零碳科技：用二氧化碳进行区域供热和制冷，节省80%一次能源消耗|交换器|热泵|热能|能源|蒸汽|零碳科技

全球近25%的能源用于家庭和商业建筑的供暖和制冷。产生这种能量的过程是温室气体排放的主要来源。区域供热供冷系统是一种潜力巨大的解决方案。它们集中产生热量并将其分布在同一社区的建筑物网络中，这比单独加热或冷却建筑物更有效。

（注：区域供热供冷系统（District Heating and Cooling，简称DHC），是指对一定区域内的建筑物群，由一个或多个能源站集中制取热水、冷水或蒸汽等冷媒和热媒，通过区域管网提供给最终用户，实现用户制冷或制热要求的系统。）

然而，在密集的城市环境中减少供暖和制冷系统的碳排放是一项真正的挑战。鉴于其高密度，这些区域适合安装区域供热供冷系统，用来自城市外围的可再生能源向城市中心的消费者输送热量，不过，人口密度较高的地区在网络安装方面受到更多限制（地下拥堵、铺砌道路、在施工期间确保交通流量的问题等）。

低品位能网络（anergy network）飞速发展

在过去的15年中，低品位能网络技术取得了显著的发展。低品位能网络（或环路）是一种低温热能网络（3至15℃），可提供供热服务（通过热泵）和供冷服务（通过直接冷却）。这些网络特别适合于有效利用环境中的热量（湖泊、河流、地下水、地热能等）和余热，同时利用供热和供冷需求之间的协同作用。在这种情况下，低温热量直接从冷却用户（制冷、IT设备冷却或工艺冷却等）转移到供热用户（热泵）。

目前运营的低品位能网络使用液相水作为传热流体。为了确保不仅与空调规定的温度制度兼容，而且与热泵所需的温度制度兼容，网络的两线之间需要较小的温差（通常在3至6℃之间）：这导致较低的体积能量密度，即每立方米水传递3.3至6.6千瓦时的低温热能。这种低密度需要根据所涉及的热功率，采用适当规模的管道直径、挖掘和土木工程。同样，这也适用于网络中用于水循环的水泵的耗电量。

用二氧化碳为区域供热供冷

瑞士清洁技术初创公司ExerGo正在使用二氧化碳作为其闭环系统的能量传递流体。

CO2是由可再生资源和废热驱动的热力网络的基础。通过使用液体和蒸汽 CO 作为工作流体，该系统比传统的水基系统提高了能量传输效率。这种更高的效率反过来又允许使用更小、更灵活的管道，这可以节省高达 60% 的安装成本和时间，同时减少噪音和空气污染。ExerGo声称，与基于化石燃料的类似系统相比，其紧凑的网络可以节省高达80%的一次能源消耗。

CO₂ 具有出色的能量承载能力，允许使用小型柔性管道在人口稠密的地区部署热网络。这有助于节省大量建筑和管道成本和时间，使公用事业、市政当局、私营和上市公司能够加速密集城市地区建筑供暖和制冷的脱碳， CO₂ 网络还可以充当智能热电网，全年优化用户之间的供需。

基于CO2的低品位能网络的优势

通过利用流体的潜热（蒸发/冷凝）而非显热，可以为低品位能网络的热泵和冷交换器提供能量，同时显著提高其能量密度，并因此减小其占地面积。为此，所使用的流体必须在低品位能网络的温度范围（3至15℃）内具有高潜热（蒸发/冷凝），且液相和气相均具有高密度和低粘度。

CO2具备这些特性（表1）。如果我们考虑气相和液相的平均密度，那么低温体积热能密度在每立方米CO2传递的24.1至31.3千瓦时之间，即比水的值高出3.6至9.5倍。如果考虑所有水力约束，基于CO2的低品位能系统的占地面积比等效的水基系统小2至3倍。这种规模的减少也对安装工作的复杂性产生了有益的影响，因为需要组装的部件更小、更轻，从而大大简化了安装工作。因此，所需的挖掘工作也大大减少。这些优势被CO2的相对较高压力所抵消。在网络适用的温度下，其压力在38至51巴之间。

表1. CO2在其液相和气相中、在应用于CO2网络的运行温度极限下的物理性质

ExerGo 网络与标准 HVAC 系统和热收集技术兼容，适用于各种住宅、商业和工业应用。

ExerGo 网络由双管系统组成，液体和蒸汽 CO₂ 双向流动，优化了任何气候区用户、供应商和环境之间的能源供需。该网络与现有的供暖、通风和空调（HVAC）设备兼容，例如直接热泵、热交换器、分散式热泵或制冷装置，使用 CO₂ 相变为相互连接的建筑物提供能源。此外，通过回收当地的废弃能源，构成家庭和建筑物之间的协同作用，促进了循环经济，从而减少碳排放。

去年 10 月，ExerGo获得了欧洲热泵协会的年度热泵城市奖，以表彰 ExerGo 为开创世界上第一个基于 CO2 的供热供冷网络所做的努力。

自 2022 年 3 月以来，位于瑞士锡永的试点工厂已提供 1,200MWh 的全年供暖和制冷，优化了 HES-SO 应用科学大学 Energypolis 校区建筑的能源使用。

Energypolis校区的示范项目

ExerGo公司在热塑性管道网络的实现方面所开展的研发工作和专业技能、Zero-C公司在二氧化碳设备安装方面公认的专业知识、OIKEN公司提供的可再生能源（地下水）热源连接，再加上由瑞士西部应用科学与艺术大学(HES-SO Valais)负责的项目领导力和建筑集成管理，共同为在瓦莱州锡永市(Sion)的Energypolis校区新址成功实施基于二氧化碳的供暖和制冷分配网络示范项目创造了有利条件。

该设施旨在验证这一概念在最终形式下、在实际运行条件下的有效性、可靠性和功能安全性，并从能源效率和经济方面评估其性能。

锡永示范项目被安装为一个冗余系统，与已经为建筑物提供服务的区域供暖和制冷网络（DHN和DCN）并行运行（图1）。这种配置为各种性能测试提供了最大的灵活性，因为它使示范项目能够提供供暖和制冷服务，但建筑物的供暖和制冷并不依赖于此。

图1. 由二氧化碳网络和OIKEN区域供冷和供暖网络(DCN和DHN)提供服务的Energypolis校区的19、21和23号楼

关于配置的更多详细信息

该示范项目包括一个中央工厂（平衡装置），其作用是在寒冷季节从可用的热源中提取热量（或在炎热季节向热源中注入热量），还包括三个子站（供暖和/或制冷消费者）以及将子站与中央工厂连接起来的二氧化碳网络（图2）。

图2. 显示二氧化碳网络所有组件的图表：子站中的冷却交换器和热泵、中央工厂中的储罐、交换器和冷却机

中央工厂由二氧化碳网络与可再生能源（在这种情况下为通过DCN连接的地下水）之间的热交换器和用于平衡网络整体能量平衡的缓冲罐组成。

该网络本身由液态二氧化碳管线和气态二氧化碳管线组成；二氧化碳在能够承受100多巴压力的复合材料制成的柔性管道中循环。液线比气线承受更高的压力。管线之间的压差（约为1至2巴）可确保为直接冷却所用的热交换器提供供应——即，无需使用冷却机。

每个子站（每栋建筑一个）都使用一个热交换器来提供冷却，并使用一个热泵来产生供暖和生活热水所需的温度（图2）。子站仅需要网络提供其供暖和制冷能量需求之间的差异。在一个理论示例中，如果建筑物的供冷和供暖需求完全平衡，则它将不依赖于网络。同样，如果所有建筑物的净供暖和制冷需求为零，则中央工厂无需从其热源获取供应。

系统工作原理

该系统的总安装热功率为供暖340kW，制冷450kW。在冬季，热泵通过冷凝气态二氧化碳从网络中提取热量，并将产生的液态二氧化碳输送到中央工厂。中央工厂则通过利用从地下水中提取的热量来蒸发多余的液态二氧化碳，以补偿气态二氧化碳的不足。

在夏季，冷却回路通过蒸发网络中的液态二氧化碳来释放其热量，并将产生的气态二氧化碳输送到中央工厂。然后，中央工厂通过利用释放到地下水中的热量来冷凝多余的气态二氧化碳，以补偿液态二氧化碳的不足。中央工厂中安装了一台冷却机，用于示范目的，以允许模拟各种热源温度（例如河流、地下水或湖泊）。