图为国际制冷学会科技理事会副主席、同济大学教授龙惟定教授
在陆特能源·2014年第六届中国地源热泵行业高层论坛上发言
龙惟定：大家下午好。我今天来讲的题目就是城区能源微网当中的一个地源热泵，它起的作用。那么主要有三个主要的内容，一个是关于什么叫能源微网，就给大家解释一下。第二个就是热泵是能源微网当中的一个关键的节点。网络它当然有很多节点，热泵是能源微网当中的一个关键节点。第三个就是热泵在能源微网当中的应用的一些关键技术。
大家都知道，忽悠得比较多的第三次工业革命，第三次工业革命提出了有五件事情跟我们的建筑和城市发展都非常有关系的。第一个就是利用可再生能源，第二个就是每一个建筑都成为微型的发电厂，也就是通过光伏的发电，使得每一个建筑都能够发电同时也是用电。第三个就是在能源的技术设施中使用一些储能的技术。第四个就是利用互联网技术把分散的能源系统变成一种共享的网络。跟信息互联网的概念是一样的，把信息变成共享的一种资源，我们也是把一些分散的能源把它作为一种共享的资源。第五个是和交通有关，运输工具变成插电式或者是燃料电池的动力车。
中国现在面临一个新型的城镇化，新型城镇化的这样的事情，今年我们还制定了一个新型城镇化的规划，四月份发布的一个新型城镇化规划。新型城镇化当中对能源就提出了一些新的挑战。我们现在新建的一些园区，主要发展的产业是现代服务业，以及所谓的先进制作业，以及是以前所谓的尖端的东西。就是跟以前的钢铁企业和化工企业不太一样。
大家心目中的都是露天的化工企业，它现在这些产业要以建筑为生产基地，同时它变成了一种以建筑环境为依赖性的这种条件。比如我们的半导体，还有制药都离不开一个净化的环境。而且它的产值和质量都相关的，都是跟环境有相当密切的关系。因此能源的利用就从我们在钢铁厂和化工厂的一种，那个时候都是用高温高压的能源，我以前在钢铁厂工作过，都有一个很大的能源中心，有很高压的蒸汽。至少是两公斤的蒸汽送到每一个车间。以前在北方做采买，直接用高压空气来做。对高温高压高品位的能源的需求，逐渐是变成了我们现在的服务业所需要的，实际上是低温低压的，比如说100度一下的低温的需求。那么还有一个特点就是我们的衣食住行的方面，城市的生活能耗这方面的需求会增长。
第四个需求就是我们的城市大量的还是一些，我们国家看起来密度很高城市，我们国家的人均建设用地大概是120多平米，我们的大的部分城市都是。上海市有一个目标，说到2015年要把城市用地降到1000平米左右，在发达国家和发展中国家大概都是80米左右平均。因此今后可能要发展的是高密度的城市，包括地源热泵上就产生了很多的矛盾，它需要多的土地面积来提供这样的能源，所以就产生了这样一些矛盾。还有一个就是特别是可再生能源，光伏这些电是波动性的，就是不稳定的一种能源，它跟符合的变动之间有一个相当的不同步。
因此，就需要平衡这样一个供电，就需要一些蓄能技术来实现。还有一些就是可再生能源的空间分布与用户的空间分布不一样，比如说一个酒店，就酒店的红线外面的埋地是不够的，我要在酒店外面埋地，但是那个是公共用地。这样的空间分布的情况，就使得这些低温、低压、低品位的能源的供应逐渐的带有这种问题。
还有一个就是说我们个性化的应用，我需要自己调节。然后我们有很多的希望用集中式的供应，北方是集中供暖为主的，南方现在有的地方用集中供冷，这个就是个性化应用和集中供应之间的矛盾就产生了，就是很多的能源遭到了浪费，这些都是新的一些对能源的要求。特别是最后一个，就是能源市场的市场化这样的趋势，是不可逆转的，但是我们目前我们国家的整个的能源体制还是一个垄断的体制。包括我们的《电力法》都保护了我们的垄断体制，在这样的情况下，这个也是一个巨大的矛盾。所以在区域能源当中，实际上是非常重要的在国外也是这样，以区域能源作为这种，就是解除它的控制的模式，就是反垄断的模式。就是开放给第三方，包括开放给民营企业来应用。
我们就谈到两种规划的不同，一个是供应侧的规划，一个是需求侧规划。
据大会现场PPT文件
供应就侧就是按照供应，需求就是按照需求来供应。所以它是一种低品位的，低压、低品位的这样的能源的需求，而工业化时代都是高压、高温、高品位的需求。供应侧是一种供需的理论，它是利用价格杠杆，比如说我们分阶梯电价，也就是当需求比较旺盛的时候，要用价格杠杆来控制，需求不太旺盛的时候，又鼓励大家来使用能源。还有一种就是这笔钱是一次付掉的，你用不掉你就浪费了。往往有的时候就会造成一定的浪费，这个是供应侧的规划，而需求侧主要是站在我们用户端考虑，如果在用户端考虑就是一种综合资源规划。
讲一句话就是把我们终端的资源作为第五种能源来看待，没有碳排放的资源。那么供应侧一个规划，我们说原来我们有电力规划，有燃气规划，这些规划都是单一的一个供应系统，供应渠道。单一的供应渠道，一个大集中的系统，我集中的电厂，集中的燃气的入口，而且是一种垂直化管理，就是从上到下的金字塔的模式。用户都是被管的，包括价格和成本对用户都是不透明的。对需求侧来说就是一种扁平化的模式，如果我的能源有多余，我自己是一个发电的，我发电的有多余我可以发布到网上去跟大家共享，这种是一种扁平化的管理。每一个用户，每一个端都是一个节点。
当然在供应侧的垄断是有一定的道理的，以前讲的国之命脉，所以要确保安全性和可靠性，所以它是以符合最大化，也就是要预估到多少年以后的符合有多大，那种情景分析都是往大来做。同时要增加供应来增加利益，就是用户端用得越多，我的供应端我的能源效率也越高，我的效益越好。这是一种大集中模式的一个很大的弊病。在需求侧我们就需要减量化，我尽量的减少我的系统的投入，变成一种分布式的产能，分散的用能，这种模式下我是要做减法的，用户用得越少我的效益越好。在供应侧一个很大的特点，我们的需求侧是集中应用一些低品位的再生能源，或者是未利用的能源。
通过能源微网这样的模式，我们主要的想法是在园区的范围内，由于有这样的需求，第一个就是比较低碳的化石能源，比如说天然气，或者是一些生物质气，但是排放量比较低，用低碳排放的化石能源，产生一些热。第二个级别就是一些可再生能源，可再生能源可以产生电，电也是高品位能源，同时也可以产生一些中品位的热，比如说我用太阳能的光热系统，我用聚焦系统来产生的这样一种能源。第三个就是所谓的未利用能源，就是包括我们的污水、地表水，这些资源在国外有一种叫法就是未利用的，我们的一片大海可能含了很多的能量，但是你把一个鸡蛋扔进去你不可能煮熟，但是一小杯水就可以。但是大海里蕴藏的那么多的热量，我们通过花少量的能源来提升和利用。最后就是说最低的，或者是说最高品位的它是一种终端的节能，我把节能也作为一种能源来看待。
我们大家知道这个低碳化石能源应用，国家也在鼓励分布式能源的热电联产，分布式的能源有一个很大的特点，就是热和电都要被利用，所以综合能源效率一下高。大家可以看到这个图，比如说电力40%的话，有60%的是被排到大气里面了但是我们热电联产可以被同时利用综合下来就达到了80%。那么常规的电厂有长距离的输送，有很大的损失。
但是反过来想，如果我们现在大部分建的分布式能源，我们国家现在在搞的一些热电联产项目，它的目标都是为了住宅的采暖或者供暖，都是低压的电力，如果这样的方式，以供暖为例，以供暖为目的来利用的话，这个综合效率80%，我还不如买一台锅炉，这个锅炉可以到90%的效率，回收这个潜热。我为什么要花那么大代价去做这个呢？这里面有一点就忽略了，热电联产的一部分就是高品位的电力，你把高品位电力跟我们采暖去同等去看的话，当然你的效率就不高。所以就要想办法提高我们电的使用的效率，把点的效益要充分发挥出来。高品位能源要分期做工。所以我们提出这样一种模式，就是热电联产来结合热泵，这个流程就不仔细讲了，图上很清楚了。我只是把电力部分，驱动比如说效率比较高的，离心式热泵，那么它的综合效率，总的最后的热效率，最后还是供热，总的综合效率可以达到200%以上。这个是供冷的，供冷的效率当然我用常规的模式，我用磁浮的离心热泵做制冷的时候，效率更好个人到240%几，这个就产生了一个很好的作用。
我就把它举一个例子，叫做酿酒，我们以热电联产这样一种工程，实际上是一个利用的电是高品位能源，也就相当于我们制酒的时候制出来的酒。其他的就相当于我们的酒糟和酒渣。那么我们就是这个好酒，我自己不喝，因为我们有酒类专卖商，我们《电力法》规定了只许有一家经营，我只好想方设法的上网，然后卖给他，我利用这个酒糟和酒渣，我就说这个好酒要自己来喝。我不卖给你供应商，我自己消化的，我自己喝掉，我们的热泵就起到这个好的酒具的作用，就可以把酒自己来消化掉。
还有一个可再生能源，在城区范围内，一个很大的问题就是它不稳定，而且效率很低。那么就必须要有蓄热或者蓄电，蓄电国外做过很多的比较，有各种各样的。那么所谓叫可再生能源的电力网络，它是很不稳定，不稳定性叫就蓄电，蓄电的代价非常高，比如国际上有什么钠硫电池，甚至有人提过用那种最传统的飞轮的模式来蓄电，但是那个投资都非常的大。而把电变成热泵的动力，通过热泵来蓄热，间接的来蓄电，这个是最便宜的，每个每千瓦时的投入是30到35万元左右。
因此这个就变成了一个技术，就是变成智能电网的技术，就是把这个热泵作为只能电网的一个备份的东西，就相当于一个电池了，就这样的一个含义，它成为一个非常重要的组成部分。所谓电网交通式的就是利用热泵来进行蓄热，来间接的蓄电它的投入大概是这样一些成本，（图示）下面什么钠硫电池，包括其他的什么，这些成本都比较高，又叫做电网交互式的互动，就变成这样的一种模式。热泵蓄热在欧洲成为非常重要的一个对智能电网的研究的内容，成为智能电网的一个重要的部分。我们欧洲搞热泵的这些的专家都在向这方面走。就是把可再生能源的生产和应用就是把它脱钩，通过热泵的蓄热的模式来把它脱钩。
据大会现场PPT文件
第三个就是未利用热源，或者是可再生的热源。对地下的浅层的，我们昨天还在探讨，浅层地热能到底是能源还是热源，我是有点不大同意。反正现在主流媒体都是讲的是可再生能源，所谓能源是可以直接来用的，不需要转化，热源是要经过提升，大海也有很多的热能，但是你不能说海水就是能源，你还要经过其他的东西来提升才能使用。这种不能叫做能源，能源可以直接使用，比如说石油就可以直接用。是这样的模式，这种未利用的能源，或者是可再生热源就是我们平常讲的土壤、地表水、污水有很多的低品位的热能，就是利用热泵来提升。
供暖的时候，我的观点，如果有在，因为地源热泵水源热泵都需要一定的条件，有没有河水有没有条件，所以有限还是用空气源热泵，为什么呢，因为如果说它的COP是3的话，它相当于把60%的热源回收回来，是一种热回收的系统。冬天现在很多在做这种闭式热源塔，热源塔这种模式来做，我们国家大部分用的是开式的，开式的是带来很多的问题，国外很多的是使用这个闭式的热源塔，甚至在欧洲比较寒冷的地方，我看过法国的一个医院，就是用热源塔来供暖的。
那么这个下面一个是上海健康院做过一个调研，我们地源热泵，这个有各种不同的看法，这个只是给大家一种参考，调研下来供热的平均的COP大概到供热是3.9，系统是3.0，供冷是4.6，系统是3.3，系统因为加了两头的水泵，跟两头的设计，跟换热的好坏都很有关系。所以系统效率相对比较低，但是我也比较过其他的，就是多联机的情况，也有很多的实验结果，我根据清华的一个老师的学生做的调研，很多的数据表明，最高大概就是3，我讲的是运行状态，大概都是2点几。像地源热泵这种，未利用的，包括这个多联机利用空气都可以积极推广的一种系统。把这种未利用热源拉进来，来提高我们的非可再生能源，比如说能源，向热电联产，向天然气提高它的利用效率。
那么城市里面利用地源热泵当然有很大的问题，我们今天的很多的专家也讲了。比如说集中系统的热损失，比常规的，区域的供冷供热可能更大一些，主要是两头的使用。还有一个是土地使用权的问题，这个恐怕很多的项目都会遇到这个问题，比如说在黄浦江取水，首先取水就会遇到问题，而且那个管道也不让你过，这些非技术性的问题，影响了我们很多的使用。还有一个管道敷设的问题，你到规划的后期，规划没有给你留这些问题，你需要埋管道的时候，要通过道路等等这些问题最后都解决不了，规划局不愿意给你来重新考虑一些问题。第三个是地下空间，现在地下空间的利用越来越大，最近上海有一个项目，叫传媒的什么中心，一大堆的塔楼，有一个很大的地下室，要开成一个地下商场，这里就遇到很多的问题，地下室是统一的，塔楼又是一个一个的，这些都是很具体的问题，更没有你埋地的位置，除非你做这个里面。所以这样的一些问题遇到了非常多的这样一些问题。
那么现在有很多在研究这个季节性蓄热，就是这个图法兰克福是一个教授做的一个项目，夏天他用太阳能在土地下，是一层沙一层管，水平的，就像我们腌咸菜一样，这样的面积，冬天把热水用来做锅炉的给水，降低了锅炉的消耗，这个锅炉用的是菜籽油，我们炒菜用的。用菜籽油，所以号称这个是没有碳排放的这样一种系统，最近我们也有一些学生，我因为在德国合作的学院，我们同济大学的学员，前两天我参加他们的毕业设计的答辩，很多在德国做的。甚至于夏天用吸收式机器来驱动以后把更多的热量蓄热到地下。季节性蓄热也是今后很好的发展的趋势，这个马老师有很多的研究。
第四个部分就是节能的问题，首先是要热泵的一种对位的供应，希望就是用低温的供热和高温的这样的模式，和热泵的温度品位是比较对应的。原来我们的供热模式更适合原来的大能源的，比如说90度水，70度水。现在是采暖的规范变成70度水，比较低温的比较适合热泵的使用。这个热泵的热源可以作为除湿的一个再生热源，还有就是可以采用一种水环热泵。最后就是这样的一个概念图，这个就是能源微网，一共有三个层次，一个就是现场发电的，包括可再生能源，包括分布式能源，用低碳放排的天然气来发电的，这个电来驱动热泵，这个就是能源微网的一个框架，热泵是重要的节点，由它支撑起了这样的系统的框架，这个来源就是能源总线的系统，能源总线就是我把各种可以用的资源，比如说地埋管，地下的污水，这样的我集成到一个管路，我们最近也有适用这个单管道。还有一个管理层非常重要，要有一个基于互联网的物联网的系统，这样的一种能源管理系统，这个非常重要。现在我们很多的项目不重视这个部分，这个有的时候达不到这个效果跟这个也有关系。
最后讲一下能源总线，总线就是来源于计算机的思想，右边这张图就是62位计算机的一个总线。我们把各种能源集中在里面，有一些比较大，甚至对一个城市来用的，这个可以作为基础设施的能源总线。我右边这张图实际上是新加坡的一个国际机场的周边的一群建筑，它的建筑就是通过大的系统，通过海水源来作为一个制冷源，这样就可以用多个热源和热会，可以实现互补。比如说地表水，冬天不能用，我用土壤来做，地表水夏天有优势就用地表水。我们最近也在试点一个，在崇明在做一个单管系统，这个来自于集中供热的思路，就是整个通过一个管道来进行，这个成本在大大降低。
这个就是单管的用户直连的方式，这个就是北方集中供暖的一些单管目的。末端可以用磁浮离心式冷水机组和热泵。它的压缩比较大，冬天可以制出60度热水，夏天就比常规的离心机效率高一些，可别特别做成一些组装型的，可以到现场调装的，特别我们这种分布式的能源系统。供冷供热的管道就可以大大的缩短，就不像以前的损失很大。这种就是一个上海嘉定有一个园区，这个还是双管的，是一排的住宅，用地埋管以后，每一户有一个泵，我不需要平常收费，这个在房款里面就有了，维护也很简单，只要是一个月在现场看一下。还有一种是水联的多联机。这个是上海的建科院的一个项目，就是在下面埋管，然后送到每一层楼（图示），这个就是综合楼里面每一层楼里面的，大家看非常的大。
我今天就讲到这里，谢谢大家！
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