地源热泵系统助力碳中和
——以北京地区为例

文_李金华 北京节能环保中心

习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论会上郑重提出：中国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。3月15日，在中央财经委员会第九次会议上习近平总书记强调：实现“碳达峰、碳中和”是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，要把“碳达峰、碳中和”纳入生态文明建设整体布局，拿出抓铁有痕的劲头，如期实现碳中和目标。据《BP世界能源统计年鉴》(2018版)，中国是全球二氧化碳排放第一大国，2017年为92亿t，占世界总排量的28%。根据《中国建筑能耗研究报告（2019年）》，2017年，全国建筑能耗9.47亿tce，占全国能源消费总量的21.1%；建筑碳排放20.4亿tCO2，占全国能源碳排放的19.5%。因此，建筑领域碳减排对于全国实现碳中和意义重大。建筑采暖碳排放是建筑碳排放的一个主要部分，据《中国建筑能耗研究报告（2019年）》，北方采暖碳排放占全国建筑碳排放总量的23%，北方地区大多采用锅炉供暖，北京采暖主要是燃气锅炉。地源热泵系统采用电驱动，热量主要来自土壤，相对于燃煤或燃气锅炉采暖，减排效果明显。如果地源热泵系统用电全为绿电，则可实现采暖系统的净零排放。

电加热和燃煤、燃气锅炉供热只能将90%～98%的电能或70%～90%的燃料内能转化为热能，地源热泵将室外热能连同机组所耗电能一并转移到室内，能效比达4.5～6以上，地源热泵是一种高效、环保、节能的空调技术设备。因此，大规模使用地源热泵系统为建筑提供供暖空调用能，是调整能源结构、降低二氧化碳排放的优选方向，对于我国实现碳中和具有一定的促进作用。

1 北京建筑能耗和热泵供热面积

根据《北京统计年鉴2020》，2019年北京能耗总量7360.3万tce，第三产业能耗量3762.5万tce，占能源消费总量的51.1%，民民生活能源消费量1691.4万tce，占比23%。近10年，第三产业及居民生活能源消费量占总能耗的比重逐年增加。2019年，第三产业及居民生活中移动源能耗1918万tce，其余主要是建筑能耗，约占能源消费总量的48%，建筑用能主要是天然气、热力、电力等。

依据《北京能源发展报告2020》，2019年北京地热及热泵（含空气源）利用总量为80.7万tce。地热及热泵（含空气源）供热面积9516.7万m2，其中，浅层地温能供热面积3110.6万m2。

2 地源热泵系统

地源热泵系统是一种以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由地下换热部分（室外换热器）、能量转换部分（热泵机房系统）及能量释放部分（室内空调末端部分）三部分组成，利用埋置于土壤中的换热管与土壤进行热量的交换，借助压缩机和热交换系统，通过少量电能驱动，以实现冬季供暖、夏季制冷。根据地下换热部分形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。由于竖直埋管地源热泵具有不抽取地下水，占地小及换热量大等优点，目前北京市采用的基本都是竖直埋管地源热泵系统，本文后述的地源热泵系统均指竖直埋管地源热泵系统。

2.1 地源热泵系统特性

地源热泵系统冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，本文不再叙述。当前，热泵机组冬季能效比约4.5，夏季能效比约5.1。假定建筑冷热负荷全部由地源热泵系统承担，则由公式（1）（2）计算可知，冬季从地下吸收的最大热量是建筑设计最大热负荷的0.78倍，夏季向地下排放的最大热量是设计最大冷负荷的1.2倍。

地源热泵系统全年的总放热量和总吸热量宜基本平衡，设计时应进行全年供暖空调动态负荷计算，分析冬夏季冷热不平衡率，可避免因土壤温度的升高或降低引起热泵系统运行效率的下降。一般地下土壤温度每降低1℃，则通过其制取同等热量的能耗将增加3%～4%。但仅从取放热量的绝对差值，不能完全判断热泵系统运行对地质体的影响程度。可以通过计算取放热差值与所在地质体的静热储量的比值，定量分析地源热泵运行一年后地质体的热量变化大小。

地质体静热储多个因素有关。其中岩土密度、岩土比热、岩石孔隙度、空气密度和比热、水的密度和比热等地质参数可通过地质条件评估测得。计算区面积与布置竖直孔的数量及孔间距有关，计算区地质厚度则与打孔深度有关。根据某工程测得的参数，1m厚度包气带的比热为1.34MJ/m3·℃，1m厚饱水带的比热为3.16MJ/m3·℃，即1m深饱水带储热量是1m深包气带储热量的2.36倍。所以地下水位越浅，地下热量越大。地下水越丰富，越不易出现热失衡。

2.2 地源热泵系统二氧化碳减排量

地源热泵机组夏季效率与普通冷水机组差别不大，但冬季地源热泵效率约4.5，燃气锅炉效率约93%，所以地源热泵系统的节能减排优势主要在冬季。

冬季地源热泵系统与燃气锅炉系统的能耗差别主要在热源，在不计其他设备能耗差别的前提下，仅比较热泵机组和燃气锅炉的差异（详见表1）。假设每平方米公共建筑热负荷50W，若采用地源热泵供热，一个供暖季热泵机组需消耗电量约14kWh，若采用燃气锅炉供热，需要热量0.2GJ，设天然气低位热值389.31GJ/万m3，考虑锅炉93%的效率，则每平方米建筑一个供暖季燃烧天然气5.4m3。当电力二氧化碳排放因子0.604tCO2/MWh，天然气含碳15.3tC/TJ时，热泵机组比燃气锅炉系统每个采暖季少排放二氧化碳3.3kg，热泵系统减排效果明显。

表1 每平方米公共建筑一个供暖季采用两种能源系统的二氧化碳排放量比较

3 地源热泵系统供暖对北京碳中和的意义

根据《北京能源发展报告2020》，2019～2020采暖季，北京城市总供热面积88459万m2，比上年增加2141万m2；城市集中供热面积63928万m2，比上年增加996万m2。

在北京建筑领域2025年碳达峰并稳中有降的目标下，依据过去5年北京建筑领域二氧化碳排放量，估算2023年北京建筑领域二氧化碳排放量将增长300万t。采用地源热泵系统可以减少碳排放增量，在地源热泵系统减少二氧化碳排放量15万t或30万t情景下，需要新增或改造地源热泵供暖的建筑面积见表2。

表2 建筑领域碳达峰不同情景下地源热泵供暖面积

4 结论

①地源热泵供暖相对于燃气锅炉供暖，每平方米办公建筑一个采暖季大概减少3.3kg二氧化碳。

②地源热泵技术在北京地区应用是可行的，可以达到北京市调整能源结构及节能减排的目的，有助于实现北京碳达峰碳中和行动目标。

③若2023年建筑领域减少15万t二氧化碳排放，则需要新增或改造地源热泵供暖4545万m2建筑面积（当前电力二氧化碳排放因子）或1282万m2建筑面积（绿电）；若2023年建筑领域减少30万t二氧化碳排放，则需要新增或改造地源热泵供暖9091万m2建筑面积（当前电力二氧化碳排放因子）或2564万m2建筑面积（绿电）。