為什么熱泵應(yīng)該成為商業(yè)建筑的熱源？

安裝了熱泵系統(tǒng)的房主通常都對其表現(xiàn)贊不絕口，并樂于分享他們的經(jīng)驗與技術(shù)知識，幫助他人找到最適合的安裝位置。將這種技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)建筑，同樣可以為業(yè)主和環(huán)境帶來顯著的好處。

盡管熱泵在非住宅建筑中的應(yīng)用日益增多，但對于大型建筑來說，找到最合適的熱泵配置需要進行更加細致的前期規(guī)劃。大型建筑的能源需求通常較高，且基礎(chǔ)設(shè)施往往老化，這無疑增加了實施的難度。

要將熱泵系統(tǒng)有效改造到現(xiàn)有商業(yè)建筑中，必須對現(xiàn)有建筑的能源表現(xiàn)、結(jié)構(gòu)以及供暖和制冷系統(tǒng)進行詳細評估。此外，任何新安裝的系統(tǒng)都需要與其他可持續(xù)技術(shù)相結(jié)合，以確保整體脫碳策略的有效性。

對于大型商業(yè)建筑來說，通常依賴集中供暖系統(tǒng)，因此大型中央空氣源熱泵 (ASHP) 或地源熱泵 (GSHP) 比單個小型分布式單元更為合適。這些集中式系統(tǒng)能更好地滿足大規(guī)模建筑的需求，提高效率并降低整體能源消耗。

熱傳遞

了解技術(shù)的工作原理是確保系統(tǒng)提供所需性能的重要起點。

熱泵的工作原理是將熱量從一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置，并利用電力驅(qū)動這一過程。空氣源熱泵 (ASHP) 從外部空氣中提取熱量，而地源熱泵 (GSHP) 從地面吸收熱量。在商業(yè)環(huán)境中，地源熱泵通常效率更高，但需要較大的安裝空間，這限制了其在大型住宅中的應(yīng)用。

空氣能熱水器 (ASHP) 雖然安裝更方便，用途也更廣泛，但在寒冷氣候下效率往往會下降。最近的創(chuàng)新減少了在寒冷氣候下依賴化石燃料備用的混合系統(tǒng)的需求。新型寒冷氣候空氣能熱水器 (ASHP) 可在低至 -25°C 甚至更低的室外溫度下高效運行。

對于極寒地區(qū)仍需要混合系統(tǒng)的地區(qū)，非化石燃料備用選項（包括電阻加熱器、熱能儲存、生物質(zhì)系統(tǒng)、可再生能源水暖和區(qū)域供熱系統(tǒng)）提供了實現(xiàn)完全脫碳的途徑。

商用熱泵可顯著節(jié)能。根據(jù)實際項目數(shù)據(jù)，精心設(shè)計的熱泵系統(tǒng)可以降低供暖能耗，尤其是在精心規(guī)劃將其集成到樓宇管理系統(tǒng)的情況下。如果與儲能系統(tǒng)和太陽能電池板等可再生能源相結(jié)合，節(jié)能效果將更加顯著，這將成為實現(xiàn)全天候無碳能源和消除間接范圍二排放的基石。

將熱泵付諸實踐

為了探索熱泵在商業(yè)項目中的潛力，我們來考慮一座旨在減少能源消耗和碳足跡的大型辦公樓。

辦公樓，尤其是采用開放式設(shè)計和中央暖通空調(diào)系統(tǒng)的辦公樓，全年都有很高的供暖和制冷需求，并且每日和每周的入住率也各不相同。

為每個項目選擇正確系統(tǒng)的起點是詳細的建筑性能審查，其中包括計量的能耗數(shù)據(jù)、占用模式以及建筑結(jié)構(gòu)和服務(wù)的細節(jié)。

通過使用智能傳感器和數(shù)字能源孿生模型來模擬潛在的運行模式，可以準確評估建筑物的能源使用情況。通過實時的占用率和環(huán)境條件數(shù)據(jù)，可以將其劃分為高峰時段和非高峰時段，從而識別整個能源系統(tǒng)中效率低下的部分，并實現(xiàn)整體系統(tǒng)優(yōu)化。

掌握這些知識，并評估建筑物的供暖和制冷系統(tǒng)，即可探索實施熱泵策略的可行性。鑒于大多數(shù)辦公樓位于城市，由于空間限制，ASHP 可能是最佳選擇，而且它可以與現(xiàn)有的 HVAC 系統(tǒng)集成，提供持續(xù)的供暖和制冷。

動態(tài)調(diào)節(jié)溫度

該系統(tǒng)將通過與智能控制系統(tǒng)集成，在建筑物入住率較低時（例如夜間或周末）優(yōu)化供暖和制冷，從而降低能耗。此類系統(tǒng)可以根據(jù)實時入住率數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)節(jié)溫度，自動減少非高峰時段的供暖，最大限度地減少不必要的能源消耗，并最大限度地提高效率。

這種方法結(jié)合最新的空氣能熱水器 (ASHP) 技術(shù)和隔熱性能良好的建筑圍護結(jié)構(gòu)，可節(jié)省高達 50% 的能源，但實際節(jié)省的成本會因建筑隔熱、氣候和系統(tǒng)設(shè)計而異。實際節(jié)省金額還會根據(jù)當(dāng)前的火花比（即燃氣和電力之間的價格差）而有所不同。轉(zhuǎn)換為電熱還可以通過消除現(xiàn)場化石燃料的使用來減少建筑物范圍一類的排放。

碳信托 (Carbon Trust) 的數(shù)據(jù)支持了Mott MacDonald)交付的項目所實現(xiàn)的節(jié)能效果，數(shù)據(jù)顯示，商業(yè)環(huán)境中設(shè)計良好的熱泵可減少 30% 至 50% 的能源消耗。

挑戰(zhàn)和并發(fā)癥

然而，為每棟建筑進行正確的設(shè)置并不是熱泵的唯一考慮因素——還有其他環(huán)境問題和障礙需要解決。

熱泵系統(tǒng)的一個關(guān)鍵復(fù)雜性在于所使用的制冷劑，它既會影響性能，又會影響環(huán)境影響。許多熱泵依賴于氫氟碳化物 (HFC) 制冷劑，這種制冷劑一旦泄漏，全球變暖潛能值 (GWP) 很高。較新的系統(tǒng)使用 GWP 較低的氫氟烯烴 (HFO)，但這些制冷劑現(xiàn)已被認定為PFAS（永久化學(xué)物質(zhì)）類別的一部分，可能構(gòu)成長期環(huán)境風(fēng)險。

二氧化碳和丙烷等天然制冷劑是最可持續(xù)的替代方案，因為它們對環(huán)境的影響極小，且臭氧消耗潛能值為零。在考慮大型商業(yè)建筑的熱泵策略時，選擇合適的制冷劑系統(tǒng)對于最大限度地減少范圍一排放并符合未來的環(huán)境法規(guī)至關(guān)重要。

前期成本高

更廣泛采用熱泵技術(shù)的主要障礙在于前期成本較高以及行業(yè)技能的差距。目前，許多顧問和承包商缺乏為大型商業(yè)項目設(shè)計、安裝和維護熱泵系統(tǒng)的專業(yè)知識和經(jīng)驗。

然而，隨著能源價格的波動和監(jiān)管壓力的增加，熱泵的成本逐漸變得更具吸引力，這為專業(yè)技術(shù)的提升創(chuàng)造了機會。同時，政府的激勵措施，如可再生能源項目補貼和碳減排計劃，也在幫助企業(yè)抵消安裝成本，使其能夠更容易地證明初期投資的可行性。

盡管熱泵技術(shù)并非適用于所有情況，但當(dāng)與智能建筑技術(shù)、可再生能源以及高效設(shè)計結(jié)合使用時，它能夠顯著降低運營成本并減少碳排放。雖然熱泵在商業(yè)化推廣方面仍面臨一定的挑戰(zhàn)，但它的優(yōu)勢已經(jīng)得到了廣泛認可，在推動向更加可持續(xù)的未來轉(zhuǎn)型過程中，熱泵有可能發(fā)揮重要作用。

本文作者：Chris Vallis是Mott MacDonald可持續(xù)建筑部門的總監(jiān)

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