2023 上海舒适系统展

上海国际生态舒适系统展览会

COMFORTECO CHINA 2023

2023年6月5-7日

上海 | 国家会展中心(虹桥)

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热泵技术是中低温供热领域实现碳中和的必然选择

“双碳”战略下,能源领域将产生革命性变化,最显著的是能源转换链条由目前的“燃料产热、热发电”变革为“绿电生产、电制热”,终端用能电气化态势明显。热泵因其电热转换的高效性,是电制热的最有效方式,为替代化石能源燃烧供热提供了一种可靠的备选方案,将在碳达峰、碳中和过程中发挥重要作用。为此,国家重大战略、文件中均明确鼓励因地制宜推进热泵等清洁低碳供热技术。

热泵的应用情景

现阶段,我国建筑业、工业和农业消耗大量中低温热能,且大部分由化石燃料制备,可再生能源利用比例低。2020年,我国建筑运行中化石能源消耗相关的碳排放约22亿吨,其中与供暖和热水相关的碳排放接近一半;工业能耗约1400兆吨,其中50%~70%为化石燃料生产的热能形式消耗,小于160℃的热量消耗高达42GJ。建筑部门作为热泵应用市场主导行业的供暖/供热水占比仍不超过10%,在工业、农业中使用的情况更低。

热泵是一种利用高位能(多为电能)驱动,将低位热源(通常是空气、水、土壤/岩土体及低温废热等)的热能转移到高位热源的节能装置,从而为用户提供中低温热量,如供暖、供冷及热水服务等。

热泵技术的优势在于整合可再生或废弃的环境热源,有效和可控地供热,从而替代对化石能源的需求。在建筑行业,热泵技术可应用于我国不同气候区的新建建筑和既有建筑改造的供暖制冷和热水供应,这也是目前热泵技术应用最多的场景,尤其是2016年清洁取暖提出之后,发展很快。

目前,热泵技术应用在建筑领域不论是技术还是经济上均具有显著的竞争力。对于工业生产,目前中低温热泵技术已有商业化产品,温度高达150℃的热泵我国已有解决方案,不久将能产生高达180℃的热量,制备高温热水、热空气、饱和蒸汽和低(微)压蒸汽等,应用于食品制造业,纺织业,木材加工业,造纸和纸制品业,化学原料和化学制品业,汽车制造业等典型工业中。大容量的高温工业热泵将是解决工业能源脱碳的有效方案之一。

热泵的减碳效益

热泵应用的节能减排效果也逐渐显现。截至2021年,我国空气源热泵(含供暖、热水和干燥)内销约1500万台,地源热泵应用面积约5.7亿m2。已安装的热泵系统累计供热量达53亿GJ,实现近2.73亿吨的碳减排量,其中2021年度我国热泵碳减排量达0.81亿吨。在热泵应用规模显著增长情景下,由热泵应用、电力生产方式改革、需求侧改造的共同作用下,2060年建筑供暖与热水供应、工业中低温用热、农业环境调控领域将能实现65%的碳减排,其中热泵减排量达14.5亿吨,相当于现阶段我国碳排放总量的14%。若2060年电力实现零碳,热泵在中低温供热领域实现全覆盖,则中低温供热领域有望实现零碳。此外,按目前的价格体系,北方农村地区煤改空气源热泵的减碳成本仅为145元/吨CO2,具有极佳的减碳经济效益。

当然,热泵大规模推广也会增加电网负荷,尤其是冬季供暖季节性用电需求的增加,与冬季水电、光电的季节性削弱正好矛盾。随着终端部门电气化水平的提升,据预测2060年全社会总电力需求将达18.7万亿kWh,热泵消耗的电力约占10.5%。虽然相对电直热供热节电明显,但热泵高增速发展将增加电网负荷,应积极利用合适场景的热泵应用对电网进行日调峰,实行需求侧响应的柔性用电。如空气源热泵供暖可利用建筑物本身热惯性,作为虚拟电力调峰站;热泵蓄热式热水供应方式利用低谷电制热等。一方面可减小对电力峰值负荷的影响,另一方面可平衡风电、光电发电能力与电力负荷需求间的不匹配问题,一定程度缓解了弃风、弃光问题。

热泵发展的关键技术

热泵技术的推广应用能有效降低用户的碳排放,但热泵设备生产、安装、维护、拆除等也会产生二氧化碳或非二氧化碳温室气体的排放,应注重热泵技术自身低碳化研发和应用。加强热泵技术的研发与革新,推广应用适宜的热泵系统。健全适应未来大规模发展的热泵相关制造、应用、运行维护和测评相关标准体系。研发新型压缩技术,促进压缩机技术与其他学科前沿成果的融合,开发无油压缩机,优化压缩机与热泵整机匹配;热泵多场景应用设备研发,如高温热泵、超低环境温度热泵、交通热泵等,研发更高效、更可靠、大温差及具有更长寿命的热泵系统;加快低GWP制冷剂及相关技术研发,积极推广包括自然工质在内的环境友好型制冷剂;热泵与蓄热技术结合,开发主、被动式蓄热技术及跨季节蓄热技术;根据应用场景自身属性,匹配热泵系统源网荷储各环节,应用适宜的热泵系统,实现系统整体能效提升;热泵系统与大数据、人工智能、数字孪生等相结合,实现热泵供热系统的智能化。

发展实践表明,热泵技术作为绿色低碳的热能供应方案,是中低温供热领域替代化石能源、实现碳中和的必然路径。中低温供热领域实现碳中和的关键在于热泵技术的普及应用。

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