可再生能源的熱利用與綜合利用*

金紅光　隋　軍中國科學院工程熱物理研究所　北京　100190

可再生能源的熱利用與綜合利用*

金紅光隋軍
中國科學院工程熱物理研究所北京100190

分布式熱利用與綜合利用是可再生能源消納的重要方式。文章從建筑、工業和城鎮化發展等領域分析了分布式可再生能源熱利用與綜合利用的需求，同時根據能源需求、技術發展進程，評估了分布式可再生能源熱利用與綜合利用的發展潛力，進而闡明了可再生能源梯級利用、互補利用與綜合利用的技術發展前景和方向，并制定了技術發展路線圖。明確提出了工業領域是提高可再生能源占比的主要領域，太陽爐等技術是可再生能源熱利用和綜合利用的研發重點。

可再生能源，分布式能源，熱利用，綜合利用

1　可再生能源熱利用的重要意義

1.1可再生能源熱利用的需求分析

可再生能源熱利用與綜合利用是利用可再生能源的制冷、采暖和供熱、發電，或通過梯級利用方法聯產電、冷、熱等多種能源產品，以及根據各種可再生能源的特點，實現多能源互補及多產品輸出。

可再生能源熱利用與綜合利用需求潛力巨大，熱利用與綜合利用是可再生能源消納的重要手段，建筑和工業兩個領域的終端能源消耗占我國終端總能耗的 70% 以上。建筑方面，主要用能在于建筑采暖和空調，建筑采暖占建筑總能耗的近 40%，南方地方建筑空調占其耗電量的 20%—40%。一般地說，在我國全社會用能中熱能的需求是電能的 2 倍以上［1］。因此，熱利用與綜合利用是分布式可再生能源的重要形式。

1.1.1建筑領域

建筑能耗是我國能耗的重要組成部分，2013 年建筑總能耗（不含生物質能）為 7.56 億噸標準煤，約占全國能源消費總量的 19.5%。其中，北方城鎮采暖、城鎮住宅、公共建筑、農村住宅能耗分別達到 1.81 億噸標準煤、1.85 億噸標準煤、2.11 億噸標準煤和 1.79 億噸標準煤，各占建筑總能耗的約1/4［2，3］。

對于北方地區建筑采暖而言，采暖面積從 2001 年的50 億平方米發展到 2013 年的 120 億平方米，增加了1.5 倍，而能耗總量增加不到 1 倍。采用分布式可再生能源，可以滿足新建建筑的戶式和區域采暖，并部分替代原有燃煤鍋爐和區域集中供熱，有很大發展潛力，可極大緩解北方地區采暖季嚴重的空氣污染問題。

在城鎮住宅方面，2001—2013 年我國城鎮人口增加了近 2.3 億，新建城鎮住宅面積 58億平方米，導致該類建筑能耗總量增長近 1.4 倍。主要的能耗增長來源于家庭采暖和制冷需求的增加，特別是長江流域及以南地區的采暖與空調能耗迅速增加。

在公共建筑方面，我國城鎮化快速發展促使公共建筑面積大幅增加，2013 年公共建筑面積達到 99 億平方米，能耗總量增長 1.5 倍。公共建筑一般體量較大，能源需求方式多樣，適合采用可再生能源綜合利用方式解決用能問題。

農村住宅方面，2013 年商品能耗 1.79 億噸標煤，占建筑總能耗的 23.6%。此外秸稈、薪柴等非商品能耗折合約 1.06 億噸。從 2001 年至 2013 年，戶均年能耗無明顯變化，但電、煤等商品能源所占比例大幅增加，生物質、薪柴等占建筑能耗的比例從 69% 降至 38%。農村地區需要拓展再生能源利用方式，并配套相關政策，以利于推廣生物質等可再生能源，降低電、煤等商品能源的消耗。

1.1.2工業領域

工業作為國民經濟的主要支柱，同樣也是能源資源消耗的主要領域。2012 年工業領域總能耗 25.2 億噸標煤，占總能耗的 69.7%，是我國節能減排的主戰場，在全國節能減排中起著關鍵性作用，尤其是電力、冶金、水泥和石化 4 大高耗能行業，對于確保節能減排目標的實施至關重要。其中，化工、食品、醫藥、造紙、紡織等各類生產過程存在大量中小規模的生產企業，同時存在熱、冷、電等能源需求，分布式可再生能源熱利用與綜合利用在上述領域將大有作為。

工業領域與熱利用密切相關的行業包括：（1）制造業，如煉油、化工、冶金、制藥等熱利用與綜合利用相關行業，總能耗約 7.8 億噸標煤［4］。分布式可再生能源可滿足諸如農副食品加工和食品制造用蒸汽，釀酒、飲料、制茶、煙草等過程用能，紡織、印染、皮革、木材加工、造紙等過程用熱，石油加工、煉焦、化工、制藥、橡膠塑料等過程用熱，黑色和有色金屬冶煉與壓延加工所需的熱能等等。（2）電站鍋爐和供熱鍋爐耗能約 4 億噸標煤。2014 年，全國在用鍋爐 60 余萬臺［5］，其中絕大部分為工業鍋爐。其中 100oC 以下的熱水鍋爐容量占到了約 35%，100oC —350oC 的有機介質爐占 6.8%，其余為蒸汽鍋爐。（3）采掘業，如石油天然氣開采與煤炭的洗選過程，總能耗 1.6 億噸標準煤。上述工業過程均發生在偏遠地區，遠離城市和集中供能區，適合采用分布式供能方式，提供其所需的原油熱力助采、井口保溫、原油儲運過程升溫和泵用電，天然氣壓縮過程耗電，以及煤炭洗選后的干燥用熱。（4）其他工業領域的 11.8 億噸標煤耗能中，如煉油、冶金、水泥、橡膠等大型工業過程，也可以考慮用分布式可再生能源替代化石能源消耗。

1.1.3城鎮化領域

2001—2012 年，我國城鎮化高速發展，2001 年城鎮化率為 37.7%，2012 年我國城鎮化率達到 52.57%，此部分的建筑能耗前已述及，本節主要考慮 2012—2020 年城鎮化用能增量和城市化地區未來節能潛力。規劃 2020 年城鎮化率達到 60% 左右，進一步實現 1 億人口城鎮化。隨著人口轉移，城鄉建筑面積大幅增加，建筑能耗也隨之增長。城鎮化成為繼工業化之后推動社會發展的新引擎，也為能源保障提出了新的要求。由于能源利用方式的效率差異和生活水平差異，我國城鎮人均能耗是農村人均能耗的 2—4 倍，城鎮人均電耗是農村人均電耗的 3—6 倍，城市化進程導致大量農村人口轉移到城鎮后，加快了建筑及生活能耗的增長。在世界范圍內，隨著工業化和城鎮化水平的提高，高耗能產業逐漸向外部轉移，工業能耗增速趨緩，占比逐步下降，建筑和生活能耗快速增長是普遍規律。隨著生活水平的提高，居民對冷、熱等舒適性能耗的需求將加大，且日益趨于多樣化。在城鎮化過程中，縣域經濟將展現出巨大活力，城鄉生活水平提高、農村人口轉移和農村人口的就地城鎮化都將帶來較大的能源增長，并以電、熱、冷和熱水等舒適性能源需求為主體，城市發展過程中的舒適性能源需求也將持續增長并側重于發展清潔能源和冷、熱聯供。這一新興能源增長點將對大工業用能產生有力競爭，為能源供需矛盾帶來嚴峻挑戰，甚至影響工業化和城鎮化進程。

1.2分布式可再生能源的發展潛力評估

1.2.1建筑領域的熱利用與綜合利用評估

（1）預計到 2020 年，分布式可再生能源若滿足約 15%—20% 的北方建筑采暖，每年可節省 0.27 億—0.45億噸標煤的化石燃料；

（2）若提供 10%—15% 的城鎮住宅用能，每年可節省 0.18 億—0.28 億噸標煤的化石燃料；

（3）若滿足 20%—30% 的公共建筑耗能，每年可節省 0.42 億—0.53 億噸標煤的化石燃料；

（4）農村住宅用能在城鎮化部分考慮建筑領域發展分布式可再生能源熱利用與綜合利用，總計具有每年替代 0.87 億—1.3 億噸標煤的應用潛力。

1.2.2工業領域是提升太陽能熱利用占比的突破口

（1）制造業總能耗約 7.8 億噸標煤，分布式可再生能源每年可滿足約 0.94 億—1.4 億噸標煤的能源需求；

（2）電站鍋爐和供熱鍋爐耗能約 4 億噸標煤，部分鍋爐可以采用分布式可再生能源進行替代，每年可替代0.16 億—0.24 億噸標煤；

（3）采掘業總能耗 1.6億 噸，分布式可再生能源每年可滿足約 0.16 億—0.24 億噸標煤的能源需求；

（4）其他工業領域的每年 11.8 億噸標煤耗能中，可以考慮用分布式可再生能源替代 0.3 億—0.59 億噸標煤消耗。

以上 4 方面的可再生能源熱利用和綜合利用每年共計 1.55 億—2.47 億噸標煤，約占工業領域耗能總量的 8%。上述工業用熱除少量為 100oC以下，可以通過太陽能熱水器滿足外，絕大部分均為工業蒸汽，需采用聚光型太陽能蒸汽發生技術——太陽爐來滿足，約占整個分布式可再生能源熱利用規模的 80%，每年約可替代化石燃料1.2 億—2.0 億噸標煤。因此，太陽爐是分布式可再生能源在工業上推廣利用的關鍵技術［6］。

1.2.3城鎮化與綠色能源新途徑——可再生能源或多能互補分布式能源

參考對內蒙古杭錦后旗、黑龍江省樺南縣，以及吉林省公主嶺市和農安縣的調研數據，1 000 戶自然村，城鎮化后需要的電、熱、冷等能耗約 3 000 噸標煤/年，折合人均 1 噸標煤的年能耗增長。2020 年實現 1 億左右農業轉移人口在城鎮落戶［7］，約需增加 1 億噸標煤的能耗需求。

此外，我國有縣級行政單位近 3 000 個，鄉鎮 4.1 萬個。各鄉鎮結合自身可再生能源條件，采用分布式可再生能源系統，不僅滿足自身多種能源需求，還可對外輸出部分可再生能源電力。如果已實現城鎮化和未進行城鎮化的農業縣中，占城鎮化和農村人口 30%—50% 的鄉鎮都采用上述新型能源系統，年節能量將達到 0.3 億—0.5 億噸標煤。

通過以上分析，城鎮化和農村地區廣泛應用多能源互補的分布式可再生能源，每年可節能 1.3 億—1.5 億噸標煤。

1.2.4分布式可再生能源的發展潛力及其能源結構占比

通過分布式可再生能源熱利用與綜合利用，每年在建筑領域節能 0.87 億—1.3 億噸標煤，工業領域節能 1.55 億—2.47 億噸標煤，城鎮化和廣大農村地區節能潛力 1.3 億—1.5億噸標煤，共計 3.7 億—5.3 億噸標煤。如果 2030 年能夠實現上述目標，屆時我國總能耗預計將達到每年 55 億—60 億噸標煤，則分布式可再生能源熱利用與綜合利用在一次能源結構中的比重將有望達到 6%—9%。

熱利用與綜合利用是消納可再生能源、提高可再生能源在國家能源結構中比例，實現我國 2030 年非化石能源占能源消費比重 20% 宏偉目標的重要途徑。

2　可再生能源熱利用與綜合利用技術創新

可再生能源近年來在我國得到了快速發展，已經成為國家一次能源結構中的重要組成部分，在節能減排和國家低碳戰略中發揮著重要作用。風能、光伏等領域已經形成相對成熟的技術研發和產業化體系，但在熱利用與綜合利用方面技術發展相對緩慢，存在原創性理論和技術欠缺，重大技術難題未攻克，市場化不成熟，產品單位成本高，相對化石能源競爭力不足等問題。以太陽能中高溫集熱制蒸汽技術為例，直接蒸汽發生、高溫儲熱等技術是尚未很好解決的國際難題，單位蒸汽成本約為燃煤鍋爐的 2—3 倍，燃氣鍋爐的 1.3—1.5 倍，市場化推廣面臨難度。現有技術難以充分發揮熱利用與綜合利用的應用潛力，在解決政策、融資、市場等方面的問題的同時，更重要的是依靠技術創新，研發高效、環保、經濟可行、運行可靠的新技術［8］。

2.1可再生能源熱利用

2.1.1太陽爐

太陽爐是通過太陽能集熱器、管路、水箱等分系統組成可以產生大量熱水及蒸汽的太陽能系統工程。除了介質循環方式、管路防凍等問題外，太陽能集熱器是太陽能鍋爐的最核心部件之一，其技術創新是太陽爐發展的重要支撐。目前國內對于太陽能中低溫槽式集熱器的商業化研究剛起步，設計和加工的槽式太陽能集熱器成本偏高。隨著對集熱管、反射鏡面等關鍵部件的研究發展，太陽能集熱器結構的創新以及太陽能中高溫系統設計和安裝經驗的積累，太陽能鍋爐的成本必然會有較大幅度的降低。

2.1.2太陽能跨季儲熱采暖及空調技術

太陽能跨季節儲熱采暖及空調是利用太陽能集熱器產生的熱能直接用于采暖或者驅動制冷裝置產生冷凍水。太陽能空調通常包括太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷、太陽能除濕空調系統和太陽能蒸汽噴射式制冷等型式。目前為止，太陽能溴化鋰-水吸收式空調方式示范應用最多，另外，吸附式制冷方式由于驅動熱源要求溫度低，近年來發展很快。但是降低太陽能空調的初投資成本和發展太陽能復合建筑供能系統，是未來產業界所面臨的主要任務，繼續深入開發太陽能建筑一體化技術及深入優化太陽能空調運行技術、低品位能量制冷技術、低成本蓄能材料開發等是推廣太陽能空調的關鍵。

2.1.3風能熱泵技術

風能熱泵系統是利用風力機將風的機械能轉化為空氣的內能，進而轉化為可以使用的熱風能熱泵技術在日本、美國、加拿大和丹麥等國家已進入示范試驗階段，我國風力致熱技術研究起步較晚。風力熱泵由于采用具有隨機性、地域性等特點的風能作為動力，不易實現冷熱量輸出的即時供應和調節。未來的發展方向應該是降低機組尤其是風力機的成本、開發與熱泵空調壓縮機相匹配的風力機和蓄電設備、設計安全可靠高效的控制系統，以保證機組順利運行。

2.1.4生物質供熱技術

生物質固體成型燃料作為生物質能主要利用形式之一，具有燃燒效率高、便于運輸、使用方便等優點，可用于農村居民戶用采暖，為農村居民提供清潔能源。生物質固體成型燃料供熱技術在歐洲各國發展的比較成熟，而在我國應用尚不成熟。目前，生物質供熱存在的主要問題包括生物質供熱設備結構不夠緊湊，占地面積大、灰渣清理周期短、使用不方便等。如何完善生物質供熱系統性能以更好地滿足使用者的使用要求是面臨的主要問題；另外，與太陽能聯合供熱也是生物質供熱技術發展的方向之一。

2.2可再生能源梯級利用［9］

2.2.1太陽能熱電聯產技術

槽式太陽能有機朗肯循環系統可建成小型電站，有利于降低建造成本，非常適用于分布式能源。為了進一步提高分布式太陽能系統的能效，研究人員提出了各類太陽能梯級利用的熱電聯產系統型式。由于太陽能的隨機波動、不穩定等特點，太陽能熱電聯產系統必須與蓄熱系統或者其他化石能源集成來實現供能的穩定性。但是目前太陽能集熱成本較高、蓄熱技術的不成熟，太陽能熱電聯產技術尚不具備示范作用。未來隨著太陽能集熱技術和蓄熱技術的成熟，以及相關設備成本的下降，太陽能熱電聯產技術將具備廣闊的前景。

2.2.2生物質的分布式冷熱電聯產技術

生物質冷熱電聯產系統具有多種應用形式，能夠有效滿足能量梯級利用的原理，將冷、熱、電加以集成，充分發揮中低溫余熱的作用，提高整個系統的能源利用率。生物質氣化技術是生物質氣化冷熱電聯產系統中的核心技術，目前生物質氣化需要提供大量的熱量，高能量消耗一直制約著生物質氣化的發展，因此需要改進工藝，尋找高效率、低能耗、綜合利用生物質能源的道路；另外氣化器類型較少，而氣化器的類型影響著氣體的組分和質量，因此有必要設計新型氣化器，從而得到高品位的燃氣，方便連續穩定地進料。

總的來看，趙毅衡所提出的底本1和底本2可以視為“底本”的兩個關鍵性環節，這兩個環節缺一不可，且同時發生作用。底本中的第一個環節是敘述內容(材料)的選擇，第二個環節則是敘述形式(再現方式)的選擇，兩個環節選擇的結果共同促成了“文本化”，即形成了顯性的“述本”。這一過程就如同美術中的調色，底本如同“原色”，“述本”是經由不同原色混合之后最終所顯示的顏色。

2.2.3基于可再生能源的低溫多效海水淡化技術

太陽能低溫多效海水淡化技術不僅解決了海水淡化所需能量來源問題，也使太陽能的使用范圍得到了拓展。由于低溫多效海水淡化所需的加熱蒸汽熱源溫度要求在 70oC 左右，而太陽能集熱器恰好可以提供這一溫度的飽和蒸汽。低溫多效海水淡化技術的出現解決了多效蒸餾海水淡化技術中易結垢的難題，使多效蒸餾技術得到了長足的進步。但是成本問題一直是海水淡化技術的最大阻礙，能源成本與設備折舊是造水成本的最大組成部分。從太陽能低溫多效海水淡化技術的研究來看，對低溫多效技術的核心部件、材料、水電聯產等基礎研究有待深入，裝備驗證和環境條件不能滿足技術發展要求，缺乏大規模海水淡化裝置設計、加工制造、安裝調試及運行維護的工程實踐，迫切需要通過規模示范形成成套技術。

2.3可再生能源多能源互補與綜合利用技術

2.3.1太陽能光伏與光熱一體化

太陽能光伏與光熱（PV/T）一體化，可以在降低太陽電池的工作溫度提高光電轉換效率的同時，得到部分熱能，大大提高太陽能的利用率。PV/T 技術還處于發展的初級階段，技術還不成熟，現有的設計方案都存在部分缺陷。從 PV/T 的發展趨勢來看，系統布局結構設置、集熱部分內部工質的循環方式、太陽能綜合利用效率的提高，以及與建筑構件的一體化創新研究，是今后太陽能利用的重要的發展方向。

2.3.2太陽能與生物質互補的分布式熱電聯產系統

2.3.3太陽能與替代燃料熱化學互補的冷熱電聯產系統

太陽能具有能量密度低、分散、不穩定的特點，解決其收集、儲存等問題帶來的成本上升，往往成為推廣利用的主要障礙。其與化石燃料的互補可以起到事半功倍的效果。另外，太陽能、生物質能等不同可再生能源或能量轉換形式之間，也存在著互補性。從目前的太陽能與其他多能源互補的研究進展來看，太陽能作為輔助能源以熱互補和熱化學互補的形式注入系統中，進行集成互補。目前研發的技術太陽能所占能源消耗份額還較小，如何提高太陽能所占份額，降低集熱成本等技術問題一直是研究的重點。另外，以太陽能為核心與其他多能源互補的分布式冷熱電聯產系統不再是個別單元技術研究，而是著眼于不同功能、不同過程耦合的系統集成的研究，具有重要的理論價值和廣泛的工程應用前景，是今后太陽能與多能源互補與綜合利用發展的重要方向之一。

3　可再生能源熱利用與綜合利用的發展路線圖

分布式可再生能源熱利用與綜合利用技術的近期發展路線圖如圖1所示。依照現有集中式能源系統的運作模式，推進分布式可再生能源熱利用與綜合利用技術研發與示范應用，著重在建筑領域及農村城鎮化進程中推廣分布式可再生能源的熱利用，建立太陽能制冷/熱泵、生物質供熱等示范工程，建立新的建筑供能體系，帶動新的能源服務業的發展；推進分布式可再生能源梯級利用和綜合利用的技術研發，擴展推廣太陽能與化石燃料互補發電系統的應用，擴大分布式可再生能源的綜合利用。

在分布式可再生能源熱利用和綜合利用技術漸趨成熟之后，深化推動分布式可再生能源熱利用相關裝備制造等形成一定規模的產業化，繼續推進建筑領域及農村城鎮化進程中的分布式開再生能源的利用，并著重推廣工業領域內分布式可再生能源替代傳統能源技術的研發和應用；推進分布式可再生能源梯級利用和綜合利用的技術研發，建立一定規模的分布式可再生能源區域，形成若干個太陽能或生物質能分布式冷熱電聯產示范工程或區域。深化推進工業領域內分布式可再生能源的梯級利用和綜合利用，建立分布式可再生能源綜合利用的光伏與光熱一體化、太陽能與生物質能綜合利用的示范區。形成可再生能源全面消納，化石能源作為補充的終端冷、熱供應模式。

到 2030 年，分布式可再生能源綜合利用折合達3.7 億—5.3 億噸標準煤，在一次能源消耗中占比達 6%—9%。未來的發展方向是能源結構逐步向可再生能源為主轉變，全面推進分布式可再生能源熱利用與綜合利用技術應用，迎接新的可再生能源時代的到來。

4　發展舉措

（1）熱利用是消納可再生能源、提高可再生能源在國家能源結構中比例的重要途徑，工業領域是提升可再生能源熱利用占比的突破口。通過分布式可再生能源熱利用與綜合利用，2030年可實現共計每年3.7 億—5.3億噸標煤的可再生能源利用量。屆時分布式可再生能源熱利用與綜合利用在一次能源結構中的比重將有望達到6%—9%。

（2）大力推進可再生能源熱利用與綜合利用方式與技術創新。加大對太陽能鍋爐、太陽能光伏與光熱一體化、可再生能源與化石燃料綜合利用的能源系統等可再生能源熱利用與綜合利用科研投入，解決中高溫太陽能集熱、生物質氣化、光伏光熱一體化集成等關鍵技術，2020年完成工程示范。

圖1　分布式可再生能源熱利用與綜合利用技術發展路線圖

（3）推進可再生能源熱利用與綜合利用新興產業發展。通過發展分布式可再生能源，帶動和促進分布式供能產業和可再生能源產業的發展，建立以非化石燃料為主體的多能源互補的新興供能產業；發展以分布式可再生能源核心設備為主體、提供成套設備的裝備制造業；創立掌握分布式可再生能源系統技術和可再生能源利用單元技術的新型工程技術服務業，提高我國能源產業的總體技術水平和國際競爭能力。

（4）扶持政策。綜合考慮技術、成本、用戶接受程度、電網接納能力等因素，采用財政補貼、稅收優惠、低息貸款等手段促進分布式可再生能源協調發展，提高國家和行業協會對分布式可再生能源發展的預測能力。可再生能源補貼傾向于競爭力高、成本低和地區資源儲量豐富的技術，而對于成本密集型的將放慢其擴建速度。由固定上網電價機制向補貼競價上網轉變，逐步由行政干預向可再生能源的商品屬性回歸。通過市場競爭方式確定最低成本的可再生能源項目，促進競爭，降低成本。綜合考慮分布式可再生能源在節能環保與減碳方面的貢獻，促進分布式可再生能源發電上網的政策與制度保障，推動可再生能源供能成本在國家、供能企業、電網企業和用戶之間的公平分攤。

1 12 insights on germany's energiew ende. Berlin： Agora Energiewende， 2013.

2 中國建筑節能年度發展研究報告. 北京： 中國建筑工業出版社， 2015， 2-10.

3 中國建筑節能年度發展研究報告. 北京： 中國建筑工業出版社， 2014， 2-9.

4 國家統計局能源統計司主編. 中國能源統計年鑒2014. 北京：中國統計出版社， 2015.

5 中國電器工業年鑒2013. 北京： 機械工業出版社， 2014， 35-41.

6 國家發改委.國家重點節能技術推廣目錄（第五批）. 2012，149-151.

7 國家新型城鎮化規劃（2014-2020年）. 北京： 人民出版社，2014， 12.

8 嚴陸光， 等. 關于發展我國大規模可再生能源基地與相關技術研究的建議. 中國科學院院刊， 2007， 22 （2）：137-139.

9 金紅光， 林汝謀. 能的綜合梯級利用與燃氣輪機總能系統. 北京： 科學出版社， 2008， 63-68.

金紅光中科院工程熱物理所研究員，中科院院士。長期從事熱力學和能源動力系統理論與方法研究。建立了燃料化學能梯級利用和多能源互補的能質理論，提出了煤基化工動力多聯產系統，聚光太陽能熱化學發電系統等，開發與應用分布式冷熱電聯產系統。獲國家自然科學獎二等獎，何梁何利科學與技術進步獎等多項獎勵。E-mail： hgjin@iet.cn

Jin HongguangProfessor of Institute of Engineering Thermophysics， Chinese Academy of Sciences. In 2013， he was elected as Academicians of Chinese Academy of Sciences. He had more than 30 years of experiences in the fields of thermophysics， chem ical engineering， simulation of energy-conversion processes， analysis and optim ization of the design and operation of energy systems， and system synthesis for new thermal power plants. His major academ ic contributions include establishing energy quality theory of cascaded utilization of fuels and multi-energysource hybridization， proposing the chem ical looping combustion w ith CO2capture， proposing coal-based polygeneration system for alternative fuel and power， developing solar thermochem ical power generation system based on concentrated solar energy， and developing distributed energy systems. He was chosen as "China National Funds for Distinguished Young Scientists" in 1999， and been appointed as the chief scientist of the "973" project （The National Basic Research Program of China） in 2010. E-mail： hgjin@iet.cn

Heat Utilization by Integrated Renewab le Energy

Jin HongguangSui Jun
（Institute of Engineering Thermophysics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

China possesses rich resources of renewable energy. Developing renewable energy technologies is becom ing more mandatory to reducing environmental pollution， greenhouse gas em ission and replacement of fossil fuels. Relative to fossil fuels， the energy density of various renewable energy resources is low and scattered， and renewable energy systems are difficult to utilize in a concentrated way. Distributed use of heat by integrated renewable energy is a scientific way of energy utilization - the energy efficiency is high， in harmony w ith the environment， and changes traditional energy use patterns. Distributed energy systems are arranged around users in a small-scale decentralized way， and using renewable energy could supply energy to remote areas conveniently and safely. So distributed use of heat by integrated renewable energy is an im portant way to renewable energy consum ption. The paper analyzes the overall capacity of distributed renewable energy for heat utilization from the fields of construction， industry and urbanization development. The demand grow th of heating，cooling and electricity in construction field， the close relationship between huge energy consum ption and heat utilization in industry， and therapid grow th of energy consumption brought by urbanization development have provided bright prospects of renewable energy utilization. At the same time， on the basis of energy requirements and technology developments， the paper analyzes the deployment potential of distributed renewable energy for heat utilization. The amount of alternatives to fossil fuels in construction field， the enhanced proportion of solar thermal utilization in industry， and the energy-saving potential in the field of urbanization are quantitatively evaluated. Furthermore， the paper elaborates the technology developing prospect and direction of renewable energy heat utilization technology including solar furnace， cross-season heat storage and supply and air-conditioning technologies by solar energy， w ind energy heat pump technology， biomass heating technology. It also explains renewable energy cascaded utilization technology including solar cogeneration technology， biomass distributed CCHP technology，low-temperature multi-effect desalination technology based on renewable energy. Besides， the paper also expoundes renewable energy multienergy com plementary and integrated utilization technology including solar photovoltaics and solar thermal integration technology， solar energy and biomass complementary distributed cogeneration technology， solar energy and alternative fuels thermochemical complementary CCHP technology. The paper draw s the technology roadmap of distributed use of heat by integrated renewable energy. The roadmap plans developing directions of distributed renewable energy from three levels for the next 5 years， including heat utilization， cascaded utilization and integrated utilization， respectively. A fter the gradual maturity of distributed use of heat by integrated renewable energy technology， the scalable industrialization distributed renewable energy-related equipment manufacturing and others shall be promoted， and demonstration projects of a variety of renewable energy heat utilization and utilization technology shall be established and promoted to form the energy supplying mode of comprehensive renewable energy consum ption. By 2030， the proportion of distributed use of heat by integrated renewable energy in the primary energy consumption sector is projected to reach "6%—9%"， and the future direction of energy structure is expected to gradually shift to the dominance by renewable energy. Finally， the paper presents the developing initiatives of distributed renewable energy. This study clearly puts forward that the industry will be the main area to promote the proportion of renewable energy； technological innovation shall become an important way to give a full play to the potential of distributed use of heat by integrated renewable energy. Solar furnace， biomass gasification，integration of solar thermal and solar photovoltaic technology shall become the focus of future research and development. We shall promote new industries of distributed use of heat by integrated renewable energy in order to improve the overall technological level and international competitiveness of China's energy industry. Supporting policies such as financial subsidies， tax incentives， low-interest loans and other policies shall be provided to promote the coordinated development of distributed renewable energy and the predictive ability of distributed renewable energy development by country and industry associations.

renewable energy， distributed energy， heat utilization， integrated utilization

10.16418/j.issn.1000-3045.2016.02.007

*資助項目：中科院學部咨詢項目“大力發展分布式可再生能源應用和智能微網”修改稿收到日期：2016年1月16日