办公建筑脱碳：平衡建筑围护结构保温与地热能以实现最优效率

《ENERGY AND BUILDINGS》：Decarbonising office buildings: balancing building fabric insulation and geothermal energy for optimal efficiency

　　

• 开展了深、浅钻孔换热器的对比研究。
• 开展了建筑保温与地热模拟的耦合研究。
• 对保温与地热成本进行了技术经济分析。

在全球碳中和目标下，建筑部门作为主要能耗和碳排放来源，其脱碳路径受到广泛关注。建筑围护结构保温是降低建筑热需求的关键措施，而地热能等可再生能源技术则为满足剩余冷热负荷提供了清洁方案。然而，已有研究往往将二者割裂，缺乏对保温水平与地热系统容量之间协同效应的系统评估。针对这一空白，研究人员以英国剑桥大学土木工程建筑（Civil Engineering Building, University of Cambridge）为案例，通过数值模拟与技术经济分析，考察了不同围护结构保温等级与浅层及深层钻孔换热器（borehole heat exchanger, BHE）系统的组合性能，旨在识别办公建筑最优的脱碳策略。该研究发表于《ENERGY AND BUILDINGS》。

在关键技术方法方面，研究人员利用DesignBuilder/EnergyPlus平台建立了建筑能耗模型，分别模拟了无保温（BFI）、符合1990/1995年建筑规范的中等保温（BFII）以及当前最佳实践的高保温（BFIII）三种围护结构场景。地下传热过程采用开源软件OpenGeoSys（OGS）进行数值模拟，其中浅层系统为单U型BHE阵列，深层系统为千米级同轴BHE（DBHE），并通过TESPy软件实现管网与热泵的耦合。模型使用建筑实测传感器数据进行了校验，同时与COMSOL Multiphysics的模拟结果交叉验证，均方根误差小于0.41°C，验证了模型的可靠性。经济与碳排放分析基于英国2024年非居民用户平均价格和电网平均碳强度，预测了50年运营成本与碳排放量。

研究结果如下：
4.1 建筑设计对确定热负荷的影响。通过动态能耗模拟发现，BFI的年总能源需求为785 GWh，是BFII（376 GWh）的两倍以上，更是BFIII（271 GWh）的近三倍；而制冷需求对保温等级敏感性较低，BFI、BFII和BFIII的制冷负荷分别为35、23和25 GWh，说明高度保温可能因热量滞留略微增加制冷需求，但其影响远小于供暖节能。
4.2 建筑设计对浅层钻孔换热器系统的影响。4.2.1 基础案例性能。利用2021年11月实测数据验证模型，BHE阵列的流体入口和出口温度分别介于0.6~21.3°C和2.1~20.1°C，最低性能系数（coefficient of performance, COP）为2.65，可满足建筑全年负荷。4.2.2 输出随建筑保温的变化。模拟显示，BFI负荷过高导致流体温度低于0°C，必须将地热供给限制在90 kW并由电锅炉补足；BFII最小入口温度为0.433°C，可能也需要辅助热源；而BFIII下系统运行稳定。
4.3 建筑设计对深层同轴钻孔换热器系统的影响。4.3.1 确定深钻孔换热器的深度。模拟比较了800、900和1000 m三种深度，仅1000 m DBHE在全年保持入口温度不低于5°C（最低6.4°C），而800 m在二月和十二月低于0°C，900 m在峰值负荷时低于5°C。4.3.2 输出随建筑保温的变化。BFI同样导致DBHE流体温度低于0°C，需采用90 kW限载；而BFII和BFIII均可满足需求，DBHE的最小COP为2.94，高于浅层系统。
4.4 经济与碳排放分析。计算不同能源供应方式与保温组合下50年运营成本和碳排放，结果显示，无论何种能源供应方式，提升保温等级均能降低运行成本；单纯将燃料从天然气改为电力会增加运行成本。但将围护结构升级与地热系统结合时，最高可节省235万英镑。中等改造（BFII）的围护结构费用约39.2万英镑，深度改造（BFIII）费用高达250万英镑，且其隐含碳可能抵消额外减排量。碳排放方面，围护结构升级与地热结合最高可实现50年减排9.5 kt CO₂e；但BFII升至BFIII的额外减排量仅为166~1394 t CO₂e，与深度改造的隐含碳（74~518 t CO₂e）相比，全生命周期减排效益不确定。

在讨论部分，研究人员指出，围护结构保温水平是决定地热系统能否高效运行的关键前提；高保温建筑可显著降低峰值负荷，使地热系统在更稳定工况下运行。浅层BHE阵列钻孔成本较低，但需要较大地面面积；深层DBHE热性能更稳定、COP更高且地面足迹小，但钻孔成本随深度非线性增加，更适合土地受限且热负荷稳定的城市环境。此外，地质与工程参数（如地下水渗流、回填材料导热系数等）会影响系统表现，未来需纳入更多不确定性分析。研究还强调，天然气价格受地缘政治影响波动大，地热系统可提高能源安全性；同时，随着英国电网碳强度持续下降，电气化与地热结合的经济与环境效益将更加突出。

最后，研究结论部分翻译如下：本研究以剑桥大学土木工程建筑为案例，考察了围护结构保温与地热系统（浅层地源热泵阵列和深层DBHE）对办公建筑脱碳的联合作用。OpenGeoSys模型通过与建筑实测数据及商业软件COMSOL结果的对比，均方根误差小于0.41°C，验证结果可靠。研究表明，建筑改造策略与可再生能源供应相结合是支持经济有效脱碳的必要条件。保温显著降低了供暖需求，并确保地热等可再生能源能够用于供应；最低保温等级的需求为785 GWh，而在更高保温等级下显著降低至271 GWh。浅层BHE阵列和DBHE均可提供经济有效的解决方案。浅层BHE阵列在可用土地充足时钻孔成本较低；而DBHE在表面足迹有限或可改造前油气井的情况下更具价值。深层BHE利用较深地层的高温，具有更高的热性能，基础案例中钻孔内流体温度超过6.1°C，且因深层热容量更大，COP效率更高。实际上，除非存在地表空间限制，应选择钻孔和安装成本最低的系统。从本研究的经济分析来看，中等围护结构