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編者按
熱力系統(tǒng)是為工業(yè)生產(chǎn)、建筑運(yùn)行提供必要熱量的系統(tǒng)。當(dāng)前各地在熱力低碳轉(zhuǎn)型實(shí)踐中因缺乏全國(guó)整體規(guī)劃、技術(shù)方向引導(dǎo)，出現(xiàn)了熱力管網(wǎng)重復(fù)建設(shè)導(dǎo)致投資浪費(fèi)，建設(shè)以熱電聯(lián)產(chǎn)為目的的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠導(dǎo)致碳排放不降反增等問(wèn)題，亟需構(gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)，以零碳排放的方式制備所需熱量，助力實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)。
《中國(guó)工程科學(xué)》2025年第5期發(fā)表中國(guó)工程院江億院士研究團(tuán)隊(duì)的研究成果《構(gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)》。文章立足我國(guó)熱力需求特點(diǎn)和資源稟賦條件，探討了新型零碳熱力系統(tǒng)建設(shè)的思路：對(duì)于南方建筑采暖、農(nóng)村建筑采暖等低強(qiáng)度用熱需求，應(yīng)通過(guò)空氣源、土壤源、地表水源熱泵，使用電力高效制備；對(duì)于北方建筑采暖、工業(yè)低壓蒸氣和熱水等高強(qiáng)度用熱需求，可利用核電火電余熱、工業(yè)余熱、數(shù)據(jù)中心余熱等人類活動(dòng)排放的低品位余熱作為低溫?zé)嵩?，結(jié)合熱泵實(shí)現(xiàn)供熱。在此基礎(chǔ)上，提出了零碳熱力供給總體思路，分析了構(gòu)建余熱共享系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)以及熱電協(xié)同對(duì)新型電力系統(tǒng)建設(shè)的貢獻(xiàn)度，討論了新型熱力系統(tǒng)建設(shè)的投資規(guī)模、經(jīng)濟(jì)回報(bào)、減碳潛力。研究認(rèn)為，應(yīng)高度重視并加快新型零碳熱力系統(tǒng)建設(shè)，可從依靠使用者進(jìn)行建設(shè)和改造的分散式熱泵、依靠國(guó)家統(tǒng)一規(guī)劃來(lái)推動(dòng)建設(shè)的余熱共享系統(tǒng)兩方面出發(fā)，配套必要的保障措施，充分發(fā)揮新型零碳熱力系統(tǒng)潛在的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，加快實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)。
一、前言
能源革命的核心在能源轉(zhuǎn)型，規(guī)劃和建設(shè)新型能源體系成為重點(diǎn)發(fā)展任務(wù)。從供給側(cè)角度看，能源轉(zhuǎn)型的任務(wù)是轉(zhuǎn)變當(dāng)前以化石能源為基礎(chǔ)的電力、熱力、燃料系統(tǒng)，構(gòu)建新型的零碳電力、熱力、燃料系統(tǒng)。建立零碳電力系統(tǒng)已成為全社會(huì)的共識(shí)。在形成零碳燃料系統(tǒng)方面，生物質(zhì)材料制備零碳商品燃料、綠電制氫、綠氫合成氨與醇類燃料等進(jìn)展較快。然而，零碳熱力系統(tǒng)研究較少、關(guān)注度明顯不足，這是本文討論的主題。
熱力系統(tǒng)是為工業(yè)生產(chǎn)、建筑運(yùn)行提供必要熱量的系統(tǒng)。① 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，提供熱量的主要形式是蒸汽、循環(huán)水：前者可滿足化工、造紙、輕紡、印染、食品等輕工業(yè)以及機(jī)電制造等生產(chǎn)過(guò)程的需求，細(xì)分為高壓蒸汽（飽和壓力≥1 MPa，主要用于化工生產(chǎn)等領(lǐng)域）、中低壓蒸汽（飽和壓力<1 MPa）；后者則主要是120 ℃以下的熱水冷卻至50~80 ℃而釋放出熱量，目前基本上由熱電聯(lián)產(chǎn)電廠、蒸汽或熱水鍋爐提供。2022年，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)用熱約為9×109 GJ。② 建筑運(yùn)行需要的熱量包括建筑冬季采暖用熱，制備生活熱水用熱，醫(yī)院、飯店等建筑使用的蒸汽（用于消毒、干衣、炊事等），目前主要由熱電聯(lián)產(chǎn)、不同規(guī)模的燃煤／燃?xì)忮仩t房、電動(dòng)熱泵、電鍋爐等制備。2022年，我國(guó)建筑運(yùn)行用熱量約為9.3×109 GJ。也要注意到，為工業(yè)生產(chǎn)、建筑運(yùn)行提供熱量消耗燃煤和燃?xì)?，?dǎo)致大量的碳排放。按照“?分?jǐn)偡ā睂犭娐?lián)產(chǎn)的碳排放分?jǐn)偟桨l(fā)電和供熱，再加上各類鍋爐使用的燃煤和燃?xì)猓?022年我國(guó)工業(yè)和建筑制備熱量共排放1.6×109 tCO2，約占我國(guó)能源使用產(chǎn)生碳排放總量的15%。
面向碳中和目標(biāo)，為同時(shí)滿足社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、居民生活水平提高的需要，考慮工業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、能效提升、建筑節(jié)能改造等因素，我國(guó)熱力總需求將從2022年的1.83×1010 GJ增加至2060年的2.4×1010 GJ。其中，2060年的工業(yè)生產(chǎn)用熱為1.36×1010 GJ，含高壓蒸汽6×109 GJ、低壓蒸汽與循環(huán)熱水7.6×109 GJ；建筑運(yùn)行用熱為1.04×1010 GJ。在此背景下，假設(shè)繼續(xù)采用燃煤、燃?xì)庵苽錈崃?，則每年的碳排放量為2.5×109~3×109 tCO2，與2060年之前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)相悖。假設(shè)全部采用電鍋爐方式，需消耗電力7×1012 kW·h，相當(dāng)于2024年全國(guó)用電總量的70%，將給新型電力系統(tǒng)構(gòu)成巨大壓力，也對(duì)應(yīng)極大的電力系統(tǒng)建設(shè)投資，因而不是經(jīng)濟(jì)可行的方案。假設(shè)全部依靠生物質(zhì)燃燒方式制備，需要消耗生物質(zhì)燃料9×108 tce，將超過(guò)全國(guó)生物質(zhì)資源的總量（生物質(zhì)資源是未來(lái)最寶貴的零碳燃料，將主要用于滿足工業(yè)、交通等領(lǐng)域中必須采用燃料燃燒的需求）。因此，構(gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)，以零碳排放的方式制備所需熱量，是推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)碳中和的重要任務(wù)。
然而，當(dāng)前各地在熱力低碳轉(zhuǎn)型實(shí)踐中由于缺乏全國(guó)整體規(guī)劃、技術(shù)方向引導(dǎo)，出現(xiàn)了熱力管網(wǎng)重復(fù)建設(shè)導(dǎo)致投資浪費(fèi)，建設(shè)以熱電聯(lián)產(chǎn)為目的的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)電廠導(dǎo)致碳排放不降反增，盲目推廣空氣源、土壤源熱泵加劇電力系統(tǒng)季節(jié)性調(diào)峰壓力等問(wèn)題。實(shí)際上，熱力系統(tǒng)已成為各地開展能源低碳轉(zhuǎn)型、零碳工業(yè)園區(qū)建設(shè)的難點(diǎn)，合理規(guī)劃熱力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型路徑是能源安全、生產(chǎn)安全、民生保障方面的重大挑戰(zhàn)。
本文從不同熱力需求的特點(diǎn)出發(fā)，提出我國(guó)構(gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)的總體思路，即通過(guò)熱泵替代燃燒全面實(shí)現(xiàn)熱力制備電氣化，依靠?jī)?chǔ)熱并通過(guò)熱電協(xié)同全面實(shí)現(xiàn)制熱用電的零碳化或低碳化；討論系統(tǒng)構(gòu)建涉及的關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)生的綜合效益、所需的政策支持，以為我國(guó)能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型、零碳熱力系統(tǒng)建設(shè)提供前瞻構(gòu)思與發(fā)展支持。
二、新型零碳熱力系統(tǒng)的整體規(guī)劃
構(gòu)建新型零碳熱力系統(tǒng)是我國(guó)新型能源體系建設(shè)的重要任務(wù)，應(yīng)根據(jù)熱力需求特點(diǎn)、資源稟賦等進(jìn)行整體規(guī)劃和系統(tǒng)布局。熱泵以自然環(huán)境和人類活動(dòng)排放的低品位熱量作為低溫?zé)嵩床⒅D(zhuǎn)化為高品位熱量，是國(guó)際公認(rèn)的新型零碳熱力系統(tǒng)的核心組成。
熱泵消耗1 kW·h的電力通常可制備出2~8 kW·h的熱量，制備熱量和消耗電量之比稱為COP：
式（1）中，Q為熱泵提供的熱量，單位是W；W為熱泵輸入的電功率，單位是W；為熱泵熱力學(xué)完善度，一般為30%~70%；Th、Tl分別為熱泵輸出熱量所處的溫度、熱泵提取低溫?zé)崃克幍臏囟?，都以熱力學(xué)溫度K為溫標(biāo)。
采用電動(dòng)熱泵從低溫?zé)嵩刺崛崃坎⒅苽涓邷氐臒崃?，需要厘清兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。① 熱泵從何處獲取低溫?zé)嵩矗繜岜幂敵龅臒崃恐?，（COP-1）/COP部分的熱量來(lái)自低溫?zé)嵩矗@些熱量不能再由燃料供給，需要從他處獲取。② 熱泵消耗的電力從何而來(lái)？這對(duì)應(yīng)于熱泵所提供的熱力的1/COP。全面采用熱泵制備熱量，熱泵耗電將占未來(lái)總用電量的15%~20%。未來(lái)的新型電力系統(tǒng)要求用電終端具備靈活性調(diào)節(jié)功能，使熱泵系統(tǒng)最大限度地參與電力系統(tǒng)峰谷調(diào)節(jié)并為新型電力系統(tǒng)建設(shè)提供支持，是熱泵系統(tǒng)需要充分考慮的問(wèn)題。從這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題出發(fā)，討論并提出我國(guó)新型零碳熱力系統(tǒng)建設(shè)的整體方案。
1. 飽和壓力>1 MPa的工業(yè)生產(chǎn)用蒸汽
采用熱泵制備高壓蒸汽，與直接電熱方式相比收益不大，且增加很大的設(shè)備投資，經(jīng)濟(jì)性不佳。例如，在熱泵輸出熱量需要>200 ℃的條件下，如果低溫?zé)嵩?lt;20 ℃，則熱力學(xué)完善度為0.6時(shí)的COP<1.5。大多數(shù)化工生產(chǎn)中需要的高壓蒸汽實(shí)際上用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)為大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備提供動(dòng)力；在火電作為主要電源時(shí)，這種方式替代用電、抽取汽輪機(jī)排出的低壓蒸汽再用來(lái)滿足生產(chǎn)過(guò)程中低壓蒸汽的需求，可實(shí)現(xiàn)熱力的梯級(jí)利用；但在以“風(fēng)光水核”為主的零碳電力系統(tǒng)中，這種方式就不再合適。直接采用大型電機(jī)替代汽輪機(jī)提供動(dòng)力，可避免對(duì)高壓蒸汽的需求，而中低壓蒸汽則由熱泵消耗電力提取低品位余熱來(lái)制備。對(duì)于少數(shù)需要高參數(shù)蒸汽的工藝需求，可考慮采用高溫氣冷堆、電鍋爐、使用零碳燃料的鍋爐制備蒸汽。
2. 以自然環(huán)境作為低溫?zé)嵩吹臒岜眠m合低密度用熱需求
工業(yè)生產(chǎn)的中低壓蒸汽和循環(huán)熱水、建筑運(yùn)行供熱的需求溫度都低于200 ℃，可通過(guò)熱泵提取低品位熱量進(jìn)行高效制備。此時(shí)的問(wèn)題是從何處獲得足夠的低品位熱量作為熱泵的低溫?zé)嵩础?0世紀(jì)90年代，我國(guó)開始大規(guī)模推廣采用空氣、土壤、地表水作為低溫?zé)嵩吹目諝庠礋岜谩⒌卦礋岜?、地表水水源熱泵，主要用于建筑采暖、生活熱水制備，取得很大成功。例如，?dāng)室外空氣溫度為0~-25 ℃、要求的采暖熱水溫度為50 ℃時(shí)，空氣源熱泵的COP可達(dá)2.5~3.8；如果采用地源熱泵，低溫?zé)嵩礈囟?gt;20 ℃，則COP還可以更高。然而，空氣源、地源熱泵都是從周邊的自然環(huán)境中提取熱量，而自然環(huán)境的熱量供給能力決定了熱泵提取熱量密度的上限。以單位土地面積需求的熱量定義取熱密度，當(dāng)取熱密度<1 MW/hm2時(shí)，空氣、土壤能夠供給足夠的熱量；當(dāng)取熱密度>1 MW/hm2時(shí)，從空氣中過(guò)度取熱會(huì)影響周邊的生態(tài)環(huán)境，尤其是形成“下冷上熱”的逆溫層，不利于地面污染物的擴(kuò)散。當(dāng)?shù)叵峦寥郎笆械娜崦芏?gt;1 MW/hm2時(shí)，除非當(dāng)?shù)鼐哂胸S富的地?zé)豳Y源，否則會(huì)導(dǎo)致地下溫度逐年下降，大面積、高密度的地下埋管作為地下?lián)Q熱器也將影響地下空間的開發(fā)利用。
建筑運(yùn)行、工業(yè)生產(chǎn)在絕大多數(shù)場(chǎng)合下的取熱密度<1 MW/hm2，可以采用空氣、地下土壤砂石等自然環(huán)境作為低溫?zé)嵩础ｉL(zhǎng)江流域冬季室內(nèi)外溫差較小、寒冷時(shí)間較短，沒(méi)有市政規(guī)模的集中供暖，宜采取“部分空間、部分時(shí)間”的供暖策略，以自然環(huán)境為低溫?zé)嵩吹姆稚⑹綗岜梅浅＿m合這種供熱需求。北方城郊結(jié)合部的建筑密度低、沒(méi)有集中熱網(wǎng)覆蓋，與廣大農(nóng)村地區(qū)一樣屬于用熱密度低的場(chǎng)景，適用采用分散式熱泵供熱。需要蒸汽的醫(yī)院、賓館、洗衣房等，盡管用熱量大，但布局分散，從公頃級(jí)土地面積范圍的角度看用熱密度不高，也適合采用以自然環(huán)境為低溫?zé)嵩吹姆稚⑹綗岜谩?/span>
然而，北方城鎮(zhèn)建筑多為高密度建筑群（容積率>3），多數(shù)場(chǎng)合的冬季采暖取熱密度>1 MW/hm2，不適宜全面采用以自然環(huán)境為低溫?zé)嵩吹姆稚⑹綗岜谩?duì)于工業(yè)生產(chǎn)用熱，蒸汽用量為10 t/h的工廠按照取熱密度為1 MW/hm2、COP=2考慮，需要3.5 hm2的土地才能滿足用熱需求，這通常超過(guò)工廠的占地面積。因此在大多數(shù)場(chǎng)合，工業(yè)生產(chǎn)用熱很難完全由以自然環(huán)境為低溫?zé)嵩吹臒岜锰峁?/span>
3. 回收人類活動(dòng)排放的余熱滿足高密度用熱需求
未來(lái)，全國(guó)北方城市建筑采暖、工業(yè)生產(chǎn)蒸汽用熱共計(jì)1.3×1010 GJ，應(yīng)另辟蹊徑。
對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)，多數(shù)場(chǎng)合消耗的能源不會(huì)保留在最終產(chǎn)品中（電解鋁生產(chǎn)是例外），而是以低品位熱量的形式排放到大氣中。如果部分回收這些熱量并作為熱泵的低溫?zé)嵩?，即可制備所需的生產(chǎn)用熱，由此實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)用熱的循環(huán)利用。例如，在一些農(nóng)副產(chǎn)品的干燥加工過(guò)程中，利用熱泵從排出的熱濕空氣中取熱，熱濕空氣經(jīng)過(guò)冷卻干燥釋放出凝水后由熱泵釋放出的熱量加熱而成高溫干燥氣體，再返回至物料；這種基于熱泵的循環(huán)干燥床用電力替代燃料，不僅以節(jié)能降碳的方式實(shí)現(xiàn)熱量的循環(huán)利用，還可以精準(zhǔn)控制干燥過(guò)程并顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量。在干燥過(guò)程以外，造紙、印染、食品等輕工業(yè)領(lǐng)域都存在熱量回收條件，可以利用熱泵回收生產(chǎn)過(guò)程排放的余熱，滿足自身用熱需求并實(shí)現(xiàn)熱量的循環(huán)利用。
在更多的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，熱量排放過(guò)程過(guò)于分散而難以有效回收利用，需要外界提供足夠的余熱資源。當(dāng)然，也有很多工業(yè)過(guò)程排放大量的低品位余熱且遠(yuǎn)大于用熱需求。預(yù)測(cè)我國(guó)未來(lái)的余熱資源，沿海地區(qū)將建設(shè)裝機(jī)容量約為2×108 kW的核電站，核能反應(yīng)堆釋放的熱量中僅有40%轉(zhuǎn)換為電力，而約60%作為余熱通過(guò)海水冷卻排放，僅此每年可提供7×109 GJ以上的熱量。將保留裝機(jī)容量約為7×108 kW的火電，每年運(yùn)行約2000 h，發(fā)電1.5×1012 kW·h，這些火電廠在發(fā)電的同時(shí)也將排放約6.5×109 GJ的熱量。此外，冶金、有色、化工、建材等流程工業(yè)，算力中心，垃圾焚燒廠，電網(wǎng)大型變壓器，污水處理后得到的中水等，都可釋放出大量余熱。整體上，我國(guó)每年約有2.4×1010 GJ的人類活動(dòng)排放余熱（見表1）。采用熱泵技術(shù)、COP平均值為3時(shí)，只要回收余熱總量的40%（9×109 GJ）即可滿足需求?；厥崭黝愑酂岵⑼ㄟ^(guò)管網(wǎng)匯集，輸送到需要用熱的工業(yè)生產(chǎn)、建筑終端，在各個(gè)終端根據(jù)具體的用熱需求，通過(guò)熱泵制備成適宜參數(shù)的熱量，據(jù)此構(gòu)成余熱共享系統(tǒng)，解決建筑采暖和工業(yè)用熱的高密度用熱需求（1.3×1010 GJ）。
表1 我國(guó)未來(lái)可利用的余熱資源
4. 新型熱力系統(tǒng)熱量來(lái)源總體規(guī)劃
表2給出了2060年零碳情境下各類熱量需求的零碳制備方案（不含工業(yè)生產(chǎn)所需的6×109 GJ高參數(shù)蒸汽）。通過(guò)分散的熱泵、集中的余熱共享系統(tǒng)，可以依靠低溫?zé)嵩赐ㄟ^(guò)電力制備工業(yè)生產(chǎn)和建筑運(yùn)行所需的1.8×1010GJ熱量，合計(jì)消耗電力2×1012 kW·h，約占未來(lái)我國(guó)電力總量的12%。
表2 新型零碳熱力供給的總體情況
5. 熱泵應(yīng)成為適宜消納風(fēng)光電力的靈活用電負(fù)荷
依靠熱泵制取熱量，熱泵電耗（主要）來(lái)自零碳電力，制取的熱量才是零碳或低碳熱量。上述1.8×1010 GJ的熱量制取，大約要消耗未來(lái)電力總量的12%，這一用電方式對(duì)電力系統(tǒng)將產(chǎn)生很大影響，是建設(shè)新型熱力系統(tǒng)必須考慮的因素。
未來(lái)零碳電力系統(tǒng)中，風(fēng)光電力將提供80%以上的裝機(jī)容量、65%以上的發(fā)電量；為了保證電力的可靠供給，總電量中的10%~15%仍由火電提供。終端制備熱量的用電負(fù)荷能夠跟隨風(fēng)光電力的變化而靈活調(diào)節(jié)（荷隨源變），將是破解這一瓶頸的重要突破口。電力系統(tǒng)中每個(gè)時(shí)刻度電對(duì)應(yīng)的碳排放責(zé)任因子都在變化，可分為1天內(nèi)瞬時(shí)度電的碳排放責(zé)任因子隨風(fēng)光電力的變化而大范圍變化、1年內(nèi)電力日均碳排放責(zé)任因子隨季節(jié)也有一定幅度變化的兩個(gè)周期：在我國(guó)，前者是由于1天內(nèi)日照、風(fēng)力變化帶來(lái)電力碳排放責(zé)任因子中午低、晚間高，需要各種儲(chǔ)能調(diào)節(jié)；后者是冬季日照時(shí)間短、水電進(jìn)入枯水期等原因?qū)е露玖闾茧娏竟?jié)性短缺，需要火電補(bǔ)充。采用電動(dòng)熱泵制備熱量，盡可能在電力碳排放責(zé)任因子低的時(shí)間段內(nèi)多用電力制備熱量，而在碳排放責(zé)任因子高的時(shí)間段內(nèi)少用電或不用電，以真正實(shí)現(xiàn)低碳和零碳的熱量制備。
熱泵根據(jù)電力系統(tǒng)中風(fēng)光電力的出力情況來(lái)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)響應(yīng)并主動(dòng)消納零碳電力的方式稱為熱電協(xié)同，通過(guò)這種方式才能實(shí)現(xiàn)零碳或低碳的熱力供應(yīng)。通過(guò)儲(chǔ)熱替代儲(chǔ)電，使熱泵成為電力系統(tǒng)的靈活用電負(fù)荷，將為電力系統(tǒng)“削峰填谷”、促進(jìn)消納做出貢獻(xiàn)，也可助力新型電力系統(tǒng)、新型能源體系建設(shè)，加快能源系統(tǒng)碳中和進(jìn)程。
（二）分散式熱泵供熱的關(guān)鍵技術(shù)
對(duì)于取熱密度<1 MW/hm2的用熱需求，采用分散式熱泵從空氣、土壤、地表水等自然環(huán)境中提取熱量并進(jìn)一步制備所需參數(shù)的熱量，是可行的熱量獲取方式。南方非集中供熱地區(qū)建筑采暖中采用熱泵方式的超過(guò)50%，建筑生活熱水制備中分散式熱泵方式占比約為20%。北方農(nóng)村地區(qū)推廣清潔采暖行動(dòng)，使電動(dòng)熱泵供暖約占農(nóng)村實(shí)施清潔采暖工程的30%。北方城鄉(xiāng)接合部的低密度建筑群采用分散的自然環(huán)境熱源熱泵進(jìn)行分散式采暖占比為50%~70%。即使冬季嚴(yán)寒的黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、新疆等省份，也有超過(guò)3%的城鎮(zhèn)建筑采用分散的自然環(huán)境熱源熱泵采暖。低溫?zé)嵩磥?lái)源的不同導(dǎo)致熱泵技術(shù)特點(diǎn)、存在的問(wèn)題、需要進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)各不相同。
1. 空氣源熱泵
分散布置熱泵裝置，盡可能使更多的空氣通過(guò)熱泵裝置、避免經(jīng)過(guò)熱泵流出的冷空氣混入熱泵入口處的外來(lái)空氣，以從溫度盡可能高的空氣中提取熱量，是保證空氣源熱泵正常運(yùn)行并獲得較高效率的基礎(chǔ)。很多空氣源熱泵供熱工程卻將數(shù)十臺(tái)、上百臺(tái)空氣源熱泵集中擺放（構(gòu)成兆瓦級(jí)集中熱源），導(dǎo)致空氣源熱泵入口處的空氣溫度低于環(huán)境溫度5~10 K，顯著降低了空氣源熱泵的工作效率。實(shí)際上，建筑采暖、生活熱水等用熱需求都是分散在建筑物各處的，發(fā)展單機(jī)制熱功率<100 kW的中小規(guī)?？諝庠礋岜?，采用分散布置方式并盡可能使熱源的布置與熱需求在空間上匹配，是規(guī)模化應(yīng)用空氣源熱泵的關(guān)鍵。不宜為了追求大容量而發(fā)展兆瓦級(jí)制熱功率的空氣源熱泵。
在嚴(yán)寒地區(qū)外溫降到-30 ℃以下時(shí)，采集的室外空氣熱量有限、熱泵蒸發(fā)器存在換熱溫差，當(dāng)熱泵的熱力學(xué)完善度為0.6時(shí)，制取50 ℃熱量的COP很難超過(guò)2，且設(shè)備復(fù)雜、投資大。進(jìn)一步降低空氣源熱泵的室外可工作溫度，盡管可以顯示技術(shù)進(jìn)步，但投資高、困難大、收益小，不宜作為主攻方向。
從-30~10 ℃的室外空氣中提取熱量，統(tǒng)一提升至50 ℃左右的采暖所需溫度，熱泵工作的提升溫差為40~80 K；室外溫度越低，需要的熱量越多。常規(guī)的壓縮式電動(dòng)熱泵的COP、制熱量都隨提升溫差增大而迅速下降，導(dǎo)致空氣源熱泵隨外溫變化的性能與多數(shù)場(chǎng)合對(duì)熱量需求的特性不匹配。研發(fā)新的壓縮機(jī)技術(shù)和配套的熱泵技術(shù)，使熱泵性能與需求匹配（在大范圍外溫變化條件下滿足用熱需求），是空氣源熱泵技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)方向。
在東部沿海地區(qū)，外溫約為0 ℃時(shí)室外相對(duì)濕度通常>70%，此狀態(tài)下熱泵蒸發(fā)器表面溫度很容易會(huì)降低到室外空氣露點(diǎn)溫度以下，進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)器表面結(jié)霜，將嚴(yán)重影響空氣源熱泵的正常運(yùn)行。近年來(lái)雖然發(fā)展了熱氣旁通等化霜方式，但準(zhǔn)確探測(cè)結(jié)霜狀況并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化霜、提高化霜過(guò)程的效率并使化霜操作僅發(fā)生在結(jié)霜盤管處、通過(guò)蓄熱保證在化霜過(guò)程中仍能繼續(xù)供熱而不影響采暖舒適性等，仍需深入研究。針對(duì)結(jié)霜的微觀物理過(guò)程，改變蒸發(fā)器材料表面特性，使結(jié)霜冰屑及時(shí)脫落而不易附著于蒸發(fā)器表面，也是重要的研究方向。
2. 土壤源熱泵
土壤源熱泵以土壤作為低溫?zé)嵩矗ǔ槿〉叵滤尫艧崃亢笤倩毓嗟降叵?，或者通過(guò)不同類型的地下?lián)Q熱器實(shí)現(xiàn)循環(huán)水與地下土壤、沙石之間的換熱以從地下獲取熱量），再通過(guò)熱泵將熱量提升到要求的溫度狀態(tài)。土壤釋放出熱量后溫度降低，需有外部的熱量補(bǔ)充才能避免土壤溫度的持續(xù)降低。
有研究認(rèn)為補(bǔ)充的熱量來(lái)自深層地下的熱量，屬于地?zé)崮艿膽?yīng)用。我國(guó)確實(shí)有豐富的地?zé)豳Y源，但僅分布在少數(shù)地區(qū)。在沒(méi)有地?zé)豳Y源的地段，從底層深處垂直向上盡管也存在熱流，但熱流密度僅為0.05 W/m2水平，導(dǎo)致垂直方向的溫度梯度不足50 K/km。無(wú)論是淺埋地?zé)幔ù怪毕蛳侣窆?00 m左右）還是中深層地?zé)幔ù怪毕蛳侣窆?000~3000 m），單位水平界面全年提取熱量平均為5~50 W/m2，而地層深處提供的熱量不足需求的1%，故不能認(rèn)為這是利用地?zé)?。大量提取熱量后將?dǎo)致地下土壤、沙石的溫度逐年下降。對(duì)于淺層地源熱泵，需在不提取熱量的非采暖季，通過(guò)各種方式向地下注入熱量以補(bǔ)充失熱量。對(duì)于中深層地源熱泵，地下深處溫度常年高于外溫而很難通過(guò)向地下注熱的方式進(jìn)行補(bǔ)熱。
應(yīng)用土壤源熱泵，需要厘清地?zé)豳Y源及其強(qiáng)度。在沒(méi)有足夠地?zé)豳Y源的條件下，應(yīng)利用各種方式在非用熱季節(jié)向地下補(bǔ)熱，避免地下溫度總體水平的逐年下降。人為向地下注入熱量的過(guò)程可視為跨季節(jié)向地下儲(chǔ)熱（“夏儲(chǔ)冬用”）的方式，而不是利用地?zé)岬姆绞?。而?duì)于全年持續(xù)需要提取熱量的工業(yè)用熱需求，由于沒(méi)有補(bǔ)熱機(jī)制而不宜采用土壤源熱泵方式。
3. 地表水水源熱泵
以河水、湖水、海水等自然界的水源作為熱泵的低溫?zé)嵩?，只要獲取的熱量遠(yuǎn)小于流動(dòng)換水補(bǔ)充的熱量，就不會(huì)出現(xiàn)熱源溫度持續(xù)下降的現(xiàn)象，因而地表水水源熱泵可以持續(xù)且集中地提供熱量。一般情況下，冬季用熱時(shí)水源溫度很低，為了避免凍結(jié)，需嚴(yán)格控制通過(guò)熱泵的降溫程度，在很多場(chǎng)合允許的溫降僅為3~5 K。這樣就需要較大的循環(huán)流量才能提供足夠的熱量。如果換熱和熱泵設(shè)施都設(shè)置在高于水面的位置，將導(dǎo)致巨大的水泵耗電，在一些工程中循環(huán)水泵耗電甚至超過(guò)熱泵耗電。將熱泵、換熱設(shè)施設(shè)置在低于水面的地下，可以避免這些問(wèn)題。
對(duì)于需要全年持續(xù)供給熱量的場(chǎng)合（如工業(yè)生產(chǎn)用熱），地表水水源可以在全年提供充足的熱量且不需要補(bǔ)熱措施，是適宜的熱泵熱源。
4. 電動(dòng)熱泵參與熱電協(xié)同
采用電動(dòng)熱泵消耗電能制備熱量，產(chǎn)出熱量對(duì)應(yīng)的碳排放完全取決于熱泵消耗電力對(duì)應(yīng)的碳排放。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有巨大的熱慣性，建筑采暖等熱應(yīng)用允許室溫在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，因而用熱終端相當(dāng)于間接的儲(chǔ)能設(shè)施。電動(dòng)熱泵的運(yùn)行可兼顧用熱需求、電力碳排放性質(zhì)的變化，在完成供熱任務(wù)的前提下盡可能多地利用零碳和低碳電力，避開使用高碳電力。研究表明，采用分散的空氣源熱泵為建筑供暖，如果門窗緊閉，熱泵系統(tǒng)停止工作4~6 h，室溫降低不超過(guò)1 ℃；只要全天的供熱總量滿足要求，即可基本保證室內(nèi)的熱舒適。北京市郊區(qū)農(nóng)舍全部采用空氣源熱泵（6×106臺(tái)），采用低電價(jià)時(shí)盡量運(yùn)行、高電價(jià)時(shí)盡可能不運(yùn)行的策略，顯著降低了京津唐電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，可減少煤電機(jī)組發(fā)電煤耗5%~7%。
然而，建筑冬季采暖對(duì)應(yīng)于零碳電力短缺季節(jié)，需要一定規(guī)模的火電供給才能滿足電力需求。較大規(guī)模地使用電動(dòng)熱泵，會(huì)增加電力負(fù)荷需求，從而加大火電供給。即使通過(guò)儲(chǔ)能方式使一天內(nèi)熱泵僅在零碳電力占比高的時(shí)段運(yùn)行，也因全季節(jié)整體性地短缺零碳電力而改善不大。如果認(rèn)為此時(shí)電力不足源于使用熱泵，那么熱泵用電就應(yīng)該主要來(lái)自火電；火電從燃料到電力的轉(zhuǎn)換效率為35%，只有當(dāng)熱泵COP>3時(shí)，熱泵制取熱量消耗的燃料才低于鍋爐燃燒制取熱量消耗的燃料，熱泵較鍋爐燃燒制取熱量也才更為低碳。因此，冬季應(yīng)用電動(dòng)熱泵是否低碳，需要謹(jǐn)慎論證。
（三）統(tǒng)一提供低溫?zé)嵩吹挠酂峁蚕硐到y(tǒng)
以自然界作為熱泵的低溫?zé)嵩?，難以滿足高強(qiáng)度的用熱需求。為此，需要通過(guò)余熱共享系統(tǒng)（見圖1）回收人類活動(dòng)的各類余熱，開展統(tǒng)一輸配和儲(chǔ)存調(diào)節(jié)，為各類用熱終端提供低品位熱源；在各類終端處根據(jù)用熱需求，通過(guò)基于熱泵技術(shù)的熱量變換裝置制備各自所需的熱量。北方地區(qū)圍繞城市建筑供熱需求建成了完善的集中供熱系統(tǒng)，南方非采暖地區(qū)圍繞工業(yè)生產(chǎn)用熱建成了一定規(guī)模、以熱電聯(lián)產(chǎn)和大型鍋爐為熱源的工業(yè)蒸汽供給系統(tǒng)。依托這些管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)施改造和完善即可建成余熱共享的熱力管網(wǎng)系統(tǒng)。余熱共享系統(tǒng)涉及余熱的采集、輸配、儲(chǔ)存以及進(jìn)一步的熱量變換。
圖1 余熱共享系統(tǒng)示意圖
通過(guò)低成本輸熱技術(shù)將經(jīng)濟(jì)輸熱半徑擴(kuò)大到100~200 km，即可解決余熱熱源與用熱點(diǎn)地理位置不匹配的問(wèn)題。我國(guó)各地的建筑與工業(yè)生產(chǎn)熱需求，70%的可在100 km半徑范圍內(nèi)找到足夠的余熱資源，剩余30%的相對(duì)困難，主要是位于北京這樣的超大型消費(fèi)城市、服務(wù)農(nóng)牧林業(yè)的小城鎮(zhèn)等。將經(jīng)濟(jì)輸熱半徑擴(kuò)大至接近200 km，超大型消費(fèi)城市就有足夠的余熱資源。小城鎮(zhèn)不屬于建筑密集區(qū)，可利用自然環(huán)境作為低溫?zé)嵩吹姆稚⑹綗岜媒鉀Q供熱問(wèn)題。
跨季節(jié)儲(chǔ)熱技術(shù)可以解決熱源與熱匯在時(shí)間上的不匹配。調(diào)峰火電余熱以外的各類余熱資源在全年基本均衡產(chǎn)熱，工業(yè)生產(chǎn)的熱量需求基本上沒(méi)有季節(jié)性變化。然而，占總熱量需求約40%的北方城市建筑采暖，集中在冬季4~6個(gè)月內(nèi)。分布在北方采暖地區(qū)的余熱資源在冬季不足以提供當(dāng)時(shí)的熱量需求，需要在北方采暖地區(qū)建設(shè)跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施，儲(chǔ)存春、夏、秋季的余熱以滿足建筑冬季采暖需要。
由統(tǒng)一的熱量輸配管網(wǎng)匯集各類余熱熱源的熱量，而各類余熱熱源產(chǎn)出熱量的溫度不盡相同，需要通過(guò)熱量變換裝置將熱源輸出的溫度變換到統(tǒng)一的參數(shù)。各類用熱用戶的狀況不同，返回到輸熱循環(huán)管網(wǎng)的回水溫度也不同，需要采用熱量變換裝置進(jìn)行參數(shù)變換，使各類用熱用戶返回到主管網(wǎng)回水的溫度保持統(tǒng)一。熱量變換裝置的作用類似電力輸配系統(tǒng)中的變壓器（解決源、網(wǎng)、荷對(duì)電壓的不同需求），支持熱量在不同溫度、不同狀態(tài)之間的有效傳遞。
（四）供熱系統(tǒng)參與電力峰谷調(diào)節(jié)的熱電協(xié)同
零碳能源系統(tǒng)中的電力、熱力分別來(lái)自不可控的電源、熱源，解決能源供需在時(shí)間上的不匹配是零碳能源體系建設(shè)的共性與關(guān)鍵難題。儲(chǔ)熱比儲(chǔ)電成本更低、效率更高，因而新型零碳熱力系統(tǒng)可利用儲(chǔ)熱替代儲(chǔ)電，通過(guò)熱電協(xié)同為新型電力系統(tǒng)建設(shè)提供支持。
對(duì)于儲(chǔ)熱水箱、大型水體置式儲(chǔ)熱，溫差為70 K（90/20 ℃）時(shí)的儲(chǔ)熱能力約為80 kW·h/m3，初始投資約為100~1000元/m3。假設(shè)儲(chǔ)存的熱量屬于低品位能源，按照COP=5的標(biāo)準(zhǔn)折合為電力，則儲(chǔ)存的等效電力為16 kW·h/m3，折合成電力的初投資為6.25~62.5元/(kW·h)。作為對(duì)照，儲(chǔ)能電池的成本約為500元/(kW·h)，抽水蓄能、空氣壓縮儲(chǔ)能的折算成本約為400~600元/(kW·h)。可見，當(dāng)具有足夠大的儲(chǔ)熱溫差時(shí)，熱水儲(chǔ)熱的初投資遠(yuǎn)低于其他的儲(chǔ)能方式。此外，熱水儲(chǔ)熱的熱量效率為85%~90%，與儲(chǔ)能電池相當(dāng)，明顯優(yōu)于抽水蓄能、空氣壓縮儲(chǔ)能的效率（50%~70%）。當(dāng)然，電力轉(zhuǎn)換為熱量后就很難高效轉(zhuǎn)換為電力，不是任何場(chǎng)合都可以儲(chǔ)熱替代儲(chǔ)電。但在終端本就需要熱量且通過(guò)電力轉(zhuǎn)為熱力時(shí)，用儲(chǔ)熱替代儲(chǔ)電仍是有效的途徑。
隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，風(fēng)光電力在電源中的占比迅速提高。而風(fēng)光電力在日內(nèi)、季節(jié)尺度上都存在大幅度變化且與用電負(fù)荷在時(shí)間上相異，成為進(jìn)一步發(fā)展風(fēng)光電力的瓶頸。如果終端制備熱量的用電負(fù)荷能夠跟隨風(fēng)光電力的變化而靈活調(diào)節(jié)（熱電協(xié)同），實(shí)現(xiàn)“荷隨源變”，將成為破解這一瓶頸的重要突破口。
三、余熱共享系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
以自然環(huán)境作為低溫?zé)嵩吹姆稚⑹綗岜眉夹g(shù)已應(yīng)用于多種建筑用熱場(chǎng)景，取得良好成效?；谟酂峁蚕硐到y(tǒng)為高用熱強(qiáng)度的建筑和工業(yè)提供零碳熱量，尚處于概念探討和起步發(fā)展階段。為此，進(jìn)一步討論建設(shè)余熱共享系統(tǒng)涉及的跨季節(jié)儲(chǔ)熱、熱量變換、熱量低成本輸送等關(guān)鍵技術(shù)。
（一）跨季節(jié)儲(chǔ)熱
1. 儲(chǔ)熱方式
跨季節(jié)儲(chǔ)熱是解決全年各季節(jié)均勻釋放的余熱資源與建筑冬季采暖需求在時(shí)間上不匹配問(wèn)題的必要手段，也可作為低碳、低成本的應(yīng)急調(diào)峰熱源，用于提高熱網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，為產(chǎn)生余熱的生產(chǎn)過(guò)程提供穩(wěn)定的冷卻源。我國(guó)城市高密度建筑群冬季4個(gè)月采暖期需要熱量5.4×109 GJ，此段時(shí)間位于北方地區(qū)的工業(yè)用熱用戶也需要余熱2.6×109 GJ。如果從全年均勻釋放的余熱資源中獲取，則有3.6×109 GJ的熱量需要在非采暖季獲取，再通過(guò)跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施儲(chǔ)存并轉(zhuǎn)移到冬季用于建筑采暖。這是需要的跨季節(jié)儲(chǔ)熱容量的上限。在我國(guó)，冬季各類人類活動(dòng)排放熱量的余熱約為5.9×109 GJ（見表1），如果能全面回收這些余熱，則冬季尚缺少熱量2.1×109 GJ，這是需要的跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施容量的下限。根據(jù)北方各地的余熱資源情況，不同地方需要建設(shè)的跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施容量不同，一般為冬季采暖總熱量的30%~65%。
表3 儲(chǔ)熱設(shè)施的各種技術(shù)路線原理和性能
注：1畝≈666.7 m2。
冬季采暖的平均負(fù)荷大約僅為嚴(yán)寒期最大負(fù)荷的一半。在沒(méi)有儲(chǔ)熱設(shè)施的情況下，需要按照嚴(yán)寒期最大的采暖功率需求來(lái)建設(shè)供熱熱源。如果有大規(guī)模儲(chǔ)熱設(shè)施，只需要具有從儲(chǔ)熱設(shè)施提取熱量的能力，就可以應(yīng)對(duì)極寒天氣采暖負(fù)荷激增的狀況，而無(wú)需建設(shè)額外的熱力調(diào)峰熱源。
很多提供余熱的設(shè)施實(shí)際上又是生產(chǎn)過(guò)程的冷卻設(shè)施，需要全年連續(xù)運(yùn)行。如果僅在冬季運(yùn)行，非采暖期就需要運(yùn)行額外的冷卻系統(tǒng)，將給生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)很多不便且增加生產(chǎn)成本。通過(guò)跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施，使余熱回收設(shè)施全年按照同樣的工況運(yùn)行，有利于提高生產(chǎn)過(guò)程效能。
此外，采暖是民生保障工程。建設(shè)備用熱源以避免各種突發(fā)事故對(duì)采暖的影響，成為管理部門對(duì)采暖工程的基本要求?？缂竟?jié)儲(chǔ)能可以提供可靠的熱源，減少對(duì)高投資、低使用率備用熱源的建設(shè)需求。
2. 跨季節(jié)儲(chǔ)熱技術(shù)方式
近年來(lái)，大規(guī)模儲(chǔ)熱是國(guó)際性研究熱點(diǎn)。儲(chǔ)熱可促進(jìn)供熱和供冷的用電需求與可再生能源發(fā)電之間的匹配性，有助于平衡電力季節(jié)性供需，支持向以可再生能源為主的能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。國(guó)內(nèi)外提出并實(shí)踐了多種跨季節(jié)儲(chǔ)熱技術(shù)路線?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱的方式主要有水體置換、地下?lián)Q熱器、地下水儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱，各種儲(chǔ)熱方式熱量效率差別不大，但溫度效率差別很大（見表3）。從熱量效率、溫度效率、造價(jià)、占地四方面綜合對(duì)比，水體置換儲(chǔ)熱在大多數(shù)場(chǎng)合都是優(yōu)選方式，也是迄今為止技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)熱方式。
水體置換采用帶有保溫頂蓋的熱水水庫(kù)，全年內(nèi)水的總量不變；儲(chǔ)熱時(shí)直接把熱水送入水體上端，同時(shí)取出水體底部的冷水；取熱時(shí)則在水體底部注入冷水，同時(shí)從水體頂部取出熱水；水體中冷／熱水交界面隨著水體儲(chǔ)熱量的增加而下移、隨著水體儲(chǔ)熱量的減少而上升。如果通過(guò)有效的方式在冷水體、熱水體之間形成隔絕面，避免水體內(nèi)通過(guò)冷／熱水交界面的熱量傳遞，則整個(gè)儲(chǔ)存體在儲(chǔ)熱、存熱、放熱的過(guò)程中幾乎不存在導(dǎo)熱現(xiàn)象，由此獲得較高的溫度效率。其他3種熱量?jī)?chǔ)存均依靠循環(huán)介質(zhì)與儲(chǔ)熱介質(zhì)之間的熱交換實(shí)現(xiàn)，熱交換導(dǎo)致熱量品位的耗散（“火積”損失）。溫度效率低導(dǎo)致儲(chǔ)存熱量的品位降低，取出利用時(shí)就需要消耗一定的電力來(lái)驅(qū)動(dòng)熱泵重新提升熱量的品味。對(duì)于跨季節(jié)儲(chǔ)熱而言，只有采用水體置換方式才能避免額外的電力消耗，從而獲得較好的儲(chǔ)能效果。
地下?lián)Q熱器方式的建設(shè)投資由儲(chǔ)熱／放熱功率決定。如果1 GJ的熱量需要在2000 h內(nèi)釋放，則需要的換熱功率為0.139 kW，投資為400~700元/GJ（與水體置換相當(dāng)）。然而，地下?lián)Q熱器方式需要增加熱泵的投資和運(yùn)行耗電。
地下水儲(chǔ)熱指抽取地下水加熱或冷卻后再向地下回灌的方式，與地下?lián)Q熱器方式相比綜合投資更低、溫度效率相當(dāng)。但在應(yīng)用時(shí)面臨保護(hù)地下水資源的政策性制約，一般不提倡采用。
相變材料方式的單位容量造價(jià)顯著高于水體置換方式，溫度效率也明顯偏低，因此不適合跨季節(jié)儲(chǔ)熱。
3. 水體置換儲(chǔ)熱技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用情況
水體儲(chǔ)熱在歐洲得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也已建成多項(xiàng)示范工程，實(shí)際運(yùn)行效果滿足設(shè)計(jì)要求。在儲(chǔ)熱水庫(kù)的建造工藝、防滲材料、布液裝置、保溫頂蓋等方面完善水體儲(chǔ)熱技術(shù)，有望進(jìn)一步降低建造成本。儲(chǔ)熱水池占地導(dǎo)致的土地費(fèi)用對(duì)于水池的經(jīng)濟(jì)性影響較大，建議發(fā)布相關(guān)政策，合理減免相關(guān)土地使用費(fèi)，促進(jìn)跨季節(jié)儲(chǔ)熱的全面推廣。
水體置換式儲(chǔ)熱技術(shù)面臨的突出挑戰(zhàn)是占地問(wèn)題。當(dāng)儲(chǔ)熱溫度為熱水95 ℃、冷水20 ℃時(shí)，每立方米水體可儲(chǔ)存0.3 GJ熱量；如果我國(guó)未來(lái)建設(shè)2.5×109 GJ的儲(chǔ)熱設(shè)施，需要的儲(chǔ)熱水體約為8×109 m3，相應(yīng)的占地面積約為4×109 m2（以水體平均深度20 m計(jì)算）。尋找合適的空間資源（不占用農(nóng)業(yè)用地）來(lái)建設(shè)水體置換儲(chǔ)熱設(shè)施，同時(shí)有效利用水體上蓋空間、綜合利用土地資源，都是需要研究的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
按照水體置換儲(chǔ)熱400~1000元/GJ造價(jià)、20年回收期計(jì)算，每年的儲(chǔ)熱成本為20~50元/GJ；疊加回收熱量?jī)r(jià)格10元/GJ、系統(tǒng)運(yùn)行成本10元/GJ，則冬季獲得熱量的成本為40~70元/GJ。目前北方地區(qū)采暖熱量熱源處的價(jià)格為25~90元/GJ，其中燃煤鍋爐熱源的價(jià)格為40~50元/GJ，燃?xì)忮仩t熱源的價(jià)格為80~90元/GJ。采用電力驅(qū)動(dòng)的空氣源熱泵，如果冬季平均COP=2.8，則1GJ熱量的平均電耗為100 kW·h，折合的熱量?jī)r(jià)格為50元/GJ（平均電價(jià)為0.5元/(kW·h)，不考慮熱泵投資）。冬季低于40元/GJ的熱量都來(lái)自燃煤電廠熱電聯(lián)產(chǎn)熱源，而隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，燃煤電廠裝機(jī)總量、年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)都將逐漸下降，則冬季低價(jià)的燃煤電廠熱電聯(lián)產(chǎn)熱量遠(yuǎn)不足以滿足供熱需求。通過(guò)跨季節(jié)儲(chǔ)熱，轉(zhuǎn)移非采暖季的熱量到冬季使用，綜合成本必然高于冬季的燃煤電廠熱電聯(lián)產(chǎn)熱量，但只要低于其他熱源方式的成本，就具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
此外，進(jìn)一步完善技術(shù)，包括開發(fā)低成本、耐高溫土工膜，新型保溫頂部結(jié)構(gòu)，新式布水器，有可能將單位儲(chǔ)水體的造價(jià)降低到400元/GJ，可使跨季節(jié)儲(chǔ)熱，轉(zhuǎn)移春、夏、秋季廢棄的余熱用于冬季供暖的零碳采暖熱源更具有經(jīng)濟(jì)性。置換式儲(chǔ)熱水體儲(chǔ)放熱過(guò)程的溫度損失主要源自冷熱水交界面的熱量傳遞，相關(guān)研究集中在有效減少冷熱水之間的擾動(dòng)、縮小斜溫層厚度，闡明儲(chǔ)熱體尺寸和形狀、布液器形式、進(jìn)出水流量等對(duì)斜溫層發(fā)展過(guò)程和厚度控制的影響。
上述造價(jià)是國(guó)內(nèi)外建成工程的基本情況，工程規(guī)模通常<2×105 m3。分析置換式儲(chǔ)熱體的造價(jià)構(gòu)成，當(dāng)單個(gè)儲(chǔ)熱體規(guī)模增加到百萬(wàn)立方米級(jí)時(shí)，單方造價(jià)可進(jìn)一步下降，儲(chǔ)熱容量建設(shè)成本有望控制在300元/GJ以內(nèi)，通過(guò)儲(chǔ)熱轉(zhuǎn)移熱量的綜合成本<35元/GJ。例如，河北張北、山東濟(jì)南、西藏仲巴均建設(shè)并運(yùn)行了水體置換跨季節(jié)儲(chǔ)熱工程。濟(jì)南唐冶跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目的儲(chǔ)熱水體為8.5×104 m3，自2024年冬季開始運(yùn)行，用儲(chǔ)能替代原來(lái)的調(diào)峰熱源，可充當(dāng)緊急備用的應(yīng)急熱源，表現(xiàn)出良好的綜合性能。
以上的成本分析都不包括儲(chǔ)能水體占地帶來(lái)的土地使用費(fèi)?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱設(shè)施應(yīng)盡可能靠近城市用熱末端布設(shè)，而城市周邊土地價(jià)格昂貴，計(jì)入地價(jià)后跨季節(jié)儲(chǔ)熱的經(jīng)濟(jì)性會(huì)變差。然而，建設(shè)儲(chǔ)熱設(shè)施的目的是為城市建筑提供零碳熱源，屬于城市基礎(chǔ)設(shè)施，如果管理部門參照城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的相關(guān)規(guī)定合理減免土地使用費(fèi)，就可以使跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施的建設(shè)成本擺脫土地費(fèi)用的重負(fù)，有望加快發(fā)展速度。
儲(chǔ)熱設(shè)施的選址問(wèn)題（靠近提供熱源的源端或盡可能靠近用熱的熱水端）需要深入研究。目前跨季節(jié)儲(chǔ)熱主要和太陽(yáng)能集熱器結(jié)合應(yīng)用，在集熱器附近集中建設(shè)跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施、在用戶側(cè)建設(shè)分布式短周期蓄熱罐的系統(tǒng)形式較為優(yōu)化。實(shí)際上，建造儲(chǔ)熱設(shè)施的目的不同，則選址原則有所區(qū)別：對(duì)于建筑采暖的跨季節(jié)儲(chǔ)能，造成不同季節(jié)巨大需求變化的原因是負(fù)荷側(cè)變化，選址時(shí)應(yīng)盡可能靠近采暖建筑側(cè)，既使熱源和熱量輸送系統(tǒng)全年均衡運(yùn)行，也有利于應(yīng)對(duì)負(fù)荷的各種變化并提高供暖可靠性；對(duì)于應(yīng)對(duì)調(diào)峰火電廠因電力調(diào)峰所致輸出熱量以日為周期的變化，選址時(shí)應(yīng)盡可能靠近作為熱量產(chǎn)出側(cè)的火電廠，經(jīng)過(guò)儲(chǔ)熱設(shè)施平衡后可以得到穩(wěn)定的熱量輸出，使輸熱管網(wǎng)在穩(wěn)定的工況下運(yùn)行。
（二）熱量變換
余熱共享系統(tǒng)通過(guò)相互連接的循環(huán)水系統(tǒng)采集單個(gè)余熱熱源的熱量，為各個(gè)熱量用戶提供熱量；連接若干個(gè)跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施，儲(chǔ)存多余熱量或從中提取熱量。應(yīng)用熱量變換器將不同溫度的熱量統(tǒng)一參數(shù)后送入熱網(wǎng)，再?gòu)臒峋W(wǎng)取熱并通過(guò)熱量變換器變?yōu)楦黝愑脩羲璧臏囟取?/span>
循環(huán)管網(wǎng)相互連接，需要有統(tǒng)一的冷熱水溫度（如90/20 ℃）。實(shí)際上余熱共享系統(tǒng)連接具有不同溫度品位的余熱熱源，這些熱源對(duì)引自熱網(wǎng)的循環(huán)水加熱程度不同；用戶具有差異化的用熱需求，而提取循環(huán)水熱量、對(duì)循環(huán)水冷卻的能力各不相同。需要在循環(huán)管網(wǎng)、各個(gè)余熱的提供者與使用者之間配置熱量變換器，進(jìn)行不同的溫度水平之間的變換。此外，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)用熱要求提供不同壓力的蒸汽，熱量變換器需要根據(jù)要求提取循環(huán)水的熱量，進(jìn)一步制成所需壓力的飽和或過(guò)熱蒸汽。
熱量變換器的熱量輸入源為循環(huán)水，如果熱量輸出側(cè)也是循環(huán)水，當(dāng)熱源側(cè)循環(huán)水的平均溫度高于熱匯側(cè)循環(huán)水平均溫度時(shí)，可以通過(guò)吸收式換熱器實(shí)現(xiàn)這一換熱過(guò)程。在熱源與熱匯溫差明顯不匹配時(shí)，吸收式換熱器可以使熱匯側(cè)獲得最高溫度，在滿足經(jīng)濟(jì)性的前提下實(shí)現(xiàn)兩側(cè)平均溫度差低至10 K條件時(shí)的熱量傳遞。當(dāng)兩側(cè)平均溫度差<10 K甚至熱匯側(cè)要求的平均溫度高于熱源側(cè)時(shí)，需輔以壓縮式熱泵并輸入電力做功以提高熱匯側(cè)的溫度品位。從50/35 ℃的余熱中提取熱量到90/20 ℃的余熱共享循環(huán)水系統(tǒng)中的流程如圖2所示。
圖2 余熱溫度提升流程
在多數(shù)情景下，工業(yè)生產(chǎn)需要的熱量以蒸汽形式提供，可從90/20 ℃的循環(huán)水中提熱量，通過(guò)吸收式換熱器、電動(dòng)熱泵聯(lián)合工作將熱量變換成為高溫水，再通過(guò)閃蒸得到低壓蒸汽，經(jīng)過(guò)水蒸氣壓縮機(jī)將低壓蒸汽壓縮至所需壓力（見圖3）。按照水蒸氣的焓與凝結(jié)水焓值之差計(jì)算蒸汽的熱量，蒸汽的熱量與耗電量之比（等效COP）為3。合理配置多級(jí)吸收式換熱、壓縮熱泵的比例，通過(guò)多級(jí)閃蒸和多級(jí)蒸汽壓縮，可進(jìn)一步減少各級(jí)換熱過(guò)程的耗散、不同溫度之間摻混的耗散，提高等效COP。
圖3 利用循環(huán)熱水熱量制備蒸汽的原理圖
為了通過(guò)余熱共享系統(tǒng)采集各類工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的余熱，為建筑和工業(yè)生產(chǎn)提供熱量并滿足各種參數(shù)的用熱需求，需要采用多種類型的熱量變換器，涉及兩側(cè)為不同進(jìn)出口溫度的循環(huán)水之間的傳熱、由循環(huán)熱水的熱量并通過(guò)熱泵制備蒸汽的過(guò)程。余熱共享系統(tǒng)建設(shè)對(duì)熱量變換器提出了新要求，也將催生熱量變換器的新產(chǎn)業(yè)，需要開展理論創(chuàng)新、相關(guān)流程與工藝優(yōu)化。
（三）熱量低成本輸送
余熱共享系統(tǒng)的熱量需要從余熱產(chǎn)出地輸送到用熱地，解決余熱產(chǎn)出與用熱在地理位置上不匹配的問(wèn)題。除了極少數(shù)的特大型消費(fèi)城市，各種高密度熱量需求的工業(yè)生產(chǎn)用戶和建筑采暖用戶都可以在100 km范圍內(nèi)找到足夠的余熱資源。在滿足經(jīng)濟(jì)性、安全性的前提下低成本、高效率輸送熱量，是余熱共享系統(tǒng)的關(guān)鍵方面之一。近年來(lái)，為了取消城市燃煤鍋爐熱源、發(fā)展大型熱電聯(lián)產(chǎn)，長(zhǎng)距離輸熱技術(shù)取得重大突破，實(shí)現(xiàn)距離>100 km、高差>240 m、管徑達(dá)1.6 m的大容量輸熱。截至2023年，全國(guó)建成長(zhǎng)度>1.66×105 km的循環(huán)熱水輸送熱量的骨干管網(wǎng)、長(zhǎng)度>4.6×105 km的室外二次管網(wǎng)，為北方地區(qū)總面積為1.73×1010 m2的建筑供熱，其中近30%的熱量輸送距離超過(guò)30 km。
1. 長(zhǎng)距離、低成本輸熱的關(guān)鍵技術(shù)
大溫差熱量輸送。循環(huán)管網(wǎng)輸送的熱量與循環(huán)水溫差、循環(huán)流量成正比。傳統(tǒng)的熱量輸送循環(huán)水溫度為120/60 ℃，循環(huán)水溫差約為60 K。近年來(lái)國(guó)內(nèi)實(shí)踐了大溫差輸熱技術(shù)，在用熱末端通過(guò)熱量變換技術(shù)使回水溫度降低到20 ℃；循環(huán)水溫度成為120/20 ℃，供回水溫差提高了約70%，使同樣的循環(huán)流量輸送的熱量增加約70%，較傳統(tǒng)方式的經(jīng)濟(jì)輸送距離增加約70%。
大規(guī)模熱量輸送。通過(guò)循環(huán)水輸送熱量的經(jīng)濟(jì)距離與輸送管道的直徑成正比，采用1.6 m直徑的管道可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)輸熱距離超過(guò)100 km。為了避免過(guò)大的管道熱損失，管道內(nèi)流速應(yīng)高于2 m/s。在此工作條件下，1.6 m管徑的流量為1.4×104 t/h，溫差100 K則輸熱功率超過(guò)1600 MW；0.8 m管徑對(duì)應(yīng)的輸熱功率為400 MW，經(jīng)濟(jì)輸送距離為50 km。這表明，經(jīng)濟(jì)輸送距離與輸熱功率的1/2次方成正比，只有足夠規(guī)模的熱量才可能進(jìn)行長(zhǎng)距離、低成本的輸送。
減少管道散熱損失。妥善做好管道尤其是可能形成熱橋的管件（如膨脹節(jié)、彎頭、支架）的保溫，避免各種漏熱現(xiàn)象。當(dāng)流速>2 m/s、水溫為100 ℃時(shí)，1.6 m直徑的管道每100 km溫降可控制在3 K以內(nèi)。然而，溫降與流速、管徑均呈反比，如果流速降低到原來(lái)的1/2，管徑減小到原來(lái)的1/2，則溫降加大至原來(lái)的4倍。
多級(jí)加壓泵將管道壓力維持在安全范圍。管網(wǎng)各點(diǎn)不超壓、不失壓才能避免爆管和汽化，可通過(guò)多級(jí)加壓泵方式，將管道各點(diǎn)壓力都維持在要求的壓力范圍。但在某處泵站突然停電時(shí)，極容易出現(xiàn)局部的水擊或失壓；在適當(dāng)?shù)奈恢门鋫淇煽焖賱?dòng)作的泄壓閥、旁通閥，能夠有效避免各種停電事故引發(fā)的水擊。國(guó)內(nèi)多個(gè)長(zhǎng)距離輸熱管道（50~120 km）投入應(yīng)用后出現(xiàn)過(guò)局部停電情況，但都沒(méi)發(fā)生水擊事故。
兩端或沿途出現(xiàn)大高差問(wèn)題。熱量輸送管道高差>200 m后，疊加潛在的管道壓降，就很難避免低處管道超壓或者高處管道失壓。采用高壓管材、管件會(huì)大幅增加成本，故主流的解決方案是設(shè)置隔壓站，通過(guò)換熱使高低兩側(cè)壓力隔絕而僅有熱量傳遞，但投資依然較大，將損失5 K甚至更多的換熱溫差，導(dǎo)致進(jìn)入用熱側(cè)的供水溫度降低、進(jìn)入熱源側(cè)的回水溫度增加。已有一些工程探索取消隔壓站，在下行管道中設(shè)置水輪機(jī)回收利用過(guò)剩的壓力，由水輪機(jī)帶動(dòng)水泵為上行管道補(bǔ)充壓力[40]，有良好的經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)系統(tǒng)流量變化或停運(yùn)時(shí)管道壓力分布會(huì)有變化，需要研究管道壓力的調(diào)節(jié)和保護(hù)方法，避免可能出現(xiàn)的超壓和失壓事故。
2. 水熱同送降低輸送成本
在很多情況下既要輸送熱量也要輸送淡水，如北方沿海地區(qū)同時(shí)是淡水資源匱乏區(qū)、大量用熱區(qū)。采用核電余熱驅(qū)動(dòng)海水淡化制備95 ℃的熱淡水，再利用同1根管道輸送熱淡水到既需要水又需要熱量的城市，即可實(shí)現(xiàn)水熱同送（見圖4）。與輸熱的循環(huán)管道、輸水的單根管道相比，1根管道實(shí)現(xiàn)3種功能，可顯著節(jié)省輸送管道的初期投資，也大幅降低驅(qū)動(dòng)輸熱、輸水水泵的運(yùn)行電耗。內(nèi)陸地區(qū)也有很多既要送水又要送熱的場(chǎng)景，同樣可采用水熱同送來(lái)降低綜合成本。
抽取核電低壓蒸汽作為海水淡化的動(dòng)力，通過(guò)多級(jí)閃蒸方式制備95 ℃的熱淡水。輸入蒸汽熱量的10%~15%隨海水淡化后得到的濃海水排出，85%~90%的熱量進(jìn)入熱淡水。當(dāng)取出的原海水溫度為20 ℃、輸出的熱淡水溫度為95 ℃時(shí)，提供1 t蒸汽只需要制備熱淡水6.8~7.2 t，遠(yuǎn)低于常規(guī)熱法海水淡化的制水比（12~16）。熱法海水淡化裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，允許有較大的換熱溫差，可降低海水淡化裝備的投資。在非采暖季，熱淡水送至用熱用水末端，與跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施的循環(huán)水換熱，得到常溫淡水用于生活給水；換熱釋放出的熱量進(jìn)入跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施。在采暖季，熱淡水直接與城市熱網(wǎng)循環(huán)水換熱，冷卻至常溫后進(jìn)入生活用水；進(jìn)入寒冷期，增大熱網(wǎng)循環(huán)水流量，部分循環(huán)水與跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施的循環(huán)水換熱，為供暖提供更多的熱量。
與水熱分產(chǎn)、水熱分送相比，水熱同產(chǎn)、水熱同送相當(dāng)于僅利用蒸汽提供熱量的10%~15%，再通過(guò)熱法進(jìn)行海水淡化，制水比（45~70）遠(yuǎn)高于熱法單獨(dú)制水；利用單管實(shí)現(xiàn)同時(shí)輸熱、輸水，可降低輸送成本50%以上。
四、 通過(guò)儲(chǔ)熱為電力調(diào)峰的熱電協(xié)同
（一）工業(yè)蒸汽熱泵的熱電協(xié)同
采用余熱、過(guò)剩電力制備工業(yè)生產(chǎn)用蒸汽，是電力系統(tǒng)日內(nèi)峰谷調(diào)節(jié)、過(guò)剩風(fēng)光電力消納的有效解決方案。
通過(guò)熱泵提取余熱共享系統(tǒng)輸送的低品位熱量，制備工業(yè)生產(chǎn)用蒸汽；優(yōu)化閃蒸出的低壓蒸汽壓力，使熱泵用電功率與蒸汽壓縮機(jī)用電功率之比>3?？梢栽O(shè)置高溫水罐儲(chǔ)存熱泵制備出的高溫?zé)崴篃岜眠\(yùn)行與蒸汽壓縮機(jī)的運(yùn)行解耦。當(dāng)風(fēng)光電力大發(fā)時(shí)，大功率運(yùn)行電動(dòng)熱泵消耗多出的電力，制備的高溫?zé)崴畠?chǔ)存于高溫儲(chǔ)水箱；當(dāng)風(fēng)光電力減少、終端仍然需要蒸汽時(shí)，直接取高溫儲(chǔ)水箱的熱水，再通過(guò)閃蒸和蒸汽壓縮制備蒸汽（見圖5）。
圖4 利用核電余熱的水熱同產(chǎn)、水熱同送技術(shù)原理
制備1 t蒸汽，電動(dòng)熱泵耗電270 kW·h，水蒸氣壓縮機(jī)耗電80 kW·h；電力為蒸汽提供熱量350 kW·h/噸蒸汽，熱網(wǎng)為蒸汽提供熱量350 kW·h/噸蒸汽，即蒸汽制備系統(tǒng)的等效COP=2。如果每天有8 h獲得過(guò)剩的電力，而工業(yè)生產(chǎn)需要持續(xù)24 h供給蒸汽，則熱泵的裝機(jī)容量要增大至3倍，制備1 t蒸汽對(duì)應(yīng)熱泵裝機(jī)容量按照電功率計(jì)算為810 kW/噸蒸汽，而水蒸氣壓縮機(jī)仍為80 kW/噸蒸汽。在有過(guò)剩電力的8 h，系統(tǒng)用電功率為890 kW/噸蒸汽，其他時(shí)段的系統(tǒng)用電功率僅為80 kW/噸蒸汽，即峰谷用電功率比為11，體現(xiàn)出顯著的調(diào)峰效果。
對(duì)于20 t/h蒸汽的用汽需求，高溫?zé)崴迌?chǔ)存可滿足16 h需要的高溫?zé)崴?，?chǔ)水容積約為2500 m3，投資為650萬(wàn)元；熱泵的電裝機(jī)容量為1.62×104 kW (810 kW×20)，投資為3500萬(wàn)元；蒸汽壓縮機(jī)的電裝機(jī)容量為1600 kW，投資為600萬(wàn)元。再考慮其他方面的投資，系統(tǒng)總投資可控制在5000萬(wàn)元以內(nèi)，是同樣容量燃?xì)忮仩t的10倍。由于高比例地使用低谷電力，平均電價(jià)為0.35元/(kW·h)（高峰期為1.2元/(kW·h)、低谷期為0.25元/(kW·h)），則1 t蒸汽用電350 kW·h，相應(yīng)電費(fèi)為122.5元/噸蒸汽；如果余熱售價(jià)20元/GJ，每噸蒸汽用余熱350 kW·h、熱費(fèi)為25.2元，則制備蒸汽的運(yùn)行成本為147.7元/噸蒸汽。制備裝置的投資回收期為10年，每年運(yùn)行6000 h，則設(shè)備折舊成本為41元/噸蒸汽。熱電協(xié)同方式制備的每噸蒸汽綜合成本為188.7元/噸蒸汽，低于當(dāng)前的燃煤蒸汽的200元/噸蒸汽、燃?xì)庹羝?00元/噸蒸汽。如果不采用儲(chǔ)能方式，需要的持續(xù)電負(fù)荷為7 MW；如果采用儲(chǔ)能設(shè)施，等效的儲(chǔ)能量為86.4 MW·h；如果采用儲(chǔ)能電池，需要投資4320萬(wàn)元，接近蒸汽制備設(shè)施。然而，蒸汽制備用儲(chǔ)熱替代儲(chǔ)電的方式，既可提供儲(chǔ)電能力，又能解決工業(yè)用蒸汽需求，起到雙重功效。
我國(guó)未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)需要0.1~1 MPa飽和壓力的蒸汽約為7.6×109 GJ，折算為3×109 t蒸汽。如果這些蒸汽都采用熱電協(xié)同方式制備，在全年2000 h的用電低谷期利用電動(dòng)熱泵制備高溫?zé)崴秒姽β蕿?×108 kW；而在另外的6000 h中利用高溫水制備蒸汽需用壓縮機(jī)的電功率僅為4×107 kW。
（二）調(diào)峰熱電廠的熱電協(xié)同
未來(lái)火電不再提供電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)負(fù)荷，而主要服務(wù)于調(diào)峰，因而燃煤電廠提高運(yùn)行靈活性成為面臨的新問(wèn)題。通過(guò)儲(chǔ)熱替代儲(chǔ)電，可使調(diào)峰熱電廠根據(jù)電力供需關(guān)系來(lái)大范圍調(diào)節(jié)輸出電力且不損失能量品位，從而實(shí)現(xiàn)高效的熱電協(xié)同。
北方地區(qū)目前普遍應(yīng)用的方式是：在冬季負(fù)荷高峰期全功率發(fā)電，而在負(fù)荷低谷期最大能力地抽汽供熱，通過(guò)電鍋爐方式將部分電力轉(zhuǎn)為熱量，進(jìn)一步減少輸出的電力；抽汽獲得的熱量、電鍋爐制備的熱量在滿足當(dāng)時(shí)的供熱需求外儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱水罐，作為電力負(fù)荷高峰期的供熱熱源。這一方式使高品位電力轉(zhuǎn)為低品位熱量，造成能量品位的損失，冷凝器排出的冷端余熱也不能有效回收利用，系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電效率都不高。
本研究提出燃煤調(diào)峰電廠的熱電協(xié)同思路：應(yīng)用熱泵機(jī)組，使燃煤電廠在大范圍調(diào)節(jié)輸出電力的前提下，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換效率接近100%、發(fā)電效率為電廠全額發(fā)電時(shí)90%的調(diào)節(jié)效果（見圖6）。① 在電力負(fù)荷高峰期、需要全額發(fā)電時(shí)，汽輪機(jī)低壓缸不抽汽，機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電；低溫儲(chǔ)熱水箱送來(lái)10 ℃的循環(huán)水，經(jīng)冷凝器加熱至30 ℃再返回低溫儲(chǔ)熱水箱；發(fā)電余熱均儲(chǔ)存到低溫儲(chǔ)熱水箱。② 在電力負(fù)荷低谷期，汽輪機(jī)低壓缸最大程度地抽汽，同時(shí)調(diào)整鍋爐出力使主蒸汽流量最小。抽出的低壓蒸汽進(jìn)入熱泵機(jī)組，與電動(dòng)熱泵共同工作，將儲(chǔ)存在低溫儲(chǔ)熱水箱的30 ℃的水冷卻到10 ℃再返回低溫水箱；利用得到的熱量將高溫儲(chǔ)熱水箱中40 ℃的水加熱到120 ℃再返回高溫儲(chǔ)熱水箱。③ 高溫儲(chǔ)熱水箱承擔(dān)供熱任務(wù)，在電力負(fù)荷高峰期完全依靠?jī)?chǔ)熱水箱中的熱水供熱；電力負(fù)荷低谷期，蒸汽與電力聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的熱泵機(jī)組在滿足當(dāng)時(shí)的供熱量需求后向高溫儲(chǔ)熱箱中儲(chǔ)熱（以在電力負(fù)荷高峰期滿足供熱要求）。
圖5 利用余熱和負(fù)荷低谷期電力為工業(yè)生產(chǎn)制備蒸汽的原理
圖6 燃煤電廠熱電協(xié)同原理圖
采用這種方式，電力負(fù)荷低谷期、高峰期均不通過(guò)冷卻系統(tǒng)向外排熱，主蒸汽提供的熱量全部轉(zhuǎn)為電力和熱力，因而能源轉(zhuǎn)換效率接近100%。電力負(fù)荷高峰期，機(jī)組以額定功率發(fā)電；電力負(fù)荷低谷期，機(jī)組對(duì)外的電力輸出功率P為：
式（2）中，P0為發(fā)電機(jī)組的額定發(fā)電功率，k為負(fù)荷低谷期主蒸汽的相對(duì)流量，Q為供熱功率，m為電力負(fù)荷低谷期在1天中的占比。
蒸汽與電力聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的熱泵，用電量為電動(dòng)熱泵用電量、由于抽汽減少的發(fā)電量之和，電力低谷時(shí)的輸出功率取決于m。優(yōu)化熱泵機(jī)組結(jié)構(gòu)，可使COP為5~6。k由鍋爐的可調(diào)節(jié)性決定。當(dāng)P<0時(shí)，相當(dāng)于需要從電網(wǎng)返送過(guò)剩的電力驅(qū)動(dòng)熱泵回收余熱供熱。當(dāng)k最小且P>0時(shí)，對(duì)應(yīng)著低谷期最小的電力輸出功率。如果低谷期輸出電力的價(jià)值低于輸出等效量熱量的價(jià)值，則降低COP以實(shí)現(xiàn)零功率電力輸出；否則將維持較小的電力輸出，對(duì)應(yīng)的發(fā)電效率處于最高值。
對(duì)于沒(méi)有供熱需求的非采暖期，這種熱電協(xié)同方式不成立。然而，如果有跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施，則可取消高溫儲(chǔ)熱水箱，換用大規(guī)?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱設(shè)施接收電力低谷期制備的高溫?zé)崴?。?jù)此，燃煤電廠全年任何時(shí)間都可以根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)峰的需要運(yùn)行，回收全部冷端排熱量，隨時(shí)為建筑和工業(yè)生產(chǎn)提供所需求的熱量。
（三）跨季節(jié)儲(chǔ)冷／儲(chǔ)熱應(yīng)對(duì)電力供需的季節(jié)差
新型電力系統(tǒng)面對(duì)的重要問(wèn)題之一是供需之間存在季節(jié)性不平衡。當(dāng)風(fēng)光電力作為電力系統(tǒng)的主要電源后，我國(guó)大部分區(qū)域?qū)⒈憩F(xiàn)為冬、夏季電力不足，春、秋季電力過(guò)剩。然而，多數(shù)建筑冬季需要供熱、夏季需要供冷，春、秋季電力過(guò)剩時(shí)既不需要供熱也不需要供冷。通過(guò)跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施，可在春季利用富足的電力制冷，供夏季空調(diào)使用；可在秋季利用富足的電力制熱，供冬季采暖使用；減少冬、夏季的供冷和供熱相關(guān)的電力負(fù)荷，消納春、秋季過(guò)剩的電力（見圖7）。由此，通過(guò)跨季節(jié)儲(chǔ)熱、熱電協(xié)同，將實(shí)現(xiàn)電力的跨季節(jié)轉(zhuǎn)移。
圖7 跨季節(jié)儲(chǔ)熱／儲(chǔ)冷原理
跨季節(jié)儲(chǔ)熱／儲(chǔ)冷原理討論如下。進(jìn)入冬季，利用蓄熱水箱預(yù)先儲(chǔ)存的90 ℃熱水為建筑供熱，釋放出熱量后成為30 ℃溫水并儲(chǔ)存；采暖結(jié)束后，利用春季的過(guò)剩電力將儲(chǔ)冷水箱中15 ℃的冷水制成冰漿，用制冰提取出的熱量加熱蓄熱水箱中的溫水。春季結(jié)束時(shí)，儲(chǔ)冷水箱中為含冰量30%~50%的冰漿，儲(chǔ)熱水箱的水溫升至65 ℃。進(jìn)入夏季，利用儲(chǔ)冷水箱中的冰漿為建筑供冷，釋出冷量后成為25 ℃的溫水。進(jìn)入秋季，再利用富余的電力通過(guò)熱泵將冷水箱中25 ℃的溫水冷卻到10 ℃，提取出的熱量將熱水箱中的熱水由65 ℃升溫至90 ℃。由此實(shí)現(xiàn)利用春、秋季的富余電力，將夏季建筑物排出的熱量用于冬季采暖，既可減少冬、夏季采暖空調(diào)的用電量，也能解決冬季建筑采暖缺少熱源的問(wèn)題。通過(guò)這一方式全年獲取的冷／熱量之和與用電總量之比可達(dá)5，即使考慮儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷損失，綜合COP>4，優(yōu)于單獨(dú)的熱泵制熱、制冷表現(xiàn)。
更重要的是，跨季節(jié)儲(chǔ)熱／儲(chǔ)冷的用電主要發(fā)生在電力富余的春、秋季，顯著降低冬、夏季的用電量；熱電協(xié)同可實(shí)現(xiàn)春、秋季過(guò)剩的電力向嚴(yán)重缺電的冬、夏季轉(zhuǎn)移，一定程度上緩解電力系統(tǒng)在不同季節(jié)之間的供需矛盾?；谙嚓P(guān)原理的系統(tǒng)已在濟(jì)南市的能源站使用。
全年內(nèi)，系統(tǒng)冬季供熱量等于夏季冷負(fù)荷總量，用于春季和秋季熱泵制冰、制熱消耗的電力之和，華北地區(qū)公共建筑的冷熱負(fù)荷特點(diǎn)大致符合這一關(guān)系。在長(zhǎng)江流域，夏季用冷量更大、冬季用熱量偏小，需要設(shè)置冷卻塔以在春季排出部分制冰產(chǎn)生的熱量。在冬季用熱量更大的東北地區(qū)，需要在秋季從外界補(bǔ)充來(lái)自空氣、水體、土壤或者人類活動(dòng)排放的低品位余熱（在非采暖季的秋季容易獲得）。
對(duì)于跨季節(jié)儲(chǔ)熱／儲(chǔ)冷設(shè)施，春、秋季利用熱泵制熱、制冰，目的是利用當(dāng)時(shí)的過(guò)剩電力，制取的熱水、冰漿只是儲(chǔ)存，并不為了滿足當(dāng)時(shí)應(yīng)用。熱泵無(wú)需連續(xù)運(yùn)行，可以根據(jù)電力系統(tǒng)的供需狀況選擇在電力負(fù)荷低谷期運(yùn)行，同步實(shí)現(xiàn)春、秋季的電力日內(nèi)和短期兩類峰谷調(diào)節(jié)。盡管需要增加熱泵的裝機(jī)容量與配電功率，但其他儲(chǔ)能設(shè)施同樣不可避免。
五、新型零碳熱力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益
新型零碳熱力系統(tǒng)通過(guò)分散式熱泵提取自然界的低品位余熱，可解決建筑運(yùn)行5×109 GJ的熱量需求，消耗電力5.4×1011 kW·h；應(yīng)用余熱共享系統(tǒng)，可解決7.6×109 GJ的工業(yè)用中低壓蒸汽需求、5.4×109 GJ的北方城市冬季供暖用熱需求，消耗電力1.46×1012 kW·h。如果完全利用燃煤鍋爐制備這些熱量，每年需要消耗7.2×108 tce（1 GJ熱量對(duì)應(yīng)消耗40 kgce）、排放1.87×109 tCO2；與完全利用電熱法相比，用電量由5×1012 kW·h減少到2×1012kW·h。通過(guò)熱電協(xié)同的運(yùn)行方式，各類熱泵消耗的電力多是電力負(fù)荷低谷期、春季和秋季電力過(guò)剩的電力。當(dāng)電力系統(tǒng)高比例采用風(fēng)光電力后，可以認(rèn)為這些熱力系統(tǒng)的可靈活調(diào)節(jié)用電量來(lái)自風(fēng)光電力，僅有循環(huán)水泵、蒸汽壓縮機(jī)的部分用電不能根據(jù)電力系統(tǒng)峰谷變化進(jìn)行調(diào)節(jié)（在總用電量中的占比不足20%）。如果電力系統(tǒng)全年的平均度電碳排放責(zé)任因子<0.4 kgCO2/(kW·h)，則新型熱力系統(tǒng)的碳排放總量<1.6×108 tCO2，僅為全部采用燃煤制備這些熱量產(chǎn)生碳排放量的8%。
建設(shè)新型零碳熱力系統(tǒng)，主要涉及利用自然環(huán)境作為低溫?zé)嵩吹姆稚⑹綗岜孟到y(tǒng)、回收人類活動(dòng)排放的低品位熱量的余熱共享系統(tǒng)。① 分散式熱泵按照制熱量計(jì)算的裝機(jī)總量約為1×109 kW，熱泵投資強(qiáng)度為1~1.5元/W，總投資為1萬(wàn)億~1.5萬(wàn)億元，主要依靠建設(shè)方、使用方的分散投資完成，將實(shí)現(xiàn)5×109 GJ熱量的低碳供給。這些熱泵主要用于替代分散式燃?xì)獗趻爝M(jìn)行供熱，制備1 GJ熱量由消耗28 m3的天然氣改為消耗100 kW·h的電力；如果天然氣價(jià)格為3元/m3、電價(jià)為0.54元/(kW·h)，則靜態(tài)回收期在10年以內(nèi)。② 回收人類活動(dòng)排放余熱的余熱共享系統(tǒng)是重要的能源基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括：約2.5×109 GJ的跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施，需要1萬(wàn)億元投資、5×105畝土地；集中供熱管網(wǎng)方面的改造和擴(kuò)建（尤其是新建沿海核能余熱輸送管網(wǎng)），需要投資約3000億元；各種余熱熱源的回收改造（尤其是核電余熱、各類火廠余熱、流程工業(yè)的余熱），需要投資約5000億元；利用低負(fù)荷期電力、余熱共享系統(tǒng)提供余熱制備工業(yè)生產(chǎn)用蒸汽，供汽能力為5×105 t/h，需要投資約1.5萬(wàn)億元；建筑供暖利用方面的吸收式電動(dòng)熱泵降低回水溫度改造，需要投資約2000億元（設(shè)備和改造費(fèi)用約為13元/m2）。
新型零碳熱力系統(tǒng)共需投資3.5萬(wàn)億~4萬(wàn)億元，如果15年完成建設(shè)，每年投資約2500億元。工程全部建成后，每年可提供工業(yè)用蒸汽3×109 t、建筑采暖用熱5.4×109 GJ，按照當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算的收入為0.966萬(wàn)億元。制備這些熱量需消耗低谷電力1.46×1012 kW·h，按照低谷電價(jià)0.35元/(kW·h)計(jì)算的運(yùn)行電費(fèi)為5000億元，疊加購(gòu)買余熱的成本為800億元、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)為1500億元、設(shè)備折舊費(fèi)為2300億元，總運(yùn)行成本為0.96萬(wàn)億元，與收入基本持平。
在此基礎(chǔ)上，新型零碳熱力系統(tǒng)還可獲得多方面收益。① 具有靈活的用電調(diào)節(jié)能力，可認(rèn)為所用電力是零碳電力?；厥盏挠酂釋儆趶U熱，沒(méi)有為了提供余熱而增加碳排放，可視為零碳供熱。與完全采用燃煤鍋爐提供熱量相比，每年減少排放1.7×109 tCO2。② 依靠?jī)?chǔ)熱提供北方城市建筑冬季的供熱熱源，提高工業(yè)生產(chǎn)用蒸汽供應(yīng)的可靠性。③ 為核電、調(diào)峰火電、流程工業(yè)、數(shù)據(jù)中心等余熱產(chǎn)生源提供可靠的冷卻方式，相應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程在全年內(nèi)都可以獲得可靠的冷源。④ 制造業(yè)生產(chǎn)用能需要零碳轉(zhuǎn)型，余熱共享系統(tǒng)依靠原本排放的余熱、低谷電力制備生產(chǎn)用蒸汽，提供穩(wěn)定的零碳蒸汽制備能力，為零碳工業(yè)園區(qū)建設(shè)提供關(guān)鍵支撐。
余熱共享設(shè)施建設(shè)需要投資3.5萬(wàn)億~4萬(wàn)億元，約50%用于土木工程，如大規(guī)?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱水庫(kù)建設(shè)、余熱共享系統(tǒng)管網(wǎng)建設(shè)、余熱回收和蒸汽制備系統(tǒng)安裝。相關(guān)需求可顯著帶動(dòng)我國(guó)土建施工能力、建筑材料產(chǎn)能。另外的50%用于以各種新型熱泵為主的熱量變換裝備，我國(guó)在此領(lǐng)域擁有全套的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，技術(shù)水平、制造水平都處于國(guó)際領(lǐng)先地位。建設(shè)余熱共享系統(tǒng)可以進(jìn)一步發(fā)展這一制造業(yè)領(lǐng)域并增強(qiáng)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
六、建設(shè)新型零碳熱力系統(tǒng)需要的政策支持
新型熱力系統(tǒng)的建設(shè)分為兩個(gè)方面：依靠分散的使用者建設(shè)和改造的分散式熱泵系統(tǒng)，依靠國(guó)家統(tǒng)一規(guī)劃推進(jìn)建設(shè)的余熱共享系統(tǒng)。
對(duì)于分散式熱泵系統(tǒng)，需要電價(jià)政策和改造工程的補(bǔ)貼機(jī)制。例如，實(shí)施“家電下鄉(xiāng)”政策，支持農(nóng)民采用分散式熱泵采暖，對(duì)購(gòu)買高能效熱泵熱水器提供部分補(bǔ)貼，鼓勵(lì)居民更換原來(lái)的燃?xì)鉄崴鞯?。拉大電價(jià)峰谷差，促進(jìn)熱泵在電力負(fù)荷低谷期運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)分散式熱泵制備熱量的零碳化。
余熱共享系統(tǒng)的建設(shè)需要從國(guó)家層面進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，因其涉及余熱資源合理利用、供需匹配、輸熱管線布局、儲(chǔ)熱設(shè)施優(yōu)化等復(fù)雜環(huán)節(jié)，局部最優(yōu)方案未必全局最優(yōu)。需要在全面調(diào)查余熱資源與熱需求的基礎(chǔ)上，制定科學(xué)統(tǒng)一的頂層規(guī)劃并確保嚴(yán)格執(zhí)行；將余熱共享系統(tǒng)納入重大能源基礎(chǔ)設(shè)施；管網(wǎng)系統(tǒng)、跨季節(jié)儲(chǔ)熱設(shè)施是余熱共享系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)和服務(wù)設(shè)施，應(yīng)依據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的方式開展建設(shè)，并參照電網(wǎng)模式管理運(yùn)營(yíng)。進(jìn)一步，建立熱量按溫度品位的核算方法和定價(jià)機(jī)制，激勵(lì)企業(yè)投資余熱回收改造和熱量轉(zhuǎn)換設(shè)施，通過(guò)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)獲得收益。隨著余熱共享基礎(chǔ)設(shè)施和交易平臺(tái)的逐步完善，余熱產(chǎn)出端和應(yīng)用端可主動(dòng)投資基礎(chǔ)設(shè)施，開展余熱回收利用，在實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)，推動(dòng)熱源從燃料向余熱轉(zhuǎn)型。
此外，為了促進(jìn)基于新型熱力系統(tǒng)的熱電協(xié)同，建議推行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)電價(jià)并合理拉大不同時(shí)刻的電價(jià)差，促進(jìn)用熱終端通過(guò)儲(chǔ)熱替代儲(chǔ)電，在為電力系統(tǒng)削峰填谷的同時(shí)，可從電力價(jià)格差中獲取較大收益，既有助于零碳電力系統(tǒng)建設(shè)，又可實(shí)現(xiàn)熱力系統(tǒng)的零碳熱量制備。
七、結(jié)論
建設(shè)新型零碳熱力系統(tǒng)是能源低碳轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐，包括為低用熱密度的建筑提供采暖、生活熱水以及部分蒸汽需求的分散式熱泵，回收人類活動(dòng)排放的各種余熱為北方地區(qū)建筑采暖、工業(yè)生產(chǎn)等提供高密度用熱的余熱共享系統(tǒng)。兩部分將共同實(shí)現(xiàn)未來(lái)1.8×1010 GJ熱量（不包括工業(yè)高壓蒸氣）供應(yīng)，不再消耗燃料，而僅消耗2×1012 kW·h電力，且通過(guò)靈活調(diào)節(jié)可確保80%的消費(fèi)電力為零碳電力。
為了加速推動(dòng)熱力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型，建議將新型熱力系統(tǒng)作為能源體系建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，明確主管部門、發(fā)展目標(biāo)、轉(zhuǎn)型路徑，盡快發(fā)布規(guī)劃方案和指導(dǎo)意見；加快推進(jìn)零碳供熱科技攻關(guān)，在熱泵，熱量變換，余熱回收，長(zhǎng)距離、低成本輸熱，跨季節(jié)儲(chǔ)熱，熱電協(xié)同等共性關(guān)鍵技術(shù)方面實(shí)施重點(diǎn)突破與示范應(yīng)用；以“余熱共享新基建”為核心，全面優(yōu)化熱力系統(tǒng)建設(shè)管理機(jī)制和市場(chǎng)化交易機(jī)制，激活多元市場(chǎng)主體主動(dòng)開展余熱回收的設(shè)施建設(shè)與高效利用；實(shí)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)電價(jià)制度并合理拉大電價(jià)差，促進(jìn)熱力系統(tǒng)消耗零碳電力以及通過(guò)儲(chǔ)熱實(shí)現(xiàn)熱電協(xié)同。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
