地源熱泵系統助力碳中和
——以北京地區為例

文_李金華 北京節能環保中心

習近平主席在第七十五屆聯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年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。3月15日，在中央財經委員會第九次會議上習近平總書記強調：實現“碳達峰、碳中和”是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，要把“碳達峰、碳中和”納入生態文明建設整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實現碳中和目標。據《BP世界能源統計年鑒》(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《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，建筑領域碳減排對于全國實現碳中和意義重大。建筑采暖碳排放是建筑碳排放的一個主要部分，據《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%，北方地區大多采用鍋爐供暖，北京采暖主要是燃氣鍋爐。地源熱泵系統采用電驅動，熱量主要來自土壤，相對于燃煤或燃氣鍋爐采暖，減排效果明顯。如果地源熱泵系統用電全為綠電，則可實現采暖系統的凈零排放。

電加熱和燃煤、燃氣鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或70%～90%的燃料內能轉化為熱能，地源熱泵將室外熱能連同機組所耗電能一并轉移到室內，能效比達4.5～6以上，地源熱泵是一種高效、環保、節能的空調技術設備。因此，大規模使用地源熱泵系統為建筑提供供暖空調用能，是調整能源結構、降低二氧化碳排放的優選方向，對于我國實現碳中和具有一定的促進作用。

1 北京建筑能耗和熱泵供熱面積

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

依據《北京能源發展報告2020》，2019年北京地熱及熱泵（含空氣源）利用總量為80.7萬tce。地熱及熱泵（含空氣源）供熱面積9516.7萬m2，其中，淺層地溫能供熱面積3110.6萬m2。

2 地源熱泵系統

地源熱泵系統是一種以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由地下換熱部分（室外換熱器）、能量轉換部分（熱泵機房系統）及能量釋放部分（室內空調末端部分）三部分組成，利用埋置于土壤中的換熱管與土壤進行熱量的交換，借助壓縮機和熱交換系統，通過少量電能驅動，以實現冬季供暖、夏季制冷。根據地下換熱部分形式的不同，地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。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點，目前北京市采用的基本都是豎直埋管地源熱泵系統，本文后述的地源熱泵系統均指豎直埋管地源熱泵系統。

2.1 地源熱泵系統特性

地源熱泵系統冷熱負荷計算與常規空調系統冷熱負荷計算方法相同，本文不再敘述。當前，熱泵機組冬季能效比約4.5，夏季能效比約5.1。假定建筑冷熱負荷全部由地源熱泵系統承擔，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計最大熱負荷的0.78倍，夏季向地下排放的最大熱量是設計最大冷負荷的1.2倍。

地源熱泵系統全年的總放熱量和總吸熱量宜基本平衡，設計時應進行全年供暖空調動態負荷計算，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運行效率的下降。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運行對地質體的影響程度。可以通過計算取放熱差值與所在地質體的靜熱儲量的比值，定量分析地源熱泵運行一年后地質體的熱量變化大小。

地質體靜熱儲多個因素有關。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參數可通過地質條件評估測得。計算區面積與布置豎直孔的數量及孔間距有關，計算區地質厚度則與打孔深度有關。根據某工程測得的參數，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，越不易出現熱失衡。

2.2 地源熱泵系統二氧化碳減排量

地源熱泵機組夏季效率與普通冷水機組差別不大，但冬季地源熱泵效率約4.5，燃氣鍋爐效率約93%，所以地源熱泵系統的節能減排優勢主要在冬季。

冬季地源熱泵系統與燃氣鍋爐系統的能耗差別主要在熱源，在不計其他設備能耗差別的前提下，僅比較熱泵機組和燃氣鍋爐的差異（詳見表1）。假設每平方米公共建筑熱負荷50W，若采用地源熱泵供熱，一個供暖季熱泵機組需消耗電量約14kWh，若采用燃氣鍋爐供熱，需要熱量0.2GJ，設天然氣低位熱值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，熱泵機組比燃氣鍋爐系統每個采暖季少排放二氧化碳3.3kg，熱泵系統減排效果明顯。

表1 每平方米公共建筑一個供暖季采用兩種能源系統的二氧化碳排放量比較

3 地源熱泵系統供暖對北京碳中和的意義

根據《北京能源發展報告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。

在北京建筑領域2025年碳達峰并穩中有降的目標下，依據過去5年北京建筑領域二氧化碳排放量，估算2023年北京建筑領域二氧化碳排放量將增長300萬t。采用地源熱泵系統可以減少碳排放增量，在地源熱泵系統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 建筑領域碳達峰不同情景下地源熱泵供暖面積

4 結論

①地源熱泵供暖相對于燃氣鍋爐供暖，每平方米辦公建筑一個采暖季大概減少3.3kg二氧化碳。

②地源熱泵技術在北京地區應用是可行的，可以達到北京市調整能源結構及節能減排的目的，有助于實現北京碳達峰碳中和行動目標。

③若2023年建筑領域減少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（當前電力二氧化碳排放因子）或2564萬m2建筑面積（綠電）。