近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授領(lǐng)銜的能源-空氣-水ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在工程綜合領(lǐng)域期刊、中國工程院院刊主刊Engineering的Views & Comments專欄上，發(fā)表了題目為“The Underestimated Role of the Heat Pump in Achieving China’s Goalof Carbon Neutrality by 2060”的評述性論文。論文梳理了中低溫供熱當(dāng)前和未來在民用部門和工業(yè)部門的潛在應(yīng)用領(lǐng)域，從技術(shù)到系統(tǒng)應(yīng)用層面，總結(jié)了熱泵技術(shù)裝備在民用、工業(yè)等部門的最新進(jìn)展，提出熱泵進(jìn)一步的優(yōu)化發(fā)展方向；并結(jié)合未來電力減排趨勢，分析熱泵的碳減排潛力。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。
中國2060碳中和熱泵發(fā)展的技術(shù)路線圖
我國能源結(jié)構(gòu)是以煤炭等化石能源為主，實(shí)現(xiàn)2060年碳中和面臨著許多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。然而目前許多低碳路徑研究更多關(guān)注在電網(wǎng)碳減排與零碳燃料等能源供應(yīng)側(cè)，而非建筑和工業(yè)中的用熱和制冷等需求側(cè)。考慮到終端冷熱用能占全社會(huì)能源消費(fèi)總量的50%，供熱低碳化是碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要部分，應(yīng)為之配備切實(shí)有效的清潔化供熱替代方案與策略。
論文對熱泵在中低溫供熱的潛在應(yīng)用領(lǐng)域與技術(shù)進(jìn)展、熱泵技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)展望，探究熱泵的碳減排潛力與推廣路徑。文章分析中國的熱能需求在終端能源消耗占比應(yīng)超過41%，其中低于150℃的中低溫?zé)崮苄枨笳急葢?yīng)超過23%，預(yù)期我國未來建筑領(lǐng)域能源消耗將進(jìn)一步增加，同時(shí)隨著我國工業(yè)部門的產(chǎn)業(yè)升級(jí)和結(jié)構(gòu)調(diào)整，中低溫?zé)崮苄枨蟮谋戎貙⑦M(jìn)一步提高。研究表明，應(yīng)更加關(guān)注中低溫需求，尤其是在被廣泛認(rèn)為難以碳減排的工業(yè)部門。
（a） 2020年中國終端能源需求；（b） 建筑和工業(yè)的用熱溫度范圍；（c） 與熱相關(guān)的最終使用能源需求；（d） 中國終端能源需求預(yù)測
(a) 熱泵的工作原理 (b)熱泵的性能總結(jié)；(c) 熱泵發(fā)展方向
在熱泵技術(shù)進(jìn)展方面，目前已有的工業(yè)熱泵可以提供高達(dá)168°C，制熱量可達(dá)到18 MW 。熱泵可以滿足幾乎所有的建筑用熱需求，以及 40%的工業(yè)過程用熱需求。文章總結(jié)了現(xiàn)有案例，指出熱泵在建筑、工業(yè)部門的應(yīng)用優(yōu)勢。為了更好地推廣熱泵應(yīng)用，熱泵需要在低GWP工作介質(zhì)，高效核心組件（如壓縮機(jī)和換熱器）、熱力系統(tǒng)循環(huán)優(yōu)化等方面進(jìn)一步發(fā)展。總之，考慮到巨大的供熱市場和多樣化的供熱需求，我國需要廣泛借鑒國際經(jīng)驗(yàn)，在不同的場景下使用合適的熱泵系統(tǒng)，切實(shí)可行地促進(jìn)低碳供熱發(fā)展。
從今天到 2060 年基于熱泵碳排放強(qiáng)度預(yù)測等效CO2減排潛力
盡管熱泵具備明顯的碳減排優(yōu)勢和長期碳減排潛力，目前熱泵的市場份額仍然很低，其原因既有技術(shù)經(jīng)濟(jì)層面，也有社會(huì)政策因素。關(guān)于技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，熱泵的初始投資通常是其它供熱設(shè)施的數(shù)倍，高昂的初始投資導(dǎo)致投資回報(bào)期長。在社會(huì)政策問題上，目前電力系統(tǒng)碳減排所受到的關(guān)注，遠(yuǎn)超過供熱設(shè)施的電氣化，而熱泵的最新進(jìn)展尚未完全納入大部分關(guān)于碳減排途徑的研究中。應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識(shí)到，供熱設(shè)施的運(yùn)行壽命通常設(shè)計(jì)為15年甚至20年，因此需要把握好在2060 年碳中和節(jié)點(diǎn)前僅有的幾次供熱設(shè)備更換窗口期，進(jìn)一步推進(jìn)熱泵的使用。
鑒于熱泵有可能帶來的巨大碳減排潛力，迫切需要一個(gè)明確的以熱泵為導(dǎo)向的發(fā)展路線圖。我國幅員遼闊，自然條件復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平各異，需要因地而異地制定熱泵推廣策略。原則上余熱可用的情況下盡量采用余熱熱泵。缺乏余熱資源時(shí)可采用自然熱源（水源、地源、空氣源）熱泵，例如空氣源熱泵蒸汽鍋爐可以實(shí)現(xiàn)100度以上的熱能品位提升，實(shí)現(xiàn)1.5-2.0的COP供熱系數(shù)。就地域推廣策略而言，中國南方和東南地區(qū)氣候溫和，天然氣價(jià)格相對較高，同時(shí)占據(jù)超 70% 以上的工業(yè)產(chǎn)值，空氣源熱泵鍋爐類熱泵可以在這些地區(qū)率先推廣。這種試點(diǎn)示范項(xiàng)目可以進(jìn)一步啟動(dòng)熱泵規(guī)模生產(chǎn)流程，從而降低熱泵投資成本。
熱泵巨大碳減排潛力的促成，需要技術(shù)水平的進(jìn)一步提高，也需要持續(xù)合理的政策激勵(lì)。考慮到客戶對產(chǎn)品可靠性和經(jīng)濟(jì)優(yōu)先的核心需求、企業(yè)對盈利的需求，以及政策制定者對碳中和目標(biāo)和社會(huì)綜合效益的追求，熱泵的推廣需要政府、制造商、研究者和用戶等群體的協(xié)同努力。研究團(tuán)隊(duì)希望讓熱泵從被嚴(yán)重低估的角色得以受到關(guān)注，尤其是熱泵可以解決大部分建筑供熱需求以及超過40%的工業(yè)熱能需求。在未來可再生電力高占比場景，熱泵可以實(shí)現(xiàn)近20億噸CO2排放量的減排，達(dá)到2019年中國碳排放總量的近20%。熱泵可以為我國達(dá)成 2060 年碳中和目標(biāo)發(fā)揮重要作用。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團(tuán)隊(duì)，致力于解決能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(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，近年來在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Angewandte Chemie-International Edition、Nature Communication等期刊上發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809922007111
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