江亿院士：热泵解决余热资源利用供需温度不匹配难题

　　目前，全国能源领域都在努力朝着零碳方向迈进。而供热是能源消耗大户，减排形势严峻。特别是在建筑运行领域，供暖碳减排的增长空间巨大。中国工程院院士江亿认为，必须实现由化石能源供热向零碳供热转型。而要实现这种转变，多种低品位余热资源是最好的零碳热源。

 

　　01、中国石油石化：江院士，您好！在“双碳”背景下，您认为未来我国的能源系统应如何向零碳方向迈进？

　　江亿：现如今我国能源系统的特点是通过燃烧化石燃料产生热能，一部分用于工业、商业以及居民的供热，另一部分以热发电。也就是说现在是“燃料先出热后出电”的顺序。

 

　　为实现碳达峰、碳中和，全国能源领域都在努力朝着零碳方向迈进。我认为，发展清洁电能，推动能源系统从以燃煤、燃油、燃气为主的碳基化石能源结构，转变为以核电、水电、风电、光伏等可再生能源为主的零碳结构，无论是进行供电还是供热，都要完美解决原先能源生产和转换过程中产生的碳排放等污染问题。

 

　　供电方面，可再生能源中80%的品类是直接产生电能的。为了保证电力安全和调峰的需要，还需要保留一半左右的火电，但这些火电的年运行小时数会大大减少。火电发电过程会排放二氧化碳，这可以采用CCUS（二氧化碳捕集、利用与封存）技术回收烟气中排放的二氧化碳，使其成为未来低碳化工的原材料。

 

　　供热方面，全社会对热有很大的需求。统计数据显示，目前，北方城镇建筑冬季供暖面积约160亿平方米，需要50亿GJ热量；供应生活热水需要5亿GJ热量，供应商业设施热水和蒸汽需要5亿GJ热量，轻工业和机电产品生产过程用热约70亿GJ。各种用热需求量总计达130亿GJ，折合约5亿吨标准煤。为满足这些供热需求，现在主要是热电联产，有的是区域锅炉房用化石能源燃烧供热，农村甚至是散煤供热，导致大量PM2.5、二氧化碳排放。

 

　　02、中国石油石化：怎样获得零碳热源呢？

　　江亿：工业和建筑需要的热量是中低品位的热量，温度范围在50℃~160℃。比如纺织、印染、皮革、造纸、食品、制药、干燥等所需的热水和蒸汽温度在70℃~130℃。如果这些所需的热量由电力供给，直接电热130亿GJ热量需要4万亿千瓦时电力。

 

　　2021年全国总用电量8.5万亿千瓦时，电热就占了将近一半。如果采用空气源、土壤源、水源及其他电动热泵，能效比大大提高，但依然需要约1.3万亿千瓦时电力，也是电力供应的很大压力。例如，我国冬季是枯水期，水电冬季径流量仅为夏季的40%；冬季日照时间短，光电在冬季日照时数不到夏季的60%。而冬季正是热量需求的高峰期，这就在供与需之间形成很大矛盾。

 

　　反过来，可以找到大量的低品位热源，满足上述供热需求。例如，目前我国核电装机容量2亿千瓦，发电量1.5万亿千瓦时，而全年排放的热量达到70亿GJ；调峰火电装机容量6.5亿千瓦，发电量1.5万亿千瓦时，全年排放的热量也达到70亿GJ；流程工业（冶金、有色、化工、建材）需要燃料7亿吨标准煤，排放热量50亿GJ。现在很多余热都直接排放掉了，不仅没有加以很好地利用，而且造成了热污染，还消耗大量的水资源。这也是我国工业用水的主要用途。要是能把这些热量都用起来，就足以满足用热需求。因此我认为，要想实现由化石能源供热向零碳供热转型，应利用好低品位余热资源。

 

　　三大关键

　　01、中国石油石化：根据您的观察，利用低品位余热资源存在哪些难点？

　　江亿：利用各种余热资源进行供热，存在三大关键问题。一是全年产生的余热总量可以满足全年的热量需求，但热量产出与热量需求在时间上严重不匹配。比如，供暖用热集中在冬季，但余热产出并不集中在冬季。二是热量产出与热量需求在地理位置上的不匹配。余热资源目前大多远离城市负荷区。如何经济高效地把热量输送到热负荷的位置是需要解决的问题。三是各类余热热源输出的热量品位不同，而各类热量需求要求的温度范围、品位也不同。

 

　　02、中国石油石化：这些现实问题如何解决？

　　江亿：可以通过建设大型跨季节储热，解决时间不匹配问题。近十年来，欧洲尤其是北欧大力研究开发大规模跨季节蓄热，多种技术方案都进行了深入的技术经济分析和实验。比如，相变蓄能在经济性、体积上无法满足要求，地下埋管换热、地下直接蓄热水都会使温度品位损失过大。

 

　　目前，大型热水池加保温盖是技术经济性能最可行的方式。大规模跨季节储热不可能完全开挖，需要寻找合适的地理条件。比如利用沟、谷、塘、地下进行整修，加浮盖后上方可开发太阳能光伏。这可能会面临土地资源问题，但是建水库解决用水、防洪、发电可以占用土地，蓄热水库可实现低碳发展，解决热源问题，同时也能利用表面进行光伏发电，为何不可？进行环境评价后建蓄热水库，并进行综合开发利用，政府部门应予以支持。

 

　　跨季节储热供热的收益将很可观。回收全年的余热，避免春、夏、秋季热量的浪费，可以使一份余热资源起到两份、三份的作用。热量回收、输送的装置、系统能够全年利用，从而缩短投资回收期。建筑冬季供热、工业生产用热都会大范围波动。无蓄热装置时，必须按照可能的最大负荷安排热源和输配功率。而有了蓄热装置后，可以使系统容量减少到原来的1/2~1/7。通过蓄热还可使热量供给的可靠性大幅度提高，保证民生。而对于热源来说，供热系统又是其冷却系统。大容量蓄热装置可以提高热源冷却的保证率。跨季节储热虽然成本高，但远低于储氢、储电、储水发电、储高压气等储能方式。

 

　　通过发展长距离经济输热，可以解决空间不匹配问题。近年来在这个方向上有了很大突破。对于大规模输热，当输热量大于120万千瓦时，如果有免费的余热资源，100公里的输送距离的成本要低于当地的燃气锅炉供热，200公里的输送成本要低于当地的燃煤锅炉供热。据测算，在100公里半径范围内，我国70%的各类需热侧（如城市、工厂）可以找到合适的热源；在200公里半径内，全国各地都可以实现热量供需之间的平衡。现在保温材料的进步和局部冷桥的处理使得管道散热降低，管径越大、流速越高，相对的热损失越小。大温差输热技术，供回水温度从120℃~60℃发展到120℃~20℃，使同样流量下热量提高70%，显著改善了经济性。单管水热同送，成本进一步降低一半。

 

　　通过采用热量变换器，可以解决供需温度不匹配问题。余热来源多，用热需求不一，可以建设余热资源共享的多热源多热汇系统，将调峰煤电厂、核电余热、流程工业余热等热源联至区域热网，提供给建筑供暖、工业用热等，或进行跨季节储热，形成多热源、多用户的跨区域供热网。当需求侧和供应侧平均温度有足够的温差但换热两侧流量差别太大时，可采取从小循环流量向大循环流量传输热量的吸收式换热。热源的平均温度低而热汇的平均温度高时，可依靠电动热泵实现温度品位的提升。类似电力的变压器，可实现热量在不同温差范围间的变换。

 

　　前景可期

　　江亿：目前我国利用余热供热已经有了不少很成功的实践。

 

　　从上世纪80年代开始，我国长距离经济输热的距离不断延长。上世纪80年代引入石景山热电厂热量为城区居民供热，输热距离23公里。后来，从河北三河热电厂引入热量向通州供热，输热距离30公里；从涿州热电厂引入热量向北京供热，输热距离50公里。

 

　　太古—太原长输热工程是目前世界上已投运规模最大的长输供热工程。回收古交电厂乏汽余热为热源，敷设4根直径1.4米的供热管线，7次穿越汾河，穿山修了10余公里的隧道，全长50公里，全程温降不超过1℃。构建了六级泵循环加压工艺，实现了长输侧直连高差180米的热网安全经济运行。自2016年采暖季运行以来，实现供热面积7600万平方米，开创了大规模电厂余热利用和远距离输热的先河。

 

　　位于山东胶东半岛的海阳核电站“水热同产同送”科技示范工程项目，取低压缸抽汽，经换热为120℃~100℃热水。以热水为动力，通过多效蒸馏、多级闪蒸两套独立的海水淡化装置，每小时生产95℃热淡水8吨，然后用80mm单管输送热淡水至9公里外的核电专家村。在专家村用吸收式换热器把热淡水冷却至20℃，进入淡水系统，热量成为建筑供热和游泳池加热热水的热源。实测热效率82%，每吨淡水耗电量仅1.5千瓦时。该示范工程属于世界首创，通过对核能进行先发电、后制水、再供暖的三级高效利用，首次实现了在零碳供热的同时零能耗制水，从源侧将水、热同步产出与供给。热量的经济输送距离与输送管道的直径成正比，所以如果采用1.6米直径的管道大规模输热水，输送距离就是这个项目的20倍，也就是180公里。

 

　　胶东半岛海阳、荣成、招远三大核电基地未来装机容量0.3亿千瓦，全年运行8000小时，跨季节储热可提供热量10亿GJ，可为这一地区建筑供暖和工业生产提供所需要热量的60%，可为胶东半岛每年提供45亿吨淡水，为目前人均淡水量的60%。若进一步利用储热池通过热电协同方式解决电力调峰问题，通过核电综合利用，胶东半岛就可以成为零碳半岛。

 

　　利用核电余热为制造业提供生产用热存在诸多的可能性。例如，浙江绍兴柯桥是重要的轻纺印染基地，目前大量生产用热依靠燃煤热电联产电厂。可以利用秦山核电站的余热，通过80公里循环热水管网输送到柯桥，利用专门的热量变换装置从循环水中提取热量，制备成生产需要的蒸汽或热水。苏北赣榆区工业园目前是利用燃煤热电联产电厂提供蒸汽。可以利用连云港田湾核电站余热，通过蒸汽/循环水输送，在终端变换为需要参数的热量。福建福清核电站可输送余热，为江阴工业园和东峤工业园供热。

 

　　02、中国石油石化：为促进余热利用，实现零碳供热，您有哪些建议？

　　江亿：我国发展零碳余热系统有很好的条件。国内各省正在建大热网，而且已具备丰富的热电联产经验。好多电厂都实现了热电联产余热的深度回收，也有大量工业余热回收的成功案例。相关的关键设备和技术现在都已具备，基于各种低品位余热的零碳热源系统应作为建设零碳能源系统的主要任务之一，应全面采集利用各个环节排放的低品位余热，珍惜一点一滴。

▲仪征化纤公司PTA部余热发电项目

已累计并网发电突破1亿度。

 

　　当然还有些关键技术、政策需要进一步完善。建议着力解决大规模跨季节储热、热量的长距离经济输送以及不同温度范围、不同品位热量之间的变换三大关键技术。建议建立系统的政策机制，包括相应的土地政策、按照温度品位确定热量价格的方法，以及向环境排放热量者应承担环境热污染的责任等，支撑新的零碳热源系统的建设，满足百姓生活和工业持续发展需要。