近日，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。
全球冷热负荷潜力与典型场景冷热负荷时间分布特征
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。
热泵技术的多尺度利用策略
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。
热泵跨学科研究
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。
该工作获得国家自然科学基金重点项目、重大项目的资助。
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。
