低碳供热和制冷：克服世界上最重要的净零碳挑战之一

中国储能网讯：本文翻译自英国皇家学会在2021年5月公开发表的《气候变化：科解决方案》系列文件中题为“低碳供热和制冷”的简报。该报告英文版由英国伯明翰大学丁玉龙院士牵头撰写；报告中文版由诺丁汉特伦特大学钟华副教授提供，英国皇家学会授权中国建筑学会工程管理研究分会翻译。

原文标题：

Low-carbon heating and cooling: overcoming one of world’s most important net zero challenges.

原文链接：

https://royalsociety.org/-/media/policy/projects/climate-change-science-solutions/climate-science-solutions-heating-cooling.pdf

摘要：供热和制冷能源，或者热能，应该是脱碳议程的重点，因为与电力和交通相比，它是世界上最大的能源终端使用形式，也是最大的碳排放来源。世界各地的住宅、商业和工业场所为供热和制冷制定了各种低碳解决方案。有些解决方案处于早期采用阶段，需要扩大应用规模，有些处于试验阶段，需要进行集中研发和部署(RD&D)。本简报重点介绍了通过提高能源效率、应用可替代化石燃料供热和制冷的技术选择，以及在热能储存和运输方面进行创新来减少排放量的途径。

1. 供热、制冷与气候变化

供热和制冷能源（或热能）为空间、水、烹饪、工业过程、空调和制冷提供热能和冷能。据估计，该领域约占世界最终能源用量的一半，并占能源使用产生的全球二氧化碳排放量[1]的40%。化石燃料是供热的主要来源，而生物质以外的可再生能源只能满足全球需求的10%左右[2]。全球约50%的热能用于工业部门。另外46% 用于建筑供热，主要用于空间供热和水加热。国际能源署(IEA)预计，到2030年，能源效率的提高、化石燃料被取代以及脱碳发电可将空间供热排放量减少30%[3]。

若“一切如常”，2010至2050年，住宅和商业建筑的供热和制冷预计会增长约80%[4]。气候变化预计将减少对供热的预期需求，增加对制冷的需求[5]，部分预估数据预测，到2060年，空间制冷在全球能源需求中的占比将高于空间供热[6]。

供热和制冷很难实现脱碳，因为它们的产生和使用方式多种多样且高度分散，不像电力有大型集中式发电设施和配电系统。供热和制冷有多种方式，从简单的明火到燃气锅炉和空调机组，丰富多彩。通常将其作为独立的设备安装在住宅或者办公大楼和工厂的大型系统中，但通常会同时采用几种不同的解决方案，例如冬季用燃气供热，夏季用电制冷。从家用锅炉到工业用高温热源，热能的产生和使用往往在同一地点进行。

分区供热是一个例外，它是在某一中心点产生热能并通过管道输送至建筑内部，为北欧家庭提供了大量的热能。在奥地利和丹麦等国，管道输送低温热的距离长达80千米[7]。工业用热能产量约占全球CO2排放量的20%[8]。工业中供热方法的选择取决于多个因素，包括工艺参数（控制、温度、清洁度等）、所需热量和成本。例如熔化、干燥、烘烤、裂解（分解分子）和再供热。工业运营通常在需要的时间和地点使用电力、化石燃料或生物质来产生热能。因此，将需要各种零碳供热选择。

供热和制冷领域的低碳转型需要对新技术和基础设施进行更新，并投资扩大规模，同时对数百万家庭和工业单位的供热和制冷系统进行改造。

2. 研发和部署所需采取的行动

在实现净零碳的道路上，热能似乎是一个难以逾越的障碍，但世界各地提出了许多解决方案，有些已经成熟，但仍存在挑战，有些则刚刚问世。这些解决方案包括：更高效地利用热能、采用替代的供热和制冷零碳技术以及采用新技术储存热能并从源头输送至使用点。

2.1 减少热能损失——提高能源效率

对热能进行脱碳的最简单方法是通过提高能源效率、提高隔热性能以及废热回收和利用来减少热能的使用。在许多国家/地区，住宅空间的供热强度或单位建筑面积的能耗已得到显著改善。芬兰、法国、德国和韩国自2000年来减少了30%以上[9]。

到目前为止，大多数工作都集中在住宅和商业建筑上。工业和能量转化过程引起的热损失尚未得到有效解决，是一个重要的研究领域。

2.2 无碳供热和制冷

2.2.1 家庭供热和制冷脱碳

虽然能源效率可以降低能源需求，但需要新的选择来提供住宅仍然需要的零碳供热和制冷。

电供热：电阻式供热器在世界许多地方仍在使用，如果由低碳电力供热，则可以实现安装成本低廉的低碳选择。但是，如果更广泛地使用，将需要提高发电能力并对电网进行加固[10]。现代蓄热式供热器使用陶瓷砖（例如Dimplex Quantum供热器）和复合相变材料模块（例如Jinhe PCM供热器）来储存和释放热能，可以提供一种经济高效的选择，该选择采用的是非高峰或过剩电能，并减少了对电网加固的需要[11]。

或者，可以使用由低碳电力驱动的热泵，由于它们主要是移动热量而非产生热量，因此比直接用电供热耗电量低[12]。从本质上讲，它们的工作原理就像冰箱的反转模式（图1），采用类似的技术来为空间供热而非制冷。蒸发器从建筑外的空气、水或地面收集低温热，然后通过压缩过程将其升级至冷凝器中，用于为建筑供热。热泵的性能通过一个称为性能系数(COP)的参数来衡量，该参数是供热/制冷供应量与电力输入之间的比率。COP通常在2-5之间，COP越高，效率越高。可逆热泵也可以为空调提供制冷，如果房主在夏季选择这种方式，用电量可能会增加。

图1. 空气源热泵示意图:用制冷液将热量从建筑外部传递到内部

人们普遍将热泵视为领先的低碳解决方案，例如，到2030年，英国热泵的使用量预计将达到550万台[13]，2050年有望达到2100万台[14]。放眼全球，截至2019年，热泵仅满足5%的住宅供热需求，虽然其在某些地区取得了显著增长。例如，美国现在约有40%的新建住宅配备了热泵[15]，欧盟市场正以每年12%左右的速度增长[16]。在美国气候较温和且电价较便宜的地区，空气源热泵的成本与燃气锅炉不相上下。相反，在寒冷和潮湿条件下，其使用难度较大，因为供热需求最大时，其效率最低。研究还指出，前期采购成本和电价是主要障碍[17]，同时还需要大幅扩大电网规模。研究人员在研究提高性能的方法，例如设计新型冷凝器[18]以及使用小温差风机盘管[19]作为空气源泵的终端。

天然气替代物：从基础设施的角度来看，用低碳或零碳替代气体取代天然气管网中的天然气非常具有吸引力。

一种过渡性选择是将天然气与可再生生物甲烷混合，后者由有机废物产生，欧洲是全球领先的生产商。它目前仅占燃气供应结构的一小部分，2019年为20亿立方米(BCM)，市场总量为5140亿立方米，但研究表明，到2030年，可增长至燃气供应量的3%[20,21]。

一些国家/地区正在考虑采用一种低碳的燃气供热方式，用通过电解可再生能源生成的“绿色”氢或者由天然气通过碳捕获和储存(CCS)制成的“蓝色”氢来替代网络中的部分或全部天然气。但是，这一选择面临多个挑战。绿色和蓝色氢的成本目前无法与化石燃料衍生氢的成本竞争[22]。锅炉改造成本高昂，比如在英国，每户预计要花费2000–4000英镑。氢气也会使传统的铁或钢气体网络管道脆化[23]，但可将其改造为适用于氢气的塑料管道[24,25]。还需要考虑公众对其安全性的接受度。2020年代的示范项目应指出是否可以克服这些挑战。在英国，一个名为H21的重大项目正在筹备过程中，将为数百万家庭提供100%的氢气。在荷兰，小型“阿莫兰天然气加氢”项目示范了在管网中混合高达20%的绿色氢[26]。另外，热电联供系统(CHP)中的燃料电池也可以使用氢气。在日本，国家氢能基本战略计划到2030年安装530万台家用CHP机组（称为Ene-Farm家用燃料电池）[27]，既可以供热，也可以分布式发电。

太阳能供热：欧盟和中国等一些地方正在用中温(80–150°C)太阳能供热来替代化石燃料锅炉供热。太阳能系统小至家用的小型热水装置，大至大型太阳能热电厂的集中式系统。在制冷回路中使用太阳能集热板进行的太阳能制冷也越来越受欢迎，因为它们可将耗电量降低30%以上[28]。

集中供热和制冷：许多国家/地区都在采用低碳集中或分区水加热和空间供热或空间制冷，特别是已经安装集中或分区供热或制冷系统并且可以进行脱碳的国家/地区[29]，但城市地区的新建住宅也可以采用这种供热或制冷方式。在阿联酋，分区制冷占全国冷负荷的23%[30]。由热电联供机组提供服务的网络正在被低碳“第5代”版本所取代，后者根据热泵的需要升级低温热并匹配供热和制冷，例如用超市制冷为住宅区供热[31]。

集中供热的热能可以来自多个零碳热源。利用地壳热量的地热能在全球供热中只占很小的一部分，但在萨尔瓦多、新西兰、肯尼亚和菲律宾等火山活动频繁且可利用温泉的国家却发挥着重要作用[32]。2016年，冰岛地热能提供了约65%的一次能源，包括约27%的电力[33]。

核电站产生大量热量（通常约为3.4GW），一般用于发电。可将废热（约60%）用于分区供热。也可以将产生的热量（可达到300°C至800°C）直接用于大规模分区供热或为工业过程提供动力[34]。

2.2.2 工业供热脱碳

在工业中替代化石燃料的使用非常依赖于应用的用途，其中，主要的低碳选择如下。由于所需的能源规模巨大，因此对重工业使用的热量进行脱碳是一项特殊挑战。一种方法是继续使用化石燃料，但通过二氧化碳捕获和储存(CCS)来消除部分CO2排放。（详见简报5：二氧化碳捕获和储存）

低碳电力：低碳电供热技术发展良好，而化石燃料的其他替代品大部分处于非常早期的试验阶段。电供热是一项成熟的技术，控制方便，温度范围广。例如，用于炼钢的电弧炉，其中，用于熔炼废钢的感应炉在1000°C以上运行。但是，与其他选择相比，在水泥、玻璃和陶瓷生产等应用中使用电供热很可能成本高昂。能源价格将一如既往地重要。

氢：低碳氢可能是钢铁、水泥、玻璃和化学品等行业的合适热源，因为它的燃烧温度非常高。但是，尽管拥有消除工业供热排放的二氧化碳的技术潜力，氢仍然是生物能源的昂贵替代品，即使CO2的价格达到$100/tCO2 [35]。（详见简报4：氢和氨在应对净零碳挑战中的作用）

生物质：生物质可用于高温供热，但受到资源可用性和成本的限制[36]。生物质已经为全球水泥生产提供了6%的总热能[37]。它还用于可使用生物质残渣满足热量需求的行业，例如制糖、木材加工、纸浆和造纸。除非采用CCS，否则生物质最多只能属于低碳，而不是零碳。

替代热源：太阳能热技术已经小规模用于纺织、食品和造纸等行业，用于在低于250°C的温度下进行干燥、洗涤和消毒等功能[38]。然而，虽然涌现了一些早期的商业项目，但太阳能供热工艺在工业中的应用仍主要处于研究和试验阶段[39]。世界各地的研究人员现在正在研究如何将聚光太阳能(CSP)用于超高温工业过程。例如，欧洲一家公司开发了一项技术，使用大约500个活动反射镜将陶瓷颗粒加热至1000°C。意大利的一家面食工厂正在建造一个试验工场[40]。如上文所述，核反应堆产生的热量还可用于直接驱动化学过程，例如制氢。

工业和住宅都可以使用热泵进行相对低温的供热。研究已经表明，可以在造纸、食品和化学品等行业使用热泵[41]。另一种低温选择是直接利用风能进行供热，即采用风力热能系统(WTES)将旋转时产生的能量通过制动机制等方法转化为热量。

2.3 未来的热能储存、运输和分配——通过时间和空间转移热能

虽然未来的空间和工业供热选择主要沿用在使用地点产生供热和制冷的模式，但越来越多的研究开始考虑是否可以将热量或冷量从其产地随时转移至其需求地。工业过程会不可避免地产生废热或多余的热量，可将其回收并用于替代化石燃料供热，这一点尤为重要。

可将废热直接回收利用，也可以通过热泵升级改造后回收利用，世界各地目前在如火如荼地开展工业用热再利用项目[42]。例如，在瑞典，工业废热回收占住宅分区供热所需热量的9%[43]。一个由英国资助的项目拟采用相变材料(PCM)将“尖峰负荷”发电厂产生的废热储存起来，用于为当地建筑供热[44]。塔塔钢铁公司(Tata Steel Ltd.)正与斯旺西大学合作，从其塔尔博特港钢铁厂收集和再利用废能，每年可抵消超过100万吨的二氧化碳排放量[45]。

2.3.1热能储存

热能储存是指以热量或冷量的形式储存能量，以便日后用于供热、制冷或发电—无论是几小时、几天、几周还是几个月。系统从人们熟悉的家用热水箱或蓄热式加热器到目前处于试验阶段的新型PCM，再到处于研究阶段的热化学程序，种类繁多[46]。但是，社会和文化障碍可能会影响该技术的采用[47]。热能储存众多方法选择的部分示例如下。

通过化学反应储存热量：可以通过可逆化学反应储存热能。例如，可以运输能量密度与化石燃料差不多的金属铁，然后用空气或水等介质氧化以产生热量，提供潜在的高能量密度低成本解决方案[48]。在将铁进行氧化用于工业用途后，还可使用氢气再次生成铁，实现潜在的无碳循环（图1）[49]。

储存太阳能热量：近年来出现了一些超大型的聚光太阳能发电装置，它们可以大规模储存热量，也可以发电。例如，亚利桑那州280MW的Solana发电厂拥有超过3000个400英尺长的反射镜，可将阳光反射至含有传热流体(HTF)的管道上，进而将管道加热至约400°C。部分HTF用于产生蒸汽，用于发电，而其余HTF则流入熔盐储罐，在没有阳光时，这些储罐会将保留的热量转化为电能[50]。

卡诺电池：“卡诺电池”以岩石、相变材料或熔盐热量的形式储存可再生能源发电产生的余能。该技术有时也称为热泵储电技术或电热储电技术。可在需要时将热量转化回电能，成为在以可再生能源为主的电网中储存电能的一种选择。该系统具有潜在的灵活性，可以使用各种材料和转化方法来储存热量、冷量或电能，并指出所有转化过程都会损失能量。保留的热量可以直接使用，也可以用于供热、制冷和发电。但是，它目前所面临的挑战是，使用热泵将温度提升至较高水平会降低性能系数。几个原型和示范项目已经建成，包括为支持德国汉堡电网而建造的130兆瓦时热量/30兆瓦电热岩石仓库[51]。

低温能量储存：欧盟的CryoHub等项目正在研究将可再生能源储存为低温液体，例如液态空气(-194°C)，可用于为工业设施提供制冷，同时可以进行储存，也可以通过液态空气沸腾推动涡轮发电机组用于发电[52]。

冷链新选择：已证明PCM可以用于制冷和供热。在一个冷藏“冷链”供应项目中，英国科学家与中国铁路车辆公司——中国中车石家庄车辆有限公司制造了世界上首个使用以盐水储冷的PCM的货运集装箱。该集装箱用于运输新鲜农产品，一次充电约需要两小时，可将温度保持在5–12°C下长达190小时，可实现跨越不同气候区的运输，公路运输里程可达35000千米，铁路运输里程可达1000千米[53]。

图2. 铁加热循环、氢还原过程的能量输入

案例：冷冻芯货运——运输南极冰样本的绿色解决方案

为了研究气候变化，将通过一种创新的零碳制冷技术使从南极冰中钻取的冰柱在运往欧洲实验室的途中保持冷冻状态。英国南极调查局(BAS)的研究包括钻探、包装、转移、储存从格陵兰岛和南极洲开采的冰芯，并将其运输至英国进行分析（图3）。

图3. 将冰芯从南极洲运往欧洲

但是，面临的一个主要挑战是必须将货物装在隔热箱中，放在由柴油发动机驱动的冷藏集装箱中进行运输。现在，BAS与一所英国大学展开合作，开发一种零排放冷链系统，用于运输冰芯。关键技术在于一种复合相变材料(cPCM)，结合真空隔热技术，可使冰芯任何部位的温度保持在-45°C以下超过20个小时（图4）。

图4. 冰芯储存的热截面

2.3.2 热量分配

在PCM和热化学储能材料等材料中储存和运输热量和冷量的能力为获取、储存、运输、贸易和使用低碳热能开辟了一系列新方式。

原则上，未来的服务站不仅可以为电动汽车提供氢气泵、生物燃料和充电桩，还可以为汽车或家庭提供热能或冷能电池组。可将此类电池组放置在车上特制的腔室——“供热和制冷槽”中，在电池充电时也会为其充满电。据估计在寒冷气候下，轿厢供热所使用的电力会使电动汽车 (EV) 的续航里程缩短约 50%[54]。空调在低温下将电力转化为热能的 COP 较低，并且拥有自己的能量来源比使用EV电池能够更好地提供服务。家用时可使用较大的模块为房屋供热或制冷，每周更换和充电一次。卫生服务也可以采用类似的技术，将疫苗等药物保持在所需的温度。

2.3.3 热量储存和分布的净零碳之路

到2030年，世界各地将涌现出新的热能储存行业，主要将加油站等现有能源基础设施转变为多方位能源中心，或者为无电网基础设施的地区提供新的供热和制冷方法。到2050年，全新的热能供应链可为净零碳目标的实现提供支持，通过热能储存向当地无法产生热量或冷量的地方供热和制冷。消费者通常可以从当地的能量分配点获取车用和家用的热能和冷能。

3. 总结

供热和制冷技术专家指出，有必要以类似于可再生能源和电池等其他领域的方式加强合作，这些领域已经建立了国家和国际合作伙伴关系，旨在加快研发和部署的进度。IEA 建议“各个国家/地区和利益相关者”应共同采取行动。加大国际协调力度以加快开发全球最大碳排放来源的解决方案，对于将新技术投入大规模使用和打造未来低碳供热和制冷行业至关重要。