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王如竹教授團(tuán)隊(duì)提出基于熱泵技術(shù)構(gòu)建多尺度、可持續(xù)的熱能利用框架

發(fā)布時(shí)間：2024-02-06 閱讀：1348

近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授團(tuán)隊(duì)在能源環(huán)境類期刊Energy & Environmental Science上發(fā)表題為“Heat pumps as a sustainable bridge for global heating and cooling at multi-scale”的論文，探討了熱泵技術(shù)在全球供熱和制冷中的可持續(xù)應(yīng)用潛力，并提出跨學(xué)科研究方法和運(yùn)營(yíng)模式調(diào)整方案，促進(jìn)熱能利用重構(gòu)。論文第一作者是制冷與低溫工程研究所博士生閆鴻志，通訊作者是王如竹教授。

全球冷熱負(fù)荷潛力與典型場(chǎng)景冷熱負(fù)荷時(shí)間分布特征

隨著可再生能源的加速部署和終端用能的電氣化，全球熱泵市場(chǎng)正迅速擴(kuò)大。值得注意的是，熱泵在供熱的同時(shí)還產(chǎn)生制冷效果，因此有效利用熱泵的制冷負(fù)荷變得同樣重要。冷熱負(fù)荷在時(shí)間和空間上分布不均勻，要求對(duì)熱泵的應(yīng)用進(jìn)行精密規(guī)劃和部署。為最大程度地發(fā)揮熱泵在供熱和制冷方面的雙重功能，需要從單個(gè)設(shè)備到整個(gè)行業(yè)，乃至跨區(qū)域熱網(wǎng)的層面上，全面優(yōu)化熱泵的應(yīng)用策略。

熱泵技術(shù)的多尺度利用策略

基于上述考量，研究提出采用多尺度熱泵利用策略。在設(shè)備層面，熱泵可根據(jù)季節(jié)變化集成不同的功能，還可結(jié)合儲(chǔ)熱技術(shù)進(jìn)一步提升耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能效，并通過(guò)將熱泵與特定材料結(jié)合，實(shí)現(xiàn)制冰、除濕、取水和CO2捕獲等多功能應(yīng)用。在多部門(mén)協(xié)同層面，熱泵可通過(guò)重新分配熱量與冷量，提高能源效率。在工業(yè)中，熱泵可用于多溫度加熱和冷卻處理的工藝情景。此外熱泵還可進(jìn)一步整合到跨區(qū)域熱能利用場(chǎng)景中，并結(jié)合移動(dòng)式儲(chǔ)熱技術(shù)拓展其應(yīng)用區(qū)域。

熱泵跨學(xué)科研究

為確保上述戰(zhàn)略部署的實(shí)施，跨學(xué)科研究在熱泵技術(shù)整合及宏觀脫碳框架中，特別是在多尺度應(yīng)用和大規(guī)模部署方面發(fā)揮著重要作用。目前，這一領(lǐng)域面臨著數(shù)據(jù)收集和模型驗(yàn)證的挑戰(zhàn)，也存在對(duì)實(shí)際應(yīng)用復(fù)雜性考慮不足的問(wèn)題。文章強(qiáng)調(diào)，高分辨率的地理空間分析至關(guān)重要，需精確識(shí)別熱能需求的時(shí)間、地點(diǎn)和規(guī)模。后續(xù)研究應(yīng)充分考慮社會(huì)、環(huán)境以及能源和碳交易價(jià)格等因素的變化，進(jìn)一步將熱泵潛力的最大化嵌入到脫碳路徑框架中。

文章最后討論了涉及熱泵應(yīng)用的各個(gè)利益相關(guān)方，以及運(yùn)營(yíng)模式的過(guò)渡和協(xié)調(diào)問(wèn)題，指出了自下而上模式的局限性，建議由政府部門(mén)推動(dòng)自上而下介入來(lái)實(shí)現(xiàn)熱泵規(guī)模化應(yīng)用。在商業(yè)模式方面，大型公司的熱力購(gòu)買協(xié)議將有助于規(guī)模化利用。

該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、重大項(xiàng)目的資助。

王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA多學(xué)科交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（Innovative Team for Energy, Water & Air）致力于解決能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過(guò)學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。近年來(lái)在Science、Joule、Energy & Environmental Science等國(guó)際期刊上發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3EE04246D

供稿：制冷與低溫工程研究所

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