作为 DOE 计划的一部分,到 2024 年将推出下一代 HP

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特灵住宅很高兴加入 CCHP 挑战赛,并指出它通过创建可持续热泵实现了行业对减少碳排放的承诺。

美国和其他大部分发达国家正在制定和实施脱碳政策,从使用化石燃料进行空间供暖过渡。这种转变的原因是为了减少供暖设备产生的碳排放和相关的与燃烧相关的空气污染。

为了实施这一转变,美国许多城市已经提出或颁布了禁止在新住宅和建筑中使用化石燃料的法规。在大多数情况下,这将导致在新的建设项目中安装全电热泵 (HP),而不是燃气加热设备。问题是,虽然目前的 HP 在太平洋西北部和加利福尼亚的大部分地区等温带气候中运行良好,但它们在较冷的地区(例如东北部和中西部北部)的性能经常下降。

因此,能源部 (DOE) 希望应对寒冷气候热泵 (CCHP) 挑战的需求将导致开发新的热泵技术,从而提高低温下的性能;在较低的环境温度下增加加热能力;并在更广泛的操作条件下提供更高的效率。六家原始设备制造商接受了挑战,现在正与能源部和其他利益相关者合作,打造可在任何气候下使用的下一代热泵。

不断增长的需求

CCHP 挑战目前集中在住宅、中央管道、纯电动 HP 上,分为两个部分:一个是针对 5°F (-15°C) 运行优化的 CCHP,另一个是针对 -15°F 优化的 CCHP (-26°C) 操作。性能规格将超过当今市场上的现有产品,旨在满足 2024 年的商业化时间表(见下表 1)。挑战还包括使用低 GWP 制冷剂、提供电网交互性和结合电热分级的要求。

表 1:挑战规范摘要。

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Trane Residential 等原始设备制造商很高兴加入这一挑战,并指出该挑战体现了该行业通过在使用化石燃料设备满足房主供暖需求的地方推广可持续 HP 来减少碳排放的承诺。

Trane Technologies 工程和技术、住宅 HVAC 和供应副总裁 Katie Davis 表示:“这一挑战支持我们大幅降低能源需求和碳排放并在创新的同时实现更美好世界的总体目标。” “我们大胆挑战可持续世界的可能性。”

江森自控同意这一挑战提供了一个重要机会,可以增加热泵的采用,热泵可以取代并最终取代燃料燃烧和电阻热源。“CCHP 技术正在帮助加速这方面的创新,使我们离成为净零碳经济又近了一步,”江森自控监管和环境事务总监 Mark Lessans 说。

虽然 CCHP 在政府、行业和公用事业计划的支持下在某些地区获得了认可,但能源部的挑战将有助于解决消费者更广泛采用的常见技术和市场障碍,包括在 5°F 及以下温度下的性能、安装Lennox Industries 的高级产品营销经理 Brandon Chase 表示,挑战以及高峰需求期间的电网影响。

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CCHP 圆桌会议:美国能源部 (DOE) 部长 Jennifer Granholm 和马萨诸塞州能源与环境事务部长 Kathleen Theoharides 在波士顿圆桌会议上听取关于寒冷气候热泵的演讲。

“Lennox 很高兴参与 CCHP 技术挑战,”他说。“通过参与挑战,Lennox 支持其通过协助开发、商业化和采用满足北美寒冷气候地区消费者舒适度和效率需求的下一代 CCHP 来减少温室气体排放和应对气候变化的承诺。”

这一挑战是必要的,因为更多的法规将导致美国人用全电动 HP 取代他们的熔炉和燃料加热系统。三菱电机特灵 HVAC US (METUS) 首席执行官 Mark Kuntz 表示,新的 CCHP 技术将使他们享受更好的舒适度以及更高的效率和可持续性。

“特别是高效、可变容量的热泵,可提供我们社会所需的卓越个人舒适体验,以激发公众对脱碳的支持,并减轻高峰使用时段的电网影响等实际挑战,”他说。“鉴于能源转型和脱碳的紧迫性,能源部认识到需要支持下一代制造商创新并解决市场障碍,以鼓励消费者更广泛地采用热泵。新的热泵将在比现有型号更低的温度下提供显着的加热能力,同时保持高效率。”

开利的住宅 HVAC 产品战略和监管高级总监托德诺尔特说,理想情况下,挑战将实现多个目标。首先是通过与美国能源部和参与的原始设备制造商合作,将制定测试程序,通过实验室测试来验证 CCHP 的性能。

“其次,挑战将有助于加速下一代热泵的开发,以满足消费者在极端寒冷气候下的舒适度和效率需求,”他说。“热泵使用电力作为其唯一的燃料来源,与传统的燃气加热设备相比,这为减少碳排放创造了重要的机会。第三,通过与公用事业和国家合作伙伴的合作,它将导致制定激励计划以促进市场采用。如果这些目标得以实现,那么长期的市场潜力是巨大的。”

技术

创造新的 CCHP 技术可能很困难,因为能源部的挑战要求热泵在 5°F 下获得 2.4 COP 和 100% 的加热能力。Lessans 说,目前东北能源效率合作伙伴 (NEEP) 使用的 CCHP 规范在 5°F 时为 1.75 COP,因此这是在低环境温度下效率的显着提高。

“在为 DOE 挑战重新设计 CCHP 时,大部分重点将放在压缩机加热性能的系统优化上,以便新系统能够在 5°F 时保持效率和容量要求,”他说。

暖通空调技术人员

管道系统: CCHP 的挑战仅包括管道热泵,因为美国的大多数家庭都有中央暖通空调系统,管道为整个家庭提供空调。(承运人提供)

有几种方法可以用来提高热泵在寒冷气候下的性能。Trane Technologies 高级技术、住宅 HVAC 和供应主管 Jason LeRoy 说,这些包括但不限于复叠式制冷系统、各种形式的多级压缩、蒸汽喷射和液体喷射。

“最佳解决方案将考虑客户需求、产品成本、运营效率、可靠性和技术准备之间的权衡,”他说。“这一切都是为了在满足客户舒适需求的同时为我们的客户实现价值最大化。”

在 METUS,下一代 CCHP 将包括先进的闪蒸和过热逆变器技术,以在比现有型号更低的温度下提供高效、大量的加热能力,Kuntz 说。他们的热泵还将结合控制和连接产品功能,以缓解高峰需求挑战并扩大可再生能源的使用。在这一挑战下,CCHP 可能不得不使用 GWP 低于 750 的轻度易燃 (A2L) 制冷剂。

METUS 公用事业和性能建设高级总监 Eric Dubin 表示:“正在考虑的低 GWP 制冷剂具有比 R-410A 更好的效率和性能特征,但可能需要安全功能,如泄漏检测、关闭阀和额外通风. “A2L 制冷剂比 R-410A 更易燃,但与碳氢化合物相比,点燃或维持火焰的可能性更小。最终,通过产品工程、严格的测试和应用建筑科学,使用低 GWP 制冷剂的 CCHP 将为更可持续的建筑环境做出贡献。”

尽管 DOE 挑战的目标是创建一个高效的热泵,以在非常寒冷的气候下提供足够的热量,但在大多数应用中,CCHP 仍需要某种形式的备用加热。

“这是因为与熔炉相比,热泵的额定加热能力相对较小,并且在低于 5°F 的环境温度下加热能力不可避免地会降低,”Lessans 说。“在 DOE 挑战中,项目参与者需要使用传统的电阻技术作为备用热量。但是,除了电阻加热,CCHP 还可以与备用炉集成,该备用炉仅在加热需求超过 CCHP 的容量时运行。组合系统可以降低源排放、降低水电费和减少电力消耗,从而改善需求响应结果,这对于电网弹性至关重要。”

DOE 的规范要求分阶段辅助加热(见下表 2),而新的 CCHP 将提供低至 -15°F 的显着加热能力。这就是为什么 METUS 预计备用热能每年只运行几个小时,如果有的话。

表 2:电热分级要求。

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“根据经验,在使用我们目前的超热装置的家庭中,辅助热很少激活,这些装置提供低至 -13°F 的加热能力,”杜宾说。“新的惠普系统将包括协调转换的控制。电阻加热是一种可行的备用加热选择,特别是在新建筑中,而在改造中,预先存在的炉子或锅炉可以作为辅助系统。”

Davis 指出,原始设备制造商将没有很多时间来处理他们的 CCHP,因为 DOE 挑战计划要求在 2022 年中早期进行性能验证的实验室原型。现场测试样机将于 2022-2023 年冬季开始,并有可能在 2023-2024 年冬季继续进行,最终产品预计将于 2024 年投入商用。由能源部的挑战提出,“她说。

其他原始设备制造商相信他们也将在截止日期前准备好产品,他们正在拥抱这个独特的合作机会,以实现惠普技术的重大进步。据 Chase 称,Lennox 期待与其他行业领导者和美国能源部合作,通过制造和提供最高能效、高性能的热泵来推动 CCHP 的采用。“我们一起相信,我们可以帮助减少温室气体 (GHG) 排放,改善空气质量,并为子孙后代保护我们的环境。”

Nolte 补充说:“热泵代表了一项有助于减少温室气体和应对气候变化的重要技术,在确定热泵在寒冷气候下的适当性能以及推进整体技术方面,还有进一步的工作要做。该计划提供了一个与美国能源部合作开始应对这些挑战的绝佳机会。气候变化的紧迫性要求我们大胆、创新、颠覆,最重要的是,合作。”

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