張擁潛, 楊培志

(中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

1 引言

習(xí)近平主席在2020年第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上鄭重提出，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)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(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這對(duì)我國能源發(fā)展戰(zhàn)略提出了全新要求，對(duì)我國能源轉(zhuǎn)型邊界做了清晰劃分，更對(duì)我國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式與動(dòng)力指明了方向。

地源熱泵(Ground Source Heat Pump，GSHP)是利用淺層地?zé)崮苷{(diào)節(jié)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的技術(shù)，可被應(yīng)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(zhuǎn)入室內(nèi)取暖，能效比可以達(dá)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(nèi)能或90%～98%的電能轉(zhuǎn)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(yīng)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，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(jī)和熱交換等設(shè)備，通過輸入少量電能驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱能由低溫端向高溫端轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境、實(shí)現(xiàn)冬暖夏涼的目的[3]。系統(tǒng)主要由地下?lián)Q熱設(shè)備、地源熱泵主機(jī)和室內(nèi)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(duì)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(diǎn)，同等氣候條件下，地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率比空氣源熱泵系統(tǒng)高，且運(yùn)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(duì)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(shè)換熱管線的形式不同分成垂直埋設(shè)管線、水平埋設(shè)管線和蛇形埋設(shè)管線。通常采用垂直埋設(shè)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(shù)影響較大，不良施工會(huì)造成建設(shè)成本偏高。地下水源熱泵主要應(yīng)用于大型商業(yè)建設(shè)，建造成本較低，占地少，但容易對(duì)地下水資源造成污染，隨著我國對(duì)地下水資源環(huán)境保護(hù)監(jiān)管更加嚴(yán)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(jià)與運(yùn)行費(fèi)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(shè)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(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

“地源熱泵”這一技術(shù)概念最初由瑞士人Zoelly在1912年提出，限于當(dāng)時(shí)科技發(fā)展，并沒有得到科學(xué)界重視，直到1946年世界首個(gè)采用地源熱泵技術(shù)的采暖系統(tǒng)才在美國建成。國內(nèi)對(duì)地源熱泵技術(shù)的研究興起于20世紀(jì)80時(shí)代初期。1997年，中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部與美國聯(lián)邦能源部簽訂《中美地?zé)衢_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(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)目錄》頒布，地源熱泵技術(shù)被列入國家重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，得到了一定的發(fā)展。自從20世紀(jì)70年代以來，能源短缺與環(huán)境污染越發(fā)嚴(yán)重，世界各國在努力實(shí)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(jìn)而得到了各個(gè)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(jì)，截至2020年，美國國內(nèi)約有60萬臺(tái)地源熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)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(dá)國家地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用也比較廣泛。目前我國地源熱泵應(yīng)用呈現(xiàn)普及率小、集中度高特點(diǎn)，采用地源熱泵供暖制冷的3 000多個(gè)項(xiàng)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(duì)冬季采暖的呼聲越來越高，在國家大力推進(jìn)“雙碳”戰(zhàn)略背景下，北方地區(qū)常見的燃煤、燃?xì)忮仩t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(yùn)行更穩(wěn)定，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

國內(nèi)外科研人員對(duì)地源熱泵的研究已取得豐富成果。包強(qiáng)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(diǎn)研究兩種換熱器在運(yùn)行期間土壤的變化與其性能之間存在的關(guān)系，結(jié)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(duì)夏熱冬冷地區(qū)某土壤源熱泵系統(tǒng)夏季運(yùn)行性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，結(jié)果顯示在滿足房間舒適度的情況下，采用間歇運(yùn)行方式合理調(diào)節(jié)開關(guān)機(jī)時(shí)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(duì)某嚴(yán)寒地區(qū)的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測，研究不同間距井群地下土壤的冷堆積程度，結(jié)果顯示井群間距越小，冷堆積越嚴(yán)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(fù)能力難以實(shí)現(xiàn)土壤熱平衡[8]。Li Zhongjian等通過相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)關(guān)系，在平面內(nèi)建立了瞬態(tài)換熱模型，模型主要是在進(jìn)行前處理時(shí)，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(fù)荷對(duì)地埋管換熱器設(shè)計(jì)的影響，結(jié)果顯示，降低建筑物的峰值負(fù)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(fù)荷變化相匹配，制冷和制熱峰值負(fù)荷降低40%導(dǎo)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(jì)算方法介紹

3.1 項(xiàng)目邊界和基準(zhǔn)線的確定

項(xiàng)目邊界和基準(zhǔn)線的確定是地源熱泵項(xiàng)目碳排量計(jì)算的必要條件。合理的項(xiàng)目邊界設(shè)定可以更為準(zhǔn)確地計(jì)算碳排放量，過大過小的邊界范圍都會(huì)造成計(jì)算工作量、應(yīng)用難度的變化。項(xiàng)目邊界包括低溫?zé)崮懿杉到y(tǒng)、集中供熱系統(tǒng)和分散的供熱裝置[11]。

(1)低溫?zé)崮懿杉到y(tǒng)包括低溫?zé)嵩?、往返管線、水泵及源側(cè)儲(chǔ)能裝置等；

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

(3)分散的供熱裝置包括化石燃料鍋爐房等。

基準(zhǔn)線的確定是判斷碳減排效果的基礎(chǔ)?；鶞?zhǔn)線指未采取目標(biāo)對(duì)象前提下達(dá)到相同效果而采取的方式，地源熱泵項(xiàng)目基準(zhǔn)線則是未使用地源熱泵時(shí)使建筑調(diào)整到相同室內(nèi)環(huán)境而采取的方式。在確定基準(zhǔn)供能方式之前，應(yīng)先完成針對(duì)項(xiàng)目所在地已存在的常規(guī)供能項(xiàng)目的調(diào)查研究，保證采用的基準(zhǔn)供能方式合理可行[12]。地源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目基準(zhǔn)供能方式有兩種：一是采用燃煤、燃油和燃?xì)怛?qū)動(dòng)的制冷、供暖，二是采用電加熱及電驅(qū)動(dòng)的制冷、供暖。

3.2 碳減排量的計(jì)算

3.2.1 基準(zhǔn)碳排放量計(jì)算

(1)基準(zhǔn)供能方式為燃煤、燃油和燃?xì)怛?qū)動(dòng)制冷、供暖，正常年份碳排放計(jì)算：

Ce,y=∑(E·F/ηf)

(1)

式中：Ce,y為基準(zhǔn)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(xiàng)目活動(dòng)下利用化石燃料的凈熱效率；E為終端設(shè)備測量的基準(zhǔn)供能系統(tǒng)的凈產(chǎn)能量，TJ/a。

(2)基準(zhǔn)供能方式為采用電加熱及電驅(qū)動(dòng)的制冷、供暖，正常年份碳排放計(jì)算：

(2)

式中：Ceef為電網(wǎng)排放系數(shù)，tCO2/MWh；ηe為無項(xiàng)目活動(dòng)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(jì)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(xiàng)目碳排放量計(jì)算

正常年份地源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目排放量計(jì)算為：

Cpe=Ce+Cf

(4)

式中：Cpe為項(xiàng)目的碳排放量，tCO2e/a；Ce為地源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目活動(dòng)導(dǎo)致的全部電力消耗對(duì)應(yīng)的排放量，tCO2e/a；Cf為地源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目活動(dòng)直接導(dǎo)致全部化石燃料消耗的項(xiàng)目排放量，tCO2e/a。

3.2.3 項(xiàng)目活動(dòng)泄露量

地源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目泄漏量?。?/p>

Cl=0

(5)

式中：Cl為項(xiàng)目泄漏量，tCO2。

3.2.4 項(xiàng)目減排量

項(xiàng)目減排量為項(xiàng)目的基準(zhǔn)排放量減去項(xiàng)目實(shí)際排放量和泄漏量，計(jì)算公式：

Cer=Ce,y-Cpe-Cl

(6)

式中：Cer為項(xiàng)目的減排量，tCO2。

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

4 結(jié)語

地源熱泵作為利用淺層地?zé)崮艿牡湫拖到y(tǒng)，在系統(tǒng)原理、使用場景、經(jīng)濟(jì)效益等方面都有較大的優(yōu)勢，特別是在建筑運(yùn)行領(lǐng)域碳減排上，地源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目減排效果顯著。在國家政策支持和技術(shù)進(jìn)步的背景下，地源熱泵系統(tǒng)未來必將應(yīng)用更加廣泛，助力我國早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”。