熱泵在開(kāi)發(fā)可再生能源領(lǐng)域的作用及其貢獻(xiàn)率的計(jì)算方法

馬一太 代寶民

(中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 熱能研究所 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300072)

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熱泵在開(kāi)發(fā)可再生能源領(lǐng)域的作用及其貢獻(xiàn)率的計(jì)算方法

馬一太 代寶民

(中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 熱能研究所 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300072)

熱泵是可再生能源的“開(kāi)采機(jī)械”，可以用一份電能或機(jī)械能，得到數(shù)倍的可再生能源，是重要的節(jié)能和環(huán)保技術(shù)。隨著我國(guó)能源需求劇增和電力工業(yè)的快速發(fā)展，需要提高我國(guó)可再生能源的比例，熱泵技術(shù)有著極其重要的作用。本文介紹了歐盟把熱泵技術(shù)列為可再生能源的政策，進(jìn)而說(shuō)明了我國(guó)相應(yīng)的政策。通過(guò)對(duì)我國(guó)燃煤電廠的發(fā)電效率和電網(wǎng)的輸電效率的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出熱泵是獲得可再生能源的一種技術(shù)。文中提出了我國(guó)熱泵一次能源倍數(shù)α和可再生能源貢獻(xiàn)率β兩種計(jì)算方法供業(yè)內(nèi)參考。由于電廠的煙氣排放指標(biāo)遠(yuǎn)比一般燃煤鍋爐嚴(yán)格得多，用熱泵代替燃煤鍋爐可改善大氣質(zhì)量。因此本文建議把熱泵可再生能源貢獻(xiàn)率的計(jì)算方法寫(xiě)入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)我國(guó)熱泵制造產(chǎn)業(yè)，大力推廣熱泵節(jié)能技術(shù)。

熱泵；可再生能源；一次能源利用率；SPF；可再生能源貢獻(xiàn)率

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和工業(yè)化、城市化進(jìn)程的推進(jìn)，制冷空調(diào)和采暖的需求迅速增加。大約有30%的總化石能源消耗于空調(diào)、采暖和熱水供應(yīng)。尤其在冬天，我國(guó)很多地區(qū)主要靠燃煤鍋爐或小爐灶供暖，造成能量利用的浪費(fèi)及持續(xù)霧霾等嚴(yán)重的環(huán)境污染。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)各種供熱和冬季供暖需求不斷加大，如何高效低污染的利用以煤炭為主的化石能源，加強(qiáng)低品位可再生能源的利用是國(guó)家的重大戰(zhàn)略需求。

我國(guó)《可再生能源法》[1]規(guī)定：可再生能源，是指風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等非化石能源。在第四章“推廣與應(yīng)用”中指出 “國(guó)家鼓勵(lì)和支持可再生能源并網(wǎng)發(fā)電”。也規(guī)定 “國(guó)家鼓勵(lì)單位和個(gè)人安裝和使用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、太陽(yáng)能供熱采暖和制冷系統(tǒng)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽(yáng)能利用系統(tǒng)”。這說(shuō)明，我國(guó)對(duì)可再生能源的利用，有兩種主要方式，一是發(fā)電，二是熱利用。

運(yùn)用熱泵技術(shù)可以高效地開(kāi)發(fā)利用可再生能源。例如，在電廠燃燒1噸煤來(lái)發(fā)電，將電能通過(guò)遠(yuǎn)距離輸電輸送到目的地驅(qū)動(dòng)熱泵供熱，其供熱能力多于在當(dāng)?shù)厥褂萌济哄仩t燃燒同樣煤的效果，多出來(lái)的熱量，來(lái)自環(huán)境的低品位能源。由此可見(jiàn)熱泵技術(shù)在節(jié)能和環(huán)保方面的意義。

開(kāi)展熱泵技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，可以帶動(dòng)我國(guó)制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整， 消耗具有過(guò)剩產(chǎn)能的鋼鐵和有色金屬，以熱力學(xué)循環(huán)制熱替代煤油氣的直接燃燒放熱，實(shí)際是通過(guò)技術(shù)和材料高效率地?fù)Q取能量和解決環(huán)境污染的最終解決方案。本文論證了熱泵在開(kāi)發(fā)可再生能源、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排過(guò)程中的重要作用。

1 國(guó)外在可再生能源方面的進(jìn)展

可再生能源受到世界各國(guó)的重視。2004年，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和法國(guó)可再生能源發(fā)電量占總發(fā)電量的比重分別為1%、8%、4.3%和6.8%；到2010年分別達(dá)到7.5%、20.5%、10%和22%；到2020年將都提高到20%以上；到2050年，德國(guó)和法國(guó)可再生能源發(fā)電將達(dá)到50%[2]。

歐盟已經(jīng)認(rèn)定所有熱泵技術(shù)，包括空氣源熱泵都是可再生能源技術(shù)。有關(guān)法規(guī)見(jiàn)表1。歐盟在2009年通過(guò)法令將空氣源熱泵納入可再生能源技術(shù)范圍。在2009/28/EC[3]第二章中將可再生能源范圍認(rèn)定為“各種可再生非化石能源，比如風(fēng)能、太陽(yáng)能、空氣熱能、地?zé)崮?、水熱能和海洋能、水能、生物質(zhì)能、沼氣、垃圾填埋氣、污水處理廠天然氣”。其中空氣熱能被定義為“在環(huán)境空氣中存在的能量”。

表1 歐盟相關(guān)法規(guī)政策[4]

在2009/28/EC[3]中的附件7(Annex VII)中，設(shè)定了對(duì)于空氣源熱泵的最低要求即季節(jié)性能系數(shù)(Seasonal Performance Factor, SPF)：

(1)

式中：η為一次能源轉(zhuǎn)換電能的效率。

一次能源轉(zhuǎn)換電能的效率數(shù)據(jù)來(lái)源于每年的歐盟統(tǒng)計(jì)年報(bào)(EUROSTAT)。根據(jù)一次能源轉(zhuǎn)換電能的效率，歐盟統(tǒng)計(jì)年報(bào)顯示其值越來(lái)越高，這對(duì)納入可再生能源的空氣源熱泵的能效要求反而越來(lái)越低，入門(mén)SPF值一般在2.5～2.6之間，如表2所示。

表2 歐盟熱泵納入可再生能源范圍的SPF計(jì)算[4]

歐盟熱泵所提供的可再生能源總量計(jì)算公式如下：

(2)

Qusable=HHP×Prated

(3)

式中：Qusable為預(yù)估的熱泵產(chǎn)生的總可用熱量，GWh；HHP為等效滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h；Prated為熱泵的裝機(jī)容量，GW。

這種貢獻(xiàn)率的算法很直觀，熱泵從環(huán)境抽取的熱量即可再生能源，可是歐盟的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定只要和電能相比多出來(lái)的能量，就是可再生能源。

2 可再生能源占一次能源的消費(fèi)比例

由于化石能源的不可持續(xù)性，以及化石能源在燃燒應(yīng)用中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染，人們?cè)絹?lái)越重視可再生能源的使用。能源中非化石能源的比例代表了能源結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性。

我國(guó)可再生能源占一次能源的消費(fèi)比例可按照以下公式計(jì)算：

(4)

在統(tǒng)計(jì)計(jì)算中，任何能源，無(wú)論是發(fā)電或直接熱利用，都要轉(zhuǎn)換成一次能源的標(biāo)準(zhǔn)煤?？稍偕茉窗l(fā)電相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)煤，可以用統(tǒng)計(jì)年份全國(guó)燃煤電廠的平均效率來(lái)計(jì)算。我國(guó)國(guó)土幅員遼闊，由于能源技術(shù)的不斷進(jìn)步，在可再生能源的比例中，目前可能還存在統(tǒng)計(jì)是否全面和計(jì)算是否準(zhǔn)確的問(wèn)題。

我國(guó)政府宣布可再生能源比例2013年的數(shù)字為9.8%，2020年計(jì)劃達(dá)到16%，2030年將達(dá)到20%[5]。要注意這個(gè)比例是分子和分母都增加，分母增加很快。例如2013年我國(guó)的能源消費(fèi)總量是36.7億噸標(biāo)煤，到2020年、2030年能源消費(fèi)總量可能分別達(dá)到45億噸、50億噸的水平。因此，可再生能源的絕對(duì)數(shù)量也要隨著增加。

3 熱泵對(duì)低溫可再生能源的開(kāi)發(fā)

可再生能源是一次能源，同時(shí)具有不同品質(zhì)，風(fēng)能、水能屬于機(jī)械能，可直接轉(zhuǎn)換為電能。而在環(huán)境空氣中的熱能，或各種水源中(淺層地下水、河水、湖水、海水等)的熱能、淺層土壤熱也是可再生能源，只是這些能源品位過(guò)低不能直接利用，需要通過(guò)熱泵技術(shù)提高溫度加以利用。

在建筑能耗和工業(yè)用能中，有相當(dāng)一部分是低溫?zé)崮埽绮膳?、熱水、干燥等。房間采暖不需要很高的溫度， 常規(guī)冬季取暖室內(nèi)溫度略高于18 ℃，一般維持20～22 ℃就很好。如果用燃燒方式采暖，燃燒溫度可達(dá)1000～2000 ℃，用來(lái)給20 ℃的房間供暖是最不合理的方式。生活熱水一般需要40～60 ℃，很多賓館飯店用燒煤、燒油或氣的鍋爐來(lái)生產(chǎn)熱水，如果采用熱泵生產(chǎn)熱水或回收制冷的冷凝熱，都是合理的方式。

熱泵不僅可以節(jié)能，還帶來(lái)環(huán)保的效果。由于熱泵不用燃燒方式，可以大大減輕城市大氣污染。熱泵用電能驅(qū)動(dòng)，電能可以高效率、方便地進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)。在很多情況下，熱泵也不用增加額外的設(shè)備，夏天的空調(diào)開(kāi)啟制熱模式即為冬季的熱泵。

3.1 熱泵節(jié)能的基本公式

有關(guān)熱泵的用能效率和節(jié)能率，有如下簡(jiǎn)單公式。

熱泵的制熱系數(shù)：

(5)

熱泵的一次能源利用率：

(6)

式中：ηpow為電廠發(fā)電效率；ηnet為電網(wǎng)輸電效率。

電廠發(fā)電效率目前可設(shè)為38.7%。電網(wǎng)輸電效率與輸送距離和輸電電壓有關(guān)，長(zhǎng)距離輸電可設(shè)為90%。ηpow和ηnet的乘積稱(chēng)為發(fā)電輸電綜合效率，為34.83%，近似取35%。

3.2 鍋爐的一次能源利用率

一般計(jì)算鍋爐的效率比較直觀，即鍋爐送出的有效熱量比上煤的發(fā)熱量。進(jìn)入鍋爐的煤由遙遠(yuǎn)的煤礦運(yùn)輸而來(lái)，經(jīng)過(guò)裝載、電氣化鐵路、中轉(zhuǎn)、存儲(chǔ)、堆放、短途運(yùn)輸、缷車(chē)等過(guò)程。這個(gè)過(guò)程中大量的工作由機(jī)械完成，而驅(qū)動(dòng)機(jī)械的電力，在我國(guó)基本還是由煤發(fā)電得到。煤炭從礦井到鍋爐房的運(yùn)輸過(guò)程中消耗的也是煤。鍋爐的一次能源利用率ηb可表示為：

(7)

式中：Qout為鍋爐送出的熱量，由鍋爐房出水、進(jìn)水的溫度差乘以流量和比熱得出，GW；Qcomb為進(jìn)入鍋爐的煤的燃燒熱量，GW；ηboiler為鍋爐效率；ηcoal.trans為煤炭運(yùn)輸能源效率。

這里煤炭運(yùn)輸能源效率長(zhǎng)距離時(shí)可假設(shè)為80%，如果再假設(shè)鍋爐效率為80%，遠(yuǎn)距離運(yùn)煤的鍋爐一次能源利用率只有64%。

3.3 熱泵的可再生能源貢獻(xiàn)率

評(píng)價(jià)熱泵對(duì)可再生能源的貢獻(xiàn)，有兩種評(píng)價(jià)方法，分述如下。

3.3.1 熱泵比鍋爐的一次能源利用倍數(shù)

第一種方法是熱泵比鍋爐的一次能源利用倍數(shù)，公式為：

(8)

根據(jù)熱泵一次能源利用率公式(6)可得出，當(dāng)COP=3～3.5時(shí)，PER=105%～122.5%，相比燃煤鍋爐一次能源利用率是64%，可得出α=1.64～1.91。

此倍數(shù)表說(shuō)明與普通鍋爐相比，熱泵使燃煤的利用率提高一半以上。這樣在電廠燃燒1噸煤發(fā)電，送到目的地驅(qū)動(dòng)COP為3或3.5的熱泵供熱，相當(dāng)于把1.64噸或1.91噸煤運(yùn)輸?shù)侥康牡厝紵男Ч?/p>

同時(shí)燃煤電廠的排放比普通中小型鍋爐房的排放小得多。利用熱泵既提高了能源利用率，又大大減輕了環(huán)境污染，是一舉兩得的技術(shù)。以上只是一般說(shuō)明，可根據(jù)不同的熱泵類(lèi)型(水源、空氣源，或小型、中型或大型)以及所處的氣候帶，具體分析熱泵的節(jié)能潛力。如果考慮到我國(guó)大約有80%的電能來(lái)自化石燃料，20%的電能水電、風(fēng)電，熱泵對(duì)可再生能源的貢獻(xiàn)率會(huì)更高。

表3是中國(guó)發(fā)電效率與熱泵的平均制熱系數(shù)的歷年數(shù)據(jù)，實(shí)際上隨著年代發(fā)電效率的提高，熱泵的制熱系數(shù)也在提高。表中數(shù)據(jù)說(shuō)明，熱泵開(kāi)發(fā)可再生能源的潛力在增加。

表3 中國(guó)熱泵納入可再生能源范圍的SPF計(jì)算

對(duì)比歐盟的電廠發(fā)電效率，中國(guó)的效率要低6個(gè)百分點(diǎn)，納入可再生能源的熱泵SPF(COP)，要比歐盟高0.4～0.5。這說(shuō)明如果照搬歐盟的標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)的熱泵需要有更高的COP值。

3.3.2 熱泵的可再生能源貢獻(xiàn)率計(jì)算

根據(jù)我國(guó)的實(shí)際國(guó)情，可以用另一算法，即熱泵的可再生能源貢獻(xiàn)率，含義是熱泵供熱量中可再生能源的比例，推導(dǎo)如下。

直接鍋爐供熱需要燒煤的等效熱值：

(9)

熱泵供熱的驅(qū)動(dòng)電力需要燒煤的等效熱值：

(10)

熱泵的可再生能量：

(11)

熱泵的可再生能源貢獻(xiàn)率：

(12)

對(duì)比歐盟的公式：

(13)

采用歐盟和本文提出的熱泵可再生能源貢獻(xiàn)率算法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表4所示。歐盟的公式簡(jiǎn)單，只受SPF的影響，SPF較小時(shí)數(shù)值偏高。本文的公式稍復(fù)雜，受鍋爐效率、輸煤效率、電廠效率、輸電效率和SPF的影響。一般可將鍋爐效率和輸煤、輸電效率看作定值，也只受SPF的影響，但SPF較小時(shí)β也較?。籗PF增加時(shí)，β增幅加大，應(yīng)該更符合實(shí)際情況?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)SPF在3.0～3.5之間時(shí)，歐盟的計(jì)算方法顯示熱泵供熱量的67%～71%是可再生能源，而中國(guó)計(jì)算方法顯示熱泵供熱量的61%～75%是可再生能源，兩個(gè)公式差別不大。

表4 新公式(12)和歐盟公式(13)計(jì)算的可再生能源貢獻(xiàn)率比較

注：ηcoal.transηboiler=0.64，ηpowηnet=0.35。

我國(guó)《能源發(fā)展十二五規(guī)劃》[6]中可再生能源實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為：2009年8%，2010年8.6%，2011年8%，2012年9.1%，2013年9.8%，2015年計(jì)劃到11.4%。如果按發(fā)電量推算，2013年總發(fā)電量按當(dāng)年發(fā)電煤耗率0.321 kg標(biāo)煤/kWh計(jì)算，合計(jì)為17.89億噸標(biāo)煤，占全年總能耗的45.88%。非化石能源發(fā)電量占總發(fā)電量的21.6%，折算所占全年總能耗為9.91%。這個(gè)數(shù)據(jù)與我國(guó)公布的可再生能源或非化石能源的比例(9.8%)相差不大。

我國(guó)今后對(duì)可再生能源寄有很大希望，由于受季節(jié)等條件限制，水電、風(fēng)電和光電的發(fā)展會(huì)降低速度，熱泵技術(shù)對(duì)可再生能源的貢獻(xiàn)將越來(lái)越重要。

為將以上觀點(diǎn)變?yōu)閲?guó)家層面的共識(shí)，建議進(jìn)行“熱泵是可再生能源的開(kāi)發(fā)技術(shù)”科技立項(xiàng)，編制“熱泵對(duì)可再生能源的貢獻(xiàn)率計(jì)算方法”等標(biāo)準(zhǔn)，以推動(dòng)中國(guó)熱泵產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4 結(jié)論

熱泵是理論上和工程上都成熟的節(jié)能技術(shù)，隨著我國(guó)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)工作的開(kāi)展，熱泵在開(kāi)發(fā)可再生能源方面具有重要的作用。本文通過(guò)對(duì)最新電廠的發(fā)電效率和電網(wǎng)的輸電效率方面的新技術(shù)發(fā)展進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，給出我國(guó)熱泵一次能源倍數(shù)α和可再生能源貢獻(xiàn)率β兩種計(jì)算方法：如果以遠(yuǎn)距離輸電和遠(yuǎn)距離輸煤為前提，熱泵平均COP為3～3.5時(shí)，鍋爐一次能源利用率為64%計(jì)算，熱泵的一次能源利用率是鍋爐的1.64～1.91倍。同時(shí)，熱泵供熱量的61%～75%是可再生能源。提出這些計(jì)算方法，可以明確熱泵在我國(guó)節(jié)能減排中的作用。通過(guò)大力推廣熱泵技術(shù)，我國(guó)的可再生能源或非化石能源在總能源消耗中的比例可以穩(wěn)步增長(zhǎng)。

[1] 中國(guó)人大網(wǎng). 中華人民共和國(guó)可再生能源法(修正案)[EB/OL].(2009-12-26)[2015-12-1].http://www.npc.gov.cn/huiyi/cwh/1112/2009-12/26/content_1533216.htm.

[2] 錢(qián)伯章. 世界能源消費(fèi)現(xiàn)狀和可再生能源發(fā)展趨勢(shì)(上)[J]. 節(jié)能與環(huán)保, 2006(3): 8-11.(QIAN Bozhang.The world energy consumption and renewable energy development trend[J].Energy Conservation and Environmental Protection,2006(3):8-11.)

[3] European Union. Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council of 23 April 2009 on the promotion of the use of energy from renewable sources and amending and subsequently repealing Directives 2001/77/EC and 2003/30/EC (Text with EEA relevance) [J]. Official Journal of the European Union, 2009, 140: 16-62.

[4] 房慶, 宋忠奎, 高屹峰, 等. 中國(guó)空氣源熱泵產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告[C]// 2015中國(guó)熱泵產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟年會(huì)暨第四屆亞洲空氣源熱泵論壇.南京:中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)熱泵專(zhuān)業(yè)委員會(huì)和國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì), 2015.

[5] 新華網(wǎng). 中美氣候變化聯(lián)合聲明(全文)[EB/OL].(2014-11-13)[2015-12-1].http://news.xinhuanet.com/energy/2014-11/13/c_127204771.htm.

[6] 中國(guó)新聞網(wǎng).國(guó)務(wù)院印發(fā)能源發(fā)展"十二五"規(guī)劃[EB/OL](2013-01-23)[2015-12-1].http://www.chinanews.com/cj/2013/01-23/4515115.shtml.

About the author

Ma Yitai, male, professor, director of Thermal Energy Research Institute, School of Mechanical Engineering, Tianjin University, +86 22-87401539, E-mail: ytma@tju.edu.cn. Research fields: applied thermodynamics, inverse cycle (refrigeration and heat pump) energy saving technology; mixture and natural refrigerants energy saving technology; renewable energy utilization, including solar energy, geothermal energy, etc.

Role of Heat Pump Playing in Developing Renewable Energy and Contribution Rate Calculation Method

Ma Yitai Dai Baomin

(Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy, MOE, Thermal Energy Research Institute, School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin，300072，China)

Heat pump can be used for renewable energy recovery. Several units of renewable energy can be obtained with the consumption of one unit of electric or mechanical energy. Therefore, heat pump is an important energy saving and environmental protection technology. With the significant increase in energy demand and rapid development of electric power industry, the proportion of renewable energy in our country needs to be improved. Thus, heat pump technology plays a critical role. Heat pump technology has been listed as renewable energy in European Union. Then, the corresponding policy for our country is proposed. Based on the data of the power generating efficiency and transmission efficiency, it is concluded that heat pump is a technology for renewable energy recovery. Two calculation methods, including primary energy multipleαand renewable energy contribution rateβ, are introduced, to provide a reference for the industry. The target of flue gas emission for power plant is much more stringent than the common coal-fired boiler, so utilizing heat pump to replace coal-fired boiler can improve atmosphere environment. It is suggested that the calculation method of renewable energy contribution rate for heat pump should be listed as a national standard. The heat pump manufacturing industry should be further developed, and heat pump technology should be widely applied.

heat pump; renewable energy; primary energy utilization ratio; SPF; renewable energy contribution rate

0253- 4339(2016) 02- 0065- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.065

2015年12月1日

TQ051.5; F124.5

A

馬一太，男，教授，熱能研究所所長(zhǎng)，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，(022)87401539，E-mail: ytma@tju.edu.cn。研究方向： 應(yīng)用熱力學(xué)研究、逆循環(huán)(制冷和熱泵)節(jié)能技術(shù)的研究；混合工質(zhì)節(jié)能及自然工質(zhì)研究；太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉蠢醚芯俊?/p>