“双碳”背景下地源热泵复合能源系统的建筑应用及发展
陈 灿
南京市建筑设计研究院有限责任公司
一、“双碳”目标下建筑节能的责任
2020年底中国建筑节能协会发布的中国建筑能耗研究报告显示，2018年建筑全过程能耗总量占全国能源消费总量的比重为46.5%，建筑全过程碳排放总量占全国碳排放的比重为51.3%。
随着国家不断推进城市化进程，国民生活水平日益提高，对建筑功能的使用要求和对环境舒适度的要求也水涨船高，都会带来建筑能源消耗量的增加，对控制能源消费总量产生巨大压力。因此，建筑节能减排对国家“2030年前碳达峰”、“2060年前碳中和”的宏伟目标的实现责任重大。
近日，住房和城乡建设部发布公告，批准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015-2021)为国家标准，自2022年4月1日起实施。本规范提高了居住建筑、公共建筑的热工性能限值要求，平均设计能耗水平在现行节能设计国家标准和行业标准的基础上分别降低30%和20%。《建筑节能与可再生能源利用通用规范》的推出，再次强调了建筑节能、降低建筑碳排放的重要性。
二、地源热泵系统建筑应用的优势与限制
地源热泵是一种典型的浅层地热能利用方式，其非常适合建筑空调、生活热水的用能要求，可有效节约部分高品位能源，是一种可靠的建筑节能减排技术。住建部发布的信息显示，截至2020年底，我国新增地源热泵建筑应用面积1734万平米，以地源热泵为代表的可再生能源建筑应用规模不断扩大。
国家发改委等部门最近联合印发的《关于促进地热能开发利用的若干意见》提出要因地制宜积极推进浅层地热能利用，目前浅层地热能的开采利用技术已基本成熟。浅层地热能的突出优点是：分布广泛，可根据项目条件就近提取和利用，无需大规模集中开采和远距离输送;稳定持续，夏季可作为热泵的冷却源用于空调制冷，冬季亦可作为热泵的低温热源用于供热;清洁环保，其作为一种储量巨大的可再生能源，可部分替代化石能源使用，显著减少二氧化碳及污染物排放。
浅层地热能是一种低品位能源，其开采利用需要借助热泵系统及地下换热器。一般说来：地埋管地源热泵系统能否应用和应用好坏的主要制约因素是：地埋管换热器布管场地的限制、水文地质条件对换热器性能和施工难度的影响、全年地埋管群释放热量与提取热量需要保持基本平衡、地埋管投资成本是否适度可控等。
我国地域广阔，不同地域的建筑负荷特性和地温变化巨大。北方建筑供暖季对地下土壤的累计取热量远大于制冷季的累计放热量，应考虑适宜的热量回补措施，以提升地源热泵供热能效。而在夏热冬冷地区则情况相反，一般需要考虑采取合适的夏季辅助排热措施，以保障土壤热平衡。所以，从不同地域的建筑用能特性而言，单一的地源热泵技术难以保障系统的长久稳定运行。
三、多能互补的复合能源系统
我们应客观认识地源热泵技术的优势与特点，加以合理利用。“多能互补、智能耦合”的复合能源系统可发挥各种能源优势，是一种值得提倡的科学用能方式。太阳能技术、蓄能技术、风能技术、传统冷水机组、燃气锅炉等能源利用形式与地源热泵相结合可适应不同建筑负荷特性和需求。中国科学院院士汪集暘以“天地合一，动静结合”八个字形象的描绘了多能互补的概念，即做到“天”(太阳能)“地”(地热能)合一、“动”(风能)“静”(地热能)结合，综合开发利用。
国内外对地源热泵复合能源系统进行了大量的理论分析和应用研究，都不同程度的表明，在大型商业和办公建筑中，地源热泵复合系统较之单一系统在初投资、运行能源及机组循环性能等方面都具有更大的可行性和优越性，在气候较温暖的地区更为明显。
地源热泵复合能源系统的建筑应用技术已愈发成熟和普及，在南京涌现出了一批示范性项目，建筑类型涵盖了科技住宅、商业综合体、区域能源站等。
一批地产开发商在其中高端科技楼盘中广泛采用地源热泵+冷水机组+锅炉的复合系统，有效保障辐射空调末端和除湿新风机的用能需求，提升了系统的可靠性。其中高温机组的cop较常规机组更高，更能展现系统的节能优势。
华新城商业综合体总建筑面积38万平方米，采用了地源热泵+冷水机组+风冷热泵+锅炉的复合系统。结合建筑特点和用地条件，其采用了桩基埋管+连续墙埋管的土壤换热器形式，充分挖掘利用浅层地热能资源。另一方面，利用地源侧冷却水作为发电机组的冷却水，较之风冷形式不仅冷却效果更佳，而且大大节约了建筑面积，体现了良好的经济性，实现了浅层地热能的“一能多用”。
江北新区江水源热泵区域供冷供热项目，采用了江水源热泵+冰蓄冷+冷水机组的复合系统，可向新区核心区的8.75平方千米内近1600万平方米建筑群提供供冷供热服务，每年可为新区节约用电量1.4亿度，相当于少烧4.69万吨标煤。至2030年，可实现年减碳量3.85万吨;至2060年，减碳量将达14.16万吨。
四、结语与展望
地源热泵技术在我国每年新建建筑中的应用规模在不断扩大，但总体应用比例依然较低，仍有很大的潜力可以挖掘。我们一方面应加大地源热泵建筑应用的推广，另一方面也不能盲目使用，一定要从节能性、经济性及环境效益等多方面综合评判，做好方案的技术经济分析。
“十四五”是实现国家“碳达峰、碳中和”战略目标的关键时期，新能源和可再生能源一定要联合起来，组成多能互补的复合能源系统，共同推进“双碳”目标的实现。
(注：原文刊登于2021年11月《中国地热》杂志，作者系南京市建筑设计研究院有限责任公司高级工程师、中国技术监督情报协会地热产业工作委员会青年委员会委员)地热加