地源熱泵系統(tǒng)助力碳中和
——以北京地區(qū)為例

文_李金華 北京節(jié)能環(huán)保中心

習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論會上鄭重提出：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。3月15日，在中央財經(jīng)委員會第九次會議上習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)：實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)性變革，要把“碳達(dá)峰、碳中和”納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》(2018版)，中國是全球二氧化碳排放第一大國，2017年為92億t，占世界總排量的28%。根據(jù)《中國建筑能耗研究報告（2019年）》，2017年，全國建筑能耗9.47億tce，占全國能源消費(fèi)總量的21.1%；建筑碳排放20.4億tCO2，占全國能源碳排放的19.5%。因此，建筑領(lǐng)域碳減排對于全國實現(xiàn)碳中和意義重大。建筑采暖碳排放是建筑碳排放的一個主要部分，據(jù)《中國建筑能耗研究報告（2019年）》，北方采暖碳排放占全國建筑碳排放總量的23%，北方地區(qū)大多采用鍋爐供暖，北京采暖主要是燃?xì)忮仩t。地源熱泵系統(tǒng)采用電驅(qū)動，熱量主要來自土壤，相對于燃煤或燃?xì)忮仩t采暖，減排效果明顯。如果地源熱泵系統(tǒng)用電全為綠電，則可實現(xiàn)采暖系統(tǒng)的凈零排放。

電加熱和燃煤、燃?xì)忮仩t供熱只能將90%～98%的電能或70%～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能，地源熱泵將室外熱能連同機(jī)組所耗電能一并轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，能效比達(dá)4.5～6以上，地源熱泵是一種高效、環(huán)保、節(jié)能的空調(diào)技術(shù)設(shè)備。因此，大規(guī)模使用地源熱泵系統(tǒng)為建筑提供供暖空調(diào)用能，是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、降低二氧化碳排放的優(yōu)選方向，對于我國實現(xiàn)碳中和具有一定的促進(jìn)作用。

1 北京建筑能耗和熱泵供熱面積

根據(jù)《北京統(tǒng)計年鑒2020》，2019年北京能耗總量7360.3萬tce，第三產(chǎn)業(yè)能耗量3762.5萬tce，占能源消費(fèi)總量的51.1%，民民生活能源消費(fèi)量1691.4萬tce，占比23%。近10年，第三產(chǎn)業(yè)及居民生活能源消費(fèi)量占總能耗的比重逐年增加。2019年，第三產(chǎn)業(yè)及居民生活中移動源能耗1918萬tce，其余主要是建筑能耗，約占能源消費(fèi)總量的48%，建筑用能主要是天然氣、熱力、電力等。

依據(jù)《北京能源發(fā)展報告2020》，2019年北京地?zé)峒盁岜茫ê諝庠矗├每偭繛?0.7萬tce。地?zé)峒盁岜茫ê諝庠矗┕崦娣e9516.7萬m2，其中，淺層地溫能供熱面積3110.6萬m2。

2 地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵系統(tǒng)是一種以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由地下?lián)Q熱部分（室外換熱器）、能量轉(zhuǎn)換部分（熱泵機(jī)房系統(tǒng)）及能量釋放部分（室內(nèi)空調(diào)末端部分）三部分組成，利用埋置于土壤中的換熱管與土壤進(jìn)行熱量的交換，借助壓縮機(jī)和熱交換系統(tǒng)，通過少量電能驅(qū)動，以實現(xiàn)冬季供暖、夏季制冷。根據(jù)地下?lián)Q熱部分形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。由于豎直埋管地源熱泵具有不抽取地下水，占地小及換熱量大等優(yōu)點(diǎn)，目前北京市采用的基本都是豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)，本文后述的地源熱泵系統(tǒng)均指豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)。

2.1 地源熱泵系統(tǒng)特性

地源熱泵系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計算方法相同，本文不再敘述。當(dāng)前，熱泵機(jī)組冬季能效比約4.5，夏季能效比約5.1。假定建筑冷熱負(fù)荷全部由地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)，則由公式（1）（2）計算可知，冬季從地下吸收的最大熱量是建筑設(shè)計最大熱負(fù)荷的0.78倍，夏季向地下排放的最大熱量是設(shè)計最大冷負(fù)荷的1.2倍。

地源熱泵系統(tǒng)全年的總放熱量和總吸熱量宜基本平衡，設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行全年供暖空調(diào)動態(tài)負(fù)荷計算，分析冬夏季冷熱不平衡率，可避免因土壤溫度的升高或降低引起熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率的下降。一般地下土壤溫度每降低1℃，則通過其制取同等熱量的能耗將增加3%～4%。但僅從取放熱量的絕對差值，不能完全判斷熱泵系統(tǒng)運(yùn)行對地質(zhì)體的影響程度?？梢酝ㄟ^計算取放熱差值與所在地質(zhì)體的靜熱儲量的比值，定量分析地源熱泵運(yùn)行一年后地質(zhì)體的熱量變化大小。

地質(zhì)體靜熱儲多個因素有關(guān)。其中巖土密度、巖土比熱、巖石孔隙度、空氣密度和比熱、水的密度和比熱等地質(zhì)參數(shù)可通過地質(zhì)條件評估測得。計算區(qū)面積與布置豎直孔的數(shù)量及孔間距有關(guān)，計算區(qū)地質(zhì)厚度則與打孔深度有關(guān)。根據(jù)某工程測得的參數(shù)，1m厚度包氣帶的比熱為1.34MJ/m3·℃，1m厚飽水帶的比熱為3.16MJ/m3·℃，即1m深飽水帶儲熱量是1m深包氣帶儲熱量的2.36倍。所以地下水位越淺，地下熱量越大。地下水越豐富，越不易出現(xiàn)熱失衡。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)二氧化碳減排量

地源熱泵機(jī)組夏季效率與普通冷水機(jī)組差別不大，但冬季地源熱泵效率約4.5，燃?xì)忮仩t效率約93%，所以地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能減排優(yōu)勢主要在冬季。

冬季地源熱泵系統(tǒng)與燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的能耗差別主要在熱源，在不計其他設(shè)備能耗差別的前提下，僅比較熱泵機(jī)組和燃?xì)忮仩t的差異（詳見表1）。假設(shè)每平方米公共建筑熱負(fù)荷50W，若采用地源熱泵供熱，一個供暖季熱泵機(jī)組需消耗電量約14kWh，若采用燃?xì)忮仩t供熱，需要熱量0.2GJ，設(shè)天然氣低位熱值389.31GJ/萬m3，考慮鍋爐93%的效率，則每平方米建筑一個供暖季燃燒天然氣5.4m3。當(dāng)電力二氧化碳排放因子0.604tCO2/MWh，天然氣含碳15.3tC/TJ時，熱泵機(jī)組比燃?xì)忮仩t系統(tǒng)每個采暖季少排放二氧化碳3.3kg，熱泵系統(tǒng)減排效果明顯。

表1 每平方米公共建筑一個供暖季采用兩種能源系統(tǒng)的二氧化碳排放量比較

3 地源熱泵系統(tǒng)供暖對北京碳中和的意義

根據(jù)《北京能源發(fā)展報告2020》，2019～2020采暖季，北京城市總供熱面積88459萬m2，比上年增加2141萬m2；城市集中供熱面積63928萬m2，比上年增加996萬m2。

在北京建筑領(lǐng)域2025年碳達(dá)峰并穩(wěn)中有降的目標(biāo)下，依據(jù)過去5年北京建筑領(lǐng)域二氧化碳排放量，估算2023年北京建筑領(lǐng)域二氧化碳排放量將增長300萬t。采用地源熱泵系統(tǒng)可以減少碳排放增量，在地源熱泵系統(tǒng)減少二氧化碳排放量15萬t或30萬t情景下，需要新增或改造地源熱泵供暖的建筑面積見表2。

表2 建筑領(lǐng)域碳達(dá)峰不同情景下地源熱泵供暖面積

4 結(jié)論

①地源熱泵供暖相對于燃?xì)忮仩t供暖，每平方米辦公建筑一個采暖季大概減少3.3kg二氧化碳。

②地源熱泵技術(shù)在北京地區(qū)應(yīng)用是可行的，可以達(dá)到北京市調(diào)整能源結(jié)構(gòu)及節(jié)能減排的目的，有助于實現(xiàn)北京碳達(dá)峰碳中和行動目標(biāo)。

③若2023年建筑領(lǐng)域減少15萬t二氧化碳排放，則需要新增或改造地源熱泵供暖4545萬m2建筑面積（當(dāng)前電力二氧化碳排放因子）或1282萬m2建筑面積（綠電）；若2023年建筑領(lǐng)域減少30萬t二氧化碳排放，則需要新增或改造地源熱泵供暖9091萬m2建筑面積（當(dāng)前電力二氧化碳排放因子）或2564萬m2建筑面積（綠電）。