的方式。欧洲已建有多个实际运行装置,在我国也有建成项目,包括西藏仲巴县、张家口矾山镇等项目。其中,找到合适的低成本跨季节储热方式(<100元/立方米)是充分利用余热的关键。

跨季节储热项目的收益主要来源于以下方面:一是采集全年各个季节的低品位余热,解决热源不足的问题;二是实现热源与热需求之间的解耦,不再需要调峰热源,蓄热水池与末端实行变流量调节,满足各种负荷变化需要;三是热量采集设备可以全年利用,提高了装置的年利用率,从而加快装置投资的回收期;四是提高了供热系统的可靠性,只要有一大池热水,热源处出现问题基本不会影响供热,不再需要“备用热源、备用管道”;五是通过提高热源回收率,减少要求的热源容量,减去调峰热源等多方面效益,可以回收跨季节蓄热的投资。

未来,零碳电力是什么样的?用热泵如何获得足够的低温热源?电力供应是否充足?这是大家普遍关心的问题。

冬季水电减少到40%,光电时间减少,风电并不增加,零碳电力相对不足。在不考虑冬季采暖的条件下,未来冬季电力缺口在6.5亿千瓦,如果冬季全面通过电能为建筑供热,则供应缺口约为8亿千瓦。依靠储氢可以在一定程度上解决零碳电力季节差问题,但投资高、经济性差。季节差是未来实现零碳电力必须要面对的问题。通过比较各种方式得到以下结论:解决电力季节差问题,还是要保留部分燃煤燃气和生物质燃料的火电,再通过CCUS方式回收其排放的CO2,需要设置6.5亿千瓦火电作为调峰和可调配电源,年运行2000小时,年发电量1.3万亿千瓦时。这些调峰火电运行时,会释放大量的余热。如何通过热电联产方式回收利用这些余热,如何通过跨季节储热解决这些余热与需求之间的时间差,都需要全面规划和深入研究。

建设余热采集和输送网

为建筑和工业提供热量

随着低碳社会的发展,热量会越来越珍贵。因为以前是通过燃料燃烧提供热量,再把热量变成电,热在前,电在末端。推行零碳电力后,电在前,热在末端,于是热的珍贵性就凸显了。大规模跨季节储热在经济性和低碳发展等各方面都具备可行性,可以把全年的余热收集起来,变废为宝,实现零碳。由于有了储能装置,储热会比储电更经济。

建设大规模跨季节储热装置,采集全年各类余热,可解决我国北方城镇供热的零碳热源问题。一是可采集储存春夏秋季的各类余热,用于冬季供暖,如春夏秋采集并储存25亿吉焦余热,可完全满足冬季供暖热源需求;二是可彻底解决热源与传输可靠性、调峰等各种问题,实现零碳供热;三是利用北方沿海核电,每年还可产生100亿立方米淡水,且避免了沿海热污染;四是全年的工业排热得以回收,可大量减少工业用水,缓解北方水资源短缺;五是可调整供需平衡关系,全年都可以利用余热为工业生产供热。

推动燃煤、燃油、燃气的化石能源结构转变为以水电、风电、光电、核电、生物质能等构成的零碳能源,彻底摆脱对化石能源的依赖,是实现能源安全和可持续发展、彻底改变我国能源结构、解决我国能源问题、实现碳中和目标的根本途径。

我国北方已经具有发展区域热网的条件,北方地级以上城市,绝大多数市内已建成区域热网;多数省会城市陆续建设大规模跨区域热网;除北京等超大城市,各城市周边都有足够的余热热源。近年来,随着长距离余热输送技术得到突破,热水循环输送经济距离可达100千米;沿海利用余热制备95摄氏度热淡水,单管水热同送,经济输送距离200千米;北方沿海核电余热充分挖掘利用,可以满足沿海岸线方向150千米以内区域的建筑和工业生产用热。

我国要实现能源结构调整以及化石能源向零碳能源转变,首先要推动电力系统革命,建成以风电、光电、水电、核电为主的新型电力系统;其次需要创新生产工艺流程,推动工业生产过程革命,包括冶金、有色、化工、建材等行业和领域;工业生产过程中,需要的热量要依靠新的零碳热源来提供;建筑取暖、生活热水需要确定零碳的热源方式;炊事等其他燃气应用需要逐步实现电气化。电动热泵和余热采集、储存和输送系统可以为工业和建筑提供所需要的各类热量。电动热泵新的发展方向,是利用常温余热生产蒸汽,根据需求制备不同温度的热量。

(本文根据江亿院士在“第一届中国电气化发展高端论坛”主旨演讲整理,经本人审阅同意发表)

本文刊载于《中国电力企业管理》2021年12期,作者系中国工程院院士,建筑环境工程专家

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关键字:零碳热源

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