碳中和目标下热泵技术应用现状及前景分析

碳中和目标下热泵技术应用现状及前景分析

于萍

中国石油工程项目管理公司天津设计院，天津 300450

摘要：城区碳中和的基础是自身减碳，要降低建筑运行阶段能耗和城区基础设施能耗，还要减少废弃物排放。因此，建筑运行阶段碳中和必须通过城区需求侧能源规划来实现。建筑节能是降低碳排放的有效手段，建筑中空气源热泵热水系统的有效应用是实现建筑节能的重要支持技术。针对热泵技术在分散式家用冷热领域，集中供热领域应用进行了综述分析。热泵技术研究未来将集中在新型循环流程、新型环保工质及关键部件研发等领域，在碳达峰、碳中和目标背景下成为具有显著节能减排效果的技术路线。

关键词：碳中和；目标；热泵技术；应用；前景

引言

在全球终端能源消费量中，供热和制冷能源消费量约占50%，是非常重要的终端能源需求，也是实现“碳中和”目标需要关注的重点领域。热泵是通过消耗能源做功，把处在较低温度下的热量提升到较高的温度水平下释放出来，以满足热量的使用要求。热泵技术可广泛应用于建筑供暖、生活热水、工业干燥、温室养殖等领域。它是21世纪全球最具价值的节能减碳技术之一，产业发展前景非常广阔。近年来，在我国清洁取暖政策的驱动下，热泵供暖技术在我国北方农村地区得到迅速发展。随着人民生活水平的持续提高，广大长江流域地区冬季取暖的市场潜力正在快速释放，作为分散式家庭取暖的优选技术，热泵供暖也得到了迅速发展。作为有效利用可再生能源的技术措施，热泵将是我国供热领域低碳转型的必选技术。除了清洁取暖中热泵发挥替代作用外，在生活热水、工业干燥等领域也可进一步扩大其应用范围，技术进步有望推动我国热泵产业实现千亿元规模的突破，为实现我国“碳达峰、碳中和”目标发挥重要作用。

1热泵在民用及工农业中的应用

1.1集中供热领域

为了实现集中供暖为清洁供暖，相关研究对锅炉进行超低排放改造，对管网运行方式进行优化，采用吸收式热泵和压缩式热泵进行余热回收利用。地源热泵系统利用建筑物周围深埋的埋管系统与浅层能源（热源或冷源）接触，通过输入少量高品位能量，实现住宅内部与地热能完成热量交换。冬季热泵利用电能从土壤中取热，将热量传输给建筑物实现供暖；夏季热泵又利用电能将温度较高的室内热量排入土壤，为建筑物制冷。地源热泵消除了传统空气源热泵制热效率低的应用缺陷，从长期来看，具有良好的发展前景。在建筑供暖中采用太阳能热泵供暖技术，可以让太阳能资源替代常规能源，减少常规能源消耗，利于降低建筑供暖对常规能源的依赖，大幅度节省建筑能耗，而且太阳能热泵供暖技术基本是零排放、零污染，环境友好程度高，符合可持续发展的核心内涵。

1.2农业行业应用

为了保证农产品储藏品质，干燥已成为农产品加工过程中普遍的单元操作，而农产品干燥能耗仅次于造纸干燥能耗。因此，在保证农产品干燥品质的前提下，需要寻求降低干燥过程能耗的方式。热泵干燥是随着热泵技术的兴起而发展起来的，与传统干燥方式相比具有实现大气污染物和温室气体协同减排效果。近年来，随着我国“煤改电”和“煤改气”政策的推广和落实，热泵干燥技术在农业方面的应用已成为干燥领域关注和研究的热点，包括对烟叶、玫瑰花和枸杞等的干燥都已得到一定应用。随着热泵干燥技术的日趋成熟，其优异的节能减排效果已被各种试验研究所证明，加之人们对环境问题的关注，热泵干燥技术已显现出广阔的应用前景。

1.3工业行业应用

我国工业生产的能源效率为20%~60%，余热总量非常巨大。工业余热广泛存在于冶金、建材、食品及化工等行业，而我国对工业余热的资源回收率仅占30%，将工业余热充分回收利用作为常规能源的一部分替代品，是节能减排的有效途径。热泵作为回收工业余热的有效途径之一，在火力/核发电、印染、轮胎、油田和制药等行业低温余热回收过程中发挥了关键作用。目前工业行业研究较多的是用压缩式热泵和吸收式热泵进行余热回收。压缩式热泵中以水源热泵技术应用最为广泛。例如，电厂以循环水或工艺产热水作为热源水，通过热泵机组提升锅炉给水的品位，减少锅炉对燃煤的需求量，从而达到节能减碳的目的。在目前余热回收领域对吸收式热泵的应用研究有回热、多效、多级和压缩-吸收复合等技术，基于余热能量梯级利用原理，有效提升能源利用效率。此外，新型高温热泵等技术的设计研发势必会成为未来热泵在工业行业的主要研究方向。

1.4储能行业应用

在实现碳达峰、碳中和目标背景下，未来风光电比例会大幅度提升。由于风光电负荷波动性强，经常会造成弃风、弃光现象，为了保证电网的稳定与安全，相关储能技术在电网调频中得到了广泛应用。储能系统与可再生能源发电配套可灵活调控风电、光伏等的出力，响应速度快，起到调峰调频和无功支撑的作用，有效解决高比例可再生能源发电的随机性、波动性和间歇性给电网带来安全和可靠方面的问题。目前对储能技术的研究主要集中在电储能、相变储能及化学燃料储能等形式上，并对多种储能形式的未来发展和应用趋势进行了展望。在未来大比例风光电的电源结构背景下，热泵在低温蓄冷蓄热等方面定有广阔的应用前景。

2碳中和目标下热泵技术前景展望

2.1地源热泵

地源热泵是利用浅层地热能源（包括地下水、土壤或地表水等的能量）既可以供热又可以制冷的高效节能系统。地下水温常年基本恒定，夏季比室外空气温度低，冬季比室外空气温度高，且具有较大的热容量，系统效率高。地表水源热泵系统利用的是地球表面水源，如河流、湖泊或水池中的低温低位热能资源，根据传热介质是否与大气相通，可分为开式和闭式系统。土壤源热泵系统是在地下埋入大量的换热用塑料管，循环水经过这些地下埋管与地下土壤进行热交换，以提取地下土壤中的热量作为热泵的低温热源。由于土壤温度较恒定的特性，使得土壤源热泵机组运行相对稳定、可靠，冬季蒸发器无结霜问题。土壤源热泵系统的热效率（COP）一般为3.5~5，相对较高。相比空气源和水源热泵，地源热泵适应区域范围最广，基本不受地域限制，只要有足够的地下空间便可使用。

2.2污水源热泵

污水源热泵系统是以生活污水中的热量作为热泵的低温热源，适用于污水源资源较多的城区。从民用建筑排出的生活污水在冬季温度一般可达20℃左右，高于地下水温度，是很好的热源。当建筑周围有污水大干管时，有可能利用原生污水（即使没有处理、直接排出的污水）作为低温热源，获得较好的热泵系统能耗性能。采用污水源热泵系统，规划上需要科学统筹、合理布置污水源热泵装置，技术上需要注意污浊物污染腐蚀和堵塞取热换热器的问题。

2.3中深层地热源热泵

中深层地热源热泵系统由中深层地热能密闭取热孔、热源侧水系统、热泵机组和用户侧水系统组成。与常规地源热泵系统相比，主要区别在于，通常采用套管结构的中深层地热能换热装置，从地下2000~3000米、温度70℃~100℃的岩石中提取地热能作为低温热源，地热能换热装置冬季出水温度可以稳定在30℃以上。中深层地热源热泵采暖技术要求地下取水做到100%回灌，主要适用于地热资源条件良好、冬季寒冷有供热需求或夏季炎热有制冷需求的地区；用于居住建筑采暖时，夏季无需向地下补热，室内末端可以有多种方式，其中搭配地板辐射采暖较好。

结束语

空气源热泵技术具有能源利用效率高、适用范围广及节能环保等特点，其应用范围和使用频率在不断扩展，空气源热泵技术在暖通空调中的应用，有着非常好的应用和发展前景，特别是在供暖中的应用，可利用空气源热泵的特性对室内散失的热量进行吸收和再利用。

参考文献

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