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周宏春:清洁供热产业系列讨论之十一:热泵在清洁供热中的地位和作用讨论

发布者:CHIC | 日期:2020-08-10 | 来源:宏春观察 | 阅读:1330

讨论“空气源热泵”这么一个技术性很强的话题,可能让读者惊诧了;但对清洁供热产业发展而言又是十分必要。豪华汽车上的发动机是“心脏”;热泵犹如汽车上的发动机,是一个供热小区或楼群的“心脏”。因此,又不得不对此加以讨论。

一、热泵的内涵及其发展变化

热泵是什么?是把气体自低气压区送到高压区的机械“气泵”(气体压缩机),这种输送热能的机械被称为“热泵”。

一般地,热量可以从高温的地方自发地传递到低温的地方,但不能自发地沿相反的方向传递。热泵的工作原理就是以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体的机械装置;作用在于消耗少量的逆循环净功,可以得到较大的供热量,因而有效地把难以应用的低品位热能利用起来达到高效利用的目的。

简言之,热泵是一种热量提升装置,工作时消耗很少一部分电能,从环境介质(水、空气、土壤等)中提取4-7倍于电能的热,这也是热泵能源利用效率高(节能)的原因。

需要特别提出的是,国内文献一般都将热泵称之为一种充分利用低品位热能的高效节能装置。严格的物理学定义是,以较小的能耗产生较大的功。

用节能和能源高效利用装置,两者之间事实上是有些微差别的。

空气源热泵的历史以压缩式的最为悠久,可追溯到18世纪初叶(1824年发表的卡诺循环,空气源热泵遵循的是逆卡诺原理;换句话说,卡诺发表的卡诺循环原理奠定了热泵研究的基础。

1852年,开尔文提出冷冻装置可以用于加热,将逆卡诺循环用于加热的热泵,成为而今空调和热泵的运行理论之源头。

1912年,瑞士苏黎世成功安装一套以河水作为低位热源的热泵用于供暖,这是早期的水源热泵系统,也是世界上第一套热泵系统。

20世纪70年代以来,热泵工业进入了发展的黄金时期,世界各国对热泵的研究工作十分重视,国际能源机构和欧洲共同体都制定了大型热泵发展计划,新技术层出不穷,热泵用途不断开拓,广泛应用于空调和工业领域。

20世纪80年代,热泵产品进入大多数欧美国家的家庭。1998年的调查数据显示,美国约有30%的热水供应设备采用空气能热水机组。

二、热泵在清洁供热产业发展中的作用

空气能热水器于2002年前后进入我国,首先登陆广东。

因为空气源热泵节能环保、安全、智能等优点,引起了人们的关注,在60℃以下的热水市场中,迅速普及到酒店、校园、工厂、体育馆等企事业单位设施中。

50年代天津大学的学者开始研究热泵,60年代应用在暖通空调中,70年代末期,热泵空调的发展和应用机遇来临,80年代初至90年代末我国暖通空调出现热泵热。

2017年以来,我国大力推广北方地区冬季清洁取暖,尤其是“电代煤”“气代煤”(双代),为空气源热泵带来了巨大的市场,使得大气污染防治工作取得了明显成效。

2010年我国制定《低环境温度空气源热泵》GB25327.1(.2)-2010标准,规定在额外温度为-12℃时,热泵出水温度在41℃时的COP,并作为招投标和项目验收时的统一标准。

2012年,我国修订GB3095-2012《环境空气质量标准》,要求严格控制PM2.5,企业和科研单位加强研究,推动了“喷气增焓”压缩机和变频压缩机的制造和应用。

2016-2017年,热泵热风机的研究和生产取得突破,JBT13573-2018《低环境温度空气源热泵热风机》于2018年公布。热风机比较好地解决了电力供应稍差的难题,因为它可以每户以1.5~2匹的小单机容量运行。

在十部委发布的《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021年)》中,2021年清洁取暖率为70%,力争5年左右基本实现雾霾严重化城市地区的供暖清洁化。2016年天然气供暖面积22亿平方米,占总取暖面积11%;电供暖(含热泵和直接电热)4亿平方米,占2%;清洁煤供暖35亿平方米,占17%;可再生能源(地热、太阳能、生物质能)供暖8亿平方米,占4%。清洁取暖总面积69亿平方米,占总量的34%。距离70%还有36%。

2019年,发展改革委等七部门发布《绿色高效制冷行动方案》,强调到2022年,家用空调、多联机等制冷产品的市场能效水平提升30%以上,绿色高效制冷产品市场占有率提高20%,实现年节电约1000亿千瓦时。

到2030年,大型公共建筑制冷能效提升30%,制冷总体能效水平提升25%以上,绿色高效制冷产品市场占有率提高40%以上,实现年节电4000亿千瓦时左右。

据统计,我国目前空气源热泵行业的整机制造企业在300家以上。虽然总体数量较多,但除了少数企业外,大多数企业规模体量较小,资金、技术等实力较弱。

热泵应用结果显示,定频压缩机靠开停调节,不仅噪音大,耗电也高。只有变频机组能做到高的综合部分负荷性能系数IPLV(H)。

因此,开发高温热泵并最大程度地提高COP(能效比),成为热泵的研究方向。

三、热泵是清洁供热系统中的“发动机”

对热泵在清洁供热中的应用,有什么总体感觉或评价吗?

虽然可以肯定,热泵在我国会得到越来越多的应用,主要是因为、发电厂、电网等电力基础设施的建设,无疑会拉动空气源热泵的应用。

另一方面,热泵在清洁供热中的应用,并非是“一朵花”,即使是“一朵花”也要绿叶扶持:

首先,电是二次能源,由一次能源转化而来的效率仅30%(本人经常说的话是,多一道程序会多增加能耗多排放污染物);在这一前提下,用电设备的效率没有比空气源热泵效率更高的了。

其次,空气源热泵在应用中存在占用空间大、噪声不小、露天放置会出现设备腐蚀等问题。

再次,如果仅有一种供暖设备,难以保障“停电不停供”的问题,换句话说,存在单种供热设备难以保证供暖安全的问题。

解决以上问题的对策,必须对症下药;

一是开发COP更高的产品,这也是中央提出的高质量发展的必然要求;

二是可以采用热泵+光伏或建筑一体化措施,避免热泵直接暴露在自然条件里遭受“风吹日晒”;这样,既可以增加能源供应,也可以减少设备腐蚀;

三是实现多元互补,尽可能增加蓄能设备,不仅可以防止突发事件,还可以利用谷值电降低用户成本,这就是智慧供暖的体系建设了。

总之,一个小区或楼群的供暖,空气源热泵仅是“心脏”,还不是系统的全部,只有优化结构,加强清洁供暖智慧化,才能收到提高能效、居民室温舒适、成本可接受等清洁供热的目标。

空气源热泵哪家企业的产品质量好,从2020年7月1日起,中国清洁供热产业委员会(CHIC)将与国家认监委(CNCA)批准的第三方认证机构—北京信标认证有限公司(BBC)共同开展清洁供热服务认证,详见中国清洁供热产业网(http://www.chic.org.cn/home/index/index1)



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