。數(shù)字化技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)100%區(qū)域可再生能源供熱和制冷起關(guān)鍵作用，需從4個(gè)方面發(fā)揮其作用：①供應(yīng)
，通過數(shù)字化技術(shù)獲得更低成本
、更高效和使用更多可再生能源的系統(tǒng)，如通過智能網(wǎng)絡(luò)控制器等先進(jìn)解決方案集成波動(dòng)性可再生能源
，通過削峰等智能控制手段提高可再生能源系統(tǒng)的運(yùn)行效率;②區(qū)域
，通過低成本、可靠且可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)收集和通信系統(tǒng)管理實(shí)時(shí)能源數(shù)據(jù)
，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)化能量分配
，最大限度提升系統(tǒng)與溫度、流量
、壓力
、熱需求和電網(wǎng)損失相關(guān)的性能;③用戶，數(shù)字化技術(shù)可幫助用戶了解其用能情況
，調(diào)整用能需求以提高區(qū)域供熱和制冷系統(tǒng)的效率
，智能電表和遠(yuǎn)程控制可以細(xì)化數(shù)據(jù)的時(shí)間顆粒度
，供需雙向數(shù)據(jù)流將有助于改善系統(tǒng)運(yùn)營(yíng);④設(shè)計(jì)與規(guī)劃，通過開發(fā)和應(yīng)用數(shù)字解決方案優(yōu)化市政規(guī)劃
，如大數(shù)據(jù)分析
、映射算法、過程計(jì)劃工具
、復(fù)雜優(yōu)化和仿真方法等
，開發(fā)和測(cè)試技術(shù)和運(yùn)行模型對(duì)多能源系統(tǒng)進(jìn)行仿真和優(yōu)化。
3
、100%可再生能源建筑
(1)發(fā)展目標(biāo)
。在建筑物中使用可再生能源供熱和制冷將最終實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：①通過能效措施將所需設(shè)備的尺寸/功率/容量降至最低;②盡可能使用太陽能或被動(dòng)地?zé)峁峒爸评?③必要時(shí)使用生物能或可再生能源電力補(bǔ)充供熱和制冷需求。
(2)儲(chǔ)能和部門協(xié)同是關(guān)鍵因素
。儲(chǔ)熱技術(shù)可優(yōu)化不同可再生能源的組合
，顯著改善與可再生能源間歇性相關(guān)的問題。集成現(xiàn)場(chǎng)供熱和制冷
、儲(chǔ)能
、可再生能源電力和燃?xì)饩W(wǎng)的解決方案將提供更優(yōu)質(zhì)的能源服務(wù)，使用熱泵進(jìn)行空間供熱和制冷
，并將其與太陽能熱利用結(jié)合用于生活熱水和空間供熱將是一種選擇
。
(3)系統(tǒng)化方案和用戶參與將越來越重要。建筑物供熱和制冷將向系統(tǒng)化方案演變
，根據(jù)建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化
。系統(tǒng)將變得更智能和用戶友好，可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作或控制
。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
、智能電表和建筑能量智能管理系統(tǒng)將使用戶更深入?yún)⑴c到能源系統(tǒng)中，成為產(chǎn)消合一者
。
4
、100%使用可再生能源供熱和制冷的工業(yè)
在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)完全使用可再生能源供熱和制冷需要設(shè)計(jì)新的工藝，以及對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造
。通過創(chuàng)新過程技術(shù)實(shí)現(xiàn)持續(xù)的過程管理
，可實(shí)現(xiàn)在120℃以下使用可再生能源，并能極大降低能源需求
。儲(chǔ)熱對(duì)于整合不同的供熱和電氣至關(guān)重要
，可應(yīng)對(duì)價(jià)格波動(dòng)和季節(jié)性變化。到2050年
，可再生能源可以完全滿足工業(yè)的供熱和制冷需求
，太陽能、地?zé)崮艿葘⒂糜诘蜏剡^程熱
，可再生能源電力則將主要用于高溫過程熱
，通過可再生能源生產(chǎn)的氫氣和氨可用于生產(chǎn)鋼鐵
、水泥等高溫過程。用于制造的工業(yè)能量管理系統(tǒng)主要針對(duì)單一供應(yīng)
，只能在有限范圍內(nèi)對(duì)需求和供應(yīng)(熱
、電)的波動(dòng)做出響應(yīng)，因此需利用數(shù)字化技術(shù)優(yōu)化工業(yè)能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行
，利用基于過程需求和供應(yīng)的(近似)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)
、歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，開發(fā)整體優(yōu)化方法
。將利用數(shù)字化模型
，針對(duì)實(shí)例開發(fā)和驗(yàn)證高效過程的解決方案，并在制造行業(yè)(如印刷電路板行業(yè))中實(shí)施
。
二
、用于供熱和制冷的可再生能源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及開發(fā)潛力
1、太陽能熱利用
(1)技術(shù)現(xiàn)狀
。太陽能熱利用技術(shù)具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性
，目前用于供熱和制冷主要提供40-70℃范圍的生活熱水和空間供熱，太陽能區(qū)域供熱系統(tǒng)功率可超過100兆瓦(熱)
。光熱發(fā)電已經(jīng)在工業(yè)過程供熱方面有了大規(guī)模的應(yīng)用
，其成本低于燃?xì)忮仩t且在整個(gè)生命周期中基本恒定，因此可避免燃油價(jià)格波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)
。主動(dòng)式太陽能房屋將太陽能用于生活熱水
，可實(shí)現(xiàn)70%-80%的能源需求由太陽能供應(yīng)。工業(yè)過程太陽能供熱可滿足150℃要求的供熱
，需要進(jìn)一步示范和可行性驗(yàn)證
。
(2)開發(fā)潛力
。太陽能區(qū)域供熱是一種創(chuàng)新的解決方案
，比基于燃?xì)獾膮^(qū)域供熱成本更低。太陽能熱利用可實(shí)現(xiàn)夏季的需求削峰和補(bǔ)充冬季熱量供應(yīng)
，與季節(jié)性儲(chǔ)熱和其他低溫?zé)嵩醇赡軌虬l(fā)揮良好的效果
。工業(yè)過程太陽能供熱將需要解決標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)驗(yàn)證和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等問題以實(shí)現(xiàn)規(guī)�
；瘧�(yīng)用
。數(shù)字化將有助于不同技術(shù)和設(shè)備間的集成，物聯(lián)網(wǎng)
、工業(yè)4.0
、智能家居及電力和熱力設(shè)備的整體集成將使太陽能熱利用解決方案更為智能。
2
、生物質(zhì)能
(1)技術(shù)現(xiàn)狀
。目前生物質(zhì)占?xì)W盟終端用能的10.5%
，占可再生能源消耗量的59%，75%的生物質(zhì)被用于供熱
。生物質(zhì)用于空間供熱的典型規(guī)模是千瓦級(jí)
，而幾十兆瓦的生物質(zhì)鍋爐則用于集中供熱，并且用來供應(yīng)熱水
。沼氣和生物燃料可在鍋爐中直接燃燒供熱也可用于熱電聯(lián)產(chǎn)
，生物甲烷則可注入天然氣網(wǎng)中。生物能可提供工業(yè)過程所需低溫?zé)�
、蒸汽和高溫�(zé)�
，是最便捷的解決方案之一。燃燒木柴
、木片或生物質(zhì)顆粒的小型加熱系統(tǒng)易于使用
、成本低，正取代歐洲許多地區(qū)的燃油取暖
。生物質(zhì)既可用于區(qū)域供熱又可用在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)電
，能源利用效率高達(dá)85%-90%。用于家庭的微型熱電聯(lián)產(chǎn)尚處于起步階段
，但具備增加使用生物質(zhì)的潛力
。
(2)開發(fā)潛力。除立法
、監(jiān)管和產(chǎn)業(yè)等因素
，生物質(zhì)能在供熱市場(chǎng)的發(fā)展?jié)摿θQ于：開發(fā)高品質(zhì)生物燃料;發(fā)展技術(shù)以降低成本;智能系統(tǒng)集成，通過數(shù)字和人工智能技術(shù)降低規(guī)劃
、安裝和運(yùn)行的復(fù)雜性
。預(yù)計(jì)2050年以后歐洲利用生物質(zhì)進(jìn)行能源生產(chǎn)的潛力為7-30艾焦。
3
、地?zé)崮?/p>
(1)技術(shù)現(xiàn)狀
。目前地?zé)崮苡糜诠岷椭评渲饕迷趶膸浊呒?jí)的家庭熱水到500千瓦以上的大型熱水供應(yīng)，以及區(qū)域供熱
。一些創(chuàng)新的應(yīng)用如地?zé)嶂评�
、融化冰雪以及海水淡化已�?jīng)得到驗(yàn)證。地源熱泵和地?zé)釁^(qū)域供熱系統(tǒng)可提供住宅所需的低溫?zé)�
。地�(zé)釁^(qū)域供熱將越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)有建筑物和舊城區(qū)
，地?zé)崮芎托⌒蜔峋W(wǎng)可能是單個(gè)建筑物的最佳選擇。
(2)開發(fā)潛力
。未來幾十年的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是地?zé)釁^(qū)域供熱和地源熱泵的可靠設(shè)計(jì)
、工程和控制能力，以保持全年將地?zé)峥沙掷m(xù)地用于供熱和制冷
。對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)地?zé)嵯到y(tǒng)和新一代地?zé)嵯到y(tǒng)(如增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng))的進(jìn)一步開發(fā)也將發(fā)揮關(guān)鍵作用
。地?zé)釋⑴c其他可再生能源整合用于建筑的能源系統(tǒng)
，地?zé)崮艽鎯?chǔ)(如地下儲(chǔ)熱、埋管儲(chǔ)熱
、含水層儲(chǔ)能)將被用于季節(jié)性儲(chǔ)能
，并可用于工業(yè)余熱和太陽能的存儲(chǔ)。還將進(jìn)一步發(fā)展地?zé)峁嵊糜谵r(nóng)業(yè)
。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)作為一項(xiàng)突破性技術(shù)將大規(guī)模發(fā)展
，通過熱電聯(lián)產(chǎn)可同時(shí)提供電力和熱量。預(yù)計(jì)到2050年
，地?zé)峁岷椭评湎到y(tǒng)將在歐洲隨處可見
。
4、熱泵
(1)技術(shù)現(xiàn)狀
。隨著部署的增加
，熱泵技術(shù)正成為使供熱和制冷脫碳的能源組合的基石。同時(shí)
，熱泵也是提高白色家電甚至電動(dòng)汽車能效的首選技術(shù)
。除了利用可再生能源，當(dāng)前的熱泵技術(shù)可以利用工業(yè)余熱
、建筑和工業(yè)過程中的廢氣等
。將儲(chǔ)熱集成到熱泵系統(tǒng)中可以彌補(bǔ)能源生產(chǎn)和消費(fèi)的時(shí)間差。熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)50-70℃的溫差
，將多個(gè)壓縮機(jī)組合則將克服更大的溫度差
，從而將源頭溫度提升至需要的水平。壓縮循環(huán)熱泵(電驅(qū)動(dòng))將低溫可再生熱能轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮�
。熱�?qū)動(dòng)熱泵(如吸附式冷卻器)基于熱吸附循環(huán)
，利用廢熱或可再生熱能進(jìn)行制冷，其性能提升可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)溫度高達(dá)250℃
。工業(yè)熱泵通常供應(yīng)溫度水平在30-50℃或55-65℃的熱量
，當(dāng)前研究目標(biāo)是提供溫度為200-250℃的熱量。熱泵技術(shù)的創(chuàng)新和研究正專注于改進(jìn)組件
、產(chǎn)品和系統(tǒng)
，而新技術(shù)(如磁熱泵)尚處于概念/實(shí)驗(yàn)階段
。
(2)開發(fā)潛力
。用熱泵代替化石燃料鍋爐可以節(jié)省約50%的一次能源，用熱泵替換電加熱系統(tǒng)則可節(jié)省2/3-3/4的終端或一次能源
。從系統(tǒng)角度來看
，熱泵的節(jié)能潛力更大，將高效熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的鍋爐替換為熱泵
，還可使廢熱能夠用于區(qū)域供熱系統(tǒng)
，將地?zé)峄蛱柲苡糜跓岜脛t可為熱泵創(chuàng)造更好的部署機(jī)會(huì)
。
5、儲(chǔ)熱
(1)技術(shù)現(xiàn)狀
。在目前各種儲(chǔ)熱技術(shù)中
，采用水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)的顯熱存儲(chǔ)技術(shù)最簡(jiǎn)單、成本最低
，廣泛用于住宅
、區(qū)域供熱和工業(yè)，采用液體和固體介質(zhì)的地下顯熱存儲(chǔ)也是常用的大規(guī)模儲(chǔ)熱方式
。潛熱存儲(chǔ)方式能量密度更高
，存儲(chǔ)溫度范圍更廣且可用于制冷。熱化學(xué)存儲(chǔ)基于放熱和吸熱的可逆化學(xué)反應(yīng)
，理論存儲(chǔ)密度比水基儲(chǔ)熱系統(tǒng)高十倍
，且沒有熱量損失，但該技術(shù)較新
，尚需開發(fā)各種適用于市場(chǎng)的產(chǎn)品
。地下儲(chǔ)熱主要用于平衡季節(jié)性供需，還可儲(chǔ)存中溫余熱
，提高可再生能源和廢熱的利用率以及能源系統(tǒng)的靈活性
。
(2)開發(fā)潛力。未來將進(jìn)一步開發(fā)或改進(jìn)大規(guī)模儲(chǔ)熱技術(shù)
，包括：長(zhǎng)壽命
、低成本的耐高溫襯里材料;不同地質(zhì)環(huán)境下大容量、深坑或儲(chǔ)罐存儲(chǔ)的施工技術(shù);可降低熱損失并提高存儲(chǔ)性能的隔熱材料和技術(shù);浮式或自帶蓋子的結(jié)構(gòu)
，可有效利用儲(chǔ)罐的頂部空間;改進(jìn)系統(tǒng)集成
、液壓和控制，以優(yōu)化系統(tǒng)性能;開發(fā)工作溫度在5-15℃的相變材料
，將冷庫集成到冷卻系統(tǒng)中;開發(fā)集成熱交換器的儲(chǔ)罐
，縮小儲(chǔ)罐體積并提高能量傳輸率，如使用納米相變材料;通過材料開發(fā)(如中孔材料和復(fù)合材料)和組件優(yōu)化等
，降低技術(shù)成熟度達(dá)到5-6級(jí)的緊湊型儲(chǔ)熱技術(shù)的成本;開發(fā)測(cè)試和評(píng)估方法
，并將材料整合到反應(yīng)器組件中;開發(fā)新型傳感器技術(shù)以優(yōu)化控制;進(jìn)行下一代緊湊型儲(chǔ)熱技術(shù)的示范;開發(fā)新型相變材料和鈦復(fù)合材料、反應(yīng)器和系統(tǒng)集成技術(shù)
，用于工業(yè)中
、高溫儲(chǔ)熱。
6
、區(qū)域熱網(wǎng)
(1)技術(shù)現(xiàn)狀
。目前歐盟已部署了6000多個(gè)區(qū)域熱網(wǎng)，滿足歐盟11%-12%的供熱需求，北歐
、東歐等氣候較冷國(guó)家對(duì)區(qū)域熱網(wǎng)的應(yīng)用較多
。第四代區(qū)域熱網(wǎng)正開始取代第三代技術(shù)，這是一種低溫區(qū)域熱網(wǎng)
，其在熱量分配過程中可減少熱損失
，改善熱量供應(yīng)和需求的熱品質(zhì)匹配，降低熱應(yīng)力和燙傷風(fēng)險(xiǎn)
。低溫區(qū)域熱網(wǎng)還有助于提高熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的電熱比
，并通過煙氣冷凝回收廢熱，提高熱泵效率
，增強(qiáng)對(duì)低溫余熱和可再生能源的利用
。
(2)開發(fā)潛力。預(yù)計(jì)到2050年
，區(qū)域熱網(wǎng)可以滿足歐洲近一半的供熱需求
。城市將是區(qū)域熱網(wǎng)的最佳應(yīng)用地區(qū)，可收集城市景觀中的低等級(jí)廢熱作為區(qū)域熱網(wǎng)的熱源
。區(qū)域制冷是技術(shù)成熟的新興行業(yè)
，具備強(qiáng)勁的增長(zhǎng)潛力�
？稍偕茉措娏︱�(qū)動(dòng)的大型熱泵將越來越多用于區(qū)域熱網(wǎng)
。工業(yè)和商業(yè)產(chǎn)生的大量余熱也可作為區(qū)域熱網(wǎng)的熱源，提高能源利用率
。區(qū)域熱網(wǎng)還可作為一種有效的儲(chǔ)能方案
，吸收過剩的可再生能源電力以平衡電網(wǎng)。
來源(先進(jìn)能源科技戰(zhàn)略情報(bào)研究中心) 作者(先進(jìn)能源科技戰(zhàn)略情報(bào)研究中心)
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