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江億院士:空氣源熱泵是農村“煤改電”最現實、高效的方式!

更新時間:2018-01-03 14:23:31 點擊數:309

《熱泵市場》雜志 

[轉] 報告專家/江億

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。當室外空氣溫度在0℃左右時,這種方式可以實現的電-熱轉換效率COP可達到3。由于這種方式很少受條件限制,所以在長江流域地區一直是最合適的建筑供暖熱源

近年來我國在此方向的技術進步迅速,通過新的壓縮機技術、變頻技術和新的系統形式,已經把空氣源熱泵的適用范圍擴展到-20℃的低溫環境。在-20℃下,幾種空氣源熱泵的COP已經可以達到2制熱量也可達到標稱工況的70%以上。這就使得空氣源熱泵在絕大多數地區都可以作為高效的電-熱轉換方式,為建筑提供供暖熱量。中國的空氣源熱泵技術目前處于國際領先地位

清潔供暖的多種熱源方式,怎樣選擇和組合,才能實現清潔和經濟的供暖,并且實現熱電協同、緩解目前冬季的棄風棄光現象呢?這又取決于被供暖建筑的密集程度。可簡單地把北方地區分為高密集度的城鎮建筑和低密集度的鄉村建筑兩類。

高密集度城鎮建筑供暖技術方案的選擇

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

由于目前的熱電聯產電廠是“以熱定電”的運行模式,冬季就不再為電網做電力調峰,從而導致前文所述的大量棄風棄光現象。但目前已經提出有效的解決方案,對熱電聯產電廠做“熱電協同”改造,增加巨型蓄熱裝置、改變取熱工藝流程,就可以使其在保障供熱的同時,電力輸出也可以在40%到100%范圍內靈活調節。這就使熱電聯產電廠同時還可以是電網的靈活電源。因此,針對目前我國北方電網缺少靈活電源的現狀,應大規模開展燃煤電廠的熱電協同改造。

此外,熱電聯產電廠輸出的熱力與電力之比,往往都低于其所在區域需求側最大的熱力與電力之比,這就導致在嚴寒期用電低谷的時段,熱電聯產熱量不足而電力過剩,供給側和需求側的熱電比出現嚴重不匹配。正是由于這一原因,盡管熱電聯產是能源轉換效率最高的方式,在很多制造業比例較低的消費型城市還不能用熱電聯產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,以使供給側和需求側之間熱電比匹配。為此,需要在這些城市發展一定數量的熱泵供熱,從而增加需求側的用電量,并減少對熱電聯產熱源熱量的需求。

對于北京來說,合理的匹配應該是熱泵提供三分之一建筑的供暖,熱電聯產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最少、各種污染物排放最少的整個北京冬季建筑供暖的熱源方案。

低密集度農村建筑供暖技術方案的選擇

對于建筑密集度較低的北方廣大農村,集中供熱管網的投資高、運行效率低,因此應發展分散的供熱方式。

除了個別利用工業余熱和生物質能的供熱外,最現實的、高效的和可操作的方式就是分散的空氣源熱泵方式,這也是北京郊區經過多次反復后,最終作為清潔供暖方式而大量推廣的主導方式

目前在農村推廣的空氣源熱泵供暖,有每戶一套的空氣源熱泵熱水系統和每室一臺的空氣源熱泵熱風機兩種方式。前者用熱泵制取熱水,再通過熱水經過房間散熱器循環實現供暖。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到供暖溫度,這樣就要求系統長期連續運行;而熱泵熱風機因為是直接向房間送熱風,啟動后僅十余分鐘就可達到要求的供暖效果,所以適合于間歇供暖。

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

此外,熱泵熱風機還可以按照“需求側響應”方式運行,在電力部門的統一協調下,通過互聯網技術統一調度,在保證供暖需求的前提下,參與電力調峰。當電力負荷處于峰值期間,電力調度可以通過分片地停止一部分熱泵熱風機來消減用電負荷,由于建筑的熱慣性,連續停止熱風機3個小時,房間溫度最多下降2℃,不會對供暖有太大影響;而在電力負荷處于低谷期間,又可以分片地運行一部分熱泵熱風機來增加電力負載。連續運行3小時熱風機,最多也只能使房間溫度上升2℃,也不會對室內舒適性帶來太大的影響。

在農村大規模采用這種方式運行,可以使安裝在農村的巨量的空氣源熱泵成為巨量的電力峰谷差調節裝置。這種調節裝置可在實現農村清潔供暖、改善農村居民生活狀況的同時,為破解電力系統的難題、緩解棄風棄光現象找到一條新的途徑。由于參與電力削峰填谷,農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濟壓力,找到一條新的出路。

版權:本文節選自江億院士的演講報告《清潔供暖:解決我國社會主要矛盾的一個實踐》,僅節選了有關空氣源熱泵的部分。其他多種清潔能源的論述,請參見原文。文章頭圖由廣東紐恩泰提供,特此致謝。


專家介紹:江億,清華大學教授,中國工程院院士。目前主要從事建筑節能領域的研究工作,是國務院能源咨詢專家委員會成員,國家氣候變化專家委員會成員,建設部科技委委員;并擔任中國制冷學會副理事長,全國暖通空調委員會副理事長。


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