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碳中和目標驅動下的供熱系統重構

碳中和目標驅動下的供熱系統重構
——空氣源熱泵供熱發展的機遇與挑戰

應對氣候變化是當前全球的焦點。中國承諾2030年前實現碳達峰,爭取2060年前實現碳中和。為了實現中央提出的碳達峰、碳中和目標,化石能源的消費必將會大幅度的消減。

面對化石能源的大幅度消減,北京市供熱系統必然發生顛覆性的變化,對供熱系統需要重新構建。而現在仍然以煤炭為主要供熱能源的地區,供熱系統的重構更是不可避免。未來各種終端能源消費將主要依靠電力,在逐漸提高綠色電力(供給側)的同時,還必須優化電力消費(需求側)的形式。

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電力供熱主要有兩種方式:電力直接供熱和以電力驅動的熱泵供熱。未來的供熱系統,將以大型“蓄能+”為中心熱源,以各類“熱泵+”和“太陽能+”為分布式和分戶式熱源。

(一)以“蓄能+”替代部分市政集中熱源

電力直接供熱,包括普通電鍋爐和蓄能電鍋爐。普通電鍋爐顯然不可取,未來供熱的主要能源利用形式應該是“蓄能+”,通過儲能將多余的、廢棄的能源充分地利用起來。

“+”后面的內容應該因地制宜,可以是電鍋爐,主要利用多余的、用不了的電,如風電、光電、低谷電等,也可以是光熱和各種工業余熱以及各種熱泵,如電力、鋼鐵、有色、食品、紡織等各種工業余熱以及各種生活余熱、數據中心余熱等。大型的“蓄能+電鍋爐”和大型的“蓄能+工業余熱”可以部分替代現有的熱電聯產、區域燃煤(氣)鍋爐房等大型市政集中供熱熱源,成為城市基礎設施的一部分。這種供熱方式不僅有利于電網的穩定與平衡,解決余熱不穩定問題,還可以充分利用多余的、廢棄的能源和現有的市政集中供熱管網。

(二)以“熱泵+”供熱替代分布式熱源

毋庸置疑,城市供熱還需要大量的分布式熱源和分戶式熱源。

熱泵可以利用自然界一些免費的低品位能源,以少量的電力作為驅動,可以大大提高電力利用效率。由于熱泵的出水溫度與熱泵能效的反關聯不能太高,無法作為市政集中熱源,但它是分布式和分戶式熱源的理想選擇。

傳統的熱泵供熱技術,如地源熱泵、再生(污)水源熱泵以及余熱熱泵,能源利用效率高,運行工況穩定,但都要受到資源條件限制,無法大規模替代燃煤鍋爐和燃氣鍋爐。而空氣源熱泵,由于空氣是無處不在的,其應用基本上不受自然條件限制,具備大規模替代燃煤鍋爐和燃氣鍋爐的潛質。

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未來供熱系統將形成以大型“蓄能+”和空氣源熱泵為主,各類其他熱泵和太陽能、地熱能為輔的多能互補新局面。大型“蓄能+”作為中心熱源,空氣源熱泵作為分布式熱源,將成為供熱系統的基礎熱源和主導熱源。

一、空氣源熱泵供熱發展的機遇

在沒有任何更好的能源可供利用只能用電的情況下,空氣源熱泵是最節能、最穩定的供熱方式。而未來大多數建筑都會面臨這種情況,所以空氣源熱泵將會成為解決供熱普遍性問題的首選方案。

2011年,北科建華譽能源開始研發用于替代燃煤鍋爐的大功率空氣源熱泵,經過了十余年的實踐與發展,華譽能源空氣源熱泵已經完全具備替代鍋爐的能力。2015年,石家莊綠朗時光采用華譽能源大功率空氣源熱泵進行住宅小區集中供熱,這是國內首次全部以空氣源熱泵作為大型小區集中供熱熱源。供熱效果良好,且運行費用也不高,每個采暖季每平方米供熱耗電25kWh左右。2017年,華譽能源將空氣源熱泵供熱發展到了吉林省吉林市,在零下35℃的極寒天氣下,仍然可以保證供熱效果。2020年,又將空氣源熱泵應用到黑龍江省鶴崗市,在2020年寒潮期間最低氣溫零下38℃時,華譽能源空氣源熱泵仍然可以正常運轉。截止2020年底,華譽能源陸續推廣空氣源熱泵供熱應用達1000多萬平方米。

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大量供熱實際應用已經證明,空氣源熱泵供熱在技術方面具備可行性。在系統投資和運行費用方面,也基本可以達到社會資本投資平衡點,在經濟上也具備可行性。通過優化政府資源配置,利用市場推動空氣源熱泵的發展和引用,前景是廣闊的。

二、空氣源熱泵供熱發展面臨的挑戰

采用空氣源熱泵大規模替代燃煤(氣)鍋爐,任重而道遠??諝庠礋岜霉嵯到y的出水溫度不高、占地較大、噪音偏高、冷島效應、容易結霜等痛點問題,一定程度上限制了空氣源熱泵的大規模推廣應用。

空氣源熱泵出水溫度不高,一般在40-60℃。出水溫度過高,設備效率比較低,沒有經濟價值。出水溫度不高,成為空氣源熱泵作為中心熱源的限制,但并不影響空氣源熱泵作為未來供熱系統的分布式熱源。

經過多年摸索,華譽能源基本解決空氣源熱泵供熱應用中的噪音偏高、冷島效應、容易結霜等問題。目前限制空氣源熱泵大規模替代鍋爐最突出的問題是占地問題??諝庠礋岜玫某崞瑩Q熱器必須放置在室外,與空氣充分接觸以增強換熱能力,設備外置占地是客觀需要的。華譽能源正全力解決空氣源熱泵的占地問題,力爭用一兩年的時間徹底解決,屆時,用空氣源熱泵替代任何鍋爐都不是問題。

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三、需求是熱泵技術發展的根本動力

熱泵技術的發展必須面向需求,這也是華譽能源一直堅持的理念。

華譽能源始終堅持從供熱需求的特點和替代鍋爐的痛點問題出發,對熱泵產品、熱泵技術進行持續的創新和提升,給用戶提供的熱泵產品與系統解決方案,基本解決了空氣源熱泵供熱系統的痛點問題。

華譽能源始終堅持全運行周期總體成本最優化的設計理念,按照全運行周期特點,從產品及系統的初始投資、運行成本和使用壽命等方面綜合考量,不斷對產品性能、價格以及系統設計進行優化與提升。

華譽能源始終堅持全面建設數字化服務平臺,為用戶提供高質量服務。

我們堅信,經過我們的努力,空氣源熱泵一定可以在碳中和驅動的供熱系統重構的重大機遇中扮演更為重要的角色,承擔更多的歷史責任,做出更大的減碳貢獻。