地源热泵系统助力碳中和——以某地区为例

地源热泵系统助力碳中和——以某地区为例

张岩

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摘要：随着全球环境的严峻性，“碳达峰、碳中和”已成为未来几十年我国能源环境发展的重大目标，电能尤其是绿电替代化石能源是碳中和的主要路径。地源热泵系统不仅系统效率高、更能实现电能替代化石能源，对于碳减排具有一定的促进作用。某地区适用地源热泵系统供暖，因此采用地源热泵供暖代替燃气锅炉供暖，有助于某地区实现碳中和。

关键词：地源热泵；取放热平衡；碳减排

在供热的绿色节能电方面，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.概述

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，目前某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.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。

3.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。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/kWh，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

4.地埋管地源热泵安全运行和日常维护

确保地埋管地源热泵系统使用安全，与勘测、设计、施工、运行维护各阶段息息相关。管理人员需对相关情况进行详细了解，并根据实际进行维护。

1）了解前期地质勘测情况，掌握地埋管所处岩土层、地下水、冻土层情况及性能，是地源热泵能够良好运行的前提。

2）对设计不足部分进行补强加固，适当考虑室外地源井区设置安全防护，管材及系统监测装置。ａ.在地源井区设置标志标识，标明管线定位带，采用现场永久目标进行定位；

b.地埋管材采用化学稳定性好、耐腐蚀、换热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件。宜采用聚乙烯或聚丁烯管材，不宜采用聚氯乙烯（PVC）管，管件与管材应为相同材料，且管材的公称压力不应小于1.0MPａ；

c.地埋换热器埋管深度宜大于20m，钻孔孔径不宜小于0.11m，钻孔间距应满足换热需要，宜为3m～6m，水平连接管的深度应在冻土层以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m；

d.设置地埋管材、深度及系统报警等装置，便于运行中出现故障时检测与维修；

e.设置自动充液及泄漏报警系统，需防冻的地区，设防冻保护装置；

f.地埋管系统宜设置反冲洗系统，冲洗流量宜为工作流量的两倍。

3）详细掌握施工情况，目前铁路新线建设期间，接管单位均已提前介入，要求施工单位严格按设计图纸施工，竖直地埋管换热器的U形弯管接头，宜选用定型的U形弯头成品件，不宜采用直管道煨制弯头，加强施工精度，做好管材保护工作，确保工程质量。

4）在运行阶段，操作人员应严格按照规程使用，熟悉设备，精心维护，并能对设备故障进行必要的紧急处理。

ａ.地埋管地源热泵运行中，人员、设备、制度均是良好运行的关键。地源热泵使用前，须进行试运转。操作人员应经专业培训，取得操作证，持证上岗。地源热泵运行中，操作人员对蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀、仪表、电控系统巡检及室外管井区定期巡视。机房应建立交接班制度、当班人员岗位职责、维修保养制度、操作规程、故障应急预案等制度及运行记录。

b.操作人员应严格按照规程使用，使设备处于良好的运行状态。做好日常维护保养，精心维护设备，认真保养地源热泵机组，重点是压缩机、冷凝器、蒸发器，定期对冷冻（热）水管道、冷却水管、凝结水管系统管道和阀门进行一次维护，确保地源热泵测控系统正常有效。

c.地埋管地源热泵运行中出现故障时，做好应急处理。在地源热泵系统运行中，如发现系统有异常声响、管道大量漏水等问题时，应迅速停止主机运转并切断系统主电源，及时进行维修。若系统内出现漏水情况，应当立即停止补水泵，故障处理完毕后，方可进行补水。地源热泵系统运行过程中突然停电时，操作人员应立即检查停电原因。

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地源热泵技术在某地区应用是可行的，可以达到某市调整能源结构及节能减排的目的，有助于实现某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）。

参考文献

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