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江亿院士:能源,环境,气候变化新形势下,暖通空调行业怎么办

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  在由中国建筑学会暖通空调分会和中国制冷学会空调热泵专业委员会主办的第二十二届暖通空调制冷学术年会上,中国工程院院士、清华大学教授江亿做了《我国能源的低碳转型和对暖通空调制冷领域的影响》的演讲。

  

 

  其中谈到2060年实现碳中和,是一个很难实现的挑战。对于暖通行业而言,应该怎么做?详细内容,请点击文末“阅读原文”,或参看下面演讲文字实录——

  演讲人:江亿 中国工程院院士、清华大学教授

  文字整理:《热泵市场》杂志(小标题为编辑添加,未经演讲人审稿)

  尊敬的各位来宾,早上好。两年一度的盛会,大伙都聚到一块了,利用这个机会,我想谈谈整个从国家的能源、环境、气候变化新的形势下,暖通空调制冷行业有哪些需要注意的问题。

  能源转型,改变能源结构是唯一途径

  9月22号,习主席在联合国一般性辩论大会做了报告,谈到了新冠疫情带来的启示。其中就讲到,中国要提高自主贡献,在《巴黎协定》的前提下,进一步深入的开展减排跟治理气候的行动,力争在2060年实现碳中和。这是世界上人口超过1亿的大国里第一个站出来讲要举国之力实现碳中和的。尽管欧洲很多几千万人口的小国都在说2150年实现碳中和,但像美国、日本这样的经济大国都还没有做承诺。这件事表明了中国政府在气候治理上的积极立场和大国责任,同时也明确给出了今后40年能源革命的目标、任务。到2060年实现碳中和,是一个很难实现的挑战。能源转型最后的目标,就是实现零排放。为什么要搞能源转型?是因为它能解决现在由于能源问题困扰我们的三大问题,解决这个问题唯一的途径就是彻底改变能源结构。这些年来,中国能源安全存在诸多问题,例如国家油气资源不足,石油对外依存度70%以上,天然气对外依存度40%以上,而且,随着天然气进一步的增长应用,对外依存的比例还在不断增高。对于中国这样一个大国来说,在目前这种国际形势状况下,让能源供应大比例依靠于进口,对于能源安全而言是一个很不踏实的因素,需要解决。其次是大气治理问题。现在,解决雾霾问题关系到每一个老百姓的生活质量,所以要把雾霾治好,让老百姓在蓝天下生活。但是现在有研究环境科学的人指出来,要治理好雾霾,达到15微克的目标,必须要禁用化石能源,否则不可能实现15微克,所以这也要求咱们改变能源结构。第三个问题是气候变化问题。随着时代的发展,我们越来越认识到,气候变化不像有些人认为的那样是个伪命题。大量的事实证明,由于人类排放的二氧化碳过高,导致大气层二氧化碳浓度提高,改变了我们赖以生存的地球环境,所以人类必须团结起来,彻底把气候治理好。而治理的必经之路,就是降低碳排放。现在,中国每年由于使用化石能源而形成的二氧化碳排放总量已经接近100亿吨,是世界上排放总量第一的大国,离碳中和的目标相距甚远,怎么才能实现碳中和呢?只能改变能源结构。所以,从前面这三个问题来说,只有把以化石能源为基础的能源结构彻底改变,变成以可再生能源和核能等零碳能源为主的低碳能源结构,才能实现碳中和,才能解决我们现在面临的能源安全问题、大气污染问题、气候变化问题,从而使得我们国家进一步强大,成为世界强国。实现碳中和,能源结构会是什么样?现在国内不少机构都在通过各种角度研究,在2060年实现碳中和时,我们的能源结构该是什么样的?这里给出一种结果就是,水电从1.5万亿发展到2万亿,风电、光电、核电分别发展到2万亿、3万亿,1.6万亿,这样合起来是8.6万亿。8.6万亿能够占未来总用电量的78%,然后再用燃煤、燃气、火电的解决重点地区的调峰、平衡,保证电力系统的稳定,解决剩余2.4万亿度电的空缺,这样能够在未来实现年总用电量11万度电。目前,我们的年用电量是7万亿度电,所以未来电还会再增加50%多。跟现在不一样的是,现在的电力供应占30%,未来电力供应要达到65%;零碳能源目前占比不到20%,未来要涨到70%。设想的低碳能源结构形成后,仍有10亿多吨的二氧化碳排放怎么办?只能再用CCUS的方法,把二氧化碳捕捉、分离出来,然后再找到它的应用领域,变成工业产品的原材料,来解决二氧化碳排放问题。这也是未来规划的低碳能源结构,变化的地方第一是终端用电量大幅度提高,而燃料用量大幅度降低。第二条是电力供应中,零碳发电的比例大幅度增加,占到了78%,只有22%采用化石能源。那么有没有条件来实现这个目标呢?实际上,现在各种条件已经具备。最突出的变化,就是这20年来,太阳能、光伏和风电的装备成本大幅度下降。如果说2005年光伏片发电功率一瓦是50多块钱,去年是2块多钱,现在是1块3一瓦,这一下差出近40倍,风电也是一样。那么当光伏跟风电的成本变得特别低的时候,将为可再生能源利用做出巨大贡献。那么有些事的做法就跟以前不一样了。比如说,如果光伏电池降到了1块5一瓦,按以前的做法,拿光伏电池驱动空气源热泵,一瓦能带三瓦的热量,那么空气源热泵还要掏钱,一瓦一块钱,这加起来1块5的光伏加上3块钱的热泵,加起来是3瓦热量要花4块5,其中3块钱是买的热泵的,1块5是买的光伏的。如果不这么做,直接装三瓦的光伏电池片,然后在屋里装电热膜,电热膜的成本特别低,可以忽略不计,也是花4块5,就可以直接发热了,它的加热性能可能比空气源热泵出热风还要好,而且非采暖季时,电还可以用作其他用途。当光伏成本降低,就变成两种不同的技术路线,这时候我们就该跳出原来的思维,想想新的用电方法了。包括太阳能的热利用也是一样。太阳能热水器这套装置按照功率算,加上线路、水箱这些,已经比光伏电池贵的多了。这样一来,新的低碳能源结构的主要特点变成什么了?第一就是以核电、风电、光电、水电等直接以电力形式输出的电能为主,太阳能可以变热,但是它不能长途输送,生物质能以燃料形式输出,这是唯一的零碳燃料,但是量不大,未来最多只能占到总量的20%,而大部分都是直接输出电的。以前,我们的能源系统是从燃料到热量,或者直接用热量发电,而现在是一出来就是电,如果需要热量的话,需要把电高效转化为热量。整个能源传输转换的链条发生了调换,这就需要我们在很多地方也相应做出改变,以电替代燃料,迎接新一轮的电气化。未来主要的电力来源风电、光电,都属于低能源密度的能源,一平米才出100多瓦电,而发电厂一块小地方就能出几十万千瓦,两者之间特点不同。这时候开发风电、光电最需要的资源是什么?不是矿物,而是空间。所以从这一点出发,可能就不是以前的集中发电方式,更多的是分布式产能,尤其是分布式光伏,在未来会占很大比例。这跟以前集中生产、集中输配、分散使用的路数又不一样了,慢慢会变成自产自用、产用结合,甚至于出现产能建筑,对于电网的要求也由单向变成双向,功能就变成互通有无,这样就导致电网系统要面临重大变化,包括架构、技术、定价机制得有全方位变化。对于暖通行业而言,应该怎么做?那么对于我们跟建筑有关系的行业来说,就有这么几条——第一个就是充分挖掘可利用的空间,把建筑表面尽可能用上,做光伏发电,看得见太阳的空间,就是最宝贵的资源。我们国家未来要发展20~30亿千瓦的光伏,这就要200~300亿平米的安装面积,相当于两三万平方公里。尽管我们国土面积很大,但是两三万平方公里也是不小的面积。城乡建筑总量七八百亿平米,分析了一下,城市可以有大致50亿平米的可安装光伏的区域。而农村尽管房屋少,但是都是平房,大概有200亿平米的屋顶,这块加起来差不多够发展光伏的地方了,只需要装上70%,就能解决三分之二的需求,所以建筑光伏大有可为。第二个就是尽可能提高电力在建筑用能上的比例,实现建筑全面电气化。现在,很多地方都在使劲努力尝试,取消天然气做饭,改成电炊具,目前已经有了很大进展。还有就是燃气的热水器,用电动热泵等方式来替代。第三个任务实际上更难解决,就是解决峰谷差调节问题。因为以前的化石能源电厂它是受人控制的,可以根据负载的情况调节输送状况,可是变成风电、光电占到总量的一半以上的时候,这些发电方式是随着天气变化走的,那么天气变化情况和终端用电的曲线不完全匹配,怎么把不匹配问题解决了,这成为发展风电、光电面临的最大的挑战。峰谷差调节,包括这几块,比如说,一天里头白天有太阳,晚上没太阳,可是我用电不是这个用法,我有一早高峰一晚高峰,我五六点钟还有一用电高峰。在一年里面,日总量也会逐日变化,比如说连阴天的时候,全天没太阳,也就没电可用。此外冬天夏天太阳高度角不同,电能产量不同,夏天比冬天要高,可是夏天冬天用电负荷差不太多,要怎么填补这一块?这是光,此外风电也存在这样的问题。下面分别说这三个问题,先是季节差的事儿,不光是风电、光电有季节差,水电也有挺大的季节差,北方黄河水冬天水量太大了,但是有冰凌问题,南方处于枯水期,所以水电在冬天不到夏天的40%,可是冬天的用电量可不少。那么再看负荷侧,南方跟北方冬夏的用电负荷差别并不是那么大,这就导致冬天有一个4~5亿千瓦的用电缺口,这块靠蓄能之类的都不能解决,蓄能几个小时、几天还凑合,如果是蓄半年,5毛钱一度电蓄半年之后相当于5块钱,所以现在看还得靠火电来调峰,这是为什么还得满足一小块火电的要求,重点是解决季节差别。既然有这块火电,就不能让它白有。冬天用火电调峰产电,可是冬天火电还有余热,就可以把这块余热用上,解决咱们冬天采暖问题。也可以通过核电调峰,从丹东沿着渤海湾,接着到黄海,一直到连云港,这是1400公里,纵深150公里,这片国土在沿海边星罗棋布的布置了一堆核电站,还有火电站,现在年产电8000万千瓦,未来规划会装到1亿以上。那么这些核电、火电站装在海边,就是为了用海水冷却,因为有1亿千瓦的发电量,就有1.2~1.3亿千瓦的余热,原来都往海里排,如果我们拿这块余热做海水淡化,用余热通过蒸馏法制造出110℃热淡水,把热淡水通过管路输送到城市去,再通过换热将热量取出来,还能留下15℃到20℃的凉水,这是优质的淡水,再交给自来水公司。这样通过一路管就解决了热输送问题和淡水供应问题,所以通过水热联产,就能把这些余热充分利用起来,解决沿海地区0.8亿人口40亿平米的冬天供热问题和40%的喝淡水的问题。而且并不是说全年运行,只要冬天运行那三四个月就行了。除沿海地区外,内陆北方和偏西一点的区域,上面说到,只要用2.5亿千瓦的火电,就可以为110亿平米的建筑提供基础热源,平均每平米33瓦,再加上燃气调峰,耗费100亿立方米天然气,这样110亿平米的供热就解决了。另外还有20%左右的城镇建筑和农村建筑,它不太容易接入大的集中供热系统,怎么办?可以用电动热泵。如果是特别冷的地方,可以直接用电热作为热源来解决这些地方的供热。说完季节调节,再看几天内的波动。连阴天或者静风天拿核电调节行不行?行,但是不好,核能能调,但经济性很差,相当于发多少电的成本都一样,所以不应该用核能做调节热源。现在的调节方法很多,比如说空气压缩蓄能,解决几天里的电能波动问题效果很好。此外还有用电做电解水制氢,用氢当燃料再发电也可以。有人会问用燃煤、燃气、火电去调不行吗?是可以,但是这样又导致碳排放增加了。所以发展抽水蓄能电站跟空气压缩蓄能可以应对几天里边的风电、光电的波动。再有就是一天里面的调峰,一般典型的城市的用电负荷,白天和晚上能差35%,越是第三产业大的地方,没有工业的地方,白天晚上负荷差得越多,这块当然可以用抽水蓄能和水电站来调,但是容量不够,中国没有那么多地方去建水电,所以这时候用化学蓄能,也就是电池就特别适合。尤其是如果以后发展2亿辆电动小汽车,一辆电动汽车,充电功率4000瓦,蓄电70千瓦时,所以它就能够有效地把风电、光电的变化吸收了,或者是在没有的时候释放出来。此外,跟咱们有关系的,是建筑本身也具有巨大的蓄能能力,未来如果有700亿平米的建筑,每平米要是有30瓦的用电可调节能力,他也能把风电吸收、释放。其实,城市一天里面的用电变化,都是因为建筑用电,所以建筑用电在城市用电比例越大的地方,负荷侧峰谷差更加显著,那么就应该变捣乱者为贡献者,改变我们建筑的用电方式,由刚性变为柔性,这样就帮着电源侧去做峰谷差的调节,从而为更好地用好风电、光电来做贡献。建筑系统的四个任务这样一来建筑的系统就至少有几个任务。第一个是燃料改成电,包括煤改电、气改电、油改电。第二,集中和分布相结合,充分利用表面空间资源,光伏发电。第三,打造蓄能跟需求侧响应的用电模式,从而把咱们建筑变成电力系统的虚拟灵活电源。能够帮助调节,而不是给他捣乱。第四,建筑跟电动汽车充电桩连一块,就变成连接电动汽车的桥梁。先说燃料改电,做饭、生活热水制备,现在是公建燃气消耗的主要原因。还有很多地方,例如像南方的一些医院、宾馆还是用燃气锅炉做蒸汽。据我们调查,好多地方燃气蒸汽锅炉从燃料到终端用热效率连40%都不到,中间输送过程热损失、冷凝水损失等都浪费了。所以应该把蒸汽系统取消,改成热水,非要用蒸汽的极少量的用户,例如消毒、烫衣服,那就应该改成电锅炉,制取蒸汽输送,而大多数热量拿空气源热泵就能满足要求。然后就是要在没有热电联产连接的地方好好发展热泵供暖,热泵供暖很重要的提高效率的一点,就是把水温给降下来,应该实行35~40℃这样的温度范围的供暖,就挺好了!为什么?因为现在夏天空调水温是7~12度标准,如果屋子里是25度,你平均差才是15度,这15度平均温差下,一平米最大可能到70瓦的冷量,可是供暖一平米最大负荷才50瓦,你要是室内22度,要是35~40的供回水温度,这温差也是平均15度,所以夏天70度负荷都能满足,冬天我这15度温差也能解决50瓦的负荷,不应该把温度调太高。其实,北方集中供热水温都快降到35~40℃了,到东北和内蒙去,很多地方的末端也就是33~40℃水温,反过来到南方,水温都很高,实际这是一种误导,都应该把水温降下来,然后大量采用空气源热泵,就能用得挺好。在北方农村,这几年用空气源热泵已经取得了很好的效果,又满足了舒适性要求又省能,所以有些城市里没有热网也可以采用空气源热泵。第二条就是发展光伏建筑。空余的空间不用就是资源浪费,而且,现在已经有很多满足建筑外装饰的光伏幕墙材料,可以满足人们对于外观的需求。怎么用好光伏电?现在就应该简化整个过程,因为这过程复杂了,逆变器、变压器升压再上网,再给电网添乱,这事儿太复杂了,而且中间周转太多,效率变低,所以就应该是自发自用,首先满足自身用电需要,直接接入楼里的电网,或者是通过蓄电池调节帮着消除用电高峰,然后跟周边的电停车场的电动汽车联动,给那些电动汽车充电。然后发的电可以部分解决硬件设施的电力供应,还有富余的话可以上电网。但是当我们大量装了光伏电池之后,一定会有时候没有多少用处,有弃光现象,以前人们一见弃光,说有20%弃光了,30%弃光了,好像造成了资源浪费,其实是不对的,因为储存成本要贵得多。从这个角度出发,我们需要发展直流配电,因为光伏电池、蓄电池、汽车充电桩用的都是直流,所以用直流的系统配电,转换环节变少了,好些问题都迎刃而解了。这可能是未来的发展方向。通过直流,建筑可以提高建筑的安全性可靠性,而且避免多次转换,提高效率,而且更重要的是,用直流之后,就更容易帮电网做峰谷差调节,有利于使得建筑成为虚拟的灵活电源。所以应该在低碳能源结构下给建筑赋予一个新的使命。我仔细算了一笔账,我就发现,现在电池的标准价大概是1千瓦时是1000块钱。如果制冷机的cop是6,蓄水的温差是6℃,那么用一立方米的水箱蓄制冷机的电只能蓄1.16度电。那么水蓄冷一立方米的水箱,也得1000块钱,冰蓄冷更贵。那其实我装蓄电池在经济上也挺好的。再有就是要大量发展垂直埋管的土壤源热泵。土壤源热泵建设起来之后,地底埋管是投资的最主要部分。当土壤源热泵间歇运行时,可以按照电力负荷的状况帮电网调峰。热泵停了,但埋管的地底传热过程可没断,根据分析,表明土壤源热泵间歇运行产生的总的热量或冷量跟连续运行是一样的,甚至cop还能高点。所以现在从帮着电网调峰的角度来看,在冰蓄冷、水蓄冷系统基础之上,进一步还能发展出好多更好的形式来,再例如短期内风机、水泵降低运行,转速调到70%,风量降到70%了,电功率就剩35%了,这时候短期并不影响室内环境,但是又会对电网起到很大的作用,这都是该考虑的。当然现在的核心问题是怎么跟电网互动,光是白天晚上的电价差不能解决问题,换句话说,如果大伙都调了晚上成尖峰了,白天成低谷了,这就不对了,所以分时电价不能最后解决问题。现在电力系统里都在仔细的研究讨论,叫做产生新的定价机制,它该是动态电价机制,当然不能靠人来提升。这是计算机对计算机,随时随刻电价会变化,然后随时随刻有不同的运行模式,使得让负荷侧跟电网侧能够特别好的衔接起来,互相配合来解决,电网和可再生电力充分利用上网的问题。然后这充电桩发展电动汽车真不光是为了消除尾气,不光是为了节能,更重要的最宝贵的资源就是那块电池,本来在建筑要用投资巨大,可是车主把电池钱给花了,所以未来发展电动汽车绝不能像现在有些地方说好,人家是加油站,咱们赶紧搞充电站,加油是5分钟就把油加了,充电它得充5个小时,说不久高技术10分钟就能充上电,绝不是好东西,你10分钟充满100千瓦的电多的电流,这么个充法电网就崩溃了。所以电动汽车一定是慢充,在哪充,不可能在充电站充,而就在停车场,在驻区和办公室楼旁边的停车场,那些停车场就应该一个车位一个车位全装上充电桩。然后这套电就不是单独为电网配的,而是跟建筑的供电合在一块,让他去吃建筑的空挡时候的负荷,就形成一个特别完美的系统,甚至有时候还可以用电池的电反向解决建筑用电高峰的问题。建筑的柔性用电加上电动汽车,将是未来低碳电力系统破解峰谷之间矛盾的重要途径或者说关键的措施。但是要做这个就需要电力系统的重大变革,技术的系统变革和电价机制的变革,这也是智能电网、智能电表、电力系统改革面临的主要任务。而建筑咱们干这行的也得做相应的技术储备,做技术改造,等着他们那一实施,咱那就能配合上去。所以电网和电力体制机制的改革,跟咱们建筑里边用电模式、装备的改革,这俩事得相互促进,共同迎接碳中和的到来。咱们暖通人应该早点认识到形势的变化,做各种储备和各种技术尝试,以跟能源革命的大趋势相适应。该怎么做呢?第一,节能是基础,被动优先降低需求,主动优化提高效率。还要改变形式,适应低碳的形式。然后是开发建筑外表,加大光伏的应用。然后是用电替代燃料,实现建筑全面电气化,然后发展柔性电力负载的建筑,以适应大规模使用风电、光电的需要,然后把智能充电桩纳入到建筑配电系统来,未来的趋势很可能是建筑配电的直流化,所以建筑在未来的低碳能源系统里边起着重要的角色,所以总的来说就是积极创新、应对挑战。