“雙碳”目標(biāo)下，復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)如何發(fā)展？

“雙碳”背景下地源熱泵復(fù)合能源系統(tǒng)的建筑應(yīng)用及發(fā)展

陳 燦

南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司

一、“雙碳”目標(biāo)下建筑節(jié)能的責(zé)任

2020年底中國建筑節(jié)能協(xié)會發(fā)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(fèi)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(jìn)城市化進(jìn)程，國民生活水平日益提高，對建筑功能的使用要求和對環(huán)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(fèi)總量產(chǎn)生巨大壓力。因此，建筑節(jié)能減排對國家“2030年前碳達(dá)峰”、“2060年前碳中和”的宏偉目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)責(zé)任重大。

近日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布公告，批準(zhǔn)《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015-2021)為國家標(biāo)準(zhǔn)，自2022年4月1日起實(shí)施。本規(guī)范提高了居住建筑、公共建筑的熱工性能限值要求，平均設(shè)計(jì)能耗水平在現(xiàn)行節(jié)能設(shè)計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上分別降低30%和20%?！督ㄖ?jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》的推出，再次強(qiáng)調(diào)了建筑節(jié)能、降低建筑碳排放的重要性。

二、地源熱泵系統(tǒng)建筑應(yīng)用的優(yōu)勢與限制

地源熱泵是一種典型的淺層地?zé)崮?/strong>利用方式，其非常適合建筑空調(diào)、生活熱水的用能要求，可有效節(jié)約部分高品位能源，是一種可靠的建筑節(jié)能減排技術(shù)。住建部發(fā)布的信息顯示，截至2020年底，我國新增地源熱泵建筑應(yīng)用面積1734萬平米，以地源熱泵為代表的可再生能源建筑應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。

國家發(fā)改委等部門最近聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮?/strong>開發(fā)利用的若干意見》提出要因地制宜積極推進(jìn)淺層地?zé)崮芾?，目前淺層地?zé)崮艿拈_采利用技術(shù)已基本成熟。淺層地?zé)崮艿耐怀鰞?yōu)點(diǎn)是：分布廣泛，可根據(jù)項(xiàng)目條件就近提取和利用，無需大規(guī)模集中開采和遠(yuǎn)距離輸送;穩(wěn)定持續(xù)，夏季可作為熱泵的冷卻源用于空調(diào)制冷，冬季亦可作為熱泵的低溫?zé)嵩从糜诠?清潔環(huán)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?zé)崮苁且环N低品位能源，其開采利用需要借助熱泵系統(tǒng)及地下?lián)Q熱器。一般說來：地埋管地源熱泵系統(tǒng)能否應(yīng)用和應(yīng)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(zhì)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(fù)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(jì)取熱量遠(yuǎn)大于制冷季的累計(jì)放熱量，應(yīng)考慮適宜的熱量回補(bǔ)措施，以提升地源熱泵供熱能效。而在夏熱冬冷地區(qū)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(shù)難以保障系統(tǒng)的長久穩(wěn)定運(yùn)行。

三、多能互補(bǔ)的復(fù)合能源系統(tǒng)

我們應(yīng)客觀認(rèn)識地源熱泵技術(shù)的優(yōu)勢與特點(diǎn)，加以合理利用。“多能互補(bǔ)、智能耦合”的復(fù)合能源系統(tǒng)可發(fā)揮各種能源優(yōu)勢，是一種值得提倡的科學(xué)用能方式。太陽能技術(shù)、蓄能技術(shù)、風(fēng)能技術(shù)、傳統(tǒng)冷水機(jī)組、燃?xì)忮仩t等能源利用形式與地源熱泵相結(jié)合可適應(yīng)不同建筑負(fù)荷特性和需求。中國科學(xué)院院士汪集暘以“天地合一，動靜結(jié)合”八個字形象的描繪了多能互補(bǔ)的概念，即做到“天”(太陽能)“地”(地?zé)崮?合一、“動”(風(fēng)能)“靜”(地?zé)崮?結(jié)合，綜合開發(fā)利用。

國內(nèi)外對地源熱泵復(fù)合能源系統(tǒng)進(jìn)行了大量的理論分析和應(yīng)用研究，都不同程度的表明，在大型商業(yè)和辦公建筑中，地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)較之單一系統(tǒng)在初投資、運(yùn)行能源及機(jī)組循環(huán)性能等方面都具有更大的可行性和優(yōu)越性，在氣候較溫暖的地區(qū)更為明顯。

地源熱泵復(fù)合能源系統(tǒng)的建筑應(yīng)用技術(shù)已愈發(fā)成熟和普及，在南京涌現(xiàn)出了一批示范性項(xiàng)目，建筑類型涵蓋了科技住宅、商業(yè)綜合體、區(qū)域能源站等。

一批地產(chǎn)開發(fā)商在其中高端科技樓盤中廣泛采用地源熱泵+冷水機(jī)組+鍋爐的復(fù)合系統(tǒng)，有效保障輻射空調(diào)末端和除濕新風(fēng)機(jī)的用能需求，提升了系統(tǒng)的可靠性。其中高溫機(jī)組的cop較常規(guī)機(jī)組更高，更能展現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢。

華新城商業(yè)綜合體總建筑面積38萬平方米，采用了地源熱泵+冷水機(jī)組+風(fēng)冷熱泵+鍋爐的復(fù)合系統(tǒng)。結(jié)合建筑特點(diǎn)和用地條件，其采用了樁基埋管+連續(xù)墻埋管的土壤換熱器形式，充分挖掘利用淺層地?zé)崮苜Y源。另一方面，利用地源側(cè)冷卻水作為發(fā)電機(jī)組的冷卻水，較之風(fēng)冷形式不僅冷卻效果更佳，而且大大節(jié)約了建筑面積，體現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)了淺層地?zé)崮艿?ldquo;一能多用”。

江北新區(qū)江水源熱泵區(qū)域供冷供熱項(xiàng)目，采用了江水源熱泵+冰蓄冷+冷水機(jī)組的復(fù)合系統(tǒng)，可向新區(qū)核心區(qū)的8.75平方千米內(nèi)近1600萬平方米建筑群提供供冷供熱服務(wù)，每年可為新區(qū)節(jié)約用電量1.4億度，相當(dāng)于少燒4.69萬噸標(biāo)煤。至2030年，可實(shí)現(xiàn)年減碳量3.85萬噸;至2060年，減碳量將達(dá)14.16萬噸。

四、結(jié)語與展望

地源熱泵技術(shù)在我國每年新建建筑中的應(yīng)用規(guī)模在不斷擴(kuò)大，但總體應(yīng)用比例依然較低，仍有很大的潛力可以挖掘。我們一方面應(yīng)加大地源熱泵建筑應(yīng)用的推廣，另一方面也不能盲目使用，一定要從節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境效益等多方面綜合評判，做好方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

“十四五”是實(shí)現(xiàn)國家“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵時期，新能源和可再生能源一定要聯(lián)合起來，組成多能互補(bǔ)的復(fù)合能源系統(tǒng)，共同推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

(注：原文刊登于2021年11月《中國地?zé)帷冯s志，作者系南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司高級工程師、中國技術(shù)監(jiān)督情報協(xié)會地?zé)岙a(chǎn)業(yè)工作委員會青年委員會委員)