【內容簡(jiǎn)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 )新團隊（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源環(huán)境類(lèi)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(guān)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應用，尤其強調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模和應用場(chǎng)景下的潛力，提出了從單個(gè)設備到熱力網(wǎng)絡(luò )的熱泵多尺度利用策略，并通過(guò)一系列實(shí)例指出如何將熱泵技術(shù)深度融入到未來(lái)能源系統中，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，建議改善現有運營(yíng)模式，以進(jìn)一步推動(dòng)熱泵技術(shù)的廣泛應用，促進(jìn)熱能利用重構。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。

　　【論文內容】

　　隨著(zhù)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(chǎng)正迅速擴大。國際能源署預測，到2030年，全球熱泵安裝量將超過(guò)6億臺，滿(mǎn)足超過(guò)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（COP）通常在3到4之間，據此估算，到2030年，熱泵帶來(lái)的冷負荷將超過(guò)1600GW。因此，有效利用熱泵的制冷負荷變得同樣重要。

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

　　目前，全球區域供暖需求是區域供冷需求的五倍多，預計隨著(zhù)空調技術(shù)的普及，到2050年，區域供冷需求將超過(guò)供暖需求。此外，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量，經(jīng)常因為缺乏有效的回收和利用，例如直接通過(guò)冷卻塔排放，造成熱能浪費與水資源消耗。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用潛力。然而，冷熱負荷在時(shí)間和空間上分布不均勻，這就要求對熱泵的應用進(jìn)行精密規劃和部署。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)設備到整個(gè)行業(yè)，乃至跨區域熱網(wǎng)的層面上，全面優(yōu)化熱泵的應用策略。

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：在設備層面，熱泵可根據季節變化集成不同的功能，例如在冬季滿(mǎn)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(mǎn)足熱水生產(chǎn)等高溫需求。此外，熱泵還可以結合儲熱技術(shù)進(jìn)一步提升耦合系統的穩定性和能效。通過(guò)將熱泵與特定材料結合，還可以實(shí)現如制冰、除濕、取水和CO2捕獲等多功能應用；在多部門(mén)協(xié)同層面，熱泵可通過(guò)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，或利用數據中心冷卻產(chǎn)生的熱量作為區域供暖的基礎。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)一步整合到跨區域熱能利用場(chǎng)景中，此時(shí)熱泵可結合循環(huán)水網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行冷熱負荷的再分配與終端調節，即第五代區域供暖和制冷（5GDHC）模式。此外，熱泵還可結合移動(dòng)式儲熱技術(shù)拓展其應用區域。

圖3. 熱泵跨學(xué)科研究

　　為確保上述戰略部署的實(shí)施，跨學(xué)科研究在熱泵技術(shù)整合及宏觀(guān)脫碳框架中尤其重要，特別是在多尺度應用和大規模部署方面。目前，這一領(lǐng)域面臨著(zhù)數據收集和模型驗證的挑戰，也存在對實(shí)際應用復雜性考慮不足的問(wèn)題。文章強調，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)和規模。此外，后續研究應充分考慮社會(huì )、環(huán)境以及能源和碳交易價(jià)格等因素的未來(lái)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用的各個(gè)利益相關(guān)方，以及運營(yíng)模式的過(guò)渡和協(xié)調問(wèn)題。它指出了僅依賴(lài)自下而上模式的局限性，提出需要政府部門(mén)的自上而下介入來(lái)實(shí)現熱泵規?；瘧?。例如， 需要戰略性地組織各用熱部門(mén)，利用熱泵協(xié)調工業(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(mǎi)協(xié)議將有助于規?；??？偨Y而言，盡管目前熱泵的銷(xiāo)量最近激增，考慮到未來(lái)碳中和愿景，多尺度的熱泵利用策略、跨學(xué)科研究，以及運營(yíng)模式的轉變，對于可持續的供熱和制冷至關(guān)重要。