“雙碳”背景下地源熱泵技術展望

張擁潛, 楊培志

(中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

1 引言

習近平主席在2020年第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上鄭重提出，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。這對我國能源發(fā)展戰(zhàn)略提出了全新要求，對我國能源轉型邊界做了清晰劃分，更對我國未來經濟發(fā)展模式與動力指明了方向。

地源熱泵(Ground Source Heat Pump，GSHP)是利用淺層地熱能調節(jié)建筑室內熱環(huán)境的技術，可被應用于各種商用、民用和公共建筑，適用范圍廣泛[1]。地源熱泵系統(tǒng)將輸入電能連同地下熱能一并轉入室內取暖，能效比可以達到4.5～6以上，而常規(guī)的消耗煤、氣、電鍋爐只能將70%～90%的燃料內能或90%～98%的電能轉化為熱能用于采暖，能量損耗量大，地源熱泵系統(tǒng)有著顯著的節(jié)能優(yōu)勢[2]。大規(guī)模推廣應用地源熱泵系統(tǒng)采暖可有效降低建筑整體能耗，減少能源消耗和碳排放，在“十四五”期間為“雙碳”戰(zhàn)略打下堅實的基礎，打開更廣闊的窗口，具有承前啟后的作用。

2 地源熱泵系統(tǒng)介紹及其研究現(xiàn)狀

2.1 地源熱泵系統(tǒng)的工作原理

地源熱泵依據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，借助壓縮機和熱交換等設備，通過輸入少量電能驅動，實現(xiàn)熱能由低溫端向高溫端轉移，從而達到調節(jié)室內熱環(huán)境、實現(xiàn)冬暖夏涼的目的[3]。系統(tǒng)主要由地下?lián)Q熱設備、地源熱泵主機和室內換熱末端三部分組成。與傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)區(qū)別在于室外換熱對象不同，地源熱泵系統(tǒng)與土壤、地下水和地表水換熱，而空氣源熱泵系統(tǒng)與空氣換熱。地下溫度具有夏天比環(huán)境溫度低、冬天比環(huán)境溫度高和常年溫度變化小特點，同等氣候條件下，地源熱泵系統(tǒng)運行效率比空氣源熱泵系統(tǒng)高，且運行更穩(wěn)定。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)的特性

依據(jù)能量來源的對象的不同分為三類：土壤源熱泵、地下水源熱泵和地表水源熱泵。土壤源熱泵是最常見形式，其按照地底埋設換熱管線的形式不同分成垂直埋設管線、水平埋設管線和蛇形埋設管線。通常采用垂直埋設管線，占用建筑面積較小，換熱效果比較穩(wěn)定，能效高，但受建筑施工技術影響較大，不良施工會造成建設成本偏高。地下水源熱泵主要應用于大型商業(yè)建設，建造成本較低，占地少，但容易對地下水資源造成污染，隨著我國對地下水資源環(huán)境保護監(jiān)管更加嚴格，地下水源熱泵數(shù)量后續(xù)有可能逐漸減少[4]。地表水源熱泵相比其他兩種系統(tǒng)，造價與運行費用較低、換熱效率高、占地面積最小，能量來源可為河水、湖水、海水和工業(yè)廢水、生活污水(利用后兩種水體的系統(tǒng)為污水源熱泵)，但地表水熱泵系統(tǒng)管道和換熱設備容易腐蝕，水體需提前處理，且系統(tǒng)效率受水體溫度影響大。

2.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

“地源熱泵”這一技術概念最初由瑞士人Zoelly在1912年提出，限于當時科技發(fā)展，并沒有得到科學界重視，直到1946年世界首個采用地源熱泵技術的采暖系統(tǒng)才在美國建成。國內對地源熱泵技術的研究興起于20世紀80時代初期。1997年，中華人民共和國科學技術部與美國聯(lián)邦能源部簽訂《中美地熱開發(fā)利用的合作協(xié)議書》。2005年，《中華人民共和國可再生能源產業(yè)發(fā)展指導目錄》頒布，地源熱泵技術被列入國家重點發(fā)展項目，得到了一定的發(fā)展。自從20世紀70年代以來，能源短缺與環(huán)境污染越發(fā)嚴重，世界各國在努力實現(xiàn)節(jié)能減排的過程中，逐漸發(fā)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)在節(jié)約能源和減少碳排放方面的巨大效用，進而得到了各個國家的重視，近年來地源熱泵系統(tǒng)發(fā)展迅速。

據(jù)統(tǒng)計，截至2020年，美國國內約有60萬臺地源熱泵系統(tǒng)正常運行，占世界總量的46%。加拿大、日本、德國、法國以及北歐等發(fā)達國家地源熱泵系統(tǒng)的應用也比較廣泛。目前我國地源熱泵應用呈現(xiàn)普及率小、集中度高特點，采用地源熱泵供暖制冷的3 000多個項目中，有超過一半以上集中在北京、天津、河北等地[5]。近年來，人民生活水平快速提高，我國南方地區(qū)對冬季采暖的呼聲越來越高，在國家大力推進“雙碳”戰(zhàn)略背景下，北方地區(qū)常見的燃煤、燃氣鍋爐采暖方式逐漸被淘汰，而地源熱泵系統(tǒng)相較于空氣源熱泵系統(tǒng)效率更高、運行更穩(wěn)定，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

國內外科研人員對地源熱泵的研究已取得豐富成果。包強等建立了單U與雙U地埋管換熱器的三維非穩(wěn)態(tài)模型，重點研究兩種換熱器在運行期間土壤的變化與其性能之間存在的關系，結果表明雙U型埋管換熱器換熱性能優(yōu)于單U型埋管，采用前者的地源熱泵系統(tǒng)占地面積更小[6]。吳登海等對夏熱冬冷地區(qū)某土壤源熱泵系統(tǒng)夏季運行性能進行實時監(jiān)測，結果顯示在滿足房間舒適度的情況下，采用間歇運行方式合理調節(jié)開關機時間比例，可改善地埋管與周圍土壤傳熱效果，提高系統(tǒng)性能[7]。朱林等對某嚴寒地區(qū)的地源熱泵系統(tǒng)進行實測，研究不同間距井群地下土壤的冷堆積程度，結果顯示井群間距越小，冷堆積越嚴重；深度越深土壤溫度場越小且趨勢相同；僅依靠土壤自恢復能力難以實現(xiàn)土壤熱平衡[8]。Li Zhongjian等通過相對應的坐標關系，在平面內建立了瞬態(tài)換熱模型，模型主要是在進行前處理時，將非圓管近似替換成U型管的支管[9]。Mensah Kwesi等研究了熱泵性能和建筑負荷對地埋管換熱器設計的影響，結果顯示，降低建筑物的峰值負荷有可能減少地埋管換熱器的長度，將熱泵容量與建筑峰值負荷變化相匹配，制冷和制熱峰值負荷降低40%導致制冷和制熱模式所需的地埋管換熱器總量分別減少44.5%和69.2%[10]。

3 地源熱泵系統(tǒng)碳排放計算方法介紹

3.1 項目邊界和基準線的確定

項目邊界和基準線的確定是地源熱泵項目碳排量計算的必要條件。合理的項目邊界設定可以更為準確地計算碳排放量，過大過小的邊界范圍都會造成計算工作量、應用難度的變化。項目邊界包括低溫熱能采集系統(tǒng)、集中供熱系統(tǒng)和分散的供熱裝置[11]。

(1)低溫熱能采集系統(tǒng)包括低溫熱源、往返管線、水泵及源側儲能裝置等；

(2)集中供熱系統(tǒng)包括供熱管網、換熱站、二級換熱站及所有連接于地源熱泵供熱管網的建筑物；

(3)分散的供熱裝置包括化石燃料鍋爐房等。

基準線的確定是判斷碳減排效果的基礎。基準線指未采取目標對象前提下達到相同效果而采取的方式，地源熱泵項目基準線則是未使用地源熱泵時使建筑調整到相同室內環(huán)境而采取的方式。在確定基準供能方式之前，應先完成針對項目所在地已存在的常規(guī)供能項目的調查研究，保證采用的基準供能方式合理可行[12]。地源熱泵系統(tǒng)項目基準供能方式有兩種：一是采用燃煤、燃油和燃氣驅動的制冷、供暖，二是采用電加熱及電驅動的制冷、供暖。

3.2 碳減排量的計算

3.2.1 基準碳排放量計算

(1)基準供能方式為燃煤、燃油和燃氣驅動制冷、供暖，正常年份碳排放計算：

Ce,y=∑(E·F/ηf)

(1)

式中：Ce,y為基準碳排放量，tCO2e/a；F為燃料單位能量的CO2排放因子，tCO2/TJ；ηf為無項目活動下利用化石燃料的凈熱效率；E為終端設備測量的基準供能系統(tǒng)的凈產能量，TJ/a。

(2)基準供能方式為采用電加熱及電驅動的制冷、供暖，正常年份碳排放計算：

(2)

式中：Ceef為電網排放系數(shù)，tCO2/MWh；ηe為無項目活動下，利用電能的熱效率；HGHSP為地源熱泵系統(tǒng)提供的供能量，TJ。

(3)地源熱泵系統(tǒng)提供的能量HGHSP用下式計算：

HGHSP=min{Hestimated,Hupper}

(3)

式中：Hestimated為地源熱泵估算的供能量，TJ；Hupper為地源熱泵系統(tǒng)提供能量的上限值，TJ。

3.2.2 項目碳排放量計算

正常年份地源熱泵系統(tǒng)項目排放量計算為：

Cpe=Ce+Cf

(4)

式中：Cpe為項目的碳排放量，tCO2e/a；Ce為地源熱泵系統(tǒng)項目活動導致的全部電力消耗對應的排放量，tCO2e/a；Cf為地源熱泵系統(tǒng)項目活動直接導致全部化石燃料消耗的項目排放量，tCO2e/a。

3.2.3 項目活動泄露量

地源熱泵系統(tǒng)項目泄漏量取：

Cl=0

(5)

式中：Cl為項目泄漏量，tCO2。

3.2.4 項目減排量

項目減排量為項目的基準排放量減去項目實際排放量和泄漏量，計算公式：

Cer=Ce,y-Cpe-Cl

(6)

式中：Cer為項目的減排量，tCO2。

利用碳減排量計算方法，得到地源熱泵系統(tǒng)的項目碳減排量，可以清晰分析項目的碳減排能力。

4 結語

地源熱泵作為利用淺層地熱能的典型系統(tǒng)，在系統(tǒng)原理、使用場景、經濟效益等方面都有較大的優(yōu)勢，特別是在建筑運行領域碳減排上，地源熱泵系統(tǒng)項目減排效果顯著。在國家政策支持和技術進步的背景下，地源熱泵系統(tǒng)未來必將應用更加廣泛，助力我國早日實現(xiàn)“碳達峰，碳中和”。