江億院士：超低溫空氣源熱泵是農(nóng)村“煤改電”高效方式!

  超低溫空氣源熱泵是從室外空氣中獲取熱量，再通過熱泵提取其熱量品位，以滿足建筑供暖需求。當(dāng)室外空氣溫度在0℃左右時，這種方式可以實現(xiàn)的電-熱轉(zhuǎn)換效率COP可達(dá)到3。由于這種方式很少受條件限制，所以在長江流域地區(qū)一直是比較合適的建筑供暖熱源。

  近年來我國在此方向的技術(shù)進(jìn)步迅速，通過新的壓縮機技術(shù)、變頻技術(shù)和新的系統(tǒng)形式，已經(jīng)把超低溫空氣源熱泵的適用范圍擴展到-25℃的低溫環(huán)境。在-25℃下，幾種超低溫空氣源熱泵的COP已經(jīng)可以達(dá)到2，制熱量也可達(dá)到標(biāo)稱工況的70%以上。這就使得超低溫空氣源熱泵在絕大多數(shù)地區(qū)都可以作為高效的電-熱轉(zhuǎn)換方式，為建筑提供供暖熱量。中國的超低溫空氣源熱泵技術(shù)目前處于國際領(lǐng)先地位。

  清潔供暖的多種熱源方式，怎樣選擇和組合，才能實現(xiàn)清潔和經(jīng)濟的供暖，并且實現(xiàn)熱電協(xié)同、緩解目前冬季的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象呢?這又取決于被供暖建筑的密集程度�？珊唵蔚匕驯狈降貐^(qū)分為高密集度的城鎮(zhèn)建筑和低密集度的鄉(xiāng)村建筑兩類。

  高密集度城鎮(zhèn)建筑供暖技術(shù)方案的選擇

  我國北方地區(qū)中等以上城市都已建成較完善的集中供熱管網(wǎng)，其80%以上的建筑都可以與城市集中供熱管網(wǎng)連接。這就使得這些地區(qū)可以充分利用目前的熱電廠資源，通過熱電聯(lián)產(chǎn)改造，為建筑提供熱量。

  由于目前的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠是“以熱定電”的運行模式，冬季就不再為電網(wǎng)做電力調(diào)峰，從而導(dǎo)致前文所述的大量棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。但目前已經(jīng)提出有效的解決方案，對熱電聯(lián)產(chǎn)電廠做“熱電協(xié)同”改造，增加巨型蓄熱裝置、改變?nèi)�熱工藝流程，就可以使其在保障供熱的同時，電力輸出也可以在40%到100%范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。這就使熱電聯(lián)產(chǎn)電廠同時還可以是電網(wǎng)的靈活電源。因此，針對目前我國北方電網(wǎng)缺少靈活電源的現(xiàn)狀，應(yīng)大規(guī)模開展燃煤電廠的熱電協(xié)同改造。

  此外，熱電聯(lián)產(chǎn)電廠輸出的熱力與電力之比，往往都低于其所在區(qū)域需求側(cè)最大的熱力與電力之比，這就導(dǎo)致在嚴(yán)寒期用電低谷的時段，熱電聯(lián)產(chǎn)熱量不足而電力過剩，供給側(cè)和需求側(cè)的熱電比出現(xiàn)嚴(yán)重不匹配。正是由于這一原因，盡管熱電聯(lián)產(chǎn)是能源轉(zhuǎn)換效率最高的方式，在很多制造業(yè)比例較低的消費型城市還不能用熱電聯(lián)產(chǎn)方式為城市提供全部供暖熱量，必須輔助以其它的熱源形式，以使供給側(cè)和需求側(cè)之間熱電比匹配。為此，需要在這些城市發(fā)展一定數(shù)量的熱泵供熱，從而增加需求側(cè)的用電量，并減少對熱電聯(lián)產(chǎn)熱源熱量的需求。

  對于北京來說，合理的匹配應(yīng)該是熱泵提供三分之一建筑的供暖，熱電聯(lián)產(chǎn)提供其余三分之二建筑的熱源。這才是整體上一次能源消耗量少、各種污染物排放少的整個北京冬季建筑供暖的熱源方案。

  低密集度農(nóng)村建筑供暖技術(shù)方案的選擇

  對于建筑密集度較低的北方廣大農(nóng)村，集中供熱管網(wǎng)的投資高、運行效率低，因此應(yīng)發(fā)展分散的供熱方式。

  除了個別利用工業(yè)余熱和生物質(zhì)能的供熱外，現(xiàn)實、高效和可操作的方式就是分散的空氣源熱泵方式，這也是北京郊區(qū)經(jīng)過多次反復(fù)后，最終作為清潔供暖方式而大量推廣的主導(dǎo)方式。

  目前北京農(nóng)村推廣的超低溫空氣源熱泵供暖，有每戶一套的超低溫空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和每室一臺的超低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機兩種方式。前者用熱泵制取熱水，再通過熱水經(jīng)過房間散熱器循環(huán)實現(xiàn)供暖。由于房屋巨大的熱慣性，這種方式從全停開始啟動時需要十余個小時的加熱過程才能達(dá)到供暖溫度，這樣就要求系統(tǒng)長期連續(xù)運行;而熱泵熱風(fēng)機因為是直接向房間送熱風(fēng)，啟動后僅十余分鐘就可達(dá)到要求的供暖效果，所以適合于間歇供暖。

  當(dāng)前我國多數(shù)農(nóng)村居民的居住特點，是老人和兒童常年在家居住，全家人在周末和假期團(tuán)聚。每戶多個房間平時只用一兩間，團(tuán)聚時才全部使用。因此可否高效地實現(xiàn)間歇供暖，成為選擇農(nóng)村清潔供暖方式的關(guān)鍵。北京郊區(qū)近年來的實踐表明，采用一室一臺的超低溫空氣源熱泵熱風(fēng)方式，每個冬季每平方米農(nóng)舍耗電量為20到40kWh/㎡，而采用一戶一套的超低溫空氣源熱泵熱水方式，每個冬季每平方米農(nóng)舍耗電量為40到60kWh/㎡。熱泵熱風(fēng)機的初投資每戶在1萬元左右，熱泵熱水機的初投資每戶在2萬元左右。

  此外，熱泵熱風(fēng)機還可以按照“需求側(cè)響應(yīng)”方式運行，在電力部門的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)統(tǒng)一調(diào)度，在保證供暖需求的前提下，參與電力調(diào)峰。當(dāng)電力負(fù)荷處于峰值期間，電力調(diào)度可以通過分片地停止一部分熱泵熱風(fēng)機來消減用電負(fù)荷，由于建筑的熱慣性，連續(xù)停止熱風(fēng)機3個小時，房間溫度平均下降2℃，不會對供暖有太大影響;而在電力負(fù)荷處于低谷期間，又可以分片地運行一部分熱泵熱風(fēng)機來增加電力負(fù)載。連續(xù)運行3小時熱風(fēng)機，一般也只能使房間溫度上升2℃，也不會對室內(nèi)舒適性帶來太大的影響。

  在農(nóng)村大規(guī)模采用這種方式運行，可以使安裝在農(nóng)村的巨量的超低溫空氣源熱泵成為巨量的電力峰谷差調(diào)節(jié)裝置。這種調(diào)節(jié)裝置可在實現(xiàn)農(nóng)村清潔供暖、改善農(nóng)村居民生活狀況的同時，為破解電力系統(tǒng)的難題、緩解棄風(fēng)棄光現(xiàn)象找到一條新的途徑。由于參與電力削峰填谷，農(nóng)民也可以獲得低價電費的回報，這就又為減輕清潔供暖改造的經(jīng)濟壓力，找到一條新的出路。