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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(guò)熱泵提取其熱量品位,以滿(mǎn)足建筑供暖需求。當(dāng)室外空氣溫度在0℃左右時(shí),這種方式可以實(shí)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(zhǎng)江流域地區(qū)一直是比較合適的建筑供暖熱源。
近年來(lái)我國(guó)在此方向的技術(shù)進(jìn)步迅速,通過(guò)新的壓縮機(jī)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(kuò)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(chēng)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(guó)的超低溫空氣源熱泵技術(shù)目前處于國(guó)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(shí)現(xiàn)清潔和經(jīng)濟(jì)的供暖,并且實(shí)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(jiǎn)單地把北方地區(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(lèi)。
高密集度城鎮(zhèn)建筑供暖技術(shù)方案的選擇
我國(guó)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(chǎng)資源,通過(guò)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(chǎng)是“以熱定電”的運(yùn)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(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)電廠(chǎng)做“熱電協(xié)同”改造,增加巨型蓄熱裝置、改變?nèi)峁に嚵鞒,就可以使其在保障供熱的同時(shí),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(chǎng)同時(shí)還可以是電網(wǎng)的靈活電源。因此,針對(duì)目前我國(guó)北方電網(wǎng)缺少靈活電源的現(xiàn)狀,應(yīng)大規(guī)模開(kāi)展燃煤電廠(chǎng)的熱電協(xié)同改造。
此外,熱電聯(lián)產(chǎn)電廠(chǎng)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(shí)段,熱電聯(lián)產(chǎn)熱量不足而電力過(guò)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(fèi)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(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)熱源熱量的需求。
對(duì)于北京來(lái)說(shuō),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(gè)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(duì)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(yùn)行效率低,因此應(yīng)發(fā)展分散的供熱方式。
除了個(gè)別利用工業(yè)余熱和生物質(zhì)能的供熱外,現(xiàn)實(shí)、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(guò)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(hù)一套的超低溫空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和每室一臺(tái)的超低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)兩種方式。前者用熱泵制取熱水,再通過(guò)熱水經(jīng)過(guò)房間散熱器循環(huán)實(shí)現(xiàn)供暖。由于房屋巨大的熱慣性,這種方式從全停開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)需要十余個(gè)小時(shí)的加熱過(guò)程才能達(dá)到供暖溫度,這樣就要求系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行;而熱泵熱風(fēng)機(jī)因?yàn)槭侵苯酉蚍块g送熱風(fēng),啟動(dòng)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(guó)多數(shù)農(nóng)村居民的居住特點(diǎn),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(hù)多個(gè)房間平時(shí)只用一兩間,團(tuán)聚時(shí)才全部使用。因此可否高效地實(shí)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(lái)的實(shí)踐表明,采用一室一臺(tái)的超低溫空氣源熱泵熱風(fēng)方式,每個(gè)冬季每平方米農(nóng)舍耗電量為20到40kWh/㎡,而采用一戶(hù)一套的超低溫空氣源熱泵熱水方式,每個(gè)冬季每平方米農(nóng)舍耗電量為40到60kWh/㎡。熱泵熱風(fēng)機(jī)的初投資每戶(hù)在1萬(wàn)元左右,熱泵熱水機(jī)的初投資每戶(hù)在2萬(wàn)元左右。
此外,熱泵熱風(fēng)機(jī)還可以按照“需求側(cè)響應(yīng)”方式運(yùn)行,在電力部門(mén)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下,通過(guò)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(guò)分片地停止一部分熱泵熱風(fēng)機(jī)來(lái)消減用電負(fù)荷,由于建筑的熱慣性,連續(xù)停止熱風(fēng)機(jī)3個(gè)小時(shí),房間溫度平均下降2℃,不會(huì)對(duì)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(yùn)行一部分熱泵熱風(fēng)機(jī)來(lái)增加電力負(fù)載。連續(xù)運(yùn)行3小時(shí)熱風(fēng)機(jī),一般也只能使房間溫度上升2℃,也不會(huì)對(duì)室內(nèi)舒適性帶來(lái)太大的影響。
在農(nóng)村大規(guī)模采用這種方式運(yùn)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(shí)現(xiàn)農(nóng)村清潔供暖、改善農(nóng)村居民生活狀況的同時(shí),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(jià)電費(fèi)的回報(bào),這就又為減輕清潔供暖改造的經(jīng)濟(jì)壓力,找到一條新的出路。