“双碳”背景下地源热泵技术展望

张拥潜, 杨培志

(中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

1 引言

习近平主席在2020年第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重提出，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。这对我国能源发展战略提出了全新要求，对我国能源转型边界做了清晰划分，更对我国未来经济发展模式与动力指明了方向。

地源热泵(Ground Source Heat Pump，GSHP)是利用浅层地热能调节建筑室内热环境的技术，可被应用于各种商用、民用和公共建筑，适用范围广泛[1]。地源热泵系统将输入电能连同地下热能一并转入室内取暖，能效比可以达到4.5～6以上，而常规的消耗煤、气、电锅炉只能将70%～90%的燃料内能或90%～98%的电能转化为热能用于采暖，能量损耗量大，地源热泵系统有着显著的节能优势[2]。大规模推广应用地源热泵系统采暖可有效降低建筑整体能耗，减少能源消耗和碳排放，在“十四五”期间为“双碳”战略打下坚实的基础，打开更广阔的窗口，具有承前启后的作用。

2 地源热泵系统介绍及其研究现状

2.1 地源热泵系统的工作原理

地源热泵依据逆卡诺循环原理，借助压缩机和热交换等设备，通过输入少量电能驱动，实现热能由低温端向高温端转移，从而达到调节室内热环境、实现冬暖夏凉的目的[3]。系统主要由地下换热设备、地源热泵主机和室内换热末端三部分组成。与传统的空气源热泵系统区别在于室外换热对象不同，地源热泵系统与土壤、地下水和地表水换热，而空气源热泵系统与空气换热。地下温度具有夏天比环境温度低、冬天比环境温度高和常年温度变化小特点，同等气候条件下，地源热泵系统运行效率比空气源热泵系统高，且运行更稳定。

2.2 地源热泵系统的特性

依据能量来源的对象的不同分为三类：土壤源热泵、地下水源热泵和地表水源热泵。土壤源热泵是最常见形式，其按照地底埋设换热管线的形式不同分成垂直埋设管线、水平埋设管线和蛇形埋设管线。通常采用垂直埋设管线，占用建筑面积较小，换热效果比较稳定，能效高，但受建筑施工技术影响较大，不良施工会造成建设成本偏高。地下水源热泵主要应用于大型商业建设，建造成本较低，占地少，但容易对地下水资源造成污染，随着我国对地下水资源环境保护监管更加严格，地下水源热泵数量后续有可能逐渐减少[4]。地表水源热泵相比其他两种系统，造价与运行费用较低、换热效率高、占地面积最小，能量来源可为河水、湖水、海水和工业废水、生活污水(利用后两种水体的系统为污水源热泵)，但地表水热泵系统管道和换热设备容易腐蚀，水体需提前处理，且系统效率受水体温度影响大。

2.3 国内外发展现状

“地源热泵”这一技术概念最初由瑞士人Zoelly在1912年提出，限于当时科技发展，并没有得到科学界重视，直到1946年世界首个采用地源热泵技术的采暖系统才在美国建成。国内对地源热泵技术的研究兴起于20世纪80时代初期。1997年，中华人民共和国科学技术部与美国联邦能源部签订《中美地热开发利用的合作协议书》。2005年，《中华人民共和国可再生能源产业发展指导目录》颁布，地源热泵技术被列入国家重点发展项目，得到了一定的发展。自从20世纪70年代以来，能源短缺与环境污染越发严重，世界各国在努力实现节能减排的过程中，逐渐发现地源热泵系统在节约能源和减少碳排放方面的巨大效用，进而得到了各个国家的重视，近年来地源热泵系统发展迅速。

据统计，截至2020年，美国国内约有60万台地源热泵系统正常运行，占世界总量的46%。加拿大、日本、德国、法国以及北欧等发达国家地源热泵系统的应用也比较广泛。目前我国地源热泵应用呈现普及率小、集中度高特点，采用地源热泵供暖制冷的3 000多个项目中，有超过一半以上集中在北京、天津、河北等地[5]。近年来，人民生活水平快速提高，我国南方地区对冬季采暖的呼声越来越高，在国家大力推进“双碳”战略背景下，北方地区常见的燃煤、燃气锅炉采暖方式逐渐被淘汰，而地源热泵系统相较于空气源热泵系统效率更高、运行更稳定，具有巨大的发展潜力。

国内外科研人员对地源热泵的研究已取得丰富成果。包强等建立了单U与双U地埋管换热器的三维非稳态模型，重点研究两种换热器在运行期间土壤的变化与其性能之间存在的关系，结果表明双U型埋管换热器换热性能优于单U型埋管，采用前者的地源热泵系统占地面积更小[6]。吴登海等对夏热冬冷地区某土壤源热泵系统夏季运行性能进行实时监测，结果显示在满足房间舒适度的情况下，采用间歇运行方式合理调节开关机时间比例，可改善地埋管与周围土壤传热效果，提高系统性能[7]。朱林等对某严寒地区的地源热泵系统进行实测，研究不同间距井群地下土壤的冷堆积程度，结果显示井群间距越小，冷堆积越严重；深度越深土壤温度场越小且趋势相同；仅依靠土壤自恢复能力难以实现土壤热平衡[8]。Li Zhongjian等通过相对应的坐标关系，在平面内建立了瞬态换热模型，模型主要是在进行前处理时，将非圆管近似替换成U型管的支管[9]。Mensah Kwesi等研究了热泵性能和建筑负荷对地埋管换热器设计的影响，结果显示，降低建筑物的峰值负荷有可能减少地埋管换热器的长度，将热泵容量与建筑峰值负荷变化相匹配，制冷和制热峰值负荷降低40%导致制冷和制热模式所需的地埋管换热器总量分别减少44.5%和69.2%[10]。

3 地源热泵系统碳排放计算方法介绍

3.1 项目边界和基准线的确定

项目边界和基准线的确定是地源热泵项目碳排量计算的必要条件。合理的项目边界设定可以更为准确地计算碳排放量，过大过小的边界范围都会造成计算工作量、应用难度的变化。项目边界包括低温热能采集系统、集中供热系统和分散的供热装置[11]。

(1)低温热能采集系统包括低温热源、往返管线、水泵及源侧储能装置等；

(2)集中供热系统包括供热管网、换热站、二级换热站及所有连接于地源热泵供热管网的建筑物；

(3)分散的供热装置包括化石燃料锅炉房等。

基准线的确定是判断碳减排效果的基础。基准线指未采取目标对象前提下达到相同效果而采取的方式，地源热泵项目基准线则是未使用地源热泵时使建筑调整到相同室内环境而采取的方式。在确定基准供能方式之前，应先完成针对项目所在地已存在的常规供能项目的调查研究，保证采用的基准供能方式合理可行[12]。地源热泵系统项目基准供能方式有两种：一是采用燃煤、燃油和燃气驱动的制冷、供暖，二是采用电加热及电驱动的制冷、供暖。

3.2 碳减排量的计算

3.2.1 基准碳排放量计算

(1)基准供能方式为燃煤、燃油和燃气驱动制冷、供暖，正常年份碳排放计算：

Ce,y=∑(E·F/ηf)

(1)

式中：Ce,y为基准碳排放量，tCO2e/a；F为燃料单位能量的CO2排放因子，tCO2/TJ；ηf为无项目活动下利用化石燃料的净热效率；E为终端设备测量的基准供能系统的净产能量，TJ/a。

(2)基准供能方式为采用电加热及电驱动的制冷、供暖，正常年份碳排放计算：

(2)

式中：Ceef为电网排放系数，tCO2/MWh；ηe为无项目活动下，利用电能的热效率；HGHSP为地源热泵系统提供的供能量，TJ。

(3)地源热泵系统提供的能量HGHSP用下式计算：

HGHSP=min{Hestimated,Hupper}

(3)

式中：Hestimated为地源热泵估算的供能量，TJ；Hupper为地源热泵系统提供能量的上限值，TJ。

3.2.2 项目碳排放量计算

正常年份地源热泵系统项目排放量计算为：

Cpe=Ce+Cf

(4)

式中：Cpe为项目的碳排放量，tCO2e/a；Ce为地源热泵系统项目活动导致的全部电力消耗对应的排放量，tCO2e/a；Cf为地源热泵系统项目活动直接导致全部化石燃料消耗的项目排放量，tCO2e/a。

3.2.3 项目活动泄露量

地源热泵系统项目泄漏量取：

Cl=0

(5)

式中：Cl为项目泄漏量，tCO2。

3.2.4 项目减排量

项目减排量为项目的基准排放量减去项目实际排放量和泄漏量，计算公式：

Cer=Ce,y-Cpe-Cl

(6)

式中：Cer为项目的减排量，tCO2。

利用碳减排量计算方法，得到地源热泵系统的项目碳减排量，可以清晰分析项目的碳减排能力。

4 结语

地源热泵作为利用浅层地热能的典型系统，在系统原理、使用场景、经济效益等方面都有较大的优势，特别是在建筑运行领域碳减排上，地源热泵系统项目减排效果显著。在国家政策支持和技术进步的背景下，地源热泵系统未来必将应用更加广泛，助力我国早日实现“碳达峰，碳中和”。