1、城市可再生能源供熱和制冷

為了實現(xiàn)城市的100%可再生能源供熱和制冷，需要整合當?shù)啬茉聪到y(tǒng)的不同組成部分和參與者并建立協(xié)同效應(yīng)，具體的技術(shù)目標是：①改善建筑物和區(qū)域的智能電器和能量管理系統(tǒng)，將其完全整合至整個能源系統(tǒng)中，實現(xiàn)以智能方式管理供熱和制冷的供應(yīng)、儲熱、可再生能源電力及其輸送；②開發(fā)接口技術(shù)以連接（近）零能耗建筑，以建立零能耗建筑群和負能耗區(qū)域；③向城市提供可滿足所有供熱、制冷和熱水需求的可再生能源供熱和制冷技術(shù)及系統(tǒng)的相關(guān)信息。

2、區(qū)域可再生能源供熱和制冷

（1）發(fā)展目標。通過使用生物質(zhì)、太陽能、地熱能、余熱和環(huán)境熱以及非化石燃料發(fā)電，區(qū)域可再生能源供熱和制冷可實現(xiàn)完全脫碳。將可再生能源集成到區(qū)域供熱和制冷系統(tǒng)需要開發(fā)和示范以下解決方案：①將系統(tǒng)與當?shù)責o碳和低碳能源相匹配，建立具有較低和極低供應(yīng)溫度的新型區(qū)域供熱和制冷網(wǎng)絡(luò)，降低現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的溫度，系統(tǒng)設(shè)計和運行應(yīng)適應(yīng)更低溫度，并集成熱泵、制冷設(shè)備和儲能設(shè)備；②從能源系統(tǒng)整體角度，在不同規(guī)模上與不同終端用能部門（電力、熱/冷、燃氣、交通）相關(guān)聯(lián)，有效供應(yīng)、管理和利用高比例可再生能源。

（2）數(shù)字化技術(shù)將起到關(guān)鍵作用。數(shù)字化技術(shù)對于實現(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)控制器等先進解決方案集成波動性可再生能源，通過削峰等智能控制手段提高可再生能源系統(tǒng)的運行效率；②區(qū)域，通過低成本、可靠且可擴展的數(shù)據(jù)收集和通信系統(tǒng)管理實時能源數(shù)據(jù)，通過機器學(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，智能電表和遠程控制可以細化數(shù)據(jù)的時間顆粒度，供需雙向數(shù)據(jù)流將有助于改善系統(tǒng)運營；④設(shè)計與規(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、過程計劃工具、復(fù)雜優(yōu)化和仿真方法等，開發(fā)和測試技術(shù)和運行模型對多能源系統(tǒng)進行仿真和優(yōu)化。

3、100%可再生能源建筑

（1）發(fā)展目標。在建筑物中使用可再生能源供熱和制冷將最終實現(xiàn)如下目標：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地熱供熱及制冷；③必要時使用生物能或可再生能源電力補充供熱和制冷需求。

（2）儲能和部門協(xié)同是關(guān)鍵因素。儲熱技術(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)場供熱和制冷、儲能、可再生能源電力和燃氣網(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)計標準進行優(yōu)化。系統(tǒng)將變得更智能和用戶友好，可進行遠程操作或控制。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)計新的工藝，以及對現(xiàn)有設(shè)備進行改造。通過創(chuàng)新過程技術(shù)實現(xiàn)持續(xù)的過程管理，可實現(xiàn)在120℃以下使用可再生能源，并能極大降低能源需求。儲熱對于整合不同的供熱和電氣至關(guān)重要，可應(yīng)對價格波動和季節(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、地熱能等將用于低溫過程熱，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)主要針對單一供應(yīng)，只能在有限范圍內(nèi)對需求和供應(yīng)（熱、電）的波動做出響應(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)計和運行，利用基于過程需求和供應(yīng)的（近似）實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)，開發(fā)整體優(yōu)化方法。將利用數(shù)字化模型，針對實例開發(fā)和驗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)）中實施。

1、太陽能熱利用

（1）技術(shù)現(xiàn)狀。太陽能熱利用技術(shù)具有極強的可擴展性，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，其成本低于燃氣鍋爐且在整個生命周期中基本恒定，因此可避免燃油價格波動的風險。主動式太陽能房屋將太陽能用于生活熱水，可實現(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，需要進一步示范和可行性驗證。

（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，比基于燃氣的區(qū)域供熱成本更低。太陽能熱利用可實現(xiàn)夏季的需求削峰和補充冬季熱量供應(yīng)，與季節(jié)性儲熱和其他低溫熱源集成能夠發(fā)揮良好的效果。工業(yè)過程太陽能供熱將需要解決標準化、系統(tǒng)驗證和風險評估等問題以實現(xiàn)規(guī)模化應(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)占歐盟終端用能的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，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)過程所需低溫熱、蒸汽和高溫熱，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)能在供熱市場的發(fā)展?jié)摿θQ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、安裝和運行的復(fù)雜性。預(yù)計2050年以后歐洲利用生物質(zhì)進行能源生產(chǎn)的潛力為7-30艾焦。

3、地熱能

（1）技術(shù)現(xiàn)狀。目前地熱能用于供熱和制冷主要用在從幾千瓦級的家庭熱水到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)用如地熱制冷、融化冰雪以及海水淡化已經(jīng)得到驗證。地源熱泵和地熱區(qū)域供熱系統(tǒng)可提供住宅所需的低溫熱。地熱區(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)，地熱能和小型熱網(wǎng)可能是單個建筑物的最佳選擇。

（2）開發(fā)潛力。未來幾十年的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是地熱區(qū)域供熱和地源熱泵的可靠設(shè)計、工程和控制能力，以保持全年將地熱可持續(xù)地用于供熱和制冷。對熱電聯(lián)產(chǎn)地熱系統(tǒng)和新一代地熱系統(tǒng)（如增強型地熱系統(tǒng)）的進一步開發(fā)也將發(fā)揮關(guān)鍵作用。地熱將與其他可再生能源整合用于建筑的能源系統(tǒng)，地熱能存儲（如地下儲熱、埋管儲熱、含水層儲能）將被用于季節(jié)性儲能，并可用于工業(yè)余熱和太陽能的存儲。還將進一步發(fā)展地熱供熱用于農(nóng)業(yè)。增強型地熱系統(tǒng)作為一項突破性技術(shù)將大規(guī)模發(fā)展，通過熱電聯(lián)產(chǎn)可同時提供電力和熱量。預(yù)計到2050年，地熱供熱和制冷系統(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，熱泵也是提高白色家電甚至電動汽車能效的首選技術(shù)。除了利用可再生能源，當前的熱泵技術(shù)可以利用工業(yè)余熱、建筑和工業(yè)過程中的廢氣等。將儲熱集成到熱泵系統(tǒng)中可以彌補能源生產(chǎn)和消費的時間差。熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)50-70℃的溫差，將多個壓縮機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）將低溫可再生熱能轉(zhuǎn)化為高溫熱能。熱驅(qū)動熱泵（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行制冷，其性能提升可實現(xiàn)驅(qū)動溫度高達250℃。工業(yè)熱泵通常供應(yīng)溫度水平在30-50℃或55-65℃的熱量，當前研究目標是提供溫度為200-250℃的熱量。熱泵技術(shù)的創(chuàng)新和研究正專注于改進組件、產(chǎn)品和系統(tǒng)，而新技術(shù)（如磁熱泵）尚處于概念/實驗階段。

（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)，將地熱或太陽能用于熱泵則可為熱泵創(chuàng)造更好的部署機會。

5、儲熱

（1）技術(shù)現(xiàn)狀。在目前各種儲熱技術(shù)中，采用水作為儲熱介質(zhì)的顯熱存儲技術(shù)最簡單、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)的地下顯熱存儲也是常用的大規(guī)模儲熱方式。潛熱存儲方式能量密度更高，存儲溫度范圍更廣且可用于制冷。熱化學(xué)存儲基于放熱和吸熱的可逆化學(xué)反應(yīng)，理論存儲密度比水基儲熱系統(tǒng)高十倍，且沒有熱量損失，但該技術(shù)較新，尚需開發(fā)各種適用于市場的產(chǎn)品。地下儲熱主要用于平衡季節(jié)性供需，還可儲存中溫余熱，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。未來將進一步開發(fā)或改進大規(guī)模儲熱技術(shù)，包括：長壽命、低成本的耐高溫襯里材料；不同地質(zhì)環(huán)境下大容量、深坑或儲罐存儲的施工技術(shù)；可降低熱損失并提高存儲性能的隔熱材料和技術(shù)；浮式或自帶蓋子的結(jié)構(gòu)，可有效利用儲罐的頂部空間；改進系統(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)集成熱交換器的儲罐，縮小儲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)成熟度達到5-6級的緊湊型儲熱技術(shù)的成本；開發(fā)測試和評估方法，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；進行下一代緊湊型儲熱技術(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、東歐等氣候較冷國家對區(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)力和燙傷風險。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，增強對低溫余熱和可再生能源的利用。

（2）開發(fā)潛力。預(yù)計到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)，具備強勁的增長潛力?？稍偕茉措娏︱?qū)動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能方案，吸收過剩的可再生能源電力以平衡電網(wǎng)。

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