大型热泵——城市高效供热供冷的关键技术

大规模热泵在区域供热（DH）和区域制冷（DC）系统中正成为能源系统的关键技术，因为它们整合了四种能源载体中的三种。此外，由于规模经济，它们通常与热和冷储存以及备用容量相连，从而能够应对波动的电价。它们可以通过智能方式使用大量电力进行供热，而不会使电力系统过载。

包括电力、区域供热、区域制冷和天然气在内的综合能源系统对于成本效益高且高效的可再生能源整合至关重要。电动热泵技术是该能源系统中的关键技术之一，因为它整合了三种能源载体。电动制冷机（如地源热泵）在建筑层面广泛应用，但它们通常无法响应风能和太阳能带来的波动电价，且成本较高，难以在密集城市环境中集成。然而，大规模热泵（如1 MW及以上）可以连接到校园或城市范围的区域供热和制冷网络，受益于规模经济。这通常包括连接到热和冷储存、含水层热能储存（ATES）等。它们可以同时产生热和冷，这更节能且更具成本效益，因为它们产生两种有用且有价值的产品——夏季的制冷能力和冬季的供热。此外，在没有同时需要两种产品的情况下，单独进行供热或制冷通常也是成本效益高的。它们具有灵活性，能够响应电力、热和冷的市场价格，因为它们与热储存和备用容量集成。同样，吸收式热泵可以从高温热源（如锅炉或深层地热能）产生冷和低温热。我们将介绍最新的技术以及最近实施或正在规划的有趣且引人注目的案例。

电动热泵

用于家庭供暖的电动热泵（如地源热泵）是一种众所周知但昂贵的技术，比直接电加热更高效。然而，如果没有空间安装地下管道，排出冷气可能会成为问题，而在密集城市地区，风扇的噪音可能会成为环境问题。因此，由于规模经济，通常更具成本效益的是将建筑物互连并建立集中式热泵，例如一个5-10 MW的大型热泵，而不是10-100个小型独立热泵。

区域制冷的潜力

根据联合国气候小组IPCC的报告，由于城市化、工业化和福利的增加，对制冷能力的需求正在增长。此外，根据IPCC的预测，全球变暖预计将使需求增加25%。在一些城市，我们已经可以观察到由于许多小型制冷机的电力消耗不受控制而导致的电力系统过载。即使在斯堪的纳维亚这样的温和沿海气候中，现代商业建筑也需要主动制冷以保持良好的室内气候。在2018年的炎热夏季，许多新住宅建筑甚至出现了主动制冷的市场需求。在校园和城市区域建立区域制冷基础设施是解决这一问题的最智能方式。由于规模经济、同时性和大规模储存冷量的机会，区域制冷减少了对制冷能力的需求，并为需求响应（如在非高峰时段仅产生冷量）提供了机会。

结合区域供热和制冷

区域供热和制冷之间存在强烈的共生关系。其中之一是大型热泵可以产生有用的热和冷，可以单独产生一种或同时产生两种。如果基线是基于环境热（如10°C的地下水）的热生产，那么热泵在产生热的同时自动提供制冷能力，我们可以将制冷能量视为副产品。如果基线是从制冷机（或热泵）产生的冷量，该制冷机在夏季提供10°C的冷量并将热量排出到环境温度（约30°C），那么我们可以通过添加一个与第一个串联的热泵或安装两级热泵，将该制冷机升级为有用的热泵，该热泵可以产生10°C的冷量和80°C的热量。将制冷机升级为这种热泵的额外成本仅为约0.3百万欧元/MW热，与将热量浪费在30°C的制冷机相比，产生80°C的热量的边际COP约为6。因此，与“仅供热”热泵相比，投资减少了3倍，效率提高了2倍。由于热和冷之间的这种共生关系，区域供热公司考虑将区域制冷作为新业务是一个好主意。

区域供热和制冷的温度水平

如果供热和制冷的最终用户在温度需求上有显著差异，我们可以使用分散式热泵或分步供应温度。

案例：额外分散的冷却冰

如果直流网络被设计用于舒适的冷却，例如提供 6°C 和返回 15°C，冷却可以用 140 来供应分散的热泵，这将进一步降低温度，例如 -8°C，甚至 -20°C。

如果一个地区的冰水有几个最终用户，那么用乙二醇建立一个当地的冰水网络，并通过一个连接到直流网络的热泵供应冰水，可能具有成本效益。在卡尔斯贝格，由于环境原因，哥本哈根市不允许使用制冷机，因此超市里的冰箱和冰柜都与 Carlsberg City 的 DC 网络相连。

吸收式热泵

如果有高温热源过剩且同时有制冷需求，吸收式热泵可以是电动热泵或制冷机的替代品。

热泵技术将成为未来能源系统中的关键技术之一，与热电联产（CHP）工厂一样，因为它整合了四种能源载体中的三种，并在使剩余的热和冷能源对最终用户有用方面发挥着至关重要的作用。该技术甚至可以用于小规模的公寓，但由于热泵本身的规模经济以及热储存等相关技术的重要性，热泵也将推动更综合的区域供热和制冷系统的发展。然而，由于热泵技术的特点，从20 MW热到100 MW热的容量增加并没有太多收益。因此，热泵将分布在网络中，并根据最佳的热和冷源以及城市规划进行定位。这种复杂性为许多高级的供热和制冷组合提供了机会。