圖為國際制冷學會科技理事會副主席、同濟大學教授龍惟定教授
在陸特能源·2014年第六屆中國地源熱泵行業(yè)高層論壇上發(fā)言
龍惟定：大家下午好。我今天來講的題目就是城區(qū)能源微網(wǎng)當中的一個地源熱泵，它起的作用。那么主要有三個主要的內(nèi)容，一個是關(guān)于什么叫能源微網(wǎng)，就給大家解釋一下。第二個就是熱泵是能源微網(wǎng)當中的一個關(guān)鍵的節(jié)點。網(wǎng)絡它當然有很多節(jié)點，熱泵是能源微網(wǎng)當中的一個關(guān)鍵節(jié)點。第三個就是熱泵在能源微網(wǎng)當中的應用的一些關(guān)鍵技術(shù)。
大家都知道，忽悠得比較多的第三次工業(yè)革命，第三次工業(yè)革命提出了有五件事情跟我們的建筑和城市發(fā)展都非常有關(guān)系的。第一個就是利用可再生能源，第二個就是每一個建筑都成為微型的發(fā)電廠，也就是通過光伏的發(fā)電，使得每一個建筑都能夠發(fā)電同時也是用電。第三個就是在能源的技術(shù)設(shè)施中使用一些儲能的技術(shù)。第四個就是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把分散的能源系統(tǒng)變成一種共享的網(wǎng)絡。跟信息互聯(lián)網(wǎng)的概念是一樣的，把信息變成共享的一種資源，我們也是把一些分散的能源把它作為一種共享的資源。第五個是和交通有關(guān)，運輸工具變成插電式或者是燃料電池的動力車。
中國現(xiàn)在面臨一個新型的城鎮(zhèn)化，新型城鎮(zhèn)化的這樣的事情，今年我們還制定了一個新型城鎮(zhèn)化的規(guī)劃，四月份發(fā)布的一個新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃。新型城鎮(zhèn)化當中對能源就提出了一些新的挑戰(zhàn)。我們現(xiàn)在新建的一些園區(qū)，主要發(fā)展的產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代服務業(yè)，以及所謂的先進制作業(yè)，以及是以前所謂的尖端的東西。就是跟以前的鋼鐵企業(yè)和化工企業(yè)不太一樣。
大家心目中的都是露天的化工企業(yè)，它現(xiàn)在這些產(chǎn)業(yè)要以建筑為生產(chǎn)基地，同時它變成了一種以建筑環(huán)境為依賴性的這種條件。比如我們的半導體，還有制藥都離不開一個凈化的環(huán)境。而且它的產(chǎn)值和質(zhì)量都相關(guān)的，都是跟環(huán)境有相當密切的關(guān)系。因此能源的利用就從我們在鋼鐵廠和化工廠的一種，那個時候都是用高溫高壓的能源，我以前在鋼鐵廠工作過，都有一個很大的能源中心，有很高壓的蒸汽。至少是兩公斤的蒸汽送到每一個車間。以前在北方做采買，直接用高壓空氣來做。對高溫高壓高品位的能源的需求，逐漸是變成了我們現(xiàn)在的服務業(yè)所需要的，實際上是低溫低壓的，比如說100度一下的低溫的需求。那么還有一個特點就是我們的衣食住行的方面，城市的生活能耗這方面的需求會增長。
第四個需求就是我們的城市大量的還是一些，我們國家看起來密度很高城市，我們國家的人均建設(shè)用地大概是120多平米，我們的大的部分城市都是。上海市有一個目標，說到2015年要把城市用地降到1000平米左右，在發(fā)達國家和發(fā)展中國家大概都是80米左右平均。因此今后可能要發(fā)展的是高密度的城市，包括地源熱泵上就產(chǎn)生了很多的矛盾，它需要多的土地面積來提供這樣的能源，所以就產(chǎn)生了這樣一些矛盾。還有一個就是特別是可再生能源，光伏這些電是波動性的，就是不穩(wěn)定的一種能源，它跟符合的變動之間有一個相當?shù)牟煌健?/span>
因此，就需要平衡這樣一個供電，就需要一些蓄能技術(shù)來實現(xiàn)。還有一些就是可再生能源的空間分布與用戶的空間分布不一樣，比如說一個酒店，就酒店的紅線外面的埋地是不夠的，我要在酒店外面埋地，但是那個是公共用地。這樣的空間分布的情況，就使得這些低溫、低壓、低品位的能源的供應逐漸的帶有這種問題。
還有一個就是說我們個性化的應用，我需要自己調(diào)節(jié)。然后我們有很多的希望用集中式的供應，北方是集中供暖為主的，南方現(xiàn)在有的地方用集中供冷，這個就是個性化應用和集中供應之間的矛盾就產(chǎn)生了，就是很多的能源遭到了浪費，這些都是新的一些對能源的要求。特別是最后一個，就是能源市場的市場化這樣的趨勢，是不可逆轉(zhuǎn)的，但是我們目前我們國家的整個的能源體制還是一個壟斷的體制。包括我們的《電力法》都保護了我們的壟斷體制，在這樣的情況下，這個也是一個巨大的矛盾。所以在區(qū)域能源當中，實際上是非常重要的在國外也是這樣，以區(qū)域能源作為這種，就是解除它的控制的模式，就是反壟斷的模式。就是開放給第三方，包括開放給民營企業(yè)來應用。
我們就談到兩種規(guī)劃的不同，一個是供應側(cè)的規(guī)劃，一個是需求側(cè)規(guī)劃。
據(jù)大會現(xiàn)場PPT文件
供應就側(cè)就是按照供應，需求就是按照需求來供應。所以它是一種低品位的，低壓、低品位的這樣的能源的需求，而工業(yè)化時代都是高壓、高溫、高品位的需求。供應側(cè)是一種供需的理論，它是利用價格杠桿，比如說我們分階梯電價，也就是當需求比較旺盛的時候，要用價格杠桿來控制，需求不太旺盛的時候，又鼓勵大家來使用能源。還有一種就是這筆錢是一次付掉的，你用不掉你就浪費了。往往有的時候就會造成一定的浪費，這個是供應側(cè)的規(guī)劃，而需求側(cè)主要是站在我們用戶端考慮，如果在用戶端考慮就是一種綜合資源規(guī)劃。
講一句話就是把我們終端的資源作為第五種能源來看待，沒有碳排放的資源。那么供應側(cè)一個規(guī)劃，我們說原來我們有電力規(guī)劃，有燃氣規(guī)劃，這些規(guī)劃都是單一的一個供應系統(tǒng)，供應渠道。單一的供應渠道，一個大集中的系統(tǒng)，我集中的電廠，集中的燃氣的入口，而且是一種垂直化管理，就是從上到下的金字塔的模式。用戶都是被管的，包括價格和成本對用戶都是不透明的。對需求側(cè)來說就是一種扁平化的模式，如果我的能源有多余，我自己是一個發(fā)電的，我發(fā)電的有多余我可以發(fā)布到網(wǎng)上去跟大家共享，這種是一種扁平化的管理。每一個用戶，每一個端都是一個節(jié)點。
當然在供應側(cè)的壟斷是有一定的道理的，以前講的國之命脈，所以要確保安全性和可靠性，所以它是以符合最大化，也就是要預估到多少年以后的符合有多大，那種情景分析都是往大來做。同時要增加供應來增加利益，就是用戶端用得越多，我的供應端我的能源效率也越高，我的效益越好。這是一種大集中模式的一個很大的弊病。在需求側(cè)我們就需要減量化，我盡量的減少我的系統(tǒng)的投入，變成一種分布式的產(chǎn)能，分散的用能，這種模式下我是要做減法的，用戶用得越少我的效益越好。在供應側(cè)一個很大的特點，我們的需求側(cè)是集中應用一些低品位的再生能源，或者是未利用的能源。
通過能源微網(wǎng)這樣的模式，我們主要的想法是在園區(qū)的范圍內(nèi)，由于有這樣的需求，第一個就是比較低碳的化石能源，比如說天然氣，或者是一些生物質(zhì)氣，但是排放量比較低，用低碳排放的化石能源，產(chǎn)生一些熱。第二個級別就是一些可再生能源，可再生能源可以產(chǎn)生電，電也是高品位能源，同時也可以產(chǎn)生一些中品位的熱，比如說我用太陽能的光熱系統(tǒng)，我用聚焦系統(tǒng)來產(chǎn)生的這樣一種能源。第三個就是所謂的未利用能源，就是包括我們的污水、地表水，這些資源在國外有一種叫法就是未利用的，我們的一片大?？赡芎撕芏嗟哪芰?，但是你把一個雞蛋扔進去你不可能煮熟，但是一小杯水就可以。但是大海里蘊藏的那么多的熱量，我們通過花少量的能源來提升和利用。最后就是說最低的，或者是說最高品位的它是一種終端的節(jié)能，我把節(jié)能也作為一種能源來看待。
我們大家知道這個低碳化石能源應用，國家也在鼓勵分布式能源的熱電聯(lián)產(chǎn)，分布式的能源有一個很大的特點，就是熱和電都要被利用，所以綜合能源效率一下高。大家可以看到這個圖，比如說電力40%的話，有60%的是被排到大氣里面了但是我們熱電聯(lián)產(chǎn)可以被同時利用綜合下來就達到了80%。那么常規(guī)的電廠有長距離的輸送，有很大的損失。
但是反過來想，如果我們現(xiàn)在大部分建的分布式能源，我們國家現(xiàn)在在搞的一些熱電聯(lián)產(chǎn)項目，它的目標都是為了住宅的采暖或者供暖，都是低壓的電力，如果這樣的方式，以供暖為例，以供暖為目的來利用的話，這個綜合效率80%，我還不如買一臺鍋爐，這個鍋爐可以到90%的效率，回收這個潛熱。我為什么要花那么大代價去做這個呢？這里面有一點就忽略了，熱電聯(lián)產(chǎn)的一部分就是高品位的電力，你把高品位電力跟我們采暖去同等去看的話，當然你的效率就不高。所以就要想辦法提高我們電的使用的效率，把點的效益要充分發(fā)揮出來。高品位能源要分期做工。所以我們提出這樣一種模式，就是熱電聯(lián)產(chǎn)來結(jié)合熱泵，這個流程就不仔細講了，圖上很清楚了。我只是把電力部分，驅(qū)動比如說效率比較高的，離心式熱泵，那么它的綜合效率，總的最后的熱效率，最后還是供熱，總的綜合效率可以達到200%以上。這個是供冷的，供冷的效率當然我用常規(guī)的模式，我用磁浮的離心熱泵做制冷的時候，效率更好個人到240%幾，這個就產(chǎn)生了一個很好的作用。
我就把它舉一個例子，叫做釀酒，我們以熱電聯(lián)產(chǎn)這樣一種工程，實際上是一個利用的電是高品位能源，也就相當于我們制酒的時候制出來的酒。其他的就相當于我們的酒糟和酒渣。那么我們就是這個好酒，我自己不喝，因為我們有酒類專賣商，我們《電力法》規(guī)定了只許有一家經(jīng)營，我只好想方設(shè)法的上網(wǎng)，然后賣給他，我利用這個酒糟和酒渣，我就說這個好酒要自己來喝。我不賣給你供應商，我自己消化的，我自己喝掉，我們的熱泵就起到這個好的酒具的作用，就可以把酒自己來消化掉。
還有一個可再生能源，在城區(qū)范圍內(nèi)，一個很大的問題就是它不穩(wěn)定，而且效率很低。那么就必須要有蓄熱或者蓄電，蓄電國外做過很多的比較，有各種各樣的。那么所謂叫可再生能源的電力網(wǎng)絡，它是很不穩(wěn)定，不穩(wěn)定性叫就蓄電，蓄電的代價非常高，比如國際上有什么鈉硫電池，甚至有人提過用那種最傳統(tǒng)的飛輪的模式來蓄電，但是那個投資都非常的大。而把電變成熱泵的動力，通過熱泵來蓄熱，間接的來蓄電，這個是最便宜的，每個每千瓦時的投入是30到35萬元左右。
因此這個就變成了一個技術(shù)，就是變成智能電網(wǎng)的技術(shù)，就是把這個熱泵作為只能電網(wǎng)的一個備份的東西，就相當于一個電池了，就這樣的一個含義，它成為一個非常重要的組成部分。所謂電網(wǎng)交通式的就是利用熱泵來進行蓄熱，來間接的蓄電它的投入大概是這樣一些成本，（圖示）下面什么鈉硫電池，包括其他的什么，這些成本都比較高，又叫做電網(wǎng)交互式的互動，就變成這樣的一種模式。熱泵蓄熱在歐洲成為非常重要的一個對智能電網(wǎng)的研究的內(nèi)容，成為智能電網(wǎng)的一個重要的部分。我們歐洲搞熱泵的這些的專家都在向這方面走。就是把可再生能源的生產(chǎn)和應用就是把它脫鉤，通過熱泵的蓄熱的模式來把它脫鉤。
據(jù)大會現(xiàn)場PPT文件
第三個就是未利用熱源，或者是可再生的熱源。對地下的淺層的，我們昨天還在探討，淺層地熱能到底是能源還是熱源，我是有點不大同意。反正現(xiàn)在主流媒體都是講的是可再生能源，所謂能源是可以直接來用的，不需要轉(zhuǎn)化，熱源是要經(jīng)過提升，大海也有很多的熱能，但是你不能說海水就是能源，你還要經(jīng)過其他的東西來提升才能使用。這種不能叫做能源，能源可以直接使用，比如說石油就可以直接用。是這樣的模式，這種未利用的能源，或者是可再生熱源就是我們平常講的土壤、地表水、污水有很多的低品位的熱能，就是利用熱泵來提升。
供暖的時候，我的觀點，如果有在，因為地源熱泵水源熱泵都需要一定的條件，有沒有河水有沒有條件，所以有限還是用空氣源熱泵，為什么呢，因為如果說它的COP是3的話，它相當于把60%的熱源回收回來，是一種熱回收的系統(tǒng)。冬天現(xiàn)在很多在做這種閉式熱源塔，熱源塔這種模式來做，我們國家大部分用的是開式的，開式的是帶來很多的問題，國外很多的是使用這個閉式的熱源塔，甚至在歐洲比較寒冷的地方，我看過法國的一個醫(yī)院，就是用熱源塔來供暖的。
那么這個下面一個是上海健康院做過一個調(diào)研，我們地源熱泵，這個有各種不同的看法，這個只是給大家一種參考，調(diào)研下來供熱的平均的COP大概到供熱是3.9，系統(tǒng)是3.0，供冷是4.6，系統(tǒng)是3.3，系統(tǒng)因為加了兩頭的水泵，跟兩頭的設(shè)計，跟換熱的好壞都很有關(guān)系。所以系統(tǒng)效率相對比較低，但是我也比較過其他的，就是多聯(lián)機的情況，也有很多的實驗結(jié)果，我根據(jù)清華的一個老師的學生做的調(diào)研，很多的數(shù)據(jù)表明，最高大概就是3，我講的是運行狀態(tài)，大概都是2點幾。像地源熱泵這種，未利用的，包括這個多聯(lián)機利用空氣都可以積極推廣的一種系統(tǒng)。把這種未利用熱源拉進來，來提高我們的非可再生能源，比如說能源，向熱電聯(lián)產(chǎn)，向天然氣提高它的利用效率。
那么城市里面利用地源熱泵當然有很大的問題，我們今天的很多的專家也講了。比如說集中系統(tǒng)的熱損失，比常規(guī)的，區(qū)域的供冷供熱可能更大一些，主要是兩頭的使用。還有一個是土地使用權(quán)的問題，這個恐怕很多的項目都會遇到這個問題，比如說在黃浦江取水，首先取水就會遇到問題，而且那個管道也不讓你過，這些非技術(shù)性的問題，影響了我們很多的使用。還有一個管道敷設(shè)的問題，你到規(guī)劃的后期，規(guī)劃沒有給你留這些問題，你需要埋管道的時候，要通過道路等等這些問題最后都解決不了，規(guī)劃局不愿意給你來重新考慮一些問題。第三個是地下空間，現(xiàn)在地下空間的利用越來越大，最近上海有一個項目，叫傳媒的什么中心，一大堆的塔樓，有一個很大的地下室，要開成一個地下商場，這里就遇到很多的問題，地下室是統(tǒng)一的，塔樓又是一個一個的，這些都是很具體的問題，更沒有你埋地的位置，除非你做這個里面。所以這樣的一些問題遇到了非常多的這樣一些問題。
那么現(xiàn)在有很多在研究這個季節(jié)性蓄熱，就是這個圖法蘭克福是一個教授做的一個項目，夏天他用太陽能在土地下，是一層沙一層管，水平的，就像我們腌咸菜一樣，這樣的面積，冬天把熱水用來做鍋爐的給水，降低了鍋爐的消耗，這個鍋爐用的是菜籽油，我們炒菜用的。用菜籽油，所以號稱這個是沒有碳排放的這樣一種系統(tǒng)，最近我們也有一些學生，我因為在德國合作的學院，我們同濟大學的學員，前兩天我參加他們的畢業(yè)設(shè)計的答辯，很多在德國做的。甚至于夏天用吸收式機器來驅(qū)動以后把更多的熱量蓄熱到地下。季節(jié)性蓄熱也是今后很好的發(fā)展的趨勢，這個馬老師有很多的研究。
第四個部分就是節(jié)能的問題，首先是要熱泵的一種對位的供應，希望就是用低溫的供熱和高溫的這樣的模式，和熱泵的溫度品位是比較對應的。原來我們的供熱模式更適合原來的大能源的，比如說90度水，70度水。現(xiàn)在是采暖的規(guī)范變成70度水，比較低溫的比較適合熱泵的使用。這個熱泵的熱源可以作為除濕的一個再生熱源，還有就是可以采用一種水環(huán)熱泵。最后就是這樣的一個概念圖，這個就是能源微網(wǎng)，一共有三個層次，一個就是現(xiàn)場發(fā)電的，包括可再生能源，包括分布式能源，用低碳放排的天然氣來發(fā)電的，這個電來驅(qū)動熱泵，這個就是能源微網(wǎng)的一個框架，熱泵是重要的節(jié)點，由它支撐起了這樣的系統(tǒng)的框架，這個來源就是能源總線的系統(tǒng)，能源總線就是我把各種可以用的資源，比如說地埋管，地下的污水，這樣的我集成到一個管路，我們最近也有適用這個單管道。還有一個管理層非常重要，要有一個基于互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)，這樣的一種能源管理系統(tǒng)，這個非常重要?，F(xiàn)在我們很多的項目不重視這個部分，這個有的時候達不到這個效果跟這個也有關(guān)系。
最后講一下能源總線，總線就是來源于計算機的思想，右邊這張圖就是62位計算機的一個總線。我們把各種能源集中在里面，有一些比較大，甚至對一個城市來用的，這個可以作為基礎(chǔ)設(shè)施的能源總線。我右邊這張圖實際上是新加坡的一個國際機場的周邊的一群建筑，它的建筑就是通過大的系統(tǒng)，通過海水源來作為一個制冷源，這樣就可以用多個熱源和熱會，可以實現(xiàn)互補。比如說地表水，冬天不能用，我用土壤來做，地表水夏天有優(yōu)勢就用地表水。我們最近也在試點一個，在崇明在做一個單管系統(tǒng)，這個來自于集中供熱的思路，就是整個通過一個管道來進行，這個成本在大大降低。
這個就是單管的用戶直連的方式，這個就是北方集中供暖的一些單管目的。末端可以用磁浮離心式冷水機組和熱泵。它的壓縮比較大，冬天可以制出60度熱水，夏天就比常規(guī)的離心機效率高一些，可別特別做成一些組裝型的，可以到現(xiàn)場調(diào)裝的，特別我們這種分布式的能源系統(tǒng)。供冷供熱的管道就可以大大的縮短，就不像以前的損失很大。這種就是一個上海嘉定有一個園區(qū)，這個還是雙管的，是一排的住宅，用地埋管以后，每一戶有一個泵，我不需要平常收費，這個在房款里面就有了，維護也很簡單，只要是一個月在現(xiàn)場看一下。還有一種是水聯(lián)的多聯(lián)機。這個是上海的建科院的一個項目，就是在下面埋管，然后送到每一層樓（圖示），這個就是綜合樓里面每一層樓里面的，大家看非常的大。
我今天就講到這里，謝謝大家！
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