碳中和城市建筑能源系统（2）：网络篇（龙惟定）2022

碳中和城市建筑能源系统(2):网络篇

摘要

本文是碳中和城市建筑能源系统系列文章的第二篇,分别概要介绍了城市能源系统中的电网、热网和燃气网在碳中和背景下的新概念、新技术及新方法。强调未来的能源网以电网为主,三网融通,构成城区的能源互联网。综述了智能电网的灵活性、热泵在智能电网中的重要作用、城区能源总线中的负荷多样性和保持网络水温的技术、基于 CO₂的区域能源网络,以及城区层面氢燃料的制备、输送、储存等技术问题。

关键词: 碳中和;建筑能源系统;智能电网;灵活性;热泵;能源总线;负荷多样性;氢气

0 引言

本文是碳中和城市建筑能源系统系列文章中的第二篇,即综合能源系统的源网荷储用五大环节中的第二环。与传统能源系统相同的是,碳中和城市建筑能源系统还是以电网(城区尺度上是配电网)、燃气网和热网作为基础设施。主要差别在于:

1)传统电力系统是发电厂的电力通过高压输电网到城区变电站,降低电压到中压(一般在 35kV 以下),通过配电网络到用户变压器或子变电站,进一 步降压到标准电压 (我国标准为线电压380V、相电压220V),接入用户端。它是一种从顶到底的供电方式,电力流向是单向的。国家《电力法》第25条规定:一个供电营业区内只设立一个供电营业机构。即电力系统是高度垄断的。而碳中和能源结构中可再生能源电力占有重要地位,尤其是建筑屋顶光伏、建筑光伏一体化(BIPV),使大量小规模发电设施并入配电网,建筑成为能源资产的一部分,千千万万用户成为既用电也发电的产消者(prosumer)。这些用户也有了自己的利益诉求。它是一种从顶到底与互联互通结合的互联网供电模式,电力流向是双向的。大量可变可再生电力的接入,给配电网带来前所未有的挑战:电网拥塞、电压波动、频率不稳定、供需不平衡。传统电网好比大象,建筑可再生电力好比蚂蚁,蚂蚁多了,大象也会不胜其扰。

2)由于热媒在传输过程中有较大能量损失，因此热网规模远小于电网。一般有4种形式：城区尺度的大型集中热网、单体建筑规模的中型集中热网、分楼层或分户的小型集中供暖系统,以及全分散方式供暖。在寒冷地区以供暖为主的城区，大型集中区域供热系统比较普及,即中心能源站(大型锅炉房或热电联产)制热,通过管网输送到用户端热力站,再配送到终端供暖或热水设备。而除了大型商务区等负荷密集场所，供冷系统还是以中型集中以下的方式为主。除炎热地区外,即使采用大型集中的区域供冷,也一定会结合区域供热。在碳中和语境下，一个重要的措施就是要实现供暖电气化,摆脱化石燃料燃烧带来的 CO₂排放。供暖电气化中采用热泵供暖是最好的技术选择。根据2021年《中国统计年鉴》，2020年我国城市集中供热提供了蒸汽总量6.5亿 GJ、热水总量34.5亿 GJ,照此测算仅城市集中供热的 CO₂排放量就近3.5亿t。如果加上城镇和农村的散煤供暖,估计 CO₂ 排放量将超过5.5亿t,占全国碳排放总量的5%~6%。所以,建筑供暖电气化是实现城市建筑碳中和的最主要的措施之一。由于使用热泵,相应地城市热网也需要转型。

3)相对煤炭而言,天然气燃烧产生的 CO₂和污染物都比较少,因此被当作清洁能源。但在碳中和语境下,天然气燃烧是建筑的直接碳排放,除了炊事等少量用途外,城市里不应再有天然气燃烧供暖/供热水(包括以供暖供冷为目的的热电联产)。天然气管网将会改为电制气(P2G,powertogas)管网,或将生物质气、氢气和人造甲烷注入和掺混进天然气,或改造成氢气管道。但与天然气相比,这些改变无论在输气规模和气体物化性质方面都有很多难点。从长远来看,输气管网的改造是最困难也是前景最不明朗的。

在城区范围内,需要对电、热、气三网统一规划、统筹协调。以电网为主,三网融通,构成城区的能源互联网。改变过去三网各自为政、重复计算负荷、大马拉小车的能源规划方式。三网统一规划的基本原则是:第一,保证能源服务的品质;第二,能源系统碳排放量最小;第三,运营成本最低。国内外有很多学者在开展这方面的研究。

1 智能电网

1.1 什么是智能电网?

查阅各种关于智能电网的定义,感觉大多都语焉不详。一种普遍的认识是,将智能电网看成传统电网+ICT(信息通信技术);另一种来自电力部门的理解是,智能电网就是“坚强电网”,即用数字化技术保证电网不受各种外部因素的干扰,保护电网安全。这些定义都有失偏颇。智能电网是碳中和城市能源系统的基础。它的发展取决于三大因素:第一,城市能源系统的脱碳化。为了消除化石燃料燃烧的直接排放,需要实现城市建筑能源系统的全面电气化。电力来源于可再生电力对电网的高比例渗透。可再生能源发电的间歇性、波动性和不稳定性给电网(尤其是配电网)的安全和可靠带来重大的挑战。第二,城市能源系统的去中心化。用户端大量小规模光伏接入配电网,使分布式能源系统取代了原有的集中式系统。同时,对用户端千千万万的产消者,要容许各种不同类型发电和储能系统的无差别接入,给电网运行的稳定性和供需平衡带来挑战。第三,电力市场从单一利益主体变成多元利益主体。管理电网的公用事业公司从经营者变身为服务者,用户从被动接受需求侧管理转变为主动提供需求侧响应。智能电网要提供满足各类用户需求的电能。电网给用户的不再仅仅是供电,而是供冷、供热、供气等全方位的能源服务。这对电网的平台化、各种资源的整合和共享、各种能源载体的转换和替代、各方利益的博弈和共赢提出了很高的要求。这三大因素要求在配电网层面必须具备很强的自愈能力,即可以在平时具有预防控制和故障自动恢复功能、在灾害和战争期间具有孤岛运行能力、在运行中具备多参数优化和决策支持的算力。因此,智能电网必然依靠先进的数字化技术的支撑。

智能电网是体现在碳达峰、碳中和背景下能源转型方向的技术,它将能源系统的脱碳化、去中心化和数字化三大核心理念落地,是未来城市能源系统的骨干基础设施。

1.2 智能电网需要“弹性”和“灵活性”

在碳中和语境下,智能电网因为去中心化的大量可再生能源发电接入,使得其供应侧和需求侧都处于不确定状态。因此需要保持稳定性的“弹性”和保证供需平衡的“灵活性”(或称“柔性”)。除了智能电网自身的应对能力外,还需要供需各方的辅助。特别是建筑,在其中发挥了重要作用。

1)电网弹性(resilience)。根据国际能源机构(IEA)的定义,弹性是电力系统吸收短期和长期冲击的能力,例如高影响和低频率的极端天气事件。随着全球气候变化,预计将增加极端天气的频率和严重性,弹性将成为电力系统规划的一个越来越重要的支柱[1]。此外,由于大规模可再生能源发电接入,以及恐怖袭击和网络黑客等人为破坏因素,使电网运行面临越来越大的不确定性,近年来世界各地都发生过大范围的停电断电事故。在这种情况下,电网系统需要同时具备自适应灵活控制和强抗冲击能力,无论在正常运行、严重故障或天灾人祸等大扰动情况下,都能够确保安全稳定运行。在遭遇事件后有能力快速恢复到事先设定的期望正常状态。

可以看出,电网弹性主要依靠电力部门自身努力。建成电网弹性,主要依靠系统规划、稳定控制、故障诊断和系统恢复等四方面技术[2]。其中在系统规划方面,要结合分布式能源技术,在配电网层面实现电网的有源性,即可以通过分散光伏和蓄能(包括电动车)系统组成的微网,实现在大电网断电期间微网自主运营,确保必要的和应急的用电设施的供电。在能源规划中,可以根据应急电源的容量需求确定城区内光伏和蓄电安装容量,平时作为其他专项(例如充电桩)的电源,在大电网断电时为重要用户供电。

业内对电网是否能实现100%可再生能源(完全利用可再生能源发电)存在争议。理论上,这种供电方式在国家电网规模上是可以实现的。比如有人建议在新疆戈壁上建100km×100km 的巨型规模光伏阵列,加上特高压输电和大型抽水蓄能电站,便可以解决中国的全国用电问题(2020年我国全年电力消费7.4万亿 kW·h)。但这样的电网系统严重缺乏弹性。一是需要非常复杂的调度控制系统;二是电网安全性堪忧,一旦这一生命线被掐断,后果不堪设想。那么,退而求其次,能不能用分布式的当地可再生能源资源实现100%供电呢? 在城区层面分布式的现场可再生能源发电主要是光伏和小规模风电,个别城区可以利用非现场的光伏阵列和大规模风电。但这些都属于可变可再生能源(variabl erenewable energy,VRE),不能按照传统做法,即按照城区建筑的高峰负荷选取设计容量。可能需要几倍于高峰负荷的容量以保证供能的安全,而且可能永远也满足不了全部的高峰负荷。此外,还要考虑为邻近地区作备份的容量。因此,这种方案在经济上也是不具备弹性的。其安装消耗的材料和所需要占用的土地面积都是隐含碳的排放源。

依笔者所见,未来理想的城区智能电网应该是由公用事业电网提供基本负荷(baseload),其电源由核电、带有碳捕集/回收/利用(CCUS)的大型燃气蒸汽联合循环电厂及大型水电站组成;而现场可再生能源发电集成提供中间负荷。在住宅为主的城区,如果条件好,甚至可以由可再生电力承担峰值负荷。笔者将在本系列文章的第 3 部分(负荷篇)进行详细分析。以我国这样规模的电网,要保证弹性,不可能完全摆脱天然气发电。因此要加紧对 CCUS技术的研发。

2)电网灵活性(flexibility)。无论是风能还是太阳能,都是严重的“靠天吃饭”、随时间和地点不断变化的可变可再生能源,具有随机性、波动性和间歇性的特点。而现代城市以服务业为主的产业结构和居民生活质量的不断提高,使得早年以重化工业为主的产业结构和较低生活水平下的稳定能源需求 变 成 波 动 和 变 化 的 需 求 (variable energy demand,VED)。因此,可再生能源高渗透的智能电网需要在日常运行中维持 VED 与 VRE 之间平衡的灵活性。

应对 VED是电力系统久已有之的课题,也形成了完整的技术和政策体系。对需求变化的预测,无论是全年负荷预测,还是日前(dayahead)负荷预测的算法和软件,都比较成熟。同时一系列从顶到底的需求侧管理政策(我国国家发展改革委制定的《电力需求侧管理办法(修订版)》全面做了总结)都在十分有效的实行。建筑界最熟悉的是分时电价政策,它甚至推动了蓄冷蓄热一个行业的发展。但应对 VED,电力供应端的稳定和可靠是前提。

可以用发电的容量因数来衡量电力供应的稳定性。所谓容量因数,指发电机的实际发电量与理论最大发电量(由发电容量乘以运转时间计算得到)的比值。即容量因数等于实际输出除以最大可能输出。

笔者根据我国2020年的电力数据[3],测算了当年全国发电平均容量因数(见表1)。

发电容量因数低于100%有几个原因:一是由于设备故障或日常维护,会在部分时间内停止服务或减少输出。容量因数较高的核电、地热发电、燃煤电厂及生物质发电可以作为基荷电厂。二是接受调度,发电量被削减或故意闲置,因为负荷较低或电价太低而运行不经济。如天然气电厂和水电站,前者发电成本高,后者容易调节,都可以作为调峰电厂。三是发电燃料供应没有保障,比如燃煤和天然气供应受限,使化石燃料发电难以为继。但最明显的是可再生资源(风光)的间歇性和波动性的影响,以及水电站的水源丰水和枯水的影响。

随着可再生能源渗透率的提高,尤其是大量可再生电源是在城区配电网层面接入,使得原先靠基荷电厂、调峰电厂和需求侧管理政策维持的供需平衡重新失去平衡,而且供需两端都出现不确定性。在供应侧,原先的峰谷改变了。比如夏季的中午,是用电高峰但也是光伏的发电高峰;而冬季的中午,由于改用电力供暖,在夏热冬冷甚至部分寒冷地区,连续供暖变成“部分时间、部分空间”的模式,特别在住宅区,反而会出现用电低谷。大量可再生电力要上网寻找“出路”。用电高峰会出现在下午到傍晚,人们下班回家之后。而且这一时段的负荷爬升速率很快,形成所谓“鸭子曲线”。

电网出现缺失灵活性的表现是[6]:① 供需不平衡导致电网无法维持正常的频率;② 电网容量不足,导致电网拥塞,电压升高;③ 在可再生电力份额很高的电网中,不得不大规模弃光弃风,可再生电力无法上网、渗透率下降;④ 区域间电网不平衡。

传统上,电力系统的灵活性是由供应侧提供的。供应侧应对的办法是:① 电网扩容,使其能够应对可再生电力的发电高峰,但会造成电网的容量因数降低和大量低回报投资。② 增加电网储电能力,解决高峰电力不足和可再生电力消纳问题。但目前尚没有价格可接受的大规模蓄电池能够应对电网级的储电要求。比较好的解决办法是抽水蓄能电站。但并不是所有城市周边都能具备建这类电站的自然条件。大型抽蓄电站对周边环境生态也会有负面影响。③ 提升电网调度能力。如通过区域间调剂,以丰补歉。甚至通过特高压电网的输送能力,利用时差,将可再生能源资源丰富地区的电力输往用电高峰时段地区。这一方面需要大规模的输电网投资,另一方面输电能力建设可能赶不上供需两侧的增长速度。最近也有利用高温超导技术提高电缆输电能力的研究。但这种技术对装备要求很高(需要制-70 ℃液氮的低温制冷机),而且制 冷 过 程 的 能 耗 也 很 高。目 前 仅 限 于 输 电1km 以下的实验[7],要实现“西电东送”级别的长距离输电,短期内还没有可能。④ 灵活发电。例如调整发电厂出力或启动调峰电厂。⑤ 需求侧管理。通过分时电价政策,将需求端负荷移峰填谷;通过需量控制,抑制高峰需求。

由于可再生能源的大规模渗透,供需两端的同时不同步的变化,光靠供应侧提供电网灵活性已经不够了,需要需求侧的参与。智能电网的“智能”正体现在能够协调供应侧和需求侧的灵活性。在城区层面,需要电网、热网和气网共同提供灵活性,建筑起到十分重要的作用。

1.3 建筑对电网提供需求侧灵活性

所谓需求侧灵活性(demand side flexibility)可以定义为“分布式能源在不同时间尺度上调整建筑物负荷曲线的能力”[8]。也可以称为“城区能源灵活性”或 “负荷灵活性”。 建筑为电网(B2G,building to grid)提供灵活性是通过需求侧响应实现的。与过去被动地接受需求侧管理不同的是,建筑物根据电费价格信号或配电网的运行动态信息而改变用电量和负荷,是对电网运行的主动配合,也是建筑物为电网提供的辅助服务。

建筑物通过以下措施提供需求侧灵活性:

1)建筑节能。减少建筑年能耗和日能耗,例如,实行能耗限额标准,通过设计和运行各环节的
优化,降低建筑的实物量能耗,从而减轻电网扩容的压力,为电网提供长期灵活性。

2)建筑产能。建筑物电能表后(behind-themeter)连接的光伏发电装置,可以通过直流直供电
和储电技术,降低电网供电高峰,减少用户电费。即所谓“光储直柔”的应用。

3)负荷消减。通过设备减载(如通过照明 空调 遮阳的协同控制,降低空调照明负荷)、运行优化(如需求通风、室温设定值调整、设备变速运行等)、利用被动式技术(日照、自然通风、遮阳)等措施,为电网提供短期灵活性。

4)负荷形状调整。一是负荷转移,利用蓄冷蓄热装置(如水蓄热、冰蓄冷)将供冷供热的高峰转移,也可以通过提前开机、夜间通风等运行措施利用建筑结构的热容量蓄冷蓄热,减缓负荷的爬坡曲线。二是负荷平准化,通过城区建筑功能的多元化和不同功能建筑运行时间表差异,平缓城区能源负荷曲线。

5)消纳自发电。减少对电网的影响。

可见,需求侧建筑主要通过运行策略的调整提供灵活性。这需要在规划设计中就考虑到 B2G 的需要,例如被动式技术、系统设备选型、能耗限额、网络布局、储能系统、控制策略等都需要通过性能化设计和建筑群规划去实现。而运行优化则更是灵活性的关键。城区或建筑能耗中占比最大的是供冷供热。在建筑全面电气化的前提下,提供灵活性最重要的是热泵的应用。

2 智能电网中的热泵

2.1 供暖电气化与热泵技术

业内对热泵技术,从理论到实践都已经非常了解。但从1855年第一台热泵诞生至今,热泵始终没能在供暖市场上占据主流地位。压缩式热泵用于供暖存在一定短板[9]:

1)早年由于设备价格高昂,没有合适的制冷剂,制热效率低,与化石燃料锅炉供暖相比完全不具优势。

2)20世纪30年代有机化合物制冷剂出现以后,先用于制冷,50年代开始用于热泵供暖。但在北美严寒气候中热泵压缩机的压比很大,导致故障频频。

3)空气源热泵由于冬季蒸发器除霜问题,以及供热能力和建筑负荷的平衡点过高需要配置辅助热源问题,都是影响热泵供暖的负面因素。以致即使在石油危机的背景下热泵供暖也没能成为主流。

4)热泵供暖的逐步普及,要归功于日本和中国家用空调的普及。东亚的气候条件要求空调器以供冷为主,这也造成了家用和商用空调器主要的技术重点是供冷性能的改进。像印度这样的新兴空调市场对热泵的需求更小。迄今为止,全球供暖市场中,以提供的热量计算,热泵仅占10%。

5)现在用于建筑供暖的热泵还是以空气源热泵为主,空气 水热泵的供水温度较低,要求末端低温供暖(例如用辐射型)且建筑物有良好的保温和气密性。我国数百亿 m²的既有建筑尤其是居住建筑还很难满足。

为实现碳中和目标,要将电力供暖比例提高到90%,是很大的挑战。近年来热泵技术一直在长足进步。比如欧盟生产的空气-水热泵,对市售产品在空气温度2 ℃、出水温度35 ℃的条件下测试,COP 在3.2-4.5之间[10];而水-水热泵,在热源温度10 ℃、出水温度 35 ℃ 的条件下测试,COP 在4.2~5.2之间[10]。为适应供暖市场和供暖电气化的需要,各国都在提升热泵的冬季工况性能,主要有以下几方面的努力:

1)努力提高热泵产品的冬季性能。① 美国空调供暖制冷研究院(AHRI)标准中对空气源热泵最低空气温度的规定是-9.4 ℃,要求最高出水温度为71 ℃[11];美国能源部(DOE)要求空气源热泵最低的制热季节性能系数(HSPF)为2.4(2023年起分体热泵机组要提高到2.58),目前市场上性能最好的已达到3.8。DOE 要求地源热泵机组的最低季节性能系数(SCOP)达到3.1,目前市场上最好的产品已达到 4.5。② 欧洲热泵协会(EHPA)的 热 泵 规 范 要 求 在 定 义 热 泵 的 SCOP时,要测试7个室外温度点:-7 ℃、2 ℃、7 ℃、12℃、极限工作温度 (或设 计温度)、平衡点温度及-15 ℃(如果当地最低气温低于-20 ℃)[12]。在这7个状态点条件下,出水温度都是35℃和55℃两挡。对热泵 SCOP 的要求是:盐水-水,4.30;水-水,4.30;空气-水,3.50;土壤耦合换热器-水,4.30;排风热回收-水,3.50;空气-空气,3.40[13]。③ 我国自 2020 年开始执行的国家标准 GB/T25127.1—2020《低环境温度空气源热泵(冷水)机组 第1部分:工业或商业用及类似用途的热泵(冷水)机组》和 GB/T25127.2—2020《低环境温度空气源热泵(冷水)机组 第2部分:户用及类似用途的热泵(冷水)机组》更是完全针对热泵在我国严寒寒冷工况下的特性。其名义制热量的工况点是-12 ℃,低温工况点是-20 ℃,极端工况点是-25 ℃。根据末端供暖形式,规定了热泵性能系数(见表2和表3)。另外,将在2022年实施的国家强制性标准 GB21454—2021《多联式空调 (热泵)机组能效限定值及能效等级》中对用途很广的多联式热泵在低环境温度下的性能提出了很高的要求(见表4)。



2)从应用端改善热泵的性能[9]。① 末端采用低温供暖方式,水温在30~40 ℃之间的辐射供暖成为主流。降低末端水温,可以大大提高热泵效率。但需要提高建筑围护结构保温和建筑气密性水平。这对于数百亿 m2的既有建筑是一大挑战。② 寻找更好的热泵热源。空气是最常见的热泵热源,易于应用。空气源热泵的应用使热泵成为即插即用的家电产品。但空气在热力学上是最不利的热源。空气源热泵在建筑负荷与室外空气温度到平衡点后需要辅助热源,在一定程度上还离不开化石燃料。特别在严寒地区,如汽车空调这类移动式应用,其供暖问题是灾难性的。为城区建筑供暖,可以利用资源共享的能源总线系统 (energy bus,EBus,也称为第 5 代区域供热供冷系统,5GDHC),集成各种低品位热源和可再生能源取代空气,提高热泵的效率。

3)改进热泵的机械结构。热泵的性能系数遵循逆卡诺循环:COP =Tc/(Tc-Te),其中Tc 为冷凝温度,决定了供暖温度;Te 为蒸发温度。显然,提高性能需要提高 Tc,减小(Tc-Te),在热泵机械结构上,采取这样一些措施:① 压缩机变速。有2种方法,电动机变频驱动压缩机和通过机械动作控制的“数码涡旋压缩机”。例如在低温环境下,空气源热泵的变频压缩机通过短时间的超频运转,提供更高压力,提高冷凝温度,从而将需要辅助热源的平衡点温度推低。相对传统的启停控制,变速压缩机需要有更好的控制技术[14]。② 强化换热器性能。如换热器的增强型表面、百叶窗或波纹翅片和翅片肋管;再如微通道换热器,减少制冷剂充注量并强化传热。③ 双级压缩,提高压比,提高冷凝温度。如用无油的磁悬浮离心机作热泵。④ 喷气增焓。使单级压缩机实现两级压缩的过程,从而使得采用喷气增焓技术的空气源热泵可以适应比普通空气源热泵更低的室外环境温度。

4)改用替换制冷剂。选择制冷剂,既要考虑保护臭氧层,也要考虑温室气体排放,还要考虑作热泵运行时的温度和效率,更要考虑安全性。总趋势是越来越多地采用天然工质,如氨(R717)和CO₂(R744)。尤其是采用跨临界循环的 CO₂热泵热水供暖,其制冷剂气体放热过程不发生相变,在超临界区通过显热交换进行换热。相对于其他制冷剂的热泵而言,跨临界 CO2热泵的性能系数高、提升温差大、热水温度高,在严寒、寒冷地区作为供暖电气化的技术方案具有很大的发展潜力[15]。氨和 CO₂都是天然工质,二者的ODP(臭氧层消耗潜能)均为0。氨是氢的载体,其 GWP(全球变暖潜能)为0。CO₂的GWP 为1,而且可以利用 CCUS获得的CO₂,可以认为是碳中和的制冷剂。但氨制冷剂有安全性问题,而 CO₂热泵工作压力高,对机组的材质和加工都有很高要求。

2.2 为智能电网服务的热泵 (smart grid ready heat pump)

很难将英文术语smart grid ready heat pump(SGRHP)确切地译成中文,本节标题也许能反映出它的内涵。热泵为智能电网服务主要就是提供灵活性。热泵供热供冷是建筑为电网提供 B2G 需求侧灵活性的主要手段。热泵提供的灵活性有3个方面:保证电网的稳定性和运行经济性;集成和扩大可再生能源发电的应用,尤其是消纳现场生产的可再生电力;利用可变电价和分时电价获取最大收益。

1)电网稳定性和经济性。在智能电网中热泵运行被当作“热电池(thermal battery)”,通过热泵的运行和蓄热(冷),起到平衡电网供需的作用,在各种储电技术中,热泵蓄热是经济性最好、间接储电效果最好的方式之一。

对应于抽水蓄能 (pumped hydraulic electricity storage, PHES,用电低谷时水泵抽水到高位水库,用电高峰时利用水位差推动水轮机发电补充电网供电的不足)的储电方式,热泵用了同样的原理,即用电低谷时利用热泵将能源从低品位(低温)提升到高品位(高温),到用电高峰时或用高温热能发电,或直接供暖。所以,热泵储能的英文为“pumped thermal electricity storage,PTES”。

PTES可以根据其热力循环和工作流体分成4类:① 布雷顿循环。它使用空气或氩气等单相气体,在电力驱动涡轮机中被压缩并达到1000 ℃的温度和0.46MPa的压力,并配备高压和低压的温度储层。储存的高温热能可以用来重新发电。相当于电力以显热形式储存在这些热储层中。② 跨临界有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)。以 CO2为工作流体并配备冰和加压水储热罐。最高储存温度为123 ℃。③ 压缩式热能储存系统。该系统是基于传统蒸汽朗肯循环,即用电动压缩式热泵生成高压蒸汽,经换热将热量传递给高温高压的热水储存。需要时储热系统释放热量产生蒸汽驱动汽轮机发电。以上3类都是电-热-电的流程,即储电还电。而且可以看出第二类和第三类都要用到 CO2热泵并产生高温。这3类储电方式效率均在50%以上[16]。本系列文章的第4篇将进一步介绍。④ 建筑层面热泵供冷供热储能。这是在常规温度下的显热和潜热储能,显热储能有主动式(如水蓄热)和被动式(如利用建筑结构蓄热)2种,潜热储能都是主动式的相变蓄热(如冰蓄冷)。

建筑中热泵提供电网稳定性和经济性的服务包括:电压控制、拥塞管理、提供备份[17]。在电压控制应用中,热泵用于保证配电网的电压在允许的波动范围内。即在局部欠压时降低热泵的有功功率需求,而在过压时增加功率需求。与电压控制密切相关的一个应用是配电网中的拥塞管理。因为现场可再生电力往往受到变压器和线路容量的限制,如果有大量可再生电力涌入配电网,通过运行热泵储能进行调峰,可以避免变压器过载,从而也有助于减少或推迟对电网扩容的投资。而所谓备份,就是电网需求侧负荷的移峰填谷。通过 PTES将用电(供冷供热)低谷或可再生电力发电高峰时的冗余,转移作为用电高峰和发电低谷的备份。因为在供暖电气化的背景下,供冷供热是用电比例最高的部分。

2)消纳现场生产的可再生电力。这一功能与热泵提供电网稳定性和经济性密切相关。在建筑层面,通过将热泵的运行时间转移到光伏发电量超过家庭用电量的时间来增加光伏自用量,不仅可解决电网拥塞问题,也可以给家庭节省电费开支。而在城区层面,则通过热泵池(heat pump pool)的控制,降低配电网的可再生电力馈入峰值。

3)时变电价下获取最大利益。在需求侧管理中,利用电价的变化来激励或限制某些用电行为。在可再生能源高渗透的智能电网中,电价不是常年一成不变的分时电价,而可能是时变(实时定价)和日变(日前定价)的,用以激活需求侧响应。这是智能电网的一个重要的特点。而需求侧在接到价格信号之后,用自动启停控制或优化控制的方法来调节热泵或热泵池的运行。通过热泵+储热的运行,能够显著降低运行成本。这对供应侧和需求侧是双赢的。

2.3 为智能电网服务的热泵的性能要求和技术特点

1)热泵的运行策略以电网为中心。目标是增加可再生能源渗透率及可再生电力与电网的整合,在供需之间、电热之间建立平衡的纽带。

2)变频调速的热泵要优于定速启停控制的热泵。

3)空气源热泵在提供电网服务中存在一定的劣势。如在时变电价下,很可能在电价低谷时段运行会使空气源热泵的效率降低,即节钱不节电。因此,理想情况是利用 EBus系统,为水源热泵提供稳定热源,保证热泵运行效率。

4)热泵池能够为智能电网提供更多的灵活性服务,因此,未来热网形态应以分布式互联的热泵系统为主,不宜采用位于区域能源中心的集中式大规格热泵。

5)要有智慧化的传感器信息系统、能源管理系统和控制系统。

3 智能热网———城区EBus系统

3.1 EBus系统是第5代区域供热供冷(5GDHC)系统

有关 EBus系统的概念和论述,以及五代区域供热供冷系统的代际划分,可参见文献[18],该文
对 EBus的介绍比较清晰和全面。此处着重描述EBus系统在碳中和城市建筑能源系统中的地位和作用。

1)EBus集成低品位热源,扩大可再生能源利用。地球富含的热量,除了深层地热来自地心深处的核聚变之外,无论是水体里的热量还是土壤中的热量,无一不是来自于太阳能。但因为这些热量温度品位很低,不能直接利用,因此不能称之为能源。此外,人为排放的热量,如燃烧过程最终产生的烟气、生活产生的污水,其中热量也是无法直接利用的。因此把这类自然和人为的热量称为可再生热源。目前可以实际应用的利用可再生热源方法有2种:一是通过有机朗肯循环,用类似火力发电的热力过程和低相变温度的高分子有机物工质,在低温下发电。这是一种非常理想的利用可再生热源的方法,但现在的技术在100 ℃以下的温度区间效率都非常低,因此尚不具备推广价值。二是通过热泵,花费少量能源,提升可再生热源的温度品位。这是目前最普遍的利用可再生热源的方法。如果热泵的COP 为3.5,那么1 kW·h的电力可以得到3.5 kW·h的热量。如果热泵所消耗的电力全部来自可再生能源,那么可以认为3.5 kW·h热量全部来自可再生能源;但如果电力来自化石燃料火力发电,发电效率为40%,那么1 kW·h电力消耗的非可再生能源为2.5 kW·h,因此,最终供热的3.5 kW·h中,只有1 kW·h来自可再生能源,即可再生能源利用率为29%。详细计算可参见文献[19]。

由于低品位可再生热源能量密度低,资源分布分散。除空气外,其他资源都需要通过能量收集,集成应用。而在单栋建筑的建筑红线范围内所能收集到的可再生热源多数情况下无法满足建筑的能耗需求。因此,资源供应和需求之间的匹配就需要 EBus这种形式,在城区乃至城市范围内实现资源共享,发挥扩大可再生能源利用、集成低品位低密度热资源、对应用户不同需求的作用。

2)EBus使城区能源资源多源化。五代区域供热供冷系统的主要代差是供应温度的不同。第1代是高温高压的蒸汽,第2代是100 ℃以上的高压热水,第3代是沿用至今的70-90℃的热水,第4代是45-60 ℃的热水,第5代是10-35 ℃接近环境度的水[18]。第5代系统除了35 ℃的水可以直接供热(辐射供暖)和10~15℃的水可以直接供冷外,都是只为水源热泵提供的热源/热汇。由于降低了水温,扩大了热源/热汇的资源范围,许多低品位可再生热源可以被利用,也使得接近环境温度的建筑排热和废热成为资源。但正因为 EBus供水温度低,所以基本上不能用来集中供热。所以,EBus没有供回水的概念,而是一根暖管、一根冷管。末端供热的热泵热力站从暖管取水用于蒸发器换热,末端供冷的热泵热力站从冷管取水用于冷凝器换热。

3)EBus是分布式水源热泵系统。因为智能电网需要电能表后的热泵直接消纳产消者的自发电,所以系统中的热泵一定是分布式的。水源热泵机组安装在分散的热力站中,对应单体建筑或小规模街区。传统区域能源系统的集中式大机组和能源中心的模式,无法适应这样的用能方式。这种分布式水源热泵系统,要实现为智能电网服务、要平衡和调节接入EBus的各种低品位可再生热资源,离不开智能能源管理系统。这样的管理系统是把所有接入的水源热泵机组视为一个整体,即所谓“热泵池”。而在系统控制上可以有3种模式[20]:① 直接控制,即控制信号直接传输到各台机组。热力站的现场设备跟随控制信号,但仍遵循当地的运行边界条件(例如舒适度和运行时间要求)。② 间接控制,热泵机组在特定时间内接收到惩罚/激励(例如时变电价),但各机组对给定激励信号的反应要根据现场需求自行决定。③ 基于代理的控制。这是一种完全分散的方法,其中负荷和热泵机组是具有自己运营目标的个体代理,能够协商其电力消耗和价格[21]。

4)EBus最大优势体现在可以同时供热供冷。EBus只有一根暖管和一根冷管,管内水温接近地表温度。热泵池中的热泵根据自身建筑的供暖需求和供冷需求,分别从暖管或冷管中取水,回水则进入另一根管道。这样就有可能实现具有不同需求的建筑物之间的热量转移和能量交换。这在冬季供暖中体现得尤其明显。比如在有数据中心的园区中,数据中心通过冷管取水供给冷水机组,作为冷凝器的热汇,换热后排出的热水送入暖管,作为其他建筑热泵供暖的热源。有研究提出,在瑞典气候条件下,废热热源可以满足供暖需求的50%~120%[22]。图1为同时供热供冷的区域能源系统示意图,放大部分显示了同一建筑内部的同时供热供冷系统。图中的 BU(能源枢纽)不是传统意义上区域供热供冷系统的能源中心,而是用来保证EBus的冷热平衡。在大多数城区,仅靠建筑物供冷供热平衡冷管和暖管的供需几乎不可能。所以BU 的主要作用是集成各种辅助热源或热汇,尤其是保证系统的温度。这在下一节叙述。

Ebus可以集成各种低品位可再生热源,图2给出了完整的 Ebus系统示意图。在运行中为保证水温,应优先应用建筑的余热废热和热回收,其次再应用各种可再生热源,最后再应用空气源热泵等辅助热源。

3.2 负荷的多样性

因为EBus(5GDHC)系统在建筑群内同时存在供暖和供冷需求时能有很高的效率,所以在文献[23]中,特别用了多样性指数对建筑负荷进行评价。

多样性指数,又称辛普森多样性指数 SDI(Simpson diversity index),是统计学中用来衡量生物多样性的一个计算指标,也常被用于人口统计和社会学统计。其表达式为

EBus连接分布式的热泵池。在城区建筑中,热泵系统一般承担3类负荷,即热负荷、冷负荷及热水负荷。其中热水负荷常用单独的热泵承担,而只要不是同一建筑出现同时供热供冷,一般供热供冷用同一台(或同一组)机组承担。

在做负荷多样性分析时,可将夏季和冬季分开考虑。以下举一个算例:

某园区有10幢同样面积的建筑(用同样面积是在计算中可以用单位面积负荷,以便减少例题计算工作量),其中1幢为数据中心,1幢为酒店式公寓,其余8幢为办公楼。这3类建筑的负荷见表5。

根据这些建筑的用能特点可知,冬季数据中心仍有供冷需求,而夏季除热水供应有热需求外没有供暖需求。因此,冬季负荷有3类,夏季负荷只有2类。如果整个系统只有1类负荷,那么SDI等于0;如果 EBus(5GDHC)中实现负荷平衡,那么SDI等于1。

冬季负荷的辛普森多样性指数为


夏季负荷的辛普森多样性指数为

根据表 5 和给定的参数值,可以计算得出SDI_w=0.9469,而SDI_s=0.2132。前者接近于1。文献[24]给出了SDI的评价方法,见图3。图中阴影部分是多负荷情况下 EBus(5GDHC)能效比较高的区间。可知冬季负荷中,由于供冷负荷占比约54%,SDI_w>0.9,因此 EBus处于高效区;而夏季负荷中,供冷负荷占比近 90%,而 SDI_s <0.3,所以仅靠热水热泵的热回收不足以平衡负荷,需要有散热排热的其他措施。

注意,如果城区中各建筑面积不相同,那么此处负荷要乘上面积。辛普森负荷多样性指数可以有助于能源规划中对 EBus(5GDHC)系统网络的布置。

3.3 EBus温度控制———“能源即服务”理念的体现

有关 EBus的论述可参阅文献[18]。此处只讨论 EBus运行中的重要环节,即网络水温的保持。

在 EBus(5GDHC)网络中,网络温度的控制至关重要,因为它直接影响所连接的热泵和冷水机组的效率、网络的热损失(或热收益),以及废热利用或免费供冷的整合[25]。EBus是超低温区域供热系统 (ultra-low temperature district heating system),但实际上对温度并没有严格规定。暖管水温可以高达35 ℃,已接近第4代区域供热系统的下限,可以在一定时间段内为建筑低温辐射供暖系统直接供热;而冷管水温在冬季最低可低至-2℃(管内走乙二醇溶液),通过土壤埋管与土壤换热,将土壤温度降至0 ℃附近,起到季节性蓄冷作用,夏季供冷之初可以将冷管水直供建筑的空调末端,即所谓“免费供冷”。

保证暖管和冷管温度,有几条原则:

1)根据末端用户需求。在供暖工况下,为保证用户热力站的水源热泵有较高COP,如果末端用户是中温的散热器供暖(需要水温55-60 ℃),则需要暖管温度在30-40 ℃;如果末端用户是低温的辐射供暖(需要水温35-45 ℃),则需要暖管温度在20-25 ℃。

2)可再生能源和低品位热源优先。一 般而言,供暖模式下,如果有余热产生的供冷需求(例如数据中心)比较小或没有的话,则无法平衡供暖需求,需要补充热源才能保证暖管水温。相对夏季供冷而言,供暖找到合适的补充热源是比较容易的。国内常用的浅层地埋管换热、地表水和地下水、中深层地热换热、城市污水换热,以及各种工业废热和余热等都可以作为 EBus的热源。但夏季要找到温度比较低的天然热汇就比较困难了。条件好的地方(例如欧洲很多城市),可以利用深层海水或湖水(包括大型水库),温度常年保持在4 ℃左右。甚至能够直接供冷(免费供冷)。但我国大多数城市中的河流湖泊甚至海水表层,其水温与气温的温差很小,需要比较大的水量换热。也可以利用开式或闭式冷却塔排热,以及利用地埋管和污水源等准恒温的热汇资源。

3)体现能源即服务理念的能源枢纽。图4为文献[25]中给出的一幅示意图。图中的 EBus系统完全没有利用天然热源来维持管网温度,而是靠能源枢纽中由可再生能源驱动的耗能设备为分布式热泵提供热源和热汇,形成耦合热泵(冷水机组)系统。

先看耦合热泵系统。由能源枢纽中的空气源热泵对暖管供热,提供25 ℃热源水,然后建筑热力站中的水源热泵以25 ℃水作为热源水,为建筑物提供45 ℃的热水供暖。空气源热泵的功率为 P1,性能系数为 C1;水源热泵的功率为 P2,性能系数为 C2;最终供热量为 QH 。则其供 热流程见图5。

室外空气温度0℃、热泵出水温度25℃时,空气源热泵COP(C₁)达到4.0;而水源热泵(用磁悬浮离心机)热源水温度25℃、供热出水温度45℃、负荷率80%时,水源热泵COP(C₂)高达7.7。则可按下式计算出耦合热泵系统供热的综合COP_H:

根据上述条件可得COP_H =2.9,略高于空气源热泵在同样条件下直接供暖的COP_H(即直接提供45 ℃的热水,COP_H 约为2.5~2.7)。

再看耦合冷水机组系统。由能源枢纽中的空气源冷水机组对冷管供冷,提供18℃的热汇水,然后建筑热力站中的水源冷水机组以18℃水作为热汇水,为建筑物提供7℃的冷水供冷。空气源冷水机组的功率为 P₃,性能系数为 C₃;水源冷水机组的功率为 P₄,性能系数为 C₄;最终供冷量为 Q_C。则其供冷流程见图6。

室外空气温度35 ℃、空气源冷水机组出水温度18℃时,空气源冷水机组COP(C₃)可达到4.0;而水源冷水机组(用磁悬浮离心机)热汇水温度18℃、供冷出水温度7℃、负荷率80%时,水源冷水机组COP(C₄)高达8.8。则可按下式计算出耦合冷水机组系统供冷的综合COP_C:
根据上述条件可得 COPC =2.55。而空气源冷水机组在同样条件下直接供冷(即直接提供7℃的冷水),COPC 约为3.1~3.2。显然用冷水机组为 EBus补冷在能效上没有优势。

这就提出了一个问题:保持管网温度究竟为了什么?

在 EBus系统中整个供热供冷系统被分成供应侧和需求侧两部分,可能会形成2个投资主体:即能源商投资经营供应侧,到用户热力站入口;用户投资运营热力站及建筑内系统。当然也可以由能源商投资运营到热力站,用户只管建筑内的末端。亦或热力站由用户投资,交给能源商运营托管。不管哪种方式,建筑供冷供热运营的直接成本都是由用户承担的。用户的最大利益体现在以最小成本实现室内的最佳热环境。同时,用户不希望运行成本具有不确定性,即能源成本是起伏不定的。用户对供冷供热成本是有比较的,例如,供暖可以与自有天然气锅炉相比,供冷可以与自有空气源冷水机组相比。

根据上文的计算案例,可以得出供暖时用户侧的运营成本(见表6)。

从表6可以看出,在 EBus定温条件下,用户可以得到最大利益。当然,这是建立在 EBus的供给侧耗能的基础上的。尽管供冷用耗能设备保持EBus温度的措施的综合能效比供热更差,但从需求侧来看也有同样的经济效益(本文不再赘述)。这体现了近年来一种新的能源理念———所谓“能源即服务(energy as a service,EaaS)”的概念。

事情缘起欧洲。很多欧盟国家近年来一直在进行供暖去天然气化的行动,即说服居民用电锅炉或热泵取代天然气锅炉。这一方面是为了完成欧盟的减碳目标,另一方面也是出于能源安全的考虑(欧盟2020年进口天然气的46%来自俄罗斯),俄乌战争开始后欧盟要在2022年底前减少2/3的俄罗斯天然气进口量。但是欧洲的电价高于气价,欧盟平均电价为0.2369欧元/(kW·h),而平均气价为0.0782欧元/(kW·h)。如果用效率比较低(设 HSPF=2.2)的空气源热泵,则制1kW·h热量的电力成本为0.1077欧元,而天然气成本(设锅炉效率为90%)只有0.0869欧元。而且天然气燃烧供暖的品质(温度品位)也高于热泵,那么市民不会接受“气改电”。只有通过提高热泵效率(水源热泵)、保持高效率点、提高末端供暖舒适性(改地暖),才能使用户接受供暖电气化。而欧洲多数国家电力碳排放因子比较低,2019年欧盟平均碳排放因子为0.2409kg/(kW·h),其中法国电力结构主要是核电,所以碳排 放 因 子 低 至 平 均 0.061 kg/(kW·h)。供暖电气化可以大大降低欧洲碳排放,有利于碳中和目标的实现。EaaS的理念,变“提供能源(供热)”为“提供舒适性”。用户关心的是用最少的钱满足舒适性。服务提供者更在意用户侧的效率和用户的供暖舒适感,对短时间段内利用空气源热泵提升水温带来的总效率下降,则尽量控制在成本可控的范围内。

传统的能源供应模式是以稳定的能源产品(例如电力和热力)为基础,以被动消费者为主体,能源是一种商品(energy as a commodity)。最终用户的需求处于从顶到底结构的底部。在“双碳”背景下能源正在经历转型:① 去碳化。大量可变可再生能源接入网络。能源系统面对的是生产的不稳定和供需的不平衡。② 去中心化。能源生产从几个点发展到城市或地区的整个面,出现了能源产消者。而各个能源微生产点通过能源互联网互联互通。③ 消费理念转变。COVID-19 大流行之后,人们的消费理念逐渐从拥有资产转变为共享资源。大到数据中心和超级计算机,小到共享单车,都是通过共享而提升了资源效率和价值。尤其对能量密度低的可再生能源,在用能强度高的城市里,只有通过共享,才有可能发挥效益。④ 数字化。物联网和人工智能技术,使得合理调配资源和精准满足用户需求成为可能。

按照国际可再生能源机构IRENA 的定义[26],EaaS是指通过不同的服务和不同的营收模式,支持分布式能源资源的部署和运营及需求侧管理,从而释放需求侧的灵活性。合同能源管理也是 EaaS的内容之一。能源总线是资源配置的一部分。服务商提供的不是热量和冷量,而是对用户端供冷供热的保障,使用户的热泵始终保持高效率运行,从而使室内保持持续的热舒适性。因此,有人把EaaS称为建筑热舒适服务。

那么,图4的能源枢纽,是不是服务商在赔钱赚吆喝呢? 首先,实际能源枢纽不可能是图4中的
形式,它一定是集成了各种低品位可再生热源,通过共享这些资源来保证网络的温度,并利用蓄热来调节。只是在可再生热源无法保证温度,或用户端出现很大需求时,才利用热泵或冷水机组进行补充。因此,在 EBus的规划中,要考虑需求侧需要的温度,选取合适的可再生热源。例如,上文中暖管温度需要25℃,那么靠浅层地埋管取热就不够了,需要有太阳能热水或中深层地热埋管并辅以蓄热。当然最理想的是有数据中心这样的余热生产者。其次,能源服务商不仅仅靠收取能源服务费赢利,它还可以通过热泵的运行为电网提供灵活性,并作为聚集商(accumulator)利用分时电价获取收益。上文中能源枢纽中的热泵或冷水机组,也可以充分消纳发电高峰时段的可再生电力。最后,碳中和的重要环节是供暖电气化和去燃烧化,通过保证EBus管网温度使用热泵替换锅炉的用户,在供暖品质不降低和保证舒适性的前提下降低供热供冷成本,将有助于碳中和政策的推行。

有人关心 EBus(5GDHC)如何收费。最近国外有人做了专题研究[27],所提出的3种模式没有离开传统范畴:① 按水表计量的可变需求收费;②按使用时间结构的分时计价;③ 按每年固定的长期成本收费(按面积收费)。根据调研,用户最能接受的是第一种。

3.4 EBus成为大热泵系统———区域能源系统的创新

笔者在文献[18]中曾指出:“因为 EBus管网水温接近环境温度,用户侧热力站的进出口水温差不可能像前三代供热管网那么大,为保证用户端热泵COP,EBus管网流量要大于常规供热管 网”。尽管对管道的材质和保温没有要求,但大管道的布置、施工、维护也会带来一些问题。

瑞士洛桑联邦理工学院 EPFL 的研究人员在2010年提出了区域供热供冷的 CO2网络系统[28]。该系统与 EBus系统相同,用2根管路输送 CO2,其中一根管道走的是CO2液体,另一根管道走的是CO2蒸气。利用 CO2 制冷剂的潜热将可再生热量传输和交换到需求侧热力站,在热力站使用分散式热泵按需供热或供冷。根据分析,与传统系统相比,CO2网络系统能显著降低能耗、减小管道管径、能够像 EBus那样实现热回收和热转移,以及实现同时供热供冷。

在本文第2章已阐述过,CO₂可以作为制冷剂用于热泵,主要是利用了CO₂在超临界状态下有很大温度滑移的特性,非常适合于热泵热水器这样有较大温差的应用上。CO₂ 的临 界温度很低 (31℃),临界压力很高(7.8 MPa),在 EBus这种为需求侧提供低温热源热汇的应用中,反倒可以在低于临界压力的 EBus的温度范围内,利用 CO₂蒸发冷凝的特性,通过潜热换热,提高 EBus的效率。

图7为基于 CO2的区域供热供冷系统原理图。该网络由一根饱和液体管和一根饱和蒸气管组成,饱和温度范围均为10-16 ℃(也有一些应用扩大到12-25℃)。在夏季工况,从液体管中取出的液体在蒸发器1中蒸发吸收热量,与来自建筑物供冷系统的回水换热,降低其温度,为建筑物提供免费制冷,然后以蒸气的形式释放到蒸气管。如果系统中有热需求(例如热水供应),则 CO2 蒸气进入蒸发/冷凝器3,释放热量并重新冷凝为液体,而在换热器3另一侧的是分布式热泵的蒸发器,制冷剂吸收热量蒸发。经用户侧分布式热泵的压缩机4进入典型的热泵循环。在冷凝器2中放热后再经膨胀阀6重新回到蒸发器。经换热器3后的 CO2液体进入液体管道重新循环。如果夏季的热需求不大,CO2蒸气有冗余,则这部分蒸气经三通阀7回到系统能源枢纽中的中心热泵机组,在冷凝器2中向温度较低的可再生热源(例如湖水)释放热量,进入中心热泵循环。在冬季工况,从蒸气管道中取出蒸气,在热泵冷侧的蒸发/冷凝器3中冷凝,释放热量后经循环泵5回到液体管道。而3中另一侧分布式热泵的制冷剂吸收热量蒸发,分布式热泵为建筑物供暖。如果系统中有供冷需求(例如数据中心),则液体管道中部分液态 CO2通过控制阀8进入蒸发器1,为用户提供免费供冷。如果供冷负荷小于供热负荷,多余的 CO2液体通过三通阀7回到能源枢纽的中心热泵,经膨胀阀6降压,在蒸发器1中吸收热量蒸发。此时湖水成为中心热泵的热源。除了湖水,可利用的可再生热源还有很多。


这里有几个技术关键:

1)在 CO₂低于临界温度的饱和状态下,其工作压力高达5~6MPa。

2)用户的分布式热泵应选择没有温度滑移或温度滑移比较小的制冷剂,例如 HFC 的 R134a、R410A 或 R407C。但这对保护臭氧层和减少温室气体排放不利。

3)液 体 管 道 压 力 高 于 蒸 气 管 道 (高 0.1MPa),可以不需要管道输送的动力设备。

4)管道中的流动方向取决于系统中供热(供暖和热水)和供冷需求的比率。如果总供热需求超过总供冷需求,则蒸气管为供应管,液体管为回流管。在这种情况下,CO₂在能源枢纽蒸发并泵送到用户端。反之,如果总供冷需求超过总供热需求,则液体管成为供应管,蒸气管成为回流管。CO₂在被泵送到用户之前在能源枢纽进行冷凝。

5)图8显示了文献[30]根据瑞士日内瓦的一个区域能源系统方案测算的管径;图9显示了文献[31]中日本学者根据日本东京的一个区域能源方案测算的管径。显然,基于 CO₂的 EBus系统管径远小于水系统,而且不需要保温。但压缩的或液化的CO₂在我国被列入危险化学品目录,管内很高的压力对施工安装都有特别要求,能源枢纽和热力站中也必须设泄漏报警装置。

除了供冷、供热、供热水,CO₂基的 EBus还有其他城市功能,如为消防、冷藏、有机朗肯 循环(ORC)发电等提供能源服务。

4 城区燃气网的未来

在“双碳”背景下,现有技术涉及的气体燃料网络主要是化石燃料天然气、合成天然气、生物质气及氢燃料。前面3种燃气网在管网形式和应用技术上与传统技术没有很大差别。而氢燃料网则需要有新的制备、传输、储存和应用模式。本文主要综述城区尺度下氢燃料网络基础设施的特点。城区用氢流程示意图见图10。

根据国际能源机构的统计[32],目前全球氢气的年产量约为7000万t,其中76%以天然气为原料(水蒸气甲烷重整[19]),剩余部分(23%)几乎都以煤炭为原料。除了工业应用之外,人们普遍把氢当作交通工具的替代燃料之一。其实氢燃料最容易实现的应用领域是建筑。本文主要聚焦氢燃料在城区建筑中的应用,以及在智能电网灵活性方面的作用,不涉及交通系统氢燃料网的规划问题。

4.1 城区规模氢燃料制备

根据氢燃料制造过程中 CO₂排放的强度和平衡,氢燃料可分成绿氢、蓝氢和灰氢,通过颜色区分其CO₂排放强度。所谓绿氢,是通过水的电解产生氢。水在电流和电解质的作用下被分解成氢和氧。如果电解所需的电力完全来自可再生能源且不含CO₂,则整个生产过程完全没有 CO₂ 排放(零碳)。

所谓蓝氢,是由化石燃料产生氢(如水蒸气甲烷重整)。如果生产过程中 CO₂ 通过 CCUS被分离和储存或重复使用,那么整个过程可以认为是碳中和的(净零碳)。而所谓灰氢是从化石燃料中获取的。例如,没有 CCUS的水蒸气甲烷重整,从甲烷生产1t氢气会产生大约9t CO₂。

在碳中和城区,制备绿氢的唯一途径就是用可再生电力电解水。目前能够形成商业化应用的电解水方法一是使用氢氧化钾电解液进行碱性电解,二是使用质子可渗透聚合物膜进行“质子交换膜”(PEM)电解或固体氧化物电解(SOEC)。相对而言,前者技术更成熟,成本更低。目前电解槽效率在60%-81%。但碱性电解的能耗和水耗都很高,按照我国国家标准 GB32311—2015《水电解制氢系统能效限定值及能效等级》中的小型制氢系统(<60m³/h)的1级能效标准计算,生产1kg H₂大约需要50.4kW·h电力,另外还需要9 kg水,同时还产生8 kg O₂。如果用海水,加上淡化过程总共需要55 kW·h的电力。IEA 测算,如果全球氢的年产量7000万t全部用电解水来生产,需要电力3.6 万亿 kW·h,超过欧盟 1 年的发电量。文献[19]测算表明,如果没有可再生电力的支撑,以我国目前的电力结构,建筑用氢燃料电池并没有减排效果。

4.2 氢燃料的输配

氢的输配有车载和管道输配两大类方法。车载运输又分高压气体容器、超低温液态氢绝热容器、液态氢载体如氨或甲醇,以及液态有机氢载体(LOHC)即氢通过化学键与有机油(常用的导热油)结合(1m³的 LOHC可容纳57 kg H₂)。如果城区自产氢,则不需要用交通工具进行输配,一般都是管道输送。

管道输送有极好的经济性。由于氢的高热值和可压缩性,可以实现非常高的能量密度。与1.5 GW 的380 kV 双回路输电系统架空线路相比,氢气管线(PN80,DN1000)可以传输高达10倍的能量,而成本约为前者的1/14[33]。

城区层面氢的输配有3种路径:一是建专用管线,二是利用原有天然气管线,三是将氢气掺混进天然气管线之中。建专用管线投资很大,一般在交通加氢站规划或新建住宅小区的能源规划中才加以考虑。

利用原有天然气管道是很好的选择。只需更换或改造天然气输送设备,如压缩机、阀门、测量仪表及各种配件。有些是可以通用的。但天然气高位热值在10 kW·h/m³左右,氢气只有3.0 kW·h/m^3……,因此在相同的压力下,需要大约3倍体积的氢气才能保持供能量不变。由于氢气的密度为天然气的1/9,因此流速是天然气的3倍,在相同压力和相同时间内,可以在管道中输送3倍体积的氢气。原有的天然气钢管用来输送氢气,在耐压、腐蚀、使用寿命等方面都没有很大影响。

为了将氢气送入传输系统,必须将氢气压缩至网络的工作压力。如果氢气在城区层面制取,就需要在城区层面配置压缩机。目前小系统中常用活塞压缩机。由于氢气密度低,压缩机会比天然气系统有更大的功率和更高的能耗。

国外将低比例的氢气(体积百分比为 3%~5%)混合到所供应的天然气中,发现不会对锅炉和燃气灶具等末端设备产生较大的影响,这一混合比例最高可以到20%。我国也开展 过 天 然 气掺氢的实 验。氢气掺入天然气管道后会对管道造成一定的危害,主要包括氢脆、氢鼓泡、氢开裂等。我国城市燃气管网压力低于4 MPa,如果掺入体积比例10%的氢气,不会产生氢脆等损害管道的现象[34]。

但毕竟氢气是易挥发易燃的危险气体,国家已有和正在编制一系列相关标准,尤其对氢利用的安全性做了严格的规定。在目前情况下,在城区层面还不具备大规模推广的条件。

4.3 氢燃料为智能电网提供灵活性

氢为电网提供灵活性主要通过2个方面:一是储氢间接提供储电,将可变可再生能源高峰发电转移到低谷时段应用(可以跨季节);二是通过氢燃气发电(热电联供)或氢燃料电池在用电高峰时段发电和供热供冷,平抑高峰负荷,实现负荷平准化。

应用于电网灵活性的储氢概念非常简单:用剩余的或非高峰的电力制造氢气并储存起来。当需要电力时,储存的氢气被用作发电的燃料[35]。

氢气具有很高的质量能量密度,但它的体积能量密度却很低,必须将其压缩或以浓缩状态储存。与天然气存储相仿,大规模应用的压缩氢气可以存储在地下岩洞中。而在城区层面,主要是在35~70MPa的高压下,将氢气储存在钢制的或复合材料制成的储气罐中。也可以在低温下将氢气液化(温度低至 10 K,即 -263 ℃),储存在绝热储罐中。这比液化天然气(LNG)的温度(-162 ℃)要低很多,需要耗费大量能源,不是一个好的方案。

储氢方式的关键特性是将氢气转换回电能的方法的成本、效率、速度和响应时间等。氢气可以像天然气那样通过燃烧驱动热力发电机组。氢的燃烧温度高达1450 ℃,比天然气(1000 ℃)高不少。大多数燃气轮机、内燃发动机和燃气锅炉都能适应。一般可将烟气重新引入燃烧室,以降低空气中的含氧量,从而降低燃烧室温度。氢气的另一种发电方式就是燃料电池,在系列文章的能源篇里已经有过介绍。这2种方式都可以实现热电联产,提供供热供冷服务。所以,现在已建成和已投运的区域三联供能源站,将来也可以考虑结合可再生能源发展(光伏,以及有条件场合的风电),改造成为零碳的氢燃料热电联产,延续发挥资产效益。也可以在热电联产机组的天然气中掺混氢气,取得减碳效果。据国外研究,将氢气体积分数为30%的掺氢天然气通入大型燃气轮机中,用专用燃烧器实现燃气轮机的稳定运行,与单纯燃烧天然气相比,CO₂排放量减少10%,发电效率大于63%。整个系统只需改造燃烧器。

城区层面在是否采用氢系统决策时,要算投资账和碳账。目前国际上碱性电解水系统投资额在500~1400美元/kW 之间,运行费用中,电解槽的成本占总成本的50%左右,其余成本包括电费、水费、电力电子设备费用等[32]。由于电解水的高电耗和我国高碳电力结构,根据文献[19]测算,在我国很多省区用电网电力电解水制氢然后热电联产供暖,其碳排放水平可能高于天然气供暖。

5 结论

1)碳中和城区的能源网络以智能电网为主体,尤其是在高渗透率可再生能源的城区中,热网
和气网应与智能电网统一规划和管理。建筑是智能电网灵活性的主要提供者。

2)建筑主要通过节能和热泵技术为智能电网提供灵活性。而热泵的效率在其中起到非常重要的作用。

3)基于能源总线的第5代区域供热供冷网络为分布式水源热泵提供稳定的热源/热汇。能源总线的多项控制参数中,管道水温是最重要的参数之一。保证水温,体现了能源即服务的理念。

4)介绍了一种基于 CO₂的能源总线形式。能源总线的暖管和冷管变成CO2蒸气管和液态管,水泵变成热泵,整个系统变成一台大热泵,使能源总线系统效率有了很大提升。

5)介绍了燃气系统中氢燃料的应用,特别是氢气利用原有天然气管道和氢气与天然气掺混的技术路径,可以很好地在现有基础设施条件下发挥氢的去碳作用。