中國儲能網訊：中國工程院院士，建筑環(huán)境工程專家。1977年1月畢業(yè)于清華大學建工系，1985年獲工程熱物理專業(yè)工學博士。曾參加多項IEA CBCS（建筑和社區(qū)的節(jié)能）下的國際合作項目。目前為國務院能源咨詢專家委員會委員、教育部建筑節(jié)能研究中心主任、國家氣候變化專家委員會委員、ECBCS理事會中國代表，中國制冷學會理事長。
“雙碳”目標是我國能源發(fā)展的巨大機遇與挑戰(zhàn)。實現(xiàn)碳中和就必須推進能源轉型，推動能源系統(tǒng)從以化石能源為基礎的碳基能源轉為以可再生能源為基礎的零碳能源，全面電氣化就成為能源轉型的主要任務之一。熱泵契合終端用能電氣化發(fā)展的需求，是電力高效轉為熱量的最佳途徑。無論是建筑領域，還是工業(yè)、農業(yè)和其他民用領域，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、大規(guī)?？缂竟?jié)儲熱、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)生產過程的熱量需求，將大大減少整個國家化石燃料的消耗，從而助力碳中和目標的實現(xiàn)。
零碳能源的特點和挑戰(zhàn)
零碳能源很重要的一個特點就是能源轉化鏈的改變，化石能源的轉換方式是化石燃料燃燒后釋放熱量，被直接使用，或者轉化成機械功使用。
零碳能源的轉化方式有兩個特點，一是能源以直接出電的形式，如核電、水電、風電、光電，可以直接利用。另一個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，正是因為這樣巨大的變化，也意味著整個能源轉換熱能的方式和熱能系統(tǒng)都要作出相應的轉變。
當然，生物質燃料比如秸稈、枝條、牛糞等也可以燃燒出熱，不過生物質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、風電、光電，這樣才可以實現(xiàn)零碳能源。按照零碳能源的特點，如何通過電力高效地提供熱量？這是一個挑戰(zhàn)。
電動熱泵是通過電力
高效地提供熱量的方式
熱泵是一種將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的裝置，也是目前全世界備受關注的新能源技術。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現(xiàn)由電變熱，這是未來實現(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用的一種。這類熱泵工質通常在由壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置及蒸發(fā)器等部件組成的系統(tǒng)中進行循環(huán)，并通過工質的狀態(tài)變化及相變來實現(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現(xiàn)將低品位熱能向高品位溫度區(qū)傳送。
電動熱泵是破解零碳能源問題的重要技術。電動熱泵可以由電變熱，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現(xiàn)由電變熱，這是未來實現(xiàn)零碳能源的重要路徑。它適應的場所是制備中溫熱量，中溫是指100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氣鍋爐，都是產生中溫熱量，熱泵在這一領域可以大顯身手。
工業(yè)生產方面，大量的輕工業(yè)生產，包括紡織業(yè)、食品、皮革等，低壓蒸汽或者這個范圍里的熱量，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熱量，占非電化石能源消耗的近一半。在工業(yè)領域，以電力作為驅動方式，替代工業(yè)生產中的燃煤鍋爐，可有效實現(xiàn)低碳生產。
工業(yè)領域中還有一個用到熱量的環(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，這種方式在很多場景下都適用，如農副產品干燥、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)境的潔凈度和產品質量，且其運行費用接近燃煤鍋爐，綜合經濟效益優(yōu)于燃煤。
實際上某些工業(yè)鍋爐，也可以把燃氣改成電熱，但并非全靠熱泵供能，高溫的時候熱泵的經濟性一般，還是直接用電熱，但這些加熱過程往往需要一個預熱的過程，可以用熱泵回收出口的余熱，為預熱過程提供熱源，這樣可以提高控溫精度，改善產品質量。經綜合分析，采用電動熱泵預熱可比直接電加熱節(jié)電20%～30%，再考慮產品質量的提高，綜合經濟效益與燃氣持平，可以較好地替代化石能源。
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，制備生產用熱水和蒸汽；食品加工廠可以提取產品冷卻過程中的排熱，利用熱泵升溫，制備生產用蒸汽；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，制備生產較高溫的熱量。
電動熱泵在建筑用能方面也有廣泛的應用前景。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，目前主要由燃煤燃氣熱電聯(lián)產和燃煤鍋爐（占比約80%）提供，還有各類燃氣鍋爐及電動熱泵（占比約5%）。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，供熱負荷飛速提升，電動熱泵的應用還有很大的增長空間。
同時，熱泵還可以為集中供熱無法抵達的地區(qū)提供供暖熱源，尤其是長江以南，一年需要供熱的時間只有兩三個月，不適合建立龐大的集中供熱管網，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濟，電動熱泵分布式供暖便能發(fā)揮其優(yōu)越性。在農村分散的低密度建筑中，用空氣源熱泵，以“部分時間、部分空間”的方式來供暖最合適。
還有一個重要領域，就是生活熱水制備。生活熱水一般在50攝氏度左右，這是電動熱泵的適用范圍。當COP值（通過熱泵一度電能提升多少度熱量）等于3時，電價為0.90元/千瓦時，其能源費用低于燃氣3元/標立方米的燃氣熱水器。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。
電力實現(xiàn)零碳化，主要的電力不再是通過化石能源產生出來的，這就需要我們對熱泵的節(jié)能和適用性有新的認識。以前認為，只有熱泵的COP>3才是節(jié)能，但是未來電力主要來自風電、光電、水電、核電，只要COP>1，就比電熱鍋爐節(jié)能，就可以應用。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行、相互促進，放開熱泵適用性的邊界，將產生很多新的適合應用熱泵的領域，加快全面電氣化的進程，這對中國實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。
從何處獲取低溫熱源？
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，包括在冶金生產過程中的沖渣池、化工生產過程的冷卻水、水泥生產過程的排煙，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，這是一個巨大的寶藏。在工廠中的各種冷卻水，包括空壓機冷卻水、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行余熱回收。我們做過的很多項目，都是利用低溫冷卻水的余熱制取高達68攝氏度的熱水用于生產工藝，一年就可以收回投資，經濟效益非常可觀。
從何處獲取低溫熱源？
從污水處理之后輸出的中水可以獲取5～20攝氏度的熱源，從江河湖海可獲取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，包括在冶金生產過程中的沖渣池、化工生產過程的冷卻水、水泥生產過程的排煙，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，這是一個巨大的寶藏。在工廠中的各種冷卻水，包括空壓機冷卻水、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行余熱回收。我們做過的很多項目，都是利用低溫冷卻水的余熱制取高達68攝氏度的熱水用于生產工藝，一年就可以收回投資，經濟效益非?？捎^。
跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)
是充分回收利用余熱資源的關鍵
采用跨季節(jié)儲熱方式，把全年的熱量都儲存起來，不僅可以供應建筑采暖，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)儲熱，對多種技術方案都進行了深入的技術經濟分析和實驗，認為對大型熱水池加保溫蓋是目前技術經濟性能最佳的方式。歐洲已建有多個實際運行裝置，在我國也有建成項目，包括西藏仲巴縣、張家口礬山鎮(zhèn)等項目。其中，找到合適的低成本跨季節(jié)儲熱方式（<100元/立方米）是充分利用余熱的關鍵。
跨季節(jié)儲熱項目的收益主要來源于以下方面：一是采集全年各個季節(jié)的低品位余熱，解決熱源不足的問題；二是實現(xiàn)熱源與熱需求之間的解耦，不再需要調峰熱源，蓄熱水池與末端實行變流量調節(jié)，滿足各種負荷變化需要；三是熱量采集設備可以全年利用，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，只要有一大池熱水，熱源處出現(xiàn)問題基本不會影響供熱，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熱源？電力供應是否充足？這是大家普遍關心的問題。
冬季水電減少到40%，光電時間減少，風電并不增加，零碳電力相對不足。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，則供應缺口約為8億千瓦。依靠儲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、經濟性差。季節(jié)差是未來實現(xiàn)零碳電力必須要面對的問題。通過比較各種方式得到以下結論：解決電力季節(jié)差問題，還是要保留部分燃煤燃氣和生物質燃料的火電，再通過CCUS方式回收其排放的CO2，需要設置6.5億千瓦火電作為調峰和可調配電源，年運行2000小時，年發(fā)電量1.3萬億千瓦時。這些調峰火電運行時，會釋放大量的余熱。如何通過熱電聯(lián)產方式回收利用這些余熱，如何通過跨季節(jié)儲熱解決這些余熱與需求之間的時間差，都需要全面規(guī)劃和深入研究。
建設余熱采集和輸送網
為建筑和工業(yè)提供熱量
隨著低碳社會的發(fā)展，熱量會越來越珍貴。因為以前是通過燃料燃燒提供熱量，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)儲熱在經濟性和低碳發(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，實現(xiàn)零碳。由于有了儲能裝置，儲熱會比儲電更經濟。
建設大規(guī)模跨季節(jié)儲熱裝置，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。一是可采集儲存春夏秋季的各類余熱，用于冬季供暖，如春夏秋采集并儲存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、調峰等各種問題，實現(xiàn)零碳供熱；三是利用北方沿海核電，每年還可產生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；五是可調整供需平衡關系，全年都可以利用余熱為工業(yè)生產供熱。
推動燃煤、燃油、燃氣的化石能源結構轉變?yōu)橐运?、風電、光電、核電、生物質能等構成的零碳能源，徹底擺脫對化石能源的依賴，是實現(xiàn)能源安全和可持續(xù)發(fā)展、徹底改變我國能源結構、解決我國能源問題、實現(xiàn)碳中和目標的根本途徑。
我國北方已經具有發(fā)展區(qū)域熱網的條件，北方地級以上城市，絕大多數(shù)市內已建成區(qū)域熱網；多數(shù)省會城市陸續(xù)建設大規(guī)模跨區(qū)域熱網；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得到突破，熱水循環(huán)輸送經濟距離可達100千米；沿海利用余熱制備95攝氏度熱淡水，單管水熱同送，經濟輸送距離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150千米以內區(qū)域的建筑和工業(yè)生產用熱。
我國要實現(xiàn)能源結構調整以及化石能源向零碳能源轉變，首先要推動電力系統(tǒng)革命，建成以風電、光電、水電、核電為主的新型電力系統(tǒng)；其次需要創(chuàng)新生產工藝流程，推動工業(yè)生產過程革命，包括冶金、有色、化工、建材等行業(yè)和領域；工業(yè)生產過程中，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；炊事等其他燃氣應用需要逐步實現(xiàn)電氣化。電動熱泵和余熱采集、儲存和輸送系統(tǒng)可以為工業(yè)和建筑提供所需要的各類熱量。電動熱泵新的發(fā)展方向，是利用常溫余熱生產蒸汽，根據(jù)需求制備不同溫度的熱量。
（本文根據(jù)江億院士在“第一屆中國電氣化發(fā)展高端論壇”主旨演講整理，經本人審閱同意發(fā)表）
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2021年12期，作者系中國工程院院士，建筑環(huán)境工程專家
