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5G供暖系统,成本降七成,加热和冷却可在低温下进行

文 | Sueyl

每个领域都在寻找脱碳的最优方案,除了新能源替代,供能系统利用互联网和技术平台实现智能化、智慧化,也是提高效能和脱碳的重要途径。

建筑和工业供热领域的能源消耗可以占到能源总消耗的50%左右。该领域的低碳化和脱碳难度也相对更大。成功的供热转型要求我们在保障数以百万居民冬天供热需求的同时,还需要找到从技术层面、经济层面和社会层面均可行的解决方案。

作为能源转型的重要组成部分,一些国家正在研究和开发区域供暖系统的5G时代。

5G时代的供暖(供冷)系统,本质上属于智能供热电网概念,增强了分散式智能能源系统中热电、电力和天然气电网的耦合,利用了一定的热泵技术,可以同时使用相同的管道实现低温到高温的双向运行供热,以满足不同建筑物的供暖和制冷需求。

5G供热供冷系统可在不同用户之间共享热能。案例研究的结果表明,热量的平准化成本(LCOH)与电气化非共享能源系统相比,可以减少69%。

供暖系统从1G到4G时代

我们熟知的移动通信领域经历了五代的技术发展,从模拟信号的第一代(1G),到现在升级为数据密集型的4G,到目前高速的5G,进一步使处理与用户设备的处理能力分离,实现各种电子设备之间的连接。

在这里,G世代(generation)更像是获得广泛范围的技术飞跃,G世代与这些范围的技术特征明显相关。

可在寒冷冬天,与我们息息相关的区域供暖系统(District heating,DH),同样也有着相同的代际情况,经历了由1G到5G的进步。

那么DH系统如何实现代际更迭替换的?

区域供暖在欧洲历史悠久,发展迅速,它们起源于14世纪法国的地热供暖系统。

1853年,美国海军学院建立了区域供热系统,为Annapolis校区提供供暖服务。 1893年的德国、1903年的俄罗斯、1924年的加拿大区域供暖系统项目也开始发展,供暖系统在欧洲和美国有一百多年的发展。

由于能源需求的增长和价格的上涨,为节约一次能源的使用和改善大气环境,热电联产(CHP)已在供热系统中广泛实施。随着能源和利用技术的发展,太阳能、地热、垃圾焚烧、工业余热回收、多种热源的热泵等已被用于供暖系统。

第一代供暖系统(1GDH)使用蒸汽作为热载体。在美国和欧洲,几乎所有1930 年前建立的区域供热系统都使用了这项技术:混凝土管道中安装蒸汽管。

第二代供暖系统(2GDH)采用加压热水作为热载体,温度超过100°C,在1930-1970年间, 虽然使用这项技术背后的社会原因以及用于实施的制度框架和法规对于不同国家略有不同,但总的来说,主要动机是通过使用热电联产(CHP)来节省燃料并提高供热的舒适度。

第三代供暖系统(3GDH)于1970年代推出,并在 1980 年代及以后的所有扩展中占据主导。加压水仍然是热载体,但供水温度通常低于100 °C。中国、韩国、欧洲、美国和加拿大的所有扩展和所有新系统都使用第三代技术供暖。

第四代区域供暖(4GDH)使得温度水平尽可能接近所连接最终用户的实际温度需求,最高为60–70 °C,从而降低了损耗。

4GDH强调在供热系统中更多地使用热泵,以进一步开发低温热源或基于环境热的资源。同时低温区域的供暖和高温区域供冷系统的协同作用以提高供应效率一直是4GDH的重点之一。

4GDH相较于前几代,使用更可持续的能源和可再生能源,减少热量损失,从集中供热模式转变为包括个人家庭供热的分散模式。

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图说:从第一代到第四代区域供热。来源:Lund, Henrik, et al

供暖系统从1G到4G的发展体现在供热载体即热源的温度降低,以及能源效率不断提升。解决了热源的灵活性和多样性,增强了与各种能源的耦合:例如太阳能、风能等绿色电力,生物质能、工业废热、地热等。此外,在大规模蓄热技术的支持下,不仅实现了充足的热供应,还提高了供热系统的效率。

5G供暖系统本质上属于智能供热电网概念

5G供热供冷系统(5GDHC)的定义特征是运行一个非常低的温度分配系统,通常是环境温度,作为供应给使用者热泵的热源和冷却。

其概念源自地源热泵(GSHP) 系统以及水循环热泵系统。第一种通常仅用于单个建筑物,第二种主要广泛存在于热负荷和冷负荷均需要的商业建筑中。

5GDHC概念标签最初在2015年开始出现。然而,5GDHC标签具有误导性,因为它呈现出的是供暖系统由1G向5G是一个过渡。事实上,5GDHC与已建立的1GDH-4GDH概念并不兼容。

5GDHC使用水或盐水作为载体介质和水源热泵(WSHP)混合变电站的热能供应网络。它在非常接近地面的温度下工作,不适合直接加热。载体介质的低温使得直接利用工业和城市余热,以及使用低热能含量的可再生热源成为可能。

低温供热的实现主要依赖于热泵技术。热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置,以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体的机械装置,它仅消耗少量的能量得到较大的供热量,从而达到节能目的。

供热网络中热泵本身消耗很少一部分电能,却能从环境介质(水、空气、土壤等)中提取4-7倍于电能的装置,提升温度进行利用,这也是热泵节能的原因。常见的运用于供暖系统的热泵主要有空气源热泵,水源热泵,地源热泵等等。

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图说:热泵工作原理。来源:百度百科

5GDHC技术本质上属于智能供热电网概念。原因是这种技术利用了混合变电站,并增强了智慧能源系统中电网和热网之间的耦合。与电动汽车在交通领域占据主导地位的同时,5GDH 技术可以代表城市地区热力领域的可持续和合理电气化。

5GDHC 的运行需要考虑电网温度、建筑物热泵的供应和返回温度、存储规模和温度、源温度和运行时间等因素。每个温度级别都有自己的专用热泵和缓冲器,如果常规热泵无法达到足够高的温度,则可选热泵用于生产生活热水。这些特性,再加上可再生能源的整合,使 5GDHC 成为一个有效的多能源系统(MES)。

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图说:5GDHC单个系统概述。来源:Boesten, Stef, et al

5GDHC甚至可以被视为许多不同技术选项,甚至是第四代供热系统中的一员。因此,4GDH和5GDHC 永远不会完全相互替代,而是互补的选择。

德国和瑞士,5G供热系统的先行者

5GDHC将包含4GDH系统的所有热源,另外还有双向供暖网络和分布式供热系统。它还将重点发展季节性蓄热。

相关学者对欧洲国家进行了调查,德国和瑞士在这方面具有最大的潜力,可以成为5GDH的发展的先行者。

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图说:欧洲已经实现了50多个具有5G供热供冷网络的项目。来源:mwirtz

5GDHC直接使用低品位余热作为来源。位于德国Aurich和Herford的两个系统利用当地乳制品厂在 25 °C至35 °C 之间的温度下的工艺余热。此外,来自化学过程的多余热量用于为瑞士的“Visp-West”地区提供8至 18 °C 的供热温度范围。

瑞士Obergoms的 5GDHC利用地质结构(“Furkatunnel”)作为 16°C 的热源,为 209 间公寓、1 家酒店和其他公共建筑供热。

5GDHC也预示着季节性储能装置(TES)的运用。在德国的Wüstenrot,当地社区预计到 2020 年将通过可再生能源的开发实现能源独立。该系统由一组并联的 DN40 聚乙烯管组成,埋在 1.5 公顷农田(农热集热器)中2米的深度。由于这个深度低于农业机械的加工深度,铺设管道后,土壤仍然可以不受限制地用于耕种。

5G供热系统成本最多可降七成

低温供热系统利用区域级可用热源和热汇之间的能源协同作用,使得回收所有可能类型的余热成为可能。城市低品位余热可直接在5GDHC中回收,甚至无需热泵,这与传统高温供暖系统的情况相反。

过剩热源接近热量需求,避免了在外城地区建设输送管道。5GDHC 网络是双向的,因此不同的变电站可以同时从网络中提取或供应热量,提供独立于电网的供热和制冷服务。这一事实为终端用户提供了操作变电站的自由,相当于拥有一个单独的供暖系统。

5G供热供冷系统可在不同用户之间共享热能。案例研究的结果表明,热量的平准化成本(LCOH)与电气化非共享能源系统相比,可以减少69%,近七成。

案例进一步表明,供热和冷负荷的最佳选择是办公空间。其他重要因素是蓄热装置的可用性和合适的关税结构。

有研究表明,与单个热泵相比,5G供热系统年化总成本最多可降低 42%。即使所有系统组件的高度交互使设计过程会变得复杂。

参考资料:

[1] Gudmundsson, Oddgeir, et al. “Economic comparison of 4GDH and 5GDH systems–Using a case study.” Energy 238 (2022): 121613.

[2] Lund, Henrik, et al. “Perspectives on fourth and fifth generation district heating.” Energy 227 (2021): 120520.

[3] Lund, Henrik, et al. “The status of 4th generation district heating: Research and results.” Energy 164 (2018): 147-159.

[4] Buffa, Simone, et al. “5th generation district heating and cooling systems: A review of existing cases in Europe.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 104 (2019): 504-522.

[5] Boesten, Stef, et al. “5th generation district heating and cooling systems as a solution for renewable urban thermal energy supply.” Advances in Geosciences 49 (2019): 129-136.

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