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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(xiàn)的電-熱轉(zhuǎn)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(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進步迅速，通過新的壓縮機技術、變頻技術和新的系統(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)可以達到2，制熱量也可達到標稱工況的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(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棄光現(xiàn)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(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，從而導致前文所述的大量棄風棄光現(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)峁に嚵鞒蹋涂梢允蛊湓诒Ｕ瞎岬耐瑫r，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，這就導致在嚴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)過多次反復后，最終作為清潔供暖方式而大量推廣的主導方式。
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(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(xiàn)間歇供暖，成為選擇農(nóng)村清潔供暖方式的關鍵。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(cè)響應”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。當電力負荷處于峰值期間，電力調(diào)度可以通過分片地停止一部分熱泵熱風機來消減用電負荷，由于建筑的熱慣性，連續(xù)停止熱風機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(xù)運行3小時熱風機，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。
