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百度江亿院士:热泵为减碳潜力15亿吨,建筑+工业+集中供热中大有可为

2021-10-14 06:54:23股市大盘
百度10月11日-12日,2021中国热泵行业年会在武汉盛大召开。年会以“热泵助力碳中和、行业发展再扬帆”为主题,超1000余人齐聚一堂,共谋“双碳战略”背景

百度江亿院士:热泵为减碳潜力15亿吨,建筑+工业+集中供热中大有可为图

10月11日-12日,2021中国热泵行业年会在武汉盛大召开。

年会以“热泵助力碳中和、行业发展再扬帆”为主题,超1000余人齐聚一堂,共谋“双碳战略”背景下热泵行业发展大势。

中国节能协会理事长、中国工程院江亿院士发表了《双碳目标下的热泵行业发展机遇》主题报告。

在这段50分钟的演讲中,江亿院士主要传达了以下几个观点:

实现碳中和就必须实现以可再生能源为基础的零碳能源和低碳能源结构热泵技术的机遇在于热泵是电力高效转为热量的最佳途径热泵技术的新挑战第一是做高效,第二是高温和干燥,第三是绿色工质低碳能源条件下燃料必然升值,余热将成为重要资源,热泵余热回收大有可为整个社会减碳量的15%靠热泵。

热泵在建筑领域大概能替代3.5亿吨,在集中供热大概能替代1~1.5亿吨,工业生产中能替代10亿吨

本文约7700字,仅为部分文字实录。

精华多多,请耐心阅读。

由《热泵市场》杂志根据会议录音整理。

开场部分及第一部分“零碳能源的特点和挑战”省略,完整版可参看后续视频。


热泵是电力系统能够实现高效转化为热量的最佳途径。

以前的电是从火电来的,烧煤发电效率百分之三十几,四十不到,燃气发电效率50%,所以以前用热泵来产热的时候,都有一个COP限制,说 COP不能太低,比如说COP只有高于2.5才划算,不然的话你一份电才出两份热。

我要是直接烧火,我出的热还多,你这个就赔了,所以就给热泵定了个由电转化成热的一个界限,只有高于2.5,甚至只有高于3,才比直接燃烧取热节能。

这是化石能源时代,这个是没错,都符合咱们实际的转换过程。

但是现在的形势变了。

因为大多数电力以后不是来源于火电,而是来源于零碳电了,热泵的任务是由电转化成热,参考对象是什么?这时候的参考对象是电热,而不是烧火发电了,那么电热的COP是多少?它是1。

这么一来,只要COP>1,是不是就比电热节能?电网公司使劲上电锅炉,它的COP就是1,热泵要能产生同样温度的热,COP始终>1,是不是就比电热节能?

这就极大地扩充了热泵的可应用领域,这件事儿希望咱们参会的诸位好好想想。

可能我说这话,大概就会有人反对,说江亿说的不对,为什么?因为现在电力可能一半以上还是来自于燃煤,你看这煤一涨价一紧张,不就限电就没电了吗?你怎么还认为只要COP大于1就节能?本来还按煤电的话COP还应该>2.5,COP>3。

此言是对的,但是任何事我们都要发展着看。

这些年来,经过各部门的不断努力,火力发电的占比实际在逐渐下降,随着火电成分逐渐下降,可再生电力的比例不断上涨,对应的每一度电的含碳量也在不断下降。

像以前是百分之百是烧煤的电一度电什么的,0.8k/Kg二氧化碳了,然后这些年0.8、0.7、0.6,现在应该中国平均是0.58,我想今年年底每度电的碳排放量比0.58公斤还会再低一点。

第二条,我们现在干事儿是面向未来,如果中国一定要走这条路,未来必然是大比例的零碳电,来自于风电光电、核电。

那么这种东西来的电应该是COP>1就是节能的,不然你说水电你给我变热,你还有什么办法变出热呢?

那一边在发展,我们这儿也是发展,我们发展是为了看着10年之后,15年之后,那么10年之后,我相信中国的可再生电力会占到一半,15年之后、20年之后会可再生电力应该占的比例更大,所以这事应该同步的进行,他搞电力的可再生电力化,这边就搞我的热量由热泵来提供。

不能等它电都弄完了,说现在全程绿电了,你们赶紧弄热泵,

本来热泵COP>1就行了,现在还不行,现在还得搞到2.5,它不是这样的。

我们现在就应该开始布局,朝那方向努力,当然COP越高越好。

但是以前被排除被认为的COP只有一点几的技术,现在应该重新审视了。

这么一看,就有新的领域的挑战。

首先是什么?蒸汽!

热泵能不能做蒸汽?说要七八十度热的时候做东西,像空气源热泵,产生蒸汽行吗?有些人会说那些东西不行,COP就一点几多,省不了多少电,但COP1.5怎么样?1.3怎么样?COP1.3不也比电热的蒸汽发生器节能30%吗?这也挺好。

所以这也是一个很重要的发展方向。

因为实现能源革命,就得燃煤燃气锅炉给取消掉,现在大量的中小型锅炉,在医院、在宾馆、在酒店,在洗衣房烧蒸汽来提供热量,导致大量二氧化碳排放。

燃气甭管是烧燃气还是烧煤,都是该取消的对象,那么我们发展电动热泵来产生蒸汽。

能替代这个吗?只要大于一点几,这都是节能的,都值得提倡。

再有比如说我们饮水,热泵型开水器,中国人就要开水,这东西能不能做?工业生产领域有不少工序需要70、80、90℃热水,热泵能不能做?干燥果实要40℃到80℃的干燥热风,同时热量最好通过热泵回收排水、湿热热风,这些能不能做?

这些内容有的已经做了,有的还是正在完善中,有的正在开发中,我觉得这都是新的课题。

所以第一是做高效,第二是高温和干燥。

第三是什么呢?双碳目标下要求必须用绿色工质。

《基加利修正案》9月15日对我国正式生效。

为此生态环境部专门组织了一个会议,来纪念前些年的工质替代取得的重大工作成果,同时也吹响了履行基加利协议的号角,这又是咱们热泵这一块特殊的工作,也是跟气候变化有关系。

双碳目标下要求必须用绿色工质,不能再用高GWP的工质,高GWP的工质会有温室效应影响气候,这也是咱们热泵领域面对的新问题。

我再重新捋一捋,大概有几个不同领域,咱们的热泵是可以切入进去。

首先在建筑领域。

建筑领域包括哪些?建筑领域现在要做的一个全面电气化,把煤、油、气全取消。

因为现在建筑里直接烧煤,烧天然气。

烧煤烧天然气,大约造成了一年6亿吨二氧化碳左右的排放,直接排放,这得取消掉。

这是第一条。

那么要干的任务就是,咱们家里头,商场里头做饭可能得改电气化,这件事大概热泵使不上劲,但是生活热水电气化,这就是热泵的应用领域了。

热泵比直接电热的热水器效率高多了。

替换像医院宾馆等建筑电动蒸汽发生器,直接替换这些建筑物的燃气蒸汽锅炉,这变成了一个很重要的任务。

宾馆饭店从南到北到处都有,得用电动热泵,制备蒸汽热水,替代现在的燃煤燃气锅炉,又是一挺大的事儿,这都是解决直接碳排放问题。

还有间接碳排放,就是咱们北方集中供暖需要大量的热能。

现在供暖方式不是楼里边烧或者旁边烧煤,就是远处锅炉房或者电厂出来的热,但是需要排放大量的二氧化碳,直接导致一年5亿吨二氧化碳的排放量,这个也是该取消。

在北方集中供暖领域,热泵也可以起到很大的作用。

刚才谈到建筑领域,咱们再看工业部门。

工业部门的二氧化碳排放可以分成两类——

一类是出于工业的目的,比如说化工,本来它就把天然气、煤当成燃料,那是另一条道,还有像炼钢拿焦炭做火燃剂,水泥生产上煤,也排放二氧化碳,是因为它本来就有二氧化碳冒出来,置换出来,这都是工艺过程的。

这些东西好像跟热泵不太容易打的交道。

另外非工业过程目的的就是为了热量,烧火取热而使用燃料的。

有多少?大概工业领域有大约25亿吨每年的二氧化碳排放量,这比刚才建筑多多了。

其中包括轻工业生产过程中的热量需求,纺织、印染、皮革、造纸、制药、食品、饮料产业,就是饮料烧开了消毒,烧了90多度进行消毒,然后再冷却下来等等。

很多轻工业行业都需要提供50~110多度左右的热量,用来加热、消毒。

工业生产,工艺生产过程,印染这些事儿。

生产完之后,最后出来那产品都是常温的,等于是我烧燃料给它热了,烧热完之后,干完这活还得给它凉下来,最后拿到那产品,结果热量哪去了?热量都跑到冷却水里去了,或者冷却风给马上都排了。

所以这些领域是咱们热泵可以好好发挥起作用,用热泵通过电来替代化石燃料的,很重要的领域。

而且热泵是取低品位热给它抬高,产生高品位热量,这时候既然它这热都没随产品走,最后它都排出来了,那么好好的回收这些余热,把它当做热泵的热源,这时候就可以实现高效的通过热泵提供热量。

高效的热量制备这事,这是都具备这种条件跟资源,所以这是我们热泵该进军的,非常重要的领域。

第二个化工生产过程。

我对化工生产一点不懂,但是你给我讲像是乙烯,每吨乙烯就得1G焦耳的热量,得给它怎么加热,这都是化学化工主任跟我讲,好像我原来以为这都是生产原料什么的,你不用化石能源,不用天然气不行,人家说其中大概一半多不是为了当原料用,就是为了加热。

那么加热有时候又产生出大量的低品位余热,用100℃的热,最后它出40~50℃的热量又排了,所以化工企业有大量的冷却塔不断的排热。

咱们热泵就得好好利用这热量,别被冷却塔排走,取回来后再提高温度,又回到工厂工业生产过程中去,这多好。

所以在化工领域,热泵一定是大有作为,太多的这边用高温的热,那边排稍微温度低点的热给排出来,甚至还得那边还要制冷,你把这些过程跟热泵合起来,这能给把化石能源都替代了,解决咱们电动热泵高效的事儿。

这是化工领域生产过程的应用。

机械生产过程,机器制造等很多工艺热处理比如电镀、喷漆等,我看这时候也都需要热,同时,因为它不是太多的化学过程,所以它后来也要把一些低温余热排出去,这时候通过热泵把这排的低温余热给它提起来,供这边也挺重要的。

再就是工业窑炉的应用也是大有可为,玻璃陶瓷,包括一些烧结工艺,都是工业窑炉应用范畴。

那么,这时候这些东西温度很高,需要上百度甚至上千度的温度。

有人说这么高的温度热泵就玩不转了。

的确,热泵是不能直接提供这么高的温度,但是你看整个的加热过程,它前面有这个冷风进入,得把空气预热,然后那边就排出热风,那么你要是都给它变成电加热的话,前面这冷风也拿电加热,可就不是加到几百度上千度的热量,而是在常温下一点点加,这加热过程应该热泵完全能够胜任。

从哪取热?从排的风那取热。

所以在玻璃、陶瓷这种窑炉里头拿热泵做两头,排风、取热、预热、进风,能够省上1/3,说这省上更多的中间的电加热,这就可以对节能起很大作用,所以在这些窑炉里头,热泵也不是没事干,也可以好好的发挥起作用。

那么工业过程除了加热之外,还有干燥,干燥过程更是需要用热泵了。

当然这不仅仅是工业生产,农副产品加工,也要干燥。

山西某辣花椒产地,每年一到花椒加工干燥季,电力供应都紧张,如果使用热泵则可解决花椒干燥缺电的问题。

包括工业生产过程,我知道一个企业做印刷,彩色印刷应用热泵。

彩色画的干燥过程用了热泵,效果特别好,质量提高,降低能耗。

干燥过程不光用在这高级东西上,吃的,用的,连低级东西,像污泥干燥,泥煤重新给它变成可烧的这么煤块,这些干燥过程也可以通过热泵一边加热一边回收排放的余热,这都有很大的效益,都是有很大的需求。

那么这类东西的特点都是干燥过程都得需要低温余热,低温余热在哪儿?正好是你干燥那排的热湿空气,你给它回收回来,就成为热泵很好的低温热源了。

当然也还有那种问题,说烘干是该加上热风,还是该直接加热被干燥的物料,这个理论能分析的清楚,希望让它干燥的物料直接加热,效率要高得多。

但是换热的关系,怎么拿热泵去把这热量输出给它,直接对上被干燥的物料,这里边都有好些创新,好这个窍门来仔细去做去。

然后还有好些新的领域出来,非常典型的就是数据中心。

现在咱们说抓新基建,新基建大量的4G、5G基站。

5G是电老虎,那么这些电都哪去了?最后都变成热量的形式出来了,芯片不能存电,所有50℃、40℃、30℃的余热白白浪费了。

有资料显示,数据的行业一年用电量就要达到2000亿度电,2000亿度电,这可是7亿GJ。

7亿GJ是什么概念?我们中国未来北方城市建筑供热有50GJ就够了,这7亿GJ它占它能提供1/7,你要把这块热量都给收回来,1/7建筑采暖热量就够了,省下多少大锅炉。

而且现在整个的趋势是什么?就是数据中心为了节能,不断的提高冷却水的温度,以前是7℃、10℃,现在是已经是15~20℃,进供水15℃,回水20℃,在温度下都能满足它的冷却要求了。

而热风从机柜里头排出来大概都比30℃高了。

它要求的温度下排热,那么已经适合使用热泵做低温热源了。

所以一头制冷一头制热,这时间不长,很快。

通过用两头一边给这个数据中心提供低温的冷源,那边就出热,解决咱们供热要求的热量,这是一个很重要的领域了,应该是该好好动脑子了。

此外,再小一点,各种洗浴中心,集中区域分散区域生活热水、排水,这水脏了最后都是温的,20多度甚至还更高,但这些中低温水都被排到下水管了,造成严重的浪费,应该把这部分的热量回收起来,用它去满足热水升温的要求,这又是一个特别重要的一个领域。

比如说,我生活热水要制备45℃的热水,我现在那儿大量排着25℃用完了的脏水,我要把这脏水给它冷却到10℃,能提出15℃热量来,15℃热量,我本来是要这个是45℃的,比如说也是自来水15℃自来水加热到45℃,那么15℃要加30℃,这儿我已经能够提出15℃,热泵完全可以实现这样的功能。

所以回收各种洗浴、生活热水排水的热量,来解决生活热水制备问题,应该以后变成常态,大规模的都应该这么做。

只要有水有热量的地方,就有余热排出,有效的回收各类余热,解决热泵的低温热源问题,这是我们应该好好考虑,在各个应用环节考虑这东西的事儿。

随着零碳低碳的能源的发展,别看现在缺电,以后相对来说,电的价格会降低,什么会涨价?燃料成珍贵的了,成宝贝了,因为煤啊、气啊都不许用了,就剩点生物质能源了,所以燃料必然会升值,成了珍贵的东西。

燃料一升值,余热就成了特别重要的资源了。

所以以后余热成了非常重要的资源,好好挖掘,好好利用。

热泵就成了利用这些余热资源最好的手段。

按照前面的分析,大概我们热泵在各个领域里担当的任务是这样的:

在建筑领域现在建筑一年排直排的是6亿吨二氧化碳,热泵能替代3.5亿吨,我说的直接排放的不包括电力。

供热的集中的间接排放的一年是5亿吨,热泵大概能替代1~1.5亿吨二氧化碳。

工业生产中非工艺过程的碳排放都是为了烧火,为出热的,一年是25亿吨,有些东西热泵不好替代,热泵能替代多少?能替代10亿吨二氧化碳。

这儿都合起来,那要是好好把这热泵用好了。

这市场一年就是说有每年15亿吨二氧化碳排放的减排效果。

中国现在大约是一年排放100亿吨二氧化碳,其中有小40亿吨都是电力系统。

那么我们要把这100亿吨拿来看,通过热泵能给国家减排或者说碳中和大目标能做出多大贡献?按照上述的数值就是15%的贡献。

这样相当厉害了,咱们这一个行业能为国家的大战略目标贡献15%,应该是很重要的一个实现碳中和的生力军。

现在中国的电力生产排40亿吨的话,建筑直接排放和用的热力11亿吨,交通大约是8亿吨,然后工业里边的工艺过程是10亿吨,非工艺过程燃烧25亿吨,这是100亿吨。

咱们热泵用好了,能把其中的15%给它干掉,这就是咱们可以干的,有能力干的这事儿!

要完成这些重大的任务,这是光荣的使命跟责任。

那么,对热泵就提出好些新挑战。

比如说,能产生高温吗?因为有些工业应用要这种温度下的东西。

如果低温热源是20℃,COP应该能达到2以上。

以前说2不行,现在刚才我讲了2也节能,这时候该怎么做?用哪种技术?双级压缩?用什么循环工质是吧?可以产生蒸汽吗?必须要2公斤到4公斤的蒸汽,满足工业和民用的要求,这时候也是取20℃的低温热源,COP可以达到1.5,可不可以?

像上海王如竹教授的团队研发的在低真空下闪蒸加热之后出低压蒸汽,然后蒸汽压缩机把这蒸汽给绝热给压到你要求的压力去,这就出来了。

整个过程就跟蒸汽轮机发电很相近,跟咱们原来的发电反着走。

发电是高压蒸汽进去,绝热膨胀发出电来,然后剩了低真空蒸汽冷凝器冷凝,把热量排在冷空气里头成水了。

现在把水收过来先加热,从低温热源取热,取热之后闪蒸,闪蒸经过热泵,把温度提高,经过咱们的常规热泵提高点,从低温热源那取热,然后闪蒸变成低压蒸汽,然后拿蒸汽压缩机一压,压出要求的压力来,整个过程跟发电的过程反着的,这也解决蒸汽要求,所以这一领域挺重要。

热泵还是离不开低温热源。

那么在哪去找低温热源?还是老话题,开发各类余热资源,排烟、排风、排水,包括有些冷却水,只要比大气温度高,都是好东西,从这些资源取热总比从空气里取热合适。

再则现在发展的开发利用的中深层地热,把这井一下打2000米、3000米下去,然后管道下去再转回来,水在管里走,取热不取水,不会给地下环境带来任何影响,但是把地里那点热能取上来,能取出30℃甚至于40℃的热量,这还不能满足工艺要求怎么办?再通过热泵进一步提温,达到所要求的50℃、80℃热水,甚至于蒸汽。

但开发中浅层地热需要向相关部门申请,有时候没条件的话,但是旁边有江河湖海,也还是可以取江河湖海的常温水的热量,夏天20℃、30℃,冬天甚至在10℃以下,这些东西通过热泵也可以提取它的低温热,然后解决咱们热量需求问题。

但是所有这些东西总是有各种各样的限制条件,不是都适合,而空气源应该是放之四海都能用的东西。

所以空气源还是适应性最广的低温热源,但是对机组的技术要求更大,有很多难点需要去克服。

刚才说的是热泵本身的发展,再就该回到我刚才说那话了,怎么让电动热泵参与电网的峰谷调节,为电网移峰填谷做贡献。

比如说生活热水制备,可以在不用热水的时候把水箱的水弄热,所以挑低谷电多的时候用,或者光电风电多的时候,电网电富裕的时候来用,这是未来一定是特别重要的题目。

那么热泵除了蓄热水箱,比如制这50℃左右的热量,现在国内也已经有企业搞相变储能的蓄热水箱,不是蓄热水了,是把热量蓄在材料,然后反过来持续建筑供热。

按照需求侧响应模式来运行热泵,可以为电网向移峰填谷,增大风电光电的消纳能力做出贡献。

而且现在电力部门研究也认可了,这个热泵如果能够严格的在电网调度下,按照需求的响应模式运行,就可以认为我是在使用绿电。

为什么?它可以是调动你,现在风电来了,你开,我现在太阳没了,我没光电了,你停。

严格在我的指示下什么时候开,什么时候停,保证你一天用电总量跟你需求量一样,就不影响你工作效果,但是都是挑着有绿电的时候开着,这时候就能认为你是绿电供暖,所以就实现了供暖零碳了。

这样的方法跟刚才说的电化学、储能、抽水蓄能各种空气压缩系统等等比,跟他们比成本要低的多,收益要大的多,所以这是一个重要领域,未来会好好发展的。

应用热泵的时候还应注意很重要的一点,宜分散不宜集中,因为电动热泵的功率不用太大,不要说规模越大越效率高,任何一个东西规模大到一定时候,就到了最高效率了,进一步增加不一定增加效率,甚至还降低效率了。

对电动热泵来说,上限就是两兆瓦左右,就是这数就行了。

所以再做大,你服务面就广了,你额外会增加输送能量,所以热泵技术是最适合分散、分布方式来提供热源的技术,希望大家在做实际工程里边一定坚持这个原则。

最后作为总结,我觉得热泵在低碳能源转型发挥非常重要的作用:推进全面电气化;解决提供各种热源,包括提供蒸汽来替代燃煤燃气锅炉;回收各类余热;为电网削峰填谷;解决低碳能源结构燃烧燃料不足问题,提供电力燃料。

这些都可以发挥巨大作用,不断的科技创新,根据更大的市场需求会产生出更多更巧妙的应用,使热泵在未来低碳能源转型的能源革命中发挥起更重要的作用。

随着热泵的全面推广,热泵用在不同的地儿、不同领域,也会产生变化和进步,所以可以整体的促进工业界、建筑业各个领域的技术,促使技术进步。

这就是热泵在这里边可以起的作用。

谢谢大家!


版权:2021中国热泵行业年会由中国节能协会主办、中国节能协会热泵专委会承办。

本文为江亿院士视频演讲的部分文字实录,本微已获授权发布。

根据会议录音整理,未经作者本人审阅。

如有纰漏,以原视频为准。

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