“雙碳”背景下地源熱泵復合能源系統的建筑應用及發展

陳 燦

南京市建筑設計研究院有限責任公司

一、“雙碳”目標下建筑節能的責任

2020年底中國建筑節能協會發布的中國建筑能耗研究報告顯示，2018年建筑全過程能耗總量占全國能源消費總量的比重為46.5%，建筑全過程碳排放總量占全國碳排放的比重為51.3%。

隨著國家不斷推進城市化進程，國民生活水平日益提高，對建筑功能的使用要求和對環境舒適度的要求也水漲船高，都會帶來建筑能源消耗量的增加，對控制能源消費總量產生巨大壓力。因此，建筑節能減排對國家“2030年前碳達峰”、“2060年前碳中和”的宏偉目標的實現責任重大。

近日，住房和城鄉建設部發布公告，批準《建筑節能與可再生能源利用通用規范》(GB 55015-2021)為國家標準，自2022年4月1日起實施。本規范提高了居住建筑、公共建筑的熱工性能限值要求，平均設計能耗水平在現行節能設計國家標準和行業標準的基礎上分別降低30%和20%。《建筑節能與可再生能源利用通用規范》的推出，再次強調了建筑節能、降低建筑碳排放的重要性。

二、地源熱泵系統建筑應用的優勢與限制

地源熱泵是一種典型的淺層地熱能利用方式，其非常適合建筑空調、生活熱水的用能要求，可有效節約部分高品位能源，是一種可靠的建筑節能減排技術。住建部發布的信息顯示，截至2020年底，我國新增地源熱泵建筑應用面積1734萬平米，以地源熱泵為代表的可再生能源建筑應用規模不斷擴大。

國家發改委等部門最近聯合印發的《關于促進地熱能開發利用的若干意見》提出要因地制宜積極推進淺層地熱能利用，目前淺層地熱能的開采利用技術已基本成熟。淺層地熱能的突出優點是：分布廣泛，可根據項目條件就近提取和利用，無需大規模集中開采和遠距離輸送;穩定持續，夏季可作為熱泵的冷卻源用于空調制冷，冬季亦可作為熱泵的低溫熱源用于供熱;清潔環保，其作為一種儲量巨大的可再生能源，可部分替代化石能源使用，顯著減少二氧化碳及污染物排放。

淺層地熱能是一種低品位能源，其開采利用需要借助熱泵系統及地下換熱器。一般說來：地埋管地源熱泵系統能否應用和應用好壞的主要制約因素是：地埋管換熱器布管場地的限制、水文地質條件對換熱器性能和施工難度的影響、全年地埋管群釋放熱量與提取熱量需要保持基本平衡、地埋管投資成本是否適度可控等。

我國地域廣闊，不同地域的建筑負荷特性和地溫變化巨大。北方建筑供暖季對地下土壤的累計取熱量遠大于制冷季的累計放熱量，應考慮適宜的熱量回補措施，以提升地源熱泵供熱能效。而在夏熱冬冷地區則情況相反，一般需要考慮采取合適的夏季輔助排熱措施，以保障土壤熱平衡。所以，從不同地域的建筑用能特性而言，單一的地源熱泵技術難以保障系統的長久穩定運行。

三、多能互補的復合能源系統

我們應客觀認識地源熱泵技術的優勢與特點，加以合理利用。“多能互補、智能耦合”的復合能源系統可發揮各種能源優勢，是一種值得提倡的科學用能方式。太陽能技術、蓄能技術、風能技術、傳統冷水機組、燃氣鍋爐等能源利用形式與地源熱泵相結合可適應不同建筑負荷特性和需求。中國科學院院士汪集暘以“天地合一，動靜結合”八個字形象的描繪了多能互補的概念，即做到“天”(太陽能)“地”(地熱能)合一、“動”(風能)“靜”(地熱能)結合，綜合開發利用。

國內外對地源熱泵復合能源系統進行了大量的理論分析和應用研究，都不同程度的表明，在大型商業和辦公建筑中，地源熱泵復合系統較之單一系統在初投資、運行能源及機組循環性能等方面都具有更大的可行性和優越性，在氣候較溫暖的地區更為明顯。

地源熱泵復合能源系統的建筑應用技術已愈發成熟和普及，在南京涌現出了一批示范性項目，建筑類型涵蓋了科技住宅、商業綜合體、區域能源站等。

一批地產開發商在其中高端科技樓盤中廣泛采用地源熱泵+冷水機組+鍋爐的復合系統，有效保障輻射空調末端和除濕新風機的用能需求，提升了系統的可靠性。其中高溫機組的cop較常規機組更高，更能展現系統的節能優勢。

華新城商業綜合體總建筑面積38萬平方米，采用了地源熱泵+冷水機組+風冷熱泵+鍋爐的復合系統。結合建筑特點和用地條件，其采用了樁基埋管+連續墻埋管的土壤換熱器形式，充分挖掘利用淺層地熱能資源。另一方面，利用地源側冷卻水作為發電機組的冷卻水，較之風冷形式不僅冷卻效果更佳，而且大大節約了建筑面積，體現了良好的經濟性，實現了淺層地熱能的“一能多用”。

江北新區江水源熱泵區域供冷供熱項目，采用了江水源熱泵+冰蓄冷+冷水機組的復合系統，可向新區核心區的8.75平方千米內近1600萬平方米建筑群提供供冷供熱服務，每年可為新區節約用電量1.4億度，相當于少燒4.69萬噸標煤。至2030年，可實現年減碳量3.85萬噸;至2060年，減碳量將達14.16萬噸。

四、結語與展望

地源熱泵技術在我國每年新建建筑中的應用規模在不斷擴大，但總體應用比例依然較低，仍有很大的潛力可以挖掘。我們一方面應加大地源熱泵建筑應用的推廣，另一方面也不能盲目使用，一定要從節能性、經濟性及環境效益等多方面綜合評判，做好方案的技術經濟分析。

“十四五”是實現國家“碳達峰、碳中和”戰略目標的關鍵時期，新能源和可再生能源一定要聯合起來，組成多能互補的復合能源系統，共同推進“雙碳”目標的實現。

(注：原文刊登于2021年11月《中國地熱》雜志，作者系南京市建筑設計研究院有限責任公司高級工程師、中國技術監督情報協會地熱產業工作委員會青年委員會委員)