近日,机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所王如竹教授团队在能源环境类期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Heat pumps as a sustainable bridge for global heating and cooling at multi-scale”的论文,探讨了热泵技术在全球供热和制冷中的可持续应用潜力,并提出跨学科研究方法和运营模式调整方案,促进热能利用重构。论文第一作者是制冷与低温工程研究所博士生闫鸿志,通讯作者是王如竹教授。
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随着可再生能源的加速部署和终端用能的电气化,全球热泵市场正迅速扩大。值得注意的是,热泵在供热的同时还产生制冷效果,因此有效利用热泵的制冷负荷变得同样重要。冷热负荷在时间和空间上分布不均匀,要求对热泵的应用进行精密规划和部署。为最大程度地发挥热泵在供热和制冷方面的双重功能,需要从单个设备到整个行业,乃至跨区域热网的层面上,全面优化热泵的应用策略。
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基于上述考量,研究提出采用多尺度热泵利用策略。在设备层面,热泵可根据季节变化集成不同的功能,还可结合储热技术进一步提升耦合系统的稳定性和能效,并通过将热泵与特定材料结合,实现制冰、除湿、取水和CO2捕获等多功能应用。在多部门协同层面,热泵可通过重新分配热量与冷量,提高能源效率。在工业中,热泵可用于多温度加热和冷却处理的工艺情景。此外热泵还可进一步整合到跨区域热能利用场景中,并结合移动式储热技术拓展其应用区域。
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为确保上述战略部署的实施,跨学科研究在热泵技术整合及宏观脱碳框架中,特别是在多尺度应用和大规模部署方面发挥着重要作用。目前,这一领域面临着数据收集和模型验证的挑战,也存在对实际应用复杂性考虑不足的问题。文章强调,高分辨率的地理空间分析至关重要,需精确识别热能需求的时间、地点和规模。后续研究应充分考虑社会、环境以及能源和碳交易价格等因素的变化,进一步将热泵潜力的最大化嵌入到脱碳路径框架中。
文章最后讨论了涉及热泵应用的各个利益相关方,以及运营模式的过渡和协调问题,指出了自下而上模式的局限性,建议由政府部门推动自上而下介入来实现热泵规模化应用。在商业模式方面,大型公司的热力购买协议将有助于规模化利用。
王如竹教授领衔的ITEWA多学科交叉创新团队(Innovative Team for Energy, Water & Air)致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术,旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案,推动相关领域取得突破性进展。近年来在Science、Joule、Energy & Environmental Science等国际期刊上发表系列跨学科交叉论文。