四能（4N）供热系统
——能源应用技术的发展新动向
北京咏辉飏能源科技发展有限公司 陈志
——能源应用技术的发展新动向
北京咏辉飏能源科技发展有限公司 陈志
热能是人们生产生活中能源消费的重要形式之一。热能不仅是获取电力的重要能源形式，也是通过电力实现供热的最终消费能源形式。随着综合能源服务概念的推出、清洁供热的应用推广，单纯供热技术及其理念落后的弊端日渐突出，这是咏辉飏提出四能供热系统的基本技术背景和能源革命的技术内涵，符合了适应和推动中国高质量发展的方向。
四能（4N）供热系统是一个复杂的跨界系统，四能就是对其提出的四项基本要求：系统运行建立在人工智能（N）平台上、配备蓄/放热能（N）装备、既多能（N）源互补、又多功能（N）协调（其中包括以热能为主能源的冷热电联产）。四能（4N）供热系统具备分布式特征，既可以作为节点（供热站）双向互联供热，也可以双向接入热网（和/或电网），构成智能热网（和/或热电网络），让热能&电能与信息流充分融合。四能供热系统可以大幅度提高相关设备设施投资的技术经济性，是实现高效、柔性、多元、互补和安全的综合能源服务的技术支撑环境，是智能供热应用的升级版，是发展清洁能源产业、推进能源生产和消费革命、构建清洁低碳和安全高效的能源体系的技术基础。
通常的热力体系，总是在时间轴上表现出量的差异，供大于求时造成资源过剩，求大于供时欠缺能源禀赋，按对冲结果归结为供热的间歇性问题。风能、太阳能以及低谷电等能源的自身间歇性特征，进一步加剧了供求两侧间歇性的矛盾，这是弃风弃光弃电的本质根源。特别是在供给必须满足需求的前提下，要求热力与传输必须以需求侧耗能功率上线为设计依据，导致资源过分占用和相关设备设施投资过大，进而技术经济性显著下降，甚至成为其运用价值被否定的重要因素。配备蓄/放热能装备的要求，正是以提高可再生能源应用比例为目的提出的解决间歇性问题的技术手段。
四能供热系统要求蓄/放热能切换满足随机性，以及供热温度的稳定持续性，对供热系统提出了更高的系统结构的技术要求，这是四能供热系统必须建立在人工智能平台上运行的原因之一。目前市场大部分采用直通大气的热水储热水箱，由于一种叫做混流的机理，导致供热温度随供热过程严重下降，有效供热时间不足。虽然分层式水箱改善了混流弊端，但为避免冷热夹层，损失了蓄/放的随机转换特性。相变蓄/放热能的方式较好的满足了随机性和持续性的要求，但由于蓄热温度受到储热介质相变特性限制，难以满足通用性，更不适应太阳能光热应用的大动态温度变化。冷热分隔式蓄热技术，从物理结构和系统运行方式两方面入手，解决了适应热能蓄/放的随机性和供热温度的稳定持续性要求。
现实技术中，通常应用多种能源的智能切换供热缓解间歇性矛盾，但多能源切换作为替代储热技术解决间歇性的手段，会引起资源过分占用，且导致设备设施投资过大，尤其不能提高间歇性清洁能源替代常规能源的比例。以供热应用为目的的光伏入网，太阳能+电辅热的采暖方式，都是值得关注的典型佐证。
对四能供热系统提出的多能源互补要求，不仅是通过切换不同能源提高系统持续供热的能力，更重要的是解决多种能源在同一个系统中运行时可能造成的相互冲突问题，这是可持续性与经济性的统一，也是提高能效消费的要素。大部分太阳能+电辅热的采暖热水系统，都存在太阳能与电加热的冲突：其工质很可能经过电辅热加热后进入太阳能集热器，进而降低了太阳能替代电能的比例。四能供热系统必须具备多组态系统结构，使得这种体系结构在不同场景下构成不同的、可以避免能源冲突的工作组合状态。这是供热系统的系统结构创新，其运行过程是一个变参数运行过程，自动化技术已不能胜任，需要人工智能的技术支撑。
多功能协调是提高设备设施投资经济性的必然选择，也是提高实用能效的技术要求。中国自古有句老话：“有钱不买半年闲”。但以采暖为主要目的热力体系，一般在非采暖季闲置，造成社会与企业的巨大浪费，致使供热采暖行业普遍亏损或微利。太阳能采暖更是只在太阳能不利季节投入使用的技术方案，跨季节储热只能是不得已而为之的技术逃避，能效低，经济性差。这些应用把能源消费侧的间歇性从24小时扩大到了跨季节的程度，暴露了目前热力市场在理念上和技术上的落后。很明显，由于采暖与制冷处在不同季节，以热能为动力的冷热联供可以大大改善能源消费侧的间歇性，但这不是四能供热系统研究的重点问题。四能供热系统更需关注和研究的是：不同热能消费功能的协调问题。从这个角度看，把制冷与采暖放到同一个系统中，可以成倍提高资源利用能效及设备设施投资的经济性，但却不存在协调困难。
四能供热系统更需要解决的是：不同功能处在同一个系统中消耗能源时，通常表现为不同功能消耗能源的不平衡。比如，溴化锂直燃机在夏季既供应热水又供应空调冷水时，就存在两者的不平衡，使用中不得不在“制冷为主”/“热水为主”的两种状态间切换直燃机设置状态，伴随制冷产生的热量以及伴随热水制备产生的冷量只能浪费掉；以采暖为目的建设的热电联产项目通常也存在热力和电力不平衡的状态。于是，要求所构造的四能供热系统的系统结构，既可以满足不同功能的供热需求，又能够借助热能蓄/放功能解决由于多功能需求之间不协调产生的能源浪费，这个过程也是一个变参数运行过程，需要人工智能实现控制。
实现多功能协调，使得我们将供热应用的视野从传统的建筑采暖与热水功能扩展到更加宽广的领域，除了工农业及海水淡化之外，制冷和发电是最重要的应用方向。但是，传统的吸收式制冷技术、建立在有机朗肯循环理论基础上的发电与制冷技术，难以赋予四能供热系统更为经济高效的性能。由此窥见，低温热能冷热电联产方面技术创新的诱人前景和可贵之处。
多能源互补与多功能协调，建立了人们对于能源运用的等价原则。这个等价原则必须是“使用功能消费+使用代价付出”，这可能充分暴露政策的不平衡。从市场的角度看，天然气价约3元/Nm³，电价约0.45元/度，燃煤约0.8元/公斤，热力约0.3元/KWH，采暖约17元/㎡～45元/㎡。从技术角度看，以KWH为单位换算为能源的价格是：天然气为0.35元/ KWH（热值8600Kcal/Nm³，转换效率85%），电为0.474元/ KWH（KWH/度，转换效率95%），煤为0.16元/ KWH（热值29.803MJ/公斤，转换效率60%），热力为0.3元/KWH。很明显，电是最贵的，煤是最便宜的，如果没有“使用代价付出”作为修正，清洁能源的前景不容乐观。通过碳排放交易市场按照排放指标赋予各种能源对应不同的“使用代价付出”，才是公平的、持久性的。这就要求四能供热系统必须具备监测计量并入网传输自身能源消费与排放的功能。这是从理念到技术构成的清洁能源利用的基本商业环境要求。
当四能供热系统接入电网和/或热网时，就可以按照“一定规则”向公共网络交换能量。这里所说的“一定规则”就是控制策略的编程依据，如果这个系统接入的能源网络具有区块链，则“一定规则”被植入智能网络合约中。这将进一步暴露政策的不平衡，有利于推动能源政策的统一与平衡。
据调查，为了满足煤改电的要求，河北进行电力增容需要付出的费用超过30000元/户，山西进行电力增容需要付出的费用超过20000元/户，改造后每年每户补贴2000元才能使农户采暖电费支出基本与烧煤相当。这样一来，电力资源占用徒增，电力消费不均衡加剧，以往不使用电采暖的低谷，由于采暖消费变成了实际用电高峰时段。一方面，所述一系列的现象均违背了客观规律；另一方面，一旦停止补贴农户必然返煤。但是在日常的市场对比中，由于电力资源及天然气资源的供应链投资表现为隐性的，人们只把电采暖或燃气采暖的热源设备与太阳能采暖设备作价格比较，得出的结论可想其荒谬。在倡导清洁供热的今天，太阳能光热技术作为真正可以能源本地化的清洁能源反而逐渐淡出政策关注的视野。在这种不公平市场竞争环境里，区块链的真正困难不在于技术层面，更不在于编写智能合约软件的难度，而在于智能合约中必须植入的能源价值关系。因为这是多能源互补过程中取舍不同能源产品的依据。
更广义的理解，许多产品可以看作一种储能技术途径，比如电池制成品、以能源为应用目的的氢制品、其他燃料制成品，甚至太阳能光伏设备制品。从这个角度分析，任何产品从制造到报废的全生命周期所付出的费用与使用该产品在其全使用周期所获得的有效供给能量之比，才是其合理的能源价格，这个有效供给能量与在这个生命周期所支付的能量之比才是其真正的能效。除了使用场景的客观条件限制构成一票否决之外，这样计算的能源价格和能效才是评价能源技术途径的科学参数。
总之，四能供热系统是从基本价值理念对供热应用升级的成果，是在人工智能+能源的版本基础上将人工智能深入融合到热能应用技术中的供热系统升级版，四能供热系统为能源基础设施向综合能源服务转型提供了进一步完善的技术可行性，并引发我们关于如何推动我国高质量发展的思考，咏辉飏的这一创新体现了能源应用技术的发展新动向。
