文 | Sueyl

每個領域都在尋找脫碳的最優方案，除了新能源替代，供能系統利用網際網路和技術平臺實現智慧化、智慧化，也是提高效能和脫碳的重要途徑。

建築和工業供熱領域的能源消耗可以佔到能源總消耗的50%左右。該領域的低碳化和脫碳難度也相對更大。成功的供熱轉型要求我們在保障數以百萬居民冬天供熱需求的同時，還需要找到從技術層面、經濟層面和社會層面均可行的解決方案。

作為能源轉型的重要組成部分，一些國家正在研究和開發區域供暖系統的5G時代。

5G時代的供暖（供冷）系統，本質上屬於智慧供熱電網概念，增強了分散式智慧能源系統中熱電、電力和天然氣電網的耦合，利用了一定的熱泵技術，可以同時使用相同的管道實現低溫到高溫的雙向執行供熱，以滿足不同建築物的供暖和製冷需求。

5G供熱供冷系統可在不同使用者之間共享熱能。案例研究的結果表明，熱量的平準化成本(LCOH)與電氣化非共享能源系統相比，可以減少69%。

供暖系統從1G到4G時代

我們熟知的行動通訊領域經歷了五代的技術發展，從模擬訊號的第一代（1G），到現在升級為資料密集型的4G，到目前高速的5G，進一步使處理與使用者裝置的處理能力分離，實現各種電子裝置之間的連線。

在這裡，G世代（generation）更像是獲得廣泛範圍的技術飛躍，G世代與這些範圍的技術特徵明顯相關。

可在寒冷冬天，與我們息息相關的區域供暖系統（District heating，DH），同樣也有著相同的代際情況，經歷了由1G到5G的進步。

那麼DH系統如何實現代際更迭替換的？

區域供暖在歐洲歷史悠久，發展迅速，它們起源於14世紀法國的地熱供暖系統。

1853年，美國海軍學院建立了區域供熱系統，為Annapolis校區提供供暖服務。 1893年的德國、1903年的俄羅斯、1924年的加拿大區域供暖系統專案也開始發展，供暖系統在歐洲和美國有一百多年的發展。

由於能源需求的增長和價格的上漲，為節約一次能源的使用和改善大氣環境，熱電聯產（CHP）已在供熱系統中廣泛實施。隨著能源和利用技術的發展，太陽能、地熱、垃圾焚燒、工業餘熱回收、多種熱源的熱泵等已被用於供暖系統。

第一代供暖系統（1GDH）使用蒸汽作為熱載體。在美國和歐洲，幾乎所有1930 年前建立的區域供熱系統都使用了這項技術：混凝土管道中安裝蒸汽管。

第二代供暖系統（2GDH）採用加壓熱水作為熱載體，溫度超過100°C，在1930-1970年間， 雖然使用這項技術背後的社會原因以及用於實施的制度框架和法規對於不同國家略有不同，但總的來說，主要動機是透過使用熱電聯產（CHP）來節省燃料並提高供熱的舒適度。

第三代供暖系統（3GDH）於1970年代推出，並在 1980 年代及以後的所有擴充套件中佔據主導。加壓水仍然是熱載體，但供水溫度通常低於100 °C。中國、韓國、歐洲、美國和加拿大的所有擴充套件和所有新系統都使用第三代技術供暖。

第四代區域供暖（4GDH）使得溫度水平儘可能接近所連線終端使用者的實際溫度需求，最高為60–70 °C，從而降低了損耗。

4GDH強調在供熱系統中更多地使用熱泵，以進一步開發低溫熱源或基於環境熱的資源。同時低溫區域的供暖和高溫區域供冷系統的協同作用以提高供應效率一直是4GDH的重點之一。

4GDH相較於前幾代，使用更可持續的能源和可再生能源，減少熱量損失，從集中供熱模式轉變為包括個人家庭供熱的分散模式。

圖說：從第一代到第四代區域供熱。來源：Lund, Henrik, et al

供暖系統從1G到4G的發展體現在供熱載體即熱源的溫度降低，以及能源效率不斷提升。解決了熱源的靈活性和多樣性，增強了與各種能源的耦合：例如太陽能、風能等綠色電力，生物質能、工業廢熱、地熱等。此外，在大規模蓄熱技術的支援下，不僅實現了充足的熱供應，還提高了供熱系統的效率。

5G供暖系統本質上屬於智慧供熱電網概念

5G供熱供冷系統（5GDHC）的定義特徵是執行一個非常低的溫度分配系統，通常是環境溫度，作為供應給使用者熱泵的熱源和冷卻。

其概念源自地源熱泵(GSHP) 系統以及水迴圈熱泵系統。第一種通常僅用於單個建築物，第二種主要廣泛存在於熱負荷和冷負荷均需要的商業建築中。

5GDHC概念標籤最初在2015年開始出現。然而，5GDHC標籤具有誤導性，因為它呈現出的是供暖系統由1G向5G是一個過渡。事實上，5GDHC與已建立的1GDH-4GDH概念並不相容。

5GDHC使用水或鹽水作為載體介質和水源熱泵(WSHP)混合變電站的熱能供應網路。它在非常接近地面的溫度下工作，不適合直接加熱。載體介質的低溫使得直接利用工業和城市餘熱，以及使用低熱能含量的可再生熱源成為可能。

低溫供熱的實現主要依賴於熱泵技術。熱泵是一種充分利用低品位熱能的高效節能裝置，以逆迴圈方式迫使熱量從低溫物體流向高溫物體的機械裝置，它僅消耗少量的能量得到較大的供熱量，從而達到節能目的。

供熱網路中熱泵本身消耗很少一部分電能，卻能從環境介質（水、空氣、土壤等）中提取4-7倍於電能的裝置，提升溫度進行利用，這也是熱泵節能的原因。常見的運用於供暖系統的熱泵主要有空氣源熱泵，水源熱泵，地源熱泵等等。

圖說：熱泵工作原理。來源：百度百科

5GDHC技術本質上屬於智慧供熱電網概念。原因是這種技術利用了混合變電站，並增強了智慧能源系統中電網和熱網之間的耦合。與電動汽車在交通領域佔據主導地位的同時，5GDH 技術可以代表城市地區熱力領域的可持續和合理電氣化。

5GDHC 的執行需要考慮電網溫度、建築物熱泵的供應和返回溫度、儲存規模和溫度、源溫度和執行時間等因素。每個溫度級別都有自己的專用熱泵和緩衝器，如果常規熱泵無法達到足夠高的溫度，則可選熱泵用於生產生活熱水。這些特性，再加上可再生能源的整合，使 5GDHC 成為一個有效的多能源系統（MES）。

圖說：5GDHC單個系統概述。來源：Boesten, Stef, et al

5GDHC甚至可以被視為許多不同技術選項，甚至是第四代供熱系統中的一員。因此，4GDH和5GDHC 永遠不會完全相互替代，而是互補的選擇。

德國和瑞士，5G供熱系統的先行者

5GDHC將包含4GDH系統的所有熱源，另外還有雙向供暖網路和分散式供熱系統。它還將重點發展季節性蓄熱。

相關學者對歐洲國家進行了調查，德國和瑞士在這方面具有最大的潛力，可以成為5GDH的發展的先行者。

圖說：歐洲已經實現了50多個具有5G供熱供冷網路的專案。來源：mwirtz

5GDHC直接使用低品位餘熱作為來源。位於德國Aurich和Herford的兩個系統利用當地乳製品廠在 25 °C至35 °C 之間的溫度下的工藝餘熱。此外，來自化學過程的多餘熱量用於為瑞士的“Visp-West”地區提供8至 18 °C 的供熱溫度範圍。

瑞士Obergoms的 5GDHC利用地質結構（“Furkatunnel”）作為 16°C 的熱源，為 209 間公寓、1 家酒店和其他公共建築供熱。

5GDHC也預示著季節性儲能裝置（TES）的運用。在德國的Wüstenrot，當地社群預計到 2020 年將透過可再生能源的開發實現能源獨立。該系統由一組並聯的 DN40 聚乙烯管組成，埋在 1.5 公頃農田（農熱集熱器）中2米的深度。由於這個深度低於農業機械的加工深度，鋪設管道後，土壤仍然可以不受限制地用於耕種。

5G供熱系統成本最多可降七成

低溫供熱系統利用區域級可用熱源和熱匯之間的能源協同作用，使得回收所有可能型別的餘熱成為可能。城市低品位餘熱可直接在5GDHC中回收，甚至無需熱泵，這與傳統高溫供暖系統的情況相反。

過剩熱源接近熱量需求，避免了在外城地區建設輸送管道。5GDHC 網路是雙向的，因此不同的變電站可以同時從網路中提取或供應熱量，提供獨立於電網的供熱和製冷服務。這一事實為終端使用者提供了操作變電站的自由，相當於擁有一個單獨的供暖系統。

5G供熱供冷系統可在不同使用者之間共享熱能。案例研究的結果表明，熱量的平準化成本(LCOH)與電氣化非共享能源系統相比，可以減少69%，近七成。

案例進一步表明，供熱和冷負荷的最佳選擇是辦公空間。其他重要因素是蓄熱裝置的可用性和合適的關稅結構。

有研究表明，與單個熱泵相比，5G供熱系統年化總成本最多可降低 42%。即使所有系統元件的高度互動使設計過程會變得複雜。

[1] Gudmundsson, Oddgeir, et al. "Economic comparison of 4GDH and 5GDH systems–Using a case study." Energy 238 (2022): 121613.

[2] Lund, Henrik, et al. "Perspectives on fourth and fifth generation district heating." Energy 227 (2021): 120520.

[3] Lund, Henrik, et al. "The status of 4th generation district heating: Research and results." Energy 164 (2018): 147-159.

[4] Buffa, Simone, et al. "5th generation district heating and cooling systems: A review of existing cases in Europe." Renewable and Sustainable Energy Reviews 104 (2019): 504-522.

[5] Boesten, Stef, et al. "5th generation district heating and cooling systems as a solution for renewable urban thermal energy supply." Advances in Geosciences 49 (2019): 129-136.