近年是国际国内经历能源转型和发展战略调整的变化阶段。2015年在巴黎举行的联合国气候大会提出了“本世纪把全球平均气温较工业化前水平升高幅度控制在2摄氏度内,并为把升温控制在1.5摄氏度之内而努力。全球将尽快实现温室气体排放达峰,本世纪下半叶实现温室气体净零排放”的战略目标 ^[1]。但近年来的发展已经偏离了轨道,有可能在2020—2024年期间的某一年,提前达到温升1.5 ℃,对全球能源转型提出了重大挑战。与建筑业相关的转型目标有以下几点 ^[2,3]:

　　 1) CO₂排放量需要在2020年左右达到峰值,之后急剧下降。到2050年,能源相关的排放量下降75%,电力部门的碳强度下降90%以上,终端用户部门下降65%。

　　 2) 到2050年,建筑碳排放量要比2010年下降80%～90%。

　　 3) 到2050年,全球城市能源的90%来自电力。大部分燃烧设备退出城市。其中供暖系统中的燃烧直接供热比例下降到10%以下。供暖和交通实现电气化。

　　 4) 煤电比例由发电量的40%降至10%以下,可再生能源发电量占总发电量比例由20%增至70%。

　　 但是,2020年全球COVID-19疫情打乱了所有的计划和部署。COVID-19的大流行对全球能源系统产生了重大影响。疫情对工业、交通和贸易的冲击,预计将使2020年全球能源需求降低6%,为70多年来最大降幅。COVID-19对2020年能源需求的影响将是2008年金融危机对全球能源需求影响的7倍以上。与此同时,全球CO₂排放量预计将比2010年减少8%,约26亿t。这将是有史以来最大的同比降幅 ^[4]。但必须看到,这是在全球各国无一幸免地付出健康危机、失业激增、经济衰退、日常生活受到严重干扰的代价之后,才达到巴黎协定的减排目标(每年7.6%)。

　　 而根据英国气象局(The Met Office)的科学家分析,尽管由于COVID-19疫情,CO₂排放量正在减少,但2020年的年平均CO₂浓度仍将增大。估计夏威夷的莫纳罗亚山观测点的CO₂体积分数将上升2.48×10^-6。这一增幅只比没有疫情情况下的预测值低0.32×10^-6,相当于比预期增幅只降低了11%。排放仍在继续,大气中的CO₂浓度依旧在上升。2020年5月3日,莫纳罗亚山观测站测得当日CO₂体积分数为418.12×10^-6,再次刷新了单日CO₂浓度的历史最高值纪录。

　　 2019年,世界气象组织的一份报告指出,自工业化前到2019年,全球平均气温已上升了1.1 ℃,2019的平均气温比2011—2015年平均值上升了0.2 ℃。2014年5月至2019年5月的5年间,全球平均海平面上升速度达到了每年5 mm,高于历史上任何时期。南极和北极的海冰面积均出现了历史最低值 ^[5]。与此同时,全球出现高温、飓风、暴雨、森林大火等极端天气事件,给各国带来了巨大的经济和生命财产损失。而在COVID-19疫情肆虐的同时,2020年5月成为全球范围内有记录以来最热的月份,温度比1981—2010年同期的平均温度高0.6 ℃ ^[6]。一个隶属于世界卫生组织的热健康网站已经在呼吁,随着北半球进入预计又一个创纪录的高温季,各国应加强防备,在不增加COVID-19传播风险的条件下,保障人们在炎热天气下的安全 ^[7]。根据英国气象局的预测,未来5年,全球气温很可能创下新的年度纪录。2020—2024年,全球气温将比1850—1900年的平均温度高1.06～1.62 ℃,有大约10%的可能性在一年内暂时超过1.5 ℃ ^[8]。全球气候变化的形势严峻。

　　 但是,各国面对气候变化的态度并不积极。尤其是温室气体排放大国——美国,居然在2017年6月宣布退出巴黎协定,并在2019年11月开始了正式退出巴黎协定的进程。各国对美国的倒行逆施也并没有太多的谴责。为什么人们不像对待COVID-19那样以同样的紧迫感来对待气候危机呢?恐怕这是因为人们认为COVID-19将发生在自己身上,而气候危机将发生在“其他人”身上 ^[9]。这种对“温水煮青蛙”式的危机采取事不关己、高高挂起的态度是很危险的。也令人担心疫情过后的经济复苏中会带来能耗和碳排放的报复性反弹,从而锁定气候变化的最坏结果。

　　 世界卫生组织2020年5月26日发布的《从COVID-19疫情中健康复苏宣言》针对“各国政府承诺投入数万亿美元来维持并最终复苏经济活动”指出,这些决定“要么可以‘锁定’将对维持人类健康和生计的生态系统造成永久性和不断升级的破坏的经济发展模式,要么,如果是明智的决定,可以促进一个更健康、更公平和更绿色的世界” ^[10]。2020年6月,国际能源机构(IEA)与国际货币基金组织共同发表了《可持续复苏》的报告,提出5个领域30项具体的绿色复苏措施。

　　 2020年6月17日,洛基山研究所(Rocky Mountain Institute,RMI)与能源转型委员会(Energy Transition Commission,ETC)共同发布了《以零碳电气化为核心,实现中国的绿色复苏》报告。报告明确向中国政府提出建议,在考虑中国经济的绿色复苏时,应加速可再生能源领域投资,推动绿色零碳电气化,并将此项工作上升到与高铁、5G网络建设同等重要的战略高度,作为推动经济复苏的“新基建”中的重要组成部分。零碳电气化既有促就业、提振经济的短期效应,又有推动中国能源转型、实现可持续发展的长远利益。

　　 城市实现零碳电气化,主要有2条路径:一是供暖电气化,二是交通电气化。本文主要围绕供暖(也包括供冷)电气化议题展开。

　　 由于气候和人口的原因,目前俄罗斯是世界上拥有规模最大的区域供热系统的国家,中国居第二位。2018年中国城市集中供热管道总长度为371 120 km,供热面积为878 050万m²。根据欧盟供热与电力协会(Euroheat & Power)2015年的统计,2013年中国的供热总量是欧洲主要国家总和的1倍以上 ^[11]。但中国的集中供热普及率不高,按照北方城镇建筑供暖面积计算,普及率约61%,如果考虑北方城乡建筑供暖总面积,则普及率不足50% ⁽¹⁾。主要原因是在1955年由中国建筑工程部设计总局制定的国内第一部统一的民用建筑设计标准中确定了供暖地区、过渡地区和非供暖地区的划分,规定在过渡地区只允许少量公共建筑有集中供暖,而在非供暖地区各类建筑都不设集中供暖。与欧洲相比,欧盟国家集中供热普及率平均为64%。有些欧洲城市,如丹麦的哥本哈根,区域供热的普及率高达98%。像冰岛这样地广人稀的国家,其全国的区域供热普及率也在90%以上。因此,未来中国的区域供热还有非常大的市场。

　　 2018年我国集中供热的总热量(包括热水和蒸汽)为381 396万GJ,折合10 595亿kW·h(数据取自《中国统计年鉴2019》),其中,民用热力需求约占30% ^[12]。表1中假设全煤供暖、全气供暖和电力(热泵)供暖3种情景,比较了不同情景下的CO₂排放量情况。

　　 从表1可以看出:1) 燃煤区域供暖的CO₂排放量最大,但实物量(占全国供暖总耗煤量约60%)仅占当年煤炭消费总量的约3.2%。2) 电力驱动热泵的碳排放最少。但由于我国以煤为主的发电结构,电力的碳排放因子很高(此处取0.59 kg/(kW·h),为2018年全国发电平均碳排放因子),但因为热泵COP较低,结果显示用热泵供暖的减排效果并不比用天然气供暖好多少。减少热泵供热的碳排放量,提高终端热泵能效是关键。3) 天然气供暖的碳排放量并不很高,与热泵电力供暖相差无几。但全天然气供暖的需求量惊人(454.2亿m³),2018年全国天然气消费总量为2 800亿m³。我国的天然气对外依存度逐年提高,2018年已达43.2%。大量进口的、比国际市场价更高的天然气,如果用来供暖,对我国能源安全无疑是巨大的威胁。欧洲一些国家近年冬季出现的气荒就是前车之鉴,欧洲国家已经开始城市去天然气的进程。

　　 所以,在我国实现供暖电气化,有2个重要条件:第一,新建建筑需要实现超低能耗或近零能耗;既有建筑改造要达到“节能75%”标准。降低需求,是供暖电气化的必要条件。第二,供暖电气化应基于可再生能源而不是火电,热泵应有适宜的热源/热汇,热网的成本低、运行效率高。

　　 但也要看到,我国有很好的发展供暖电气化的基础条件:

　　 1) 我国北方地区近年正在积极推行供暖煤改电。我国有很强大的热泵制造产业链。

　　 2) 我国有持续增长的集中供热需求。北方城市区域集中供热覆盖面至少应提高到欧盟国家的平均水平(65%左右),南方(尤其是夏热冬冷地区)部分新建建筑(包括居住建筑)有条件的应采用品质更高的集中供热(包括供冷)技术。

　　 3) 我国有日益紧迫的环境约束。疫情期间,我国城市交通基本停顿,大部分制造业企业停工停产,人们被迫宅在家里,全国大气质量有所改善。但令很多人不解的是,尽管疫情期间(以北京2月为例)空气质量“优”和“良”的天数增加,但相比2019年同期,重污染天数也增加了。根据多项研究成果和专家分析,空气污染的主要成因有三:一是不利的气象条件;二是作为主要污染源的钢铁工业并没有停产;三是建筑供暖需求由于人们的长时间居家而增加。由于天然气价格居高不下,一部分燃气供暖的热力公司又改回燃煤。而大批农民工返乡后,很多农村又恢复散煤供暖。所以,城市供暖向基于可再生能源的电力供暖的转型不但是CO₂减排的需要,也是改善城市空气质量的迫切需要。

　　 4) 我国可再生能源发展迅速。2019年中国可再生能源装机量为759 GW,占世界总装机量的30%,居世界第一位。中国在可再生能源的三大领域(水电、风电和光伏)的装机量都是世界第一 ^[13]。近些年中国的弃风弃光弃水率明显下降,2020年的目标要达到5%以下。可再生能源成本也有大幅度下降。尤其是光伏,2020年6月的光伏项目总包中标价已达到2.80元/W,折合度电成本大约只有0.14元/(kW·h),只有煤电度电成本的一半。而国际上目前平均度电成本为6～10美分/(kW·h),是中国的3～5倍。中国有非常好的发展分布式光伏的条件,提高光伏发电在配电网层面的渗透率,可以吸引来自各方面的投资,为供暖电气化提供清洁能源。

　　 丹麦阿尔堡大学(Aalborg University)的 Lund教授研究团队于2014年提出了第4代区域供热系统(4GDH)的概念。第1～4代区域供热系统的主要特点见表2。

　　 4GDH是低温区域供热系统(LTDH),它仍然是一种从中心能源站向末端热力站或用户集中供热的模式,采用了低温供水(30～60 ℃),但系统结构与第3代(3GDH)没有多大区别。其供热主机可以不用燃烧型锅炉而改用电力驱动热泵,由于是低温供水,所以必须配合超低能耗建筑(新建建筑)和低温供暖设备(如辐射地板供暖)。如果是既有建筑,那么必须结合4GDH进行节能改造(增强保温)。有研究表明,如果围护结构保温性能有所提高,那么采用低温供暖时在室内不增加原有散热器面积的情况下也不会降低舒适标准。另外,利用原有第3代供热系统的回水作为水源热泵系统的热源,可以在原有系统基础上增加低温供暖面积。

　　 4GDH系统有很多优点:

　　 1) 可以改造既有区域供暖系统,实现供暖电气化,用热泵取代燃烧型锅炉。热泵和蓄热可以平衡智能电网中的供需,充分利用当地生产的可变可再生能源,使热泵区域供热成为一项“电网友好型”技术。

　　 2) 降低供暖温度可以减少区域供热管网的热损失。尤其在欧洲很多城市,容积率低,供热密度相对较低,因此传统区域供热管网的热损失甚至会超过20%。热损失减少也意味着对管道保温的要求降低。欧洲很多区域供热系统采用了双子保温管(即供回水管包覆在同一个保温层内)。

　　 3) 如果热网热源来自于热电联产的电厂,那么低温供热可以提高电厂的热电比,回收燃料中的潜热,提高热电联产的综合效率。

　　 4) 扩大了供回水温差,意味着输送同样的热量所需要的水量更小,所以管径可以减小。由于供水温度低,管道受到的热应力小,管道寿命更长。这些都能显著降低投资。

　　 5) 供水温度降低更有利于利用各种工业余热和废热,包括太阳能的热利用。

　　 4GDH的最大好处是,由于使用热泵,可以将当地可再生能源就地利用,将区域供热与电力部门乃至交通部门整合,即将热网与智能电网和燃气网协同,成为区域的智慧能源系统 ^[14]。

　　 4GDH的应用也有一定局限性:

　　 1) 不能同时供冷。在需要集中供冷的城区必须单独设置冷水供回水管路,即四管制系统。我国近年开发的很多区域供冷供热项目,实际上是4GDH的模式,即冬季低温供暖(空调末端只需要55 ℃的水温),夏季用单独设置的比较大的供冷管道供冷水(供冷的供回水温差很难超过10 ℃)。

　　 2) 如果系统内有不同负荷分布和不同温度需求的用户,管网只能按峰值设计。

　　 3) 由于供热水温低,用户端必须降低负荷,既有建筑必须作节能改造。如果要承担生活热水负荷,需要在用户端增加辅助热源,以达到生活热水卫生要求。

　　 4) 如果区域供热覆盖面积大,很难找到合适的热泵热源/热汇,无法利用品位较低的环境温度级别的热源,只能用空气源热泵。其适用的气象条件和供热的品质都受到限制。

　　 5) 建筑物之间不可能实现热回收。

　　 欧洲在4GDH的基础上,于2017年前后提出了第5代区域供热供冷系统(5GDHC)的概念。5GDHC的基本定义是:5GDHC网络是一个以水或盐水为载体介质的热能供应网,末端是带有水源热泵的混合热力站。它的工作温度非常接近环境温度,因此不适合直接供暖。输送的载体可以提供给分布式水源热泵,满足用户的个性化需求。

　　 可以看出,所谓5GDHC就是我国的能源总线(energy bus)系统。国内早在2008年就提出了能源总线的概念 ^[15]。能源总线(简称为Ebus)源自计算机科学中的“总线”概念,即“将来自于可再生能源或低品位热源的热源/热汇水,通过作为基础设施的管网,输送到用户”。其系统配置是“在用户端,总线来的水作为水源热泵的热源/热汇,经换热后回到源头,或排放(地表水)、或循环再次换热(通过换热器与各种“源”和“汇”耦合)、或回灌(地下水)”。经10多年的发展,国内已经有多个项目投入应用,有的已经历数年的实践检验,如上海嘉定东方豪园(低层住宅小区)、上海长兴岛御岛财富公馆(高层住宅小区)及上海浦江智谷商务园区等,都取得了很好的技术和经济效益。在这方面国内也开展了一定的研究,期待Ebus技术能与国际5GDHC技术开展交流合作,进一步得到理论上的升华和实践上的提高。

　　 Ebus或5GDHC技术增强了分散式能源系统中热力、电力和燃气电网的部门耦合 ^[16],从而形成城区的智慧能源网。在城市能源转型和碳减排中可以发挥重要作用,是前几代区域供热(供冷)网所无法比拟的。

　　 Ebus(5GDHC)相比4GDH有很多优势:

　　 1) Ebus不需要传统意义上的安装有冷热源机组或热电联产机组的能源中心。Ebus也可以有能源中心,但它只是起到调节管网温度或蓄冷蓄热的作用。在建筑内或建筑群中的热力站(子能源站)安装有分散的水源热泵,以集中布置的超低温的水管为热源/热汇,分散提供热量/冷量,满足个性化需求。可以说是一种集散式供热供冷系统,或是分布式水源热泵系统,或是去中心化的区域能源系统。

　　 2) Ebus的管网水温低至12～30 ℃,从而可以利用更多的低品位可再生能源和余热废热资源。通过管网连接不同空间分布的分散资源,将这些资源集成聚集到总线中,实现m个源供、n个用户共享,起到智能电网中能源枢纽(energy hubs)或电网聚集器(aggregator)的作用。它是一种典型的能源互联网。

　　 3) 由于供水温度低,管网可以采用无保温的塑料管道,因为热损失非常低,所以可以有更长的输送距离。对环状管网而言,可以免去输送泵。整个管网类似一个大型集水器。也可以实现新增用户的即插即用。

　　 4) 与前几代供热供冷管网不同,Ebus并没有供水管和回水管的概念,它只需要一根冷管和一根暖管,可以同时供冷供热。并通过管网实现建筑间的热量交换。因此,有些用户(如数据中心、大型食品超市)常年有余热,尤其在冬季既是使用者又是供应者,是能源互联网中的“产消者(prosumer)”。在一定商业模式下,这些产消者可以通过向热网贡献热量而获得利益。

　　 5) 当供冷供热不平衡时,需要系统有储热装置,比如土地、地下蓄水层等。生活热水需要单设增温热泵和蓄热水箱,因为出于灭菌的目的,生活热水要求加热到60 ℃。通过蓄热,可以调节热泵的运行时段,避免高峰用电,消纳可变可再生电力。

　　 6) 用户有很大的使用自由度,用多用少完全取决于用户自己。住宅用户的能耗完全根据家庭电表计费。能源效率高于空气源热泵,供冷供热品质高于分体空调。非常适合在我国南方地区使用,解决困扰南方地区多年的住宅集中供暖问题。

　　 图1为Ebus(5GDHC)的系统概念图。

　　 由于5GDHC与传统的供冷供热系统有明显区别,不再是冷热水的直接供热(冷),所以,所谓“第5代”这个供热系统的断代顺序,只是为了便于区别和讨论,它应该被视为完全不同类型的区域供热供冷系统。在欧洲,也被称为“网(anergy grid)”“超低温区域供热(ultra low temperature district heating,ULTDH)”“冷区域供热(cold district heating)”“集热网(reservoir network)”“双向热网(bidirectional thermal grid)”等等。在中国,笔者认为称其为“能源总线(Ebus)”是比较合适的。

　　 Ebus系统除了上述在DHC系统中表现出的优点之外,它更重要的价值体现在电气化转型中热泵所起到的至关重要的作用。

　　 在一个可变可再生能源高度渗透的智能电网中,热泵建立起电网和热网的桥梁,并且能为智能电网提供辅助服务 ^[17]:

　　 1) 电压控制:在可再生能源(尤其是风电)供电不足导致配电网局部欠压时,降低热泵的有功功率需求,而在过压时增加热泵的投入(蓄热运行)。

　　 2) 配电网中的拥塞管理:避免变压器和线路容量的超限。通过控制运行热泵的台数,防止变压器过载。停运的热泵可以通过蓄热(冷)乃至建筑结构蓄热来补偿。

　　 3) 平衡发电和需求,并确保电网中的稳定频率:其中需求侧最好的调节手段是用小容量热泵或热泵池来增减负荷进行调峰。

　　 4) 消纳当地可再生电力:通过热泵供热、供冷和蓄热运行,尽可能消纳连接在配电网中的可再生电力(如屋顶光伏),并增加可再生能源的渗透率和自用率。

　　 5) 作为需求侧响应的重要措施:热泵运行可以利用今后更加细分的分时电价,也可以通过热泵的启停和系统的蓄热向电网售电,增强需求侧响应的灵活性,从而获得经济效益。

　　 因此,分布式热泵系统是电网友好的系统,今后,Ebus供热供冷系统和电动车充电系统会成为智能电网的重要组成 ^[18]。

　　 当然,Ebus系统也存在一些短板。表3给出了Ebus系统的SWOT分析。

　　 Ebus由一根暖管与一根冷管组成。暖管中的流体温度比冷管中高5～10 ℃,冷暖管的水温均接近于环境温度。一般用环状管网。在有较大蓄热设施(比如废弃的矿井蓄水)的场合也可用枝状管网(所谓鱼脊状管网),冷管和暖管相当于2个联箱。用户侧可以是建筑或社区能源站(热力站),配置水源热泵,Ebus为分布式水源热泵提供热源与热汇,热泵提供满足建筑需求的供冷、供暖和热水供应。

　　 所谓双向网络(bidirectional low temperature network,BLTN),意味着用户有输入,也有输出。例如系统中有常年需要供冷的数据中心,冬季从冷管取水用于冷水机组的冷凝器冷却,然后向暖管输出,可以提供给其他用户的热泵用于供暖。数据中心就成为产消者,既消费也生产。所以,BLTN实际上是一个区域级的分布式水环热泵系统,在冷热平衡的前提下,可以实现无源的自平衡。根据国外研究,如果在5.7个单位的供暖中至少有1个单位的供冷,那么BLTN比单体建筑独立供能(比如用空气源热泵)更有效 ^[19]。文献[19]以德国一个科研园区为例,测算出Ebus的BLTN与独立的HVAC系统相比,其解决方案的年化总成本降低了42%,CO₂排放量减少了56%。

　　 当然,要实现Ebus的BLTN的负荷和冷热需求平衡,是比较理想化的。尤其在中国大部分城市的气候条件下,夏季的冷需求(特别是系统中有数据中心这样的供冷大户)要与热需求达到5.7∶1的分布,不能说完全不可能,至少是非常罕见的。解决办法有3种:

　　 1) 系统中增加季节性蓄冷蓄热(例如土壤埋管或地下水)。在中国当成热源/热汇的地源热泵土壤埋管系统,在欧洲当成季节性蓄热体。与中国特别关心土壤热平衡不同,欧洲更关心冬夏负荷平衡。由于欧洲的气候条件,供暖负荷大、供暖时间长、供冷负荷小、有天然免费冷源(河水、海水和深层湖水)可直接供冷,所以反而希望地温升高一些,为冬季供暖蓄热,用蓄热来补偿冷热需求的不平衡。

　　 2) 能源规划中将园区作为整体考虑,统筹考虑冷热平衡和补偿。采用精细化设计手法,如用聚类法按时序列分析负荷,生成多个典型的设计日负荷,用线性规划方法对设计日运行策略进行优化,优化目标是系统年化成本最小。

　　 3) 运行阶段采用多代理(multi-agent,也有翻译成“多智能体”)模式的人工智能运行控制 ^[20]。

　　 在欧洲,由于天然气比电便宜,比如德国,2019年平均民用电价为0.304 3欧元/(kW·h),而民用天然气价格为0.061 9欧元/(kW·h)。一个家庭用效率为70%的天然气锅炉供暖,每kW·h热量的成本为0.088 4欧元;而用一台COP=3.0的空气源热泵供暖,每kW·h热量的成本为0.101 4欧元,比天然气供暖贵,而且如果末端不采用辐射地板供暖,供暖的品质也比较差。如果改用COP在4.0以上的水源热泵,则每kW·h热量的成本降至0.076 0欧元,比天然气供暖略低。

　　 如前所述,为了能源安全和大幅度减碳,欧洲城市正在开展去天然气化,供暖系统改用热泵。因此,在5GDHC中保证用户端热泵的高COP就成为供暖电气化转型成功的必要条件。在无法保证系统负荷平衡、得到足够热回收量的情况下,欧洲一些项目采用了有源能源总线系统,即系统设一个能源中心,给暖管(冷管)补热(或补冷)。欧洲5GDHC系统能源中心的概念图见图2。通过能源中心运行和多代理控制,可以使暖管或冷管的水温保持恒定,从而使末端水源热泵一直处在最佳运行工况。

　　 中国大部分一、二线城市的天然气价格是德国的60%～70%,而电价(特别是居民生活电价)只有德国的1/6～1/4。因此,中国城市应该更愿意接受供暖电气化。同样1 kW·h热量,天然气供暖成本约0.48元,空气源热泵供暖只要0.20元左右。但为什么南方城市还是有不少经济宽裕的家庭要舍热泵而用天然气呢?主要原因还是空气源热泵技术上一些先天局限很难克服,导致供暖的品质不高。所以,在中国城市用Ebus,也要考虑保证末端水源热泵的COP,使其在最高效率点工作,提高供热(冷)质量。

　　 按照中国的气价、电价,在图2的能源中心补热方案中,首先要去掉天然气锅炉补热的选项,然后再分析余下几种方案:

　　 1) 能源中心用空气源热泵将暖管中的水温保持在20 ℃,末端水源热泵再利用20 ℃的热源水向室内提供40 ℃的热水低温供暖。假定室外温度分别为-10 ℃和0 ℃,并假定热泵的实际COP约等于其卡诺效率的30%,由于暖管水温保持在20 ℃,使末端水源热泵始终在COP=4.5以上运行,在与能源中心的空气源热泵耦合以后,系统综合能效比分别可以达到2.0和2.1以上。末端水源热泵的高COP正是欧洲5GDHC所追求的目标。不过,也有人会质疑,这种耦合热泵供暖形式的COP也并不比单独用空气源热泵供暖高多少。的确,单独空气源热泵供暖COP的估算值为1.9左右,与这种耦合形式相差不大。但要注意,即使是市场上最好的低温空气源热泵,在-10 ℃低温下供40 ℃热水也是十分吃力的,有的要用双级压缩机,也就是另外一种耦合形式。另外,本方案中的空气源热泵和水源热泵都是在各自的“舒适区”运行,可以保证供暖质量和稳定性。当室外气温升高、建筑供暖负荷变小时,也可以关掉水源热泵,用空气源热泵直接供暖,此时可以将建筑内供暖水温降低。关于空气源热泵补热的详细分析可参考文献[21]。

　　 2) 利用自然低品位热源和人工排热或废热热源给系统补热(冷)。自然热源包括自然水源,如河流、湖泊、海洋,以及中深层地热。人工热源包括污废水管网、排水系统、沟渠和数据中心、电缆沟、变电站、地铁等设施的排热,以及冷却塔散发的热量。此外,还可以利用可再生热源,如太阳能集热器产生的热量。在建筑密度很高的城市,利用这些低品位热源的最大障碍是空间不够,并可能与其他城市设施“争夺”有限的公共空间。城市可利用的主要低品位热源见表4。

　　 城市有丰富的余热废热资源。例如,有研究表明,伦敦的用能所产生的废热总量大约为71 TW·h/a,而2010年伦敦总的热量需求只有66 TW·h/a ^[22]。城市的低品位热能资源有相当大的潜力。通过Ebus将这些分散的低品位热源集成利用,实现资源共享,并利用不同建筑负荷分布的多样性和参差率,平衡供需,使负荷平准化。这是单体建筑独立供冷供热所无法实现的。同时通过系统的调节和调度,保持冷管和暖管的水温恒定,尽量利用“免费”热源,避免开启耗能设备补热(冷)。当然,在城区尺度上利用这些资源,涉及到不同的主管部门,比如城市规划、国土资源、水务、环保等等,需要城区开发主管部门出面协调,并在空间规划中加以明确。所以,Ebus(5GDHC)系统也称为“热共享网络(heat sharing network)”。

　　 3) 通过蓄冷蓄热来实现供需平衡。在Ebus(5GDHC)系统中,一般有3级蓄能:第1级是系统层面,主要是季节性蓄热;第2级是热力站(末端的分布式热泵能源子站)层面,主要是短期蓄热,作为需求侧响应和负荷调节之用;第3级是用户层面,主要是瞬间蓄热,保证生活热水的温度满足卫生要求。

　　 大规模季节性蓄热又有4种常用形式,见图3。

　　 图3中,BTES和ATES为国内所熟知,但国内作为冷热源,国外主要用作季节性蓄热(冷),考虑问题的思路不太一样。这2种形式的造价要比其他2种低。造价最高的是TTES,其容量可以达到上万m³(国内有6 000 m³的案例,用于短期蓄热,利用谷电蓄冷)。而PTES(pit thermal energy storage)国内不太熟悉。主要是因为土地利用的问题,另外在深坑的建造施工上也有比较高的要求,要保温、防渗、防水,还要制作一个巨大的保温顶盖,同时对地质条件也有一定要求。从各方面来看,TTES是比较好的蓄能方式,它蓄能密度高,而且并不影响地面空间的利用。当然作为承重的地下构筑物,对地质条件、结构设计和施工质量也有比较高的要求。

　　 Ebus的管网拓扑结构有3种常见形式(见图4)。枝状网络(树型拓扑)比较常见,它与前几代DHC的管网拓扑结构没有根本区别。树根是能源中心,树枝连接用户。区别在于能源中心的主要作用是图2中的补热热源,管网也不是供水管和回水管,而是暖管和冷管。如果用TTES或PTES这样的大规模蓄热,则其埋地水箱或深坑位置应接近能源中心;如果用ATES或BTES这样的分布式蓄热,则可以多点设置,就近连接到管路上。它们相当于系统中的产消者,夏季“生产”冷水,“消费”热水;冬季则反之。

　　 枝状管网需要有中心水泵,补热源或季节性蓄热装置都是集中设置的。如果枝状管网是“竖”起来的,即通过枝状管网给高层住宅分户的分布式热泵热力站供水,中心水泵就必须长时运行。国内做法是将水泵运行费用摊在物业费中。

　　 环状管网的中心循环水泵可以由分布式的变频变速水泵取代,分布式水泵安装在末端热力站中。季节性蓄热(如BTES)和补热源(如地表水、太阳能集热器)可以沿管道多点接入,成为一个多源系统,有利于空间受限的园区充分利用零散的闲置土地或公共空间。环状管网一般采用双管,有利于管网的水温恒定。但也有采用单管的,如上海崇明东滩生态城项目 ^[25]。单管系统中每个相连的建筑物都从同一根主管抽水或排放到同一根主管中,导致建筑物的入口温度不同。与双管系统相比,单管系统节约了管材和管路施工费用,但可能降低用户热泵的能效比,造成用户之间能耗的不平衡,产消者对管网的贡献也变成负面。因此,单管系统比较适合园区和单栋建筑均为同一业主所有,而且建筑负荷单一且稳定的情况。设计时需要仔细测算各种条件下的负荷分布,计算各建筑入口处的温度。

　　 网状管网实际是环状管网的并联。它更有利于在具有高负荷多样性(即供热负荷和制冷负荷之间的平衡)的异构区域中将产生的热量以双向流动模式输送到需求端。表5给出这3种管网拓扑结构的性能比较 ^[24]。

　　 除了初投资高,网状管网比其他2种管网都具有性能优势。特别是其可拓展性,对于既有城区及建设进度逐步推进的新建城区,都是很有意义的。图5显示了网状管网的扩容。

　　 因为Ebus管网水温接近环境温度,用户侧热力站的进出口水温差不可能像前3代供热管网那么大,为保证用户端热泵COP,Ebus管网流量要大于常规供热管网。

　　 图6对第3代区域供热和Ebus管网以1 kW·h需求为基础进行比较,研究Ebus管网在何种工况下的载流量高于传统区域供热系统(传统区域供热流量为1)。对于Ebus管网,主要考虑温降和用户站热泵的COP对管网水流量的影响,作为实际工程可行性的参考。可以看到:如果进出口水温差能够达到10 ℃,管网流量比传统区域供热流量增加40%,用户端热泵的COP=5;如果水温差只有5 ℃,则水流量要比普通供热增加1.5倍,才能使末端水源热泵的COP达到4,高于独立用空气源热泵供暖。这主要是因为Ebus输送水温低。但也正是因为水温低,其对管道材质和保温的要求都比较低。管道本身也可以当作蓄热罐看待。在有补热的能源中心,可以利用太阳能或夜间电力对管道中的水进行预热预冷。

　　 区域能源系统的能源管理一般有2种模式:第1种是基于模型的从顶到底的管理。由于近年来计算机算力的增强,这种管理系统向着精细化和优化方向发展,最典型的如基于能源枢纽模型的管理,文献[28]中有比较详尽的介绍,本文不再赘述。

　　 从顶到底的方法要求管理系统的设计者详尽地编写控制流程的程序,并充分考虑可能发生的各种情景,有相应的运行策略。如果系统未覆盖的事件发生,管理系统将无法充分响应。如果系统中更改配置(添加或删除组件),则管理程序必须完全重新设计。Ebus(5GDHC)即插即用的优势无法体现。因此,能源管理系统开发的主要方向是第2种管理模式,即基于数据的从底到顶的分布式人工智能(distributed artificial intelligence, DAI)方法。DAI是一种解决复杂决策问题的方法。它利用计算机的并行处理,通过计算资源的空间分布解决大规模计算问题,使DAI系统可以处理非常大的数据集。DAI系统由自主学习处理节点(代理)组成,这些节点的分布规模可以很大,可以独立工作,也可以将部分解决方案通过节点之间的通信集成 ^[29]。在能源领域,主要用的是多代理 ^[30]模式。

　　 图7显示了这种多代理模式的概念。假定控制目标是供热工况下总线水温保持恒定,在沿着暖管的环形管路均匀分布的多个点设温度传感器,测量网络温度,并计算平均温度。将平均温度与设定温度进行比较后,消费者代理提出补热或冷却的需求,发送给中介服务器。中介服务器从系统中的每个生产者代理处征求提议。借助成本函数,每个生产者代理都可以为消费者需求的产能调整提出建议。如果生产者无法进行调整(比如超过其能力),则可以拒绝中介服务器的提议。当中介服务器收集了所有生产者代理的提议(和拒绝)后,对提议进行比较并选择最具成本效益的组合,将接受和拒绝的通知(令牌)发送给生产者代理。生产者代理然后调整其产能。图中的几个生产者分别是地表水、蓄热和太阳能,运行过程中可以认为是零边际成本产能。因此,系统还要设置虚拟成本函数。可以看出,多代理模式有点类似市场经济环境下的商品交易过程。

　　 实际系统的管理要复杂得多。无论代理服务器还是中介服务器,它们的提议或决策过程都是机器学习的过程,即需要经过大量数据的训练。从国内现状来看,运行管理中的数据积累做得不好。有些研究因为没有可靠的运行数据,不得不将模拟得到的数据用于机器学习的训练,这样训练出来的人工智能有点“傻”。

　　 Ebus与传统DHC不同,是多源多用户和热电耦合的区域能源网络,缺乏设计优化方法和支持工具。尤其是针对环状和网状拓扑结构、双向流动、多节点供需平衡和负荷平衡等情况,还需要通过案例深入研究。设计中要充分考虑运行工况。

　　 欧洲地区的5GDHC的研究重点几乎都放在满足供热需求上。夏季因为有充足的地表水免费供冷资源,其供冷能效比非常高,所以还要考虑夏季主动式季节蓄热(如太阳能热水器+地埋管)。我国夏热冬冷地区情况正相反,而季节性蓄冷难度比蓄热更大。

　　 多样化的负荷、功能混合的城区及适当的建筑密度,是Ebus系统成功运行的条件。

　　 文献[31]采用辛普森指数来计算区域供冷供热系统的适用性。辛普森指数的表达式为

　　 $d=\{\begin{array}{cc}\frac{C}{C-1}[1-{\displaystyle \sum _{i=1}^{C}p}{}_i^2]\hfill & (C\ge 2)\hfill \\ 0\hfill & (C=1)\hfill \end{array}(1)$

　　 式中 d为表示多样性的辛普森指数;C为负荷类别的数量,可包括供冷、供暖及生活热水等多种类别;p_i为每一类别出现的频率。

　　 辛普森指数介于0～1之间,d=1表示负荷完全平衡,d=0表示单一负荷。要研究的是,d值等于多少时,可以使Ebus系统效率最高,或使Ebus系统相对单体建筑采用独立空气源热泵有最大的优势。这与当地气候和需求的差异有关。

　　 尤其是对夏热冬冷地区,大部分建筑都是间歇性用冷和用热。如果管网按城区中最大负荷建筑的高峰负荷设计,会造成资源的浪费,所以更希望服务对象是功能混合的综合社区。以城市商务区为例,有研究表明,建筑群的功能配比(建筑面积比)为办公∶商业∶酒店=4∶2∶4和5∶2∶3时,冷、热、电3种负荷的平准化程度均最优 ^[32]。但如果有住宅供冷供热的加入,情况会更复杂,需要开展研究。特别是对有利于热共享和热回收的负荷平衡问题(例如冬季数据中心产热及夏季酒店和住宅等建筑的用热),需要根据实际情况进行分析。

　　 5.1节中提及用聚类方法生成一年中的多个典型日负荷,可用以生成不同的运行策略。这需要大量的针对不同建筑功能和应用场景的模拟分析,或利用大量实际运行数据的训练通过机器学习来完成。有研究表明,以室外温度、热负荷历史值、时间因子变量和区域供热热力站物理参数作为输入,采用监督机器学习技术,即支持向量机、回归树、前馈神经网络和多元线性回归等方法,在24 h的预测范围内,支持向量机的归一化均方根误差最小,只有0.07 ^[33]。需要研究在供冷为主的城区,Ebus系统的适用性和经济性。

　　 区域能源的管理系统是应用中最薄弱的环节,无论哪一代系统,情况都差不多。前几代系统的运行管理只需要少量的检测数据。原则上,可以连续收集每个热力站或末端的所有传感器数据,在一台中央计算机上完成控制系统所需的所有计算,然后向每个热力站发送控制信号。这种从顶到底的能源管理模式十分粗糙。国内多数热网即使凭运行经验,也可以让系统“走”起来。而Ebus涉及多源多用户的整合,涉及消费和产消的平衡,涉及单机和系统的效率,涉及异构数据的分析,是多元的优化问题。对这样一种复杂系统,需要用人工智能辅助的从底到顶的管理系统。因为局部的需求预测可能涉及大量的局部的传感器数据,这些没有必要推送到中央计算机,完全可以在局部执行。5.5节中的多代理分布式人工智能系统,已经被证明是实现复杂能源系统控制的有效方法,适用于去中心化的、模块化的、可变的Ebus系统。

　　 Ebus的多代理管理系统主要可以实现以下几个功能:

　　 1) 实时生产、输配和需求的协调。即在正确的时间生产出正确数量的资源,然后将这些资源分配给正确的消费者。

　　 2) 利用嵌入在各个热泵热力站的代理集成实现Ebus管网的自动负荷均衡,如自动削峰、自动转移负荷等。

　　 3) 区域能源网的综合管理。结合智能电网,实现高渗透率可再生能源的消纳、电网的需求侧响应,以及热泵作为智能电网备份(smart grid ready)的运行调节。

　　 4) 传感器物联网的管理。

　　 针对这一最薄弱环节,需要做大量工作。人工智能技术对各行业和学科而言,都既是挑战也是机遇。哪个专业与人工智能结合得好,哪个专业就会有长足的发展。需要研究的问题是:

　　 1) Ebus系统传感器物联网的构建。相比前几代供冷供热系统,要增加哪些传感器?设在系统的什么位置?无线还是有线?长期工作的传感器的能源供应?如何保证传感器的精度和校准?

　　 2) 管理系统的架构。代理服务器、中介服务器及云端服务器的分工;数据采集和数据挖掘的标准;数据处理、优化运行、边缘计算、云计算的适用算法等。

　　 3) 与智能电网、电动车充电网、电制热(P2H)、电制气(P2G)、氢燃料等系统的协调。

　　 4) 与净零能耗城区、零碳社区等规划目标及建筑能耗限额等约束条件的协调。

　　 1) 本文综述了全球气候变化的严峻形势,以及COVID-19疫情后实现全球经济绿色化复苏的技术路径,即通过可再生能源的应用和供暖、交通的电气化,既可以实现减碳目标,也可以拉动消费、促进就业。

　　 2) 能源总线(第5代区域供热供冷)系统有利于可再生能源资源的整合和共享,有利于规模化利用热泵作为电与热之间的联系纽带,构建城区综合能源互联网。由于它规避了前几代区域供热供冷系统的缺点,更适用于为夏热冬冷地区解决住宅集中供暖(冷)问题,可以作为疫情之后促进消费、拉动投资、改善民生的一项措施。而第4代区域供热系统的概念,更适合我国北方城市区域供热系统的改造。

　　 3) 能源总线与第5代区域供冷供热系统的建设运行相对独立、国内产业链相对完整,完全符合我国新基建、新型城镇化建设和重大工程建设等领域的方向,能进一步撬动城市能源产业链发展,同时使城市居民有切实的获得感,符合我国“经济内循环”方向。

　　 4) 因为不同于传统供热供冷系统,能源总线还有一些技术问题需要深入开展研究。欧洲的经验表明,结合实际工程进行总结分析提高是最好的研究方式,也是促进能源总线技术进步的最快的方法。国内已有的案例证明,能源总线完全可以做到比传统系统有更高的能效和更好的经济效益。