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                              熱泵技術是中低溫供熱領域實現碳中和的必然選擇

                                “雙碳”戰略下,能源領域將產生革命性變化,最顯著的是能源轉換鏈條由目前的“燃料產熱、熱發電”變革為“綠電生產、電制熱”,終端用能電氣化態勢明顯。熱泵因其電熱轉換的高效性,是電制熱的最有效方式,為替代化石能源燃燒供熱提供了一種可靠的備選方案,將在碳達峰、碳中和過程中發揮重要作用。為此,國家重大戰略、文件中均明確鼓勵因地制宜推進熱泵等清潔低碳供熱技術。

                                熱泵的應用情景

                                現階段,我國建筑業、工業和農業消耗大量中低溫熱能,且大部分由化石燃料制備,可再生能源利用比例低。2020年,我國建筑運行中化石能源消耗相關的碳排放約22億噸,其中與供暖和熱水相關的碳排放接近一半;工業能耗約1400兆噸,其中50%~70%為化石燃料生產的熱能形式消耗,小于160℃的熱量消耗高達42GJ。建筑部門作為熱泵應用市場主導行業的供暖/供熱水占比仍不超過10%,在工業、農業中使用的情況更低。

                                熱泵是一種利用高位能(多為電能)驅動,將低位熱源(通常是空氣、水、土壤/巖土體及低溫廢熱等)的熱能轉移到高位熱源的節能裝置,從而為用戶提供中低溫熱量,如供暖、供冷及熱水服務等。

                                熱泵技術的優勢在于整合可再生或廢棄的環境熱源,有效和可控地供熱,從而替代對化石能源的需求。在建筑行業,熱泵技術可應用于我國不同氣候區的新建建筑和既有建筑改造的供暖制冷和熱水供應,這也是目前熱泵技術應用最多的場景,尤其是2016年清潔取暖提出之后,發展很快。

                                目前,熱泵技術應用在建筑領域不論是技術還是經濟上均具有顯著的競爭力。對于工業生產,目前中低溫熱泵技術已有商業化產品,溫度高達150℃的熱泵我國已有解決方案,不久將能產生高達180℃的熱量,制備高溫熱水、熱空氣、飽和蒸汽和低(微)壓蒸汽等,應用于食品制造業,紡織業,木材加工業,造紙和紙制品業,化學原料和化學制品業,汽車制造業等典型工業中。大容量的高溫工業熱泵將是解決工業能源脫碳的有效方案之一。

                                熱泵的減碳效益

                                熱泵應用的節能減排效果也逐漸顯現。截至2021年,我國空氣源熱泵(含供暖、熱水和干燥)內銷約1500萬臺,地源熱泵應用面積約5.7億m2。已安裝的熱泵系統累計供熱量達53億GJ,實現近2.73億噸的碳減排量,其中2021年度我國熱泵碳減排量達0.81億噸。在熱泵應用規模顯著增長情景下,由熱泵應用、電力生產方式改革、需求側改造的共同作用下,2060年建筑供暖與熱水供應、工業中低溫用熱、農業環境調控領域將能實現65%的碳減排,其中熱泵減排量達14.5億噸,相當于現階段我國碳排放總量的14%。若2060年電力實現零碳,熱泵在中低溫供熱領域實現全覆蓋,則中低溫供熱領域有望實現零碳。此外,按目前的價格體系,北方農村地區煤改空氣源熱泵的減碳成本僅為145元/噸CO2,具有極佳的減碳經濟效益。

                                當然,熱泵大規模推廣也會增加電網負荷,尤其是冬季供暖季節性用電需求的增加,與冬季水電、光電的季節性削弱正好矛盾。隨著終端部門電氣化水平的提升,據預測2060年全社會總電力需求將達18.7萬億kWh,熱泵消耗的電力約占10.5%。雖然相對電直熱供熱節電明顯,但熱泵高增速發展將增加電網負荷,應積極利用合適場景的熱泵應用對電網進行日調峰,實行需求側響應的柔性用電。如空氣源熱泵供暖可利用建筑物本身熱慣性,作為虛擬電力調峰站;熱泵蓄熱式熱水供應方式利用低谷電制熱等。一方面可減小對電力峰值負荷的影響,另一方面可平衡風電、光電發電能力與電力負荷需求間的不匹配問題,一定程度緩解了棄風、棄光問題。

                                熱泵發展的關鍵技術

                                熱泵技術的推廣應用能有效降低用戶的碳排放,但熱泵設備生產、安裝、維護、拆除等也會產生二氧化碳或非二氧化碳溫室氣體的排放,應注重熱泵技術自身低碳化研發和應用。加強熱泵技術的研發與革新,推廣應用適宜的熱泵系統。健全適應未來大規模發展的熱泵相關制造、應用、運行維護和測評相關標準體系。研發新型壓縮技術,促進壓縮機技術與其他學科前沿成果的融合,開發無油壓縮機,優化壓縮機與熱泵整機匹配;熱泵多場景應用設備研發,如高溫熱泵、超低環境溫度熱泵、交通熱泵等,研發更高效、更可靠、大溫差及具有更長壽命的熱泵系統;加快低GWP制冷劑及相關技術研發,積極推廣包括自然工質在內的環境友好型制冷劑;熱泵與蓄熱技術結合,開發主、被動式蓄熱技術及跨季節蓄熱技術;根據應用場景自身屬性,匹配熱泵系統源網荷儲各環節,應用適宜的熱泵系統,實現系統整體能效提升;熱泵系統與大數據、人工智能、數字孿生等相結合,實現熱泵供熱系統的智能化。

                                發展實踐表明,熱泵技術作為綠色低碳的熱能供應方案,是中低溫供熱領域替代化石能源、實現碳中和的必然路徑。中低溫供熱領域實現碳中和的關鍵在于熱泵技術的普及應用。

                              標簽: 熱泵雙碳  

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