摘要
针对地热能等可再生能源在建筑碳达峰碳中和过程中的重要作用，从地热能基本特征出发，深入分析了地热能的技术特性及其与建筑能源需求的高度契合性，揭示出地热能在建筑中利用的形式多样性、天然适配性、高效节能性、绿色低碳性，表明地热能利用是建筑领域节能减排的有效手段，有助于尽早实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标。
关键词
建筑碳排放 碳达峰 地热能 技术特性 碳中和
作者
中信建筑设计研究总院有限公司 陈焰华 於仲义
0引言
建筑领域是城市温室气体排放的重要来源之一。随着我国提出“2030年前碳达峰”“2060年前碳中和”的宏伟目标，不断推进的城市化进程产生的建筑体量增加和持续提升的建筑使用功能必将进一步增加能源消耗，这对我国实现碳达峰碳中和目标构成了巨大的挑战。建筑领域碳排放主要涵盖建材生产及运输、建造及拆除、运行3个阶段的碳排放总量。在建材生产及运输、建造及拆除2个阶段的碳排放基本进入平台期，建筑运行阶段碳排放已成为建筑领域碳减排的主要抓手，着力提升建筑能源利用效能，大力推进地热能等可再生能源替代行动，将是尽早实现“3060”目标的必由之路。本文从地热能基本特征出发，梳理出地热能的技术特性及其与建筑能源需求的高度契合性，为地热能在建筑领域碳减排中的应用提供理论依据和技术支持。11 地热能特征
相对于太阳能和风能的间歇性和波动性，地热能是稳定可靠的可再生能源，是赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆中，能够为人类合理开发和利用的热能。地热发电的利用系数高达70%以上，明显高于太阳能、风能、潮汐能、水力和生物质等可再生能源发电，具有很强的竞争力，如图1所示。
作为贮存在地球内部的可再生能源，地热能品位、分布等与地质构造密切相关，呈现出不同的资源秉性特征。按照地热资源储存形式可分为热水型、蒸汽型、地压型、干热岩型和熔岩型；按照地热流体温度可分为高温（高于150 ℃）、中温（90～150 ℃）、低温（低于90 ℃）地热资源。高温地热资源主要用于地热发电，中低温地热资源主要是直接利用（供热、制冷、工农业用热和旅游疗养等）。
一般来说，按照分布位置和赋存状态，地热资源可以分为4类：1）浅层地热资源，深度在200m以内，利用岩土体或地下水作为热源或热汇，采用地源热泵技术对建筑物供热和供冷。2）中深层地热资源，一般深度在3 000 m以内，可分为水热型地热资源和岩土型地热资源。水热型地热资源是指由地下水作为载体的地热资源，可以通过抽取热水或水汽混合物提取热量；岩土型地热资源是指存储在深度3 000 m以内的中深层岩土体中的地热资源，由中深层地热换热系统提取热量直接或通过热泵机组向建筑供热，采用封闭环路取热不取水，只用于供热，不具有供冷功能。3）深层或干热岩地热资源，一般深度超过3 000 m， 储存在基本不含水的地层或岩石体内，必须采用人工建造地热储层和人工流体循环的方式加以开采。国际上统称为增强型地热系统（EGS），EGS是以工程措施建造地热储层，通过注入井注入工质流体（如水等）进行地下循环，通过人工产生的连通裂隙带，水与岩体接触被加热，然后通过生产井返回地面，形成一个由压裂网络连接而成的“开式”回路，从低渗透性岩体中经济地采出一定数量深层热能的人工地热系统。4）岩浆型地热资源，即存在于未固结的岩浆中的热量，在目前的经济技术条件下尚无法开采。目前，世界上深度超过5 000 m的地热生产井很少见。
我国处于2个全球性地热带上，西南地区的喜马拉雅地热带是地中海—喜马拉雅地热带的一段，而我国东部的台湾地热带则属于环太平洋地热带的一部分。除此之外，全国其他地区形成了大量的分布广泛的中低温地热资源，如大型沉积盘地中的中低温传导型地热资源、隆起山区的中低温对流型地热资源。据国土资源部中国地质调查局2015年的调查评价结果，全国336个地级以上城市浅层地热能年可开采资源量折合7亿t标准煤；全国水热型地热资源量折合1.25万亿t标准煤，年可开采资源量折合19亿t标准煤；埋深在3 000～10 000 m的干热岩资源量折合856万亿t标准煤。
不同地域拥有的地热资源种类和资源量千差万别，在不同的赋存深度上，地热资源温度不同，储存的形式也各不相同，必须依据地域资源情况有条件地加以合理利用。中高温地热资源分布受地质构造的影响，需要依托当地资源条件，“品位对应、温度对口”，推进梯级综合利用和多元化发展，“吃干榨净”，才能最大限度地发挥地热资源的效能。而低于90 ℃的低温地热资源，特别是传导型地热资源则分布广泛，遍布全国各地，可结合地热资源特征大范围推广应用。只要地热资源利用过程中保持提取的速度不超过补充的速度，地热资源便可恢复和再生，连续而稳定地供给能源，实现可持续发展。
2地热能的技术特性
地热能开发利用，从很早以前自发的温泉洗浴、医疗康养到现在有组织有计划的系统开发和多用途建设，在地热发电、建筑供热供冷、农业种植、水产养殖、旅游疗养等方面都已得到了广泛利用，逐渐步入综合利用和可持续发展的道路。地热能综合开发和温度分级的梯级高效利用是地热能利用的必然要求和有效手段，有利于充分发挥地热能的技术特性，符合可再生能源利用和低碳排放、可持续发展的国家战略。
地热资源丰富，类型齐全，分布广泛，既有25 ℃左右的传导型浅层地热资源，也有150 ℃甚至更高温度的热水型高温地热资源，因而地热资源可形成或催生多领域更广泛的利用方式，在各领域的利用技术形式也可以更加多样化。
依据地热温度分级，高于200 ℃的地热资源可以用来发电和进行梯级综合利用。100～200 ℃的地热资源可以用于双循环发电、吸收式制冷、直接供暖、工业干燥及热加工等。50～100 ℃的地热资源可用于直接供暖和供生活热水，或进行工业干燥。20～50 ℃的地热资源主要用于供应生活热水，温泉洗浴、医疗康养，农业种植、水产养殖，以及为建筑物供冷供热。
1）地热发电技术。中高温地热能转化为机械能再转化为电能的最实用的方法是用发电机组通过热力循环来实现。不同的工质或不同的热力过程，可以组成不同的热力循环。根据载热体类型、温度、压力和其他特性的不同，地热发电方式可分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。
2）地热制冷技术。依据地热资源品位不同，可以采用不同的制冷技术。中高温地热资源可用于吸收式制冷，制冷机主要有2种：一种是以水为制冷剂、溴化锂溶液为吸收剂的溴化锂吸收式制冷机；另一种是以氨为制冷剂、水为吸收剂的吸收式制冷机。氨水吸收式制冷机由于运行压力高、系统复杂、效率低、有毒等因素，除了要求制冷温度在0 ℃以下的特殊情况外，一般很少在实际建筑工程中应用。浅层地热能技术利用岩土体作为地源热泵系统的冷源或热汇，经热泵机组制取低温冷水为建筑物供冷。
3）地热供热技术。依据地热资源品位不同，采用不同的供热技术或方式。中高温地热资源利用地热水的开采系统（包括地热开采井和回灌井、调峰站及井口换热器等），经输送及分配系统将地热水输送到换热站的换热器或直接进入每栋建筑的供热末端设备，根据需要还可设置蓄热水箱，以调节负荷的变化，可以为建筑供暖和提供生活热水。浅层地热能技术利用岩土体作为地源热泵系统的低位热源，经热泵机组提升后为建筑供暖。
4）地热农业种植、养殖技术。主要是建造地热塑料薄膜温室，用于作物加工、育种、水稻育秧、蔬菜生产、食用菌生产、药草栽培、花卉苗木培育等；保护鱼类越冬；水产养殖；孵化小鸡；烘干农副产品等。另外，还可开发地热水产游乐项目。地热在农业方面的直接利用可收到较好的经济效益和社会效益。浅层地热能可用于温室大棚或设施农业的供暖和制冷。
5）地热医疗——温泉疗养。由于地热水中含有多种对人体有益的矿物组分，使其具有独特的功能，既能健身，又能治病。根据地热矿泉的性质、疾病的分类及患者的不同体质，一般分为半身浸浴、全身浸浴、淋浴、气泡水浴、旋涡浴、饮泉等疗法。未来随着与地热利用相关领域的扩展和开发利用技术的进步，必将进一步促进地热资源的勘探和开发，地热利用也必将进入一个飞速发展的崭新时期。
2.2 地热能利用与建筑能源需求的适配性
随着城市建设规模的扩大和高质量发展的推进，建筑体量也越来越大，向大规模、多功能、复合型方面发展，建筑能源需求量大、种类多（如冷、热、热水、燃气、电力等），运行能耗已占全社会总能耗的23%以上，而且要实现室内安全和舒适性的能源需求还在进一步增加。在当前建筑物普遍执行节能设计标准和低能耗节能设计标准的情形下，无论是从供冷还是供热的需求来看，其所要求的能源品位都不高。
对于建筑供暖，连续运行工况下维持室内舒适温度所需要的供热量和热源供水温度都不会太高。采用散热器热水供暖系统时，热媒的供/回水温度原设计规范为95 ℃/70 ℃，随着围护结构性能的提升，GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》将热媒的供/回水温度下调为75 ℃/50 ℃。采用空调末端系统供热时，供/回水温度仅为60 ℃/45 ℃。采用热水辐射供暖时，在舒适性增加的情况下，供水温度可以更低，热水温度在35～45 ℃即可。这与中低温地热资源或通过热泵技术可提供的热水温度完全吻合，也就是说利用中低温地热资源和各类热泵技术提供的热源与建筑供暖需求有着高度契合性和天然适配性，能够很好地满足建筑能源的供热需求特性。
对于建筑供冷，浅层地热能可通过地源热泵技术来实现广泛的建筑应用，基本不受地域限制，具有就地取材、全地域分布式的特点，科学合理利用能够很好地满足建筑供冷供热需求。夏季建筑物多余的热量转移到地下岩土体中，在为建筑物供冷的同时储存冬季供热的热量；冬季为建筑物供热时，同时降低了岩土体的温度，以备夏季更好地吸收建筑物转移的热量。地源热泵的这种技术特性很好地契合了很多地区既有供冷也有供热的需求，为浅层地热能的广泛应用提供了广阔的空间和前景。
因此可以说，地源热泵能够很好地满足建筑能源的需求和特性，既可供冷又可供热。地源热泵能将浅层地热能或自然能源提升或转化后满足建筑物的供热供冷需求。浅层地热能或自然能源在科学利用的前提下是可以再生的，因此可以说以地源热泵为代表的可再生能源利用是由建筑能源的特性所内含和规定了的。地源热泵的技术特性可以归纳如下：1）能回收和利用低位热能，充分利用浅层地热能或自然能源，减少化石能源使用，减少碳排放，保护环境；2）能够提高一次能源利用率；3）采用电力驱动的热泵机组，电力清洁方便，价格相对稳定，经济性好，适合于建筑能源就地应用和大面积推广。而且随着“双碳”目标的推进，电力的清洁化率会大幅度提高，碳排放因子会不断下降，采用地源热泵系统为建筑供热供冷会大量减少建筑的碳排放量。
当然应基于各地气候条件和建筑能源需求特性，统筹兼顾建筑的供冷供热，在满足供应需求的同时还应注重提高建筑能源的使用效率和经济性，充分发挥地源热泵的技术特性，实现浅层地热能的高效科学利用。
地热能在利用过程中，主要是通过蒸汽和热水等“载热体”把地下的热能带到地面上来，除地热发电外，在建筑供冷供热、温室农业和温泉旅游等方面也得到利用，基本上不消耗或少消耗化石能源。
高温地热资源最佳的利用方式是地热发电，就是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不像火力发电那样要装备庞大的锅炉，也不需要消耗化石燃料，所利用的是从地下提取的地热能，节约了化石能源。
适用性更强的浅层地热能利用是通过热泵技术把低品位浅层地热能（岩土体、地下水、地表水中贮存的地热能）提升为可以利用的能源，从而达到节约部分高品位能源（如煤、燃气、油、电能等）的目的，如图2所示。
与建筑能源密切相关的浅层地热能利用系统——地源热泵系统可以替代区域锅炉房，特别是小锅炉的供热方式，大大提高了能源使用效率，如表1所示。地源热泵供热一次能源利用率高达1.18～1.45，而锅炉仅为0.67～0.81，且锅炉容量越小，热损失越大，效率越低。锅炉只能通过化石能源（煤、石油、天然气）的燃烧来产生热量，受环保和碳排放的限制小容量燃煤锅炉已被替换和拆除，囿于安全性和价格燃油锅炉已很少使用，清洁和高品位的天然气则存在高峰时供应不足且其价格上调的可能性要远大于电力，因此为浅层地热能利用提供了广阔的市场空间。
从能源利用角度来看，化石能源具有不可再生和高排放的特点，最主要的是高品位能源若仅用于本来就要求温度不高的建筑供热或供冷，其高能低用造成大量的能源品级浪费就是极为不值或不当的。供热锅炉燃烧时，依据锅炉平衡模型，效率η的计算式为
式（1）、（2）中 ηr为锅炉热效率；Q、e分别为锅炉燃料和空气的平均单位质量热值和比，kJ/kg; T0为环境热力学温度，K;Tm为工质吸热的热力学平均温度，K;hg1、hg2分别为工质在锅炉进、出口的比焓，kJ/kg; sg1、sg2分别为工质在锅炉进、出口的比熵，kJ/（kg·K）。
锅炉效率与锅炉热效率、热值与值之比、环境热力学温度与工质热力学平均温度之比相关。后两项取决于燃料与空气特性、燃烧过程的不可逆性及烟气和工质之间传热所造成的不可逆损失，均小于1，所以锅炉的效率与热效率差异较大。在锅炉热效率提升有限的条件下，尽可能提高Tm（与蒸汽和给水状态有关）是提高锅炉效率的主要途径。锅炉燃料的理论燃烧温度可达到2 000 ℃，炉膛温度高达1 000 ℃以上，受限于材料强度，换热生成的主蒸汽温度在550 ℃左右，热量的质量、品位都会降低，效率也会降低。
式中 Tg、Th分别为散热器等设备的进、出口水温，K。
当锅炉的供/回水温度为130 ℃/80 ℃时，热源的能质系数只有0.277，95 ℃/70 ℃时则为0.232，损失均在70%以上，从而丧失了化石能源的高品位优势。即使采用烟气余热回收技术，热量利用系数会有一定的提高，但仍是不合理的“高能低用”“大材小用”，是极大的资源浪费。
因此，就建筑能源的利用而言，应充分认识到化石能源的有限性、低效性、高污染性，减少建筑能源中化石能源的利用，提高低品位能源和自然能源包括地热能的利用。
2.4 地热能技术的绿色低碳性
地热能作为一种清洁的可再生能源，在使用过程只是利用热能或将热能转变为机械能，最大程度地降低了温室气体的产生。例如，冰岛使用地热能替代了污染型的化石燃料，减少了二氧化碳的排放。河北省雄县一改传统燃煤供暖方式，依靠地热能综合开发实现了城区供暖全覆盖，并向自然村延伸，成功打造为中国首座“无烟城”。
回到建筑能源的需求和特性，实际上浅层地热能的利用能够满足建筑物大部分的供冷供热需求，特殊情况下（散热器、大空间建筑等）可以采用高温型热泵机组来满足其需求，可以替代锅炉供热。从能源利用的角度来说，太阳能、风能是可再生能源利用的主要类型，太阳能发电、风电等替代的是电厂的燃煤，而地热能供热替代的是建筑供热锅炉的燃煤和取暖直燃的散煤，因此对减少碳排放和环境治理的意义更加重大。
北方冬季供暖季是雾霾天气频发的季节，化石能源燃烧是导致雾霾的主要原因之一。为此，2013年9月国务院印发了《大气污染防治行动计划》，要求全面整治燃煤小锅炉，到2017年，除必要保留的以外，地级及以上城市建成区基本淘汰每小时10蒸吨及以下的燃煤锅炉，禁止新建每小时20蒸吨以下的燃煤锅炉；其他地区原则上不再新建每小时10蒸吨以下的燃煤锅炉，供热实现清洁化。2017年12月国家发展改革委等10部委联合印发的《北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021年）》，就旨在提高北方地区取暖清洁化水平，减少大气污染物排放，因地制宜地利用地热能等清洁能源供暖，实现低排放、低能耗的取暖方式。随着社会公众节能减排意识的提高，规划实施非常有效，替代的散烧煤达1亿多t， 清洁取暖率大幅提高。
从污染物排放要求来说，燃煤供热锅炉依据GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》，其二氧化硫、氮氧化物和粉尘排放限值分别为400、400、80 mg/m3，而燃煤电厂锅炉执行GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》，其二氧化硫、氮氧化物和粉尘排放限值分别为100、100、30 mg/m3。供热锅炉的二氧化硫、氮氧化物和粉尘排放分别是电厂锅炉的4倍、4倍和2.5倍。据测算，1 t散煤直接燃烧的污染物排放量是1 t工业燃煤经集中减排后污染物排放量的十几倍。即使采用相对清洁的天然气供热，仍然有污染物的排放。在城市主城区人员密集区域的建筑中设置天然气锅炉一直是建筑师和暖通工程师十分头痛和苦恼的问题，燃气安全性、泄爆、疏散、事故通风、进风排气、烟囱的设置和烟气的排放，任何一个问题都不太好解决。地热能或地源热泵系统的应用可以很好地规避这种风险，并在很大程度上减少常规制冷系统冷却塔飘水损失，减缓城市的热岛效应，在建筑物里不会产生像冷却塔中常见的“军团菌”病原体及二氧化碳、二氧化硫等污染物的排放，低碳环保效果明显，是减少二氧化碳排放量的经济有效的技术。各种能源百万kW·h发电量的寿命周期二氧化碳当量排放量见图3。
近几年，以夏热冬冷地区为主的南方冬季供暖的需求和呼声持续加强，但人民日益增长的对冬季供暖的需求与城市供暖规划缺位、供暖能源供应方式不明确和供暖设施缺乏之间存在着矛盾。在当前国家大力推进生态文明建设的战略下，应该通过供暖机制创新和技术创新，探索有别于传统集中供暖“北方模式”的南方经验，从利用可再生能源和清洁能源着手，紧密结合南方供暖的需求、资源禀赋和能源供应状况，集中与分散并举，供暖与供冷共襄，建立一套适应现代社会发展需要和科学技术水平的以能源高效综合利用和以新能源、分布式、低碳化、智能化为主要特征的供暖新模式。地热能作为一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，特别是地源热泵系统是一种既可供冷又可供热，且与建筑能源特性和供冷供热需求密切相契的、市场竞争力极强的清洁低碳能源利用技术，是夏热冬冷地区建筑能源规模化利用的优化选择。
3结语
地热能开发利用对于我国调整能源结构、实现节能减排、改善生态环境具有重要的现实意义和深远的历史意义。推动地热能的开发利用将有助于尽早实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的宏伟目标，是未来能源转型的新方向，是建筑能源低碳高效利用的优化选择，是完成非化石能源利用目标、建设清洁低碳社会、实现能源可持续发展的优化选择。
本文引用格式：陈焰华，於仲义．从建筑碳排放达峰看地热能的技术特性［Ｊ］．暖通空调，2022，52（1）：75-80．
