研究人员创建了2022年至2050年在商业和住宅建筑中大规模部署地源热泵(GHP)的模拟模型。模拟结果表明，如果在全国范围内部署GHP(也称为地源热泵)随着单户住宅建筑围护结构的改善，电网压力将得到缓解，能源成本降低，二氧化碳排放量大幅减少。

“地源热泵传统上被视为一种建筑节能技术，”该研究的主要研究员、橡树岭国家实验室的刘晓兵说。“这项分析发现，地源热泵通过降低容量、发电和输电以及碳排放的要求，对电力系统产生巨大影响。”

突破性的数字

GHP 为传统供暖、通风和空调 (HVAC) 系统提供了一种环保、节能的替代方案。它们通过地下管道将热量传入和传出地面来运行。管道系统在冬季从地面提取热量为建筑物供暖，而在夏季则利用地面作为散热器为建筑物降温。

刘表示，在商业和住宅建筑中大规模部署GHP，再加上单户住宅建筑围护结构的改善，到2050年可以减少超过70亿吨的碳排放，其中超过30亿吨的减排量来自于电力部门，其余来自建筑部门用天然气替代供暖。

“众所周知，地源热泵有利于降低建筑能源成本，因为其效率高，无需购买燃料即可供热，从而实现现场零排放，”刘说。“但到目前为止，很少有研究调查大规模部署地源热泵对电网的影响。”

ORNL 建筑和电气化研究人员与国家可再生能源实验室 (NREL) 合作，使用 ORNL 的 GHP 系统仿真工具和 NREL能源使用负载概况中提供的建筑数据，构建美国建筑群和电力系统的联合仿真 。这项史无前例的研究模拟了如果将 GHP 部署到美国本土 68% 的现有和新建建筑面积中对能源使用的影响。

研究人员研究了三种情景：继续按目前的方式运行电网;到2035年实现电网减排95%，到2050年实现100%清洁电力;扩大电网脱碳范围，将建筑供暖等经济领域的电气化纳入其中。分析团队对这三种场景中的每一种进行了建模，无论是否大规模部署 GHP，以及单户住宅的建筑围护结构改进。

“结果是利用现有工具和数据的当前能力得出的，”刘补充道。“我们将 NREL 的区域能源部署系统模型和 PLEXOS(一种用于更详细地模拟电力系统的商业软件)相结合，对美国电力系统在不同地区、不同季节、高峰和低谷期间的不同场景进行多年模拟能源需求。”

尽管全国几乎所有地区都实现了电力需求的节省和碳排放的减少，但模拟表明，在寒冷的气候下，由于取代了自然能源，与传统的暖通空调系统相比，地源热泵在减少碳排放和能源消耗方面更有效。燃气炉并减少电加热器的使用。

在气候较温暖的情况下，例如在南方和其他气候较温和的地区，地源热泵可以节省更多的电力。南方人口稠密地区的峰值电力需求减少幅度也最大。

“我们的研究表明，大规模部署地源热泵加上建筑围护结构的改进，到 2050 年可以将美国电力系统的发电量和容量需求分别减少 11% 和 13%，”刘说。“一些炎热气候地区的峰值电力需求也可以减少高达28%，这将缓解电网运营。”

这些百分比意味着到 2050 年可节省约 600 太瓦时的电力，同时消除超过 50,000 亿兆焦耳的化石燃料，相当于 2022 年美国一次能源消耗的 5%，包括天然气、取暖油和丙烷。

如果 GHP 部署从 2022 年到 2050 年稳步增加，累计还可节省超过 3000 亿美元的电费。刘表示，这需要每年部署约 500 万个地源热泵。

减少停电

由于极端天气事件继续给电网带来压力，近年来出现了长时间停电或轮流停电的情况。地源热泵可能是提高电网稳定性的解决方案。为了证明这一能力，该研究分析了大规模 GHP 部署对德克萨斯州电网的影响，该电网在 2021 年因冬季风暴而遭受了严重的电力损失。

“在这些强烈的天气事件期间，大规模部署地源热泵可以通过减少总电力需求来改善电网的运行，”刘说。“这项初步分析可以为德克萨斯州和其他地区提供富有洞察力的信息，这些地区在长期恶劣天气期间电力需求高于发电厂的供电能力。”

刘说，虽然初步评估表明大规模部署地源热泵可以提高德克萨斯州的电网可靠性，但需要更详细的分析才能准确了解它们在不同地区的表现。

该研究的共同研究员 Jamie Lian 补充说，如果要在美国各地部署地源热泵，许多安装将由公用事业公司在地区规模的系统中完成，以便可以在众多建筑物中利用地面钻探。该研究为公用事业公司评估地源热泵部署投资提供了依据。

“这项研究的一个持久好处是，我们开发了一项全国性的分析，从建筑分析扩展到区域影响和整个电网，”Lian 说。