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关于地源热泵的碳排放量和欧洲建筑主要采暖能源减排潜力的研究---以葡萄牙的个案为例

Anabela Duarte Carvalho a,n, Dimitris Mendrinos b,1, Anibal T. De Almeida c,2

a.英布拉国立理工学院科- 佩德罗街努涅斯 - 大金塔娜拉，3030-199葡萄牙科英布拉高级研究所

b.中心可再生能源与节约 - CRES，19km Marathonos AVE，19009 Pikermi，Attikis，希腊

c.ISR，电气和计算机工程系，科英布拉大学，波罗II，3030葡萄牙科英布拉

文章信息：

文章历史：

定稿于2014年8月19日

修订时间2015年1月16日

发布时间2015年2月8日

转为网络格式于2015年2月27日

关键词： 热泵 天然气锅炉 二氧化碳排放量 节能建筑 可再生能源供暖 燃料转换

摘要

本研究的主要目的是评估一种燃料切换策略,以在欧洲联盟（EU）提供高效率热泵（HPS）以及更换天然气（NG）锅炉来达到电力消耗的快速减少及碳排放量的降低。此外，为了说明热泵的高性能，本文展示了一个安装在葡萄牙服务建设的先进的地源热泵（GSHP）系统的实验结果。

基于分析结果我们可以发现，相对于使用天然气锅炉时，建筑物采暖的热泵的大规模应用有助于节约一次能源和减少二氧化碳排放量。在欧洲，2050年，通过建筑使用高效率热泵替换天然气采暖系统，约60％所需的一次能源，90％相关的二氧化碳排放量可以节约。在2050年对外全球供应商对欧洲天然气的依赖可以降低到50％，可达到5.6％，是可再生能源（RES）的额外贡献的份额在总网络最终能源消耗可达到的。

此外，它也发挥了重要作用，对利用可再生能源发电的日益渗透，有效促进化石燃料的替代，特别是降低人们对日益增长的天然气的依赖，并使欧洲从危险和不稳定的能源危机中解脱出来。

目录

1简介hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;756

1.1方法 hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..hellip;hellip;.. 756

1.2相关的研究hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;..756

2.建筑物采暖特性和场景hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..hellip;hellip;hellip;..757

2.1欧盟建筑采暖表征hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.. 757

2.2欧盟2030年和2050年的建筑采暖情况hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip; 759

3.电力与二氧化碳排放量趋势欧盟hellip;hellip;..hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..759

4.热泵市场hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..hellip;hellip; 760

5.地源热泵和空气能热水热泵效率hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;... 761

6.欧盟一通过切换天然气锅炉与高效率热泵的使用对一次能源和二氧化碳排放储蓄的影响hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;762

7.对安装于葡萄牙科英布拉的公共服务建筑的高效率地源热泵案例研究hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;...hellip;hellip;...764

7.1地源热泵系统的描述hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;. 764

7.2地源热泵与葡萄牙建筑采暖系统的分析结果hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..hellip;hellip;.764

7.3在葡萄牙建筑采暖特性hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.hellip;hellip;hellip;hellip;..hellip;hellip;hellip;hellip;.. 765

7.4在葡萄牙的高效率热泵主要能源和CO2的排放结果.....................................765

8结论........................................................................................................................767

致谢...........................................................................................................................767

引用...........................................................................................................................767

第1章 简介

欧洲联盟（EU）定义了三个能源领域的政策目标，以满足有关气候变化，保障供应，和竞争力的挑战。欧盟将在2020年实现的目标是：与1990年相比温室气体（GHG）的排放量减少20％，相当于减少CO2当量约为1100万吨（二氧化碳当量）;可再生能源（RES）占最终能源消费的份额的20％（约2850亿千瓦时）;总能量网络效率提高对应于初级能源节约的20％，这意味着到2020年欧盟的20％的一次能源消费量不能超过17140亿千瓦时。

欧盟是在更新这些目标的过程中，以通过以下方式实现(到2030为止)：

- 温室气体（GHG）相比1990年的排放量减少30-40％;

- 可再生能源（RES）在网络最终能源消费的份额占27-30％;

- 最低能量效率增加30％。

此外，迈向2050年的雄心勃勃的新目标被投射到缓解气候变化上，初步目标是在减少碳排放量的80％到1990年的水平。

欧盟石油和天然气（NG）资源已经相当有限，对外依存度在2030年将快速增长，与消耗的预计70％的天然气进口份额欧盟的能源依赖是在欧盟的顶部议程，现在变得更加相关，由于在东欧，这再次突出进口的地缘政治风险和欧盟经济的脆弱性，目前的政治动荡。在2012年，天然气在欧盟需求量约为4570 TW 570TWh，65％的净进口份额[1]。天然气消费量的大约30％从俄罗斯进口，并且其中的一半穿过乌克兰运输[2]。

欧盟建筑行业近年来对天然气的依赖性的增加，因为它占进口天然气总量的61％。 2012年，建筑采暖负责总科幻最终天然气消费的45％，为总额内陆天然气消费总量的29％，在欧盟（这一数字包括天然气用于发电）[1]。因此，建设部门承担了重要的作用，不仅在2030年和2050年实现欧盟的可持续发展目标，而且在天然气依赖的减少。

为了对欧盟能源政策的目标进步，建筑物的主要策略包括：

——显著提高建筑热效率(为新的和现有的建筑);

——大幅提高使用装备的发电效率(如照明、空调、电器);

——燃料切换通过增加使用可再生能源来取代化石燃料(即土壤和水加热)。

为了解决后一种策略，高效率热泵可用于地下和水加热代替天然气锅炉。此外，电力正在成为能源更清洁的形式，因为可再生能源的大量增加（风能和太阳能）在已观察欧盟在过去的十年中,逐步导致电力碳消耗的减少。

丹麦是唯一的欧盟中出口天然气的国家,它一直是最雄心勃勃的国家；其项目之一是以可持续能源的应用和维持全球气候为目标。丹麦的目标是到2050年拥有完全独立的化石燃料系统。特别是,计划自2012年以来新建筑被禁止和逐步淘汰使用天然气和石油锅炉系统 [3]。

最新一代的电地源热泵(GSHP)的优势是一种非常有效的技术(与一个单位的电力可以生产4 - 6单元的加热或冷却)。地源热泵可以有很高的效率即使在最寒冷的日子里,因为他们依靠从地面提取热能,它像一个伴侣恒温源。

本文所介绍的将在欧盟被评估的大规模渗透的影响高效热泵(HP),可做到以下四个方面:减少碳排放,减少一次能源消耗,减少天然气依赖，增加可再生能源的贡献份额。

1.1方法

本文的重点是评估的主要能源和二氧化碳排放储蓄通过切换天然气锅炉高效(HPs)供暖在欧盟,包括在葡萄牙建筑相关的案例研究。并提出一个设想,直到2050年天然气建筑采暖将在欧盟逐步淘汰。另外在葡萄牙的一个实验性的高效率地源热泵案例研究得到的结果在第7章列出，向人们展示地源热泵系统的高性能。这一试点安装在欧洲地中海地面工程项目范围内，由第七个研究框架支持[4]。该项目旨在展示测量季节性能系数（SPF）大于网络已经为地源热泵（GSHP），无论是建筑采暖和冷却。这项技术在地中海气候的应用情况将在第8章中详细介绍。

以下各节讨论这种类型的燃料转换分析的必要的几个关键因素（天然气锅炉逐步取代了高效高效率热泵），如下所示：

——描述欧洲2050年建筑采暖消费和相应场景的变化;

——2050年欧洲的电力行业碳排放因素;

——热泵效率;

——在欧洲逐步使用高效率热泵, 在2050年实现完全替代天然气锅炉。

1.2相关的研究

热泵在几项研究已经提出了不同的方法作为一种非常有前途的技术促进欧盟建设部门脱碳和减少热量的主要能源消费需求。

De Almeida等葡萄牙人开发了一个案例研究来评估住宅领域的燃料交换机会并认为电动空对空和空气水的使用高效率热泵的建筑采暖和水加热是一个有吸引力的选择，以最低的能源消耗和二氧化碳排放量最低的[ 5 ]。

西尾和星野[ 6 ]估计52%的CO2减排潜力的住宅建筑采暖和水加热如果现有技术（石油和天然气锅炉，以及低效率像电阻加热）电器采用热泵技术取代。这项研究是对七个国家中的二氧化碳排放量的三分之一排放量的国家（美国，日本，加拿大，德国，英国，意大利和法国）等参与研究的。[ 7 ]在欧洲取得了全面的研究，对已经安装的地源热泵系统的温室气体排放量，节约建筑采暖。他们估计，在19个欧洲国家在住宅建筑采暖，采用地源热泵系统，与传统技术相比节约了3.8吨的温室气体排放量。他们还估计，如果所有的化石燃料，电力和燃木锅炉将采用SPF 3.5地源热泵取代，可能在建筑采暖中平均节省高达30%的二氧化碳排放量。这种影响可以在未来更高的增加地源热泵性能，既能节约发电量，又能导致较低的碳排放。

该研究由Ecofys [ 8 ]进行评估不同热泵到2030年的普及率的影响在八个欧洲国家中（奥地利，比利时，德国，西班牙，法国，意大利，瑞典和英国）。根据三种不

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