【內(nèi)容簡介】

　　上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所王如竹教授領(lǐng)銜的能源-水-空氣ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源環(huán)境類頂級期刊Energy & Environmental Science上發(fā)表題為“Heat pumps as a sustainable bridge for global heating and cooling at multi-scale”的觀點(diǎn)論文。該論文探討了熱泵技術(shù)在全球供熱和制冷中的可持續(xù)應(yīng)用，尤其強(qiáng)調(diào)熱泵在熱能綜合利用中的核心作用。論文指出了熱泵在不同規(guī)模和應(yīng)用場景下的潛力，提出了從單個(gè)設(shè)備到熱力網(wǎng)絡(luò)的熱泵多尺度利用策略，并通過一系列實(shí)例指出如何將熱泵技術(shù)深度融入到未來能源系統(tǒng)中，從而進(jìn)一步提高綜合能效。此外，研究還提出了對熱泵技術(shù)的跨學(xué)科研究方法，建議改善現(xiàn)有運(yùn)營模式，以進(jìn)一步推動(dòng)熱泵技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)熱能利用重構(gòu)。上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所博士研究生閆鴻志為論文第一作者為，王如竹教授為通訊作者。

　　【論文內(nèi)容】

　　隨著可再生能源的加速部署和終端用能的電氣化，全球熱泵市場正迅速擴(kuò)大。國際能源署預(yù)測，到2030年，全球熱泵安裝量將超過6億臺(tái)，滿足超過20%的全球供熱需求。值得注意的是，熱泵在供熱的同時(shí)還產(chǎn)生制冷效果，家用熱泵的性能系數(shù)（COP）通常在3到4之間，據(jù)此估算，到2030年，熱泵帶來的冷負(fù)荷將超過1600GW。因此，有效利用熱泵的制冷負(fù)荷變得同樣重要。

圖1. 全球冷熱負(fù)荷潛力與典型場景冷熱負(fù)荷時(shí)間分布特征

　　目前，全球區(qū)域供暖需求是區(qū)域供冷需求的五倍多，預(yù)計(jì)隨著空調(diào)技術(shù)的普及，到2050年，區(qū)域供冷需求將超過供暖需求。此外，工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量熱量，經(jīng)常因?yàn)槿狈τ行У幕厥蘸屠茫缰苯油ㄟ^冷卻塔排放，造成熱能浪費(fèi)與水資源消耗。鑒于供熱和制冷需求的巨大體量，熱泵技術(shù)在這兩方面都具有極大的應(yīng)用潛力。然而，冷熱負(fù)荷在時(shí)間和空間上分布不均勻，這就要求對熱泵的應(yīng)用進(jìn)行精密規(guī)劃和部署。為了最大化地發(fā)揮熱泵在供熱和制冷方面的雙重功能，需要從單個(gè)設(shè)備到整個(gè)行業(yè)，乃至跨區(qū)域熱網(wǎng)的層面上，全面優(yōu)化熱泵的應(yīng)用策略。

圖2. 熱泵技術(shù)的多尺度利用策略

　　基于上述考量，研究提出采用多尺度熱泵利用策略：在設(shè)備層面，熱泵可根據(jù)季節(jié)變化集成不同的功能，例如在冬季滿足供熱外，可與冷柜、冰箱等冷需求集成。在夏季除空間冷卻外，熱泵可同時(shí)滿足熱水生產(chǎn)等高溫需求。此外，熱泵還可以結(jié)合儲(chǔ)熱技術(shù)進(jìn)一步提升耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能效。通過將熱泵與特定材料結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)如制冰、除濕、取水和CO2捕獲等多功能應(yīng)用；在多部門協(xié)同層面，熱泵可通過重新分配熱量與冷量，提高能源效率。例如，將超市冷卻需求與附近住宅的供暖需求集成，或利用數(shù)據(jù)中心冷卻產(chǎn)生的熱量作為區(qū)域供暖的基礎(chǔ)。在工業(yè)中，熱泵可用于多溫度加熱和冷卻處理的工藝情景；熱泵還可以進(jìn)一步整合到跨區(qū)域熱能利用場景中，此時(shí)熱泵可結(jié)合循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行冷熱負(fù)荷的再分配與終端調(diào)節(jié)，即第五代區(qū)域供暖和制冷（5GDHC）模式。此外，熱泵還可結(jié)合移動(dòng)式儲(chǔ)熱技術(shù)拓展其應(yīng)用區(qū)域。

圖3. 熱泵跨學(xué)科研究

　　為確保上述戰(zhàn)略部署的實(shí)施，跨學(xué)科研究在熱泵技術(shù)整合及宏觀脫碳框架中尤其重要，特別是在多尺度應(yīng)用和大規(guī)模部署方面。目前，這一領(lǐng)域面臨著數(shù)據(jù)收集和模型驗(yàn)證的挑戰(zhàn)，也存在對實(shí)際應(yīng)用復(fù)雜性考慮不足的問題。文章強(qiáng)調(diào)，高分辨率的地理空間分析至關(guān)重要，需精確識別熱能需求的時(shí)間、地點(diǎn)和規(guī)模。此外，后續(xù)研究應(yīng)充分考慮社會(huì)、環(huán)境以及能源和碳交易價(jià)格等因素的未來變化，進(jìn)一步將熱泵潛力的最大化嵌入到脫碳路徑框架中。

　　文章最后部分討論了涉及熱泵應(yīng)用的各個(gè)利益相關(guān)方，以及運(yùn)營模式的過渡和協(xié)調(diào)問題。它指出了僅依賴自下而上模式的局限性，提出需要政府部門的自上而下介入來實(shí)現(xiàn)熱泵規(guī)模化應(yīng)用。例如， 需要戰(zhàn)略性地組織各用熱部門，利用熱泵協(xié)調(diào)工業(yè)與建筑間的冷熱需求。在商業(yè)模式方面，大型公司的熱力購買協(xié)議將有助于規(guī)模化利用。總結(jié)而言，盡管目前熱泵的銷量最近激增，考慮到未來碳中和愿景，多尺度的熱泵利用策略、跨學(xué)科研究，以及運(yùn)營模式的轉(zhuǎn)變，對于可持續(xù)的供熱和制冷至關(guān)重要。