一、任务来源
1.市校融合发展战略工程项目, 成果名称：可再生能源城乡建设利用，项目编号：JNSX2021049。
2.山东省重点研发计划，成果名称：山东农村太阳能-空气能复合供能系统与环境耦合特性及优化集成关键技术研究，项目编号：2017GGX40117。
3.山东省自然科学基金，地源热泵桩基埋管换热器在地下水渗流作用下的传热--结构力学耦合机制，项目编号：ZR2016EEB28。
二、应用领域、技术原理
基于可再生能源的建筑能源系统，与传统的建筑物供热供冷系统相比，它具有供能强度低、供能不稳定、供能品味低，资源分布不均等特点。针对上述问题，本项目采用实地调研为主、文献调研、理论分析、软件模拟及工程示范有机结合的研究方法，从典型建筑实际案例出发，通过对调研数据的理论分析，对建筑能源系统进行诊断评估，提出节能改造潜力。围绕应用于建筑物供热供冷的可再生能源复合系统，利用能源系统优化模型对建筑能源系统进行改造规划方法进行深入研究。针对不同功能不同类型的新建建筑，提出以可再生能源为主的分布式能源系统优化设计方法。最后以典型建筑为案例，或示范项目，开发分布式能源及复合能源系统的碳排放及动态调节监控平台。总结研究成果，进行示范项目推广，形成一套以地热能为主的复合式能源利用优化集成技术体系，实现节能减碳目标。
三、性能指标
研究成果应用于两个示范项目，示范项目一的测试主要为地源热泵单独运行模式和太阳能辅助地源热泵联合运行模式，并分析不同模式下的系统的运行状况。第三方检测结果表明，地源热泵系统单独运行的COP为3.41，太阳能与地源热泵联合供热系统运行的COP为4.1，提升20.2%。示范项目二为地源热泵空调系统加市政集中供热复合系统供热、地源热泵加冷水机组复合供冷项目。项目设计地埋管承担约70%的夏季冷负荷，剩余部分由冷水机组承担；冬季热负荷由地埋管和市政集中供热共同承担，机房已预留冷水机组及屋顶冷却塔管路接口。地埋管地下热平衡行较好，供暖季商业建筑总的运行成本为14.09元/m2，住宅运行成本为13.32元/m2，系统平均COP达到4.57。针对商业建筑而言，与单一地源热泵运行模式相比，复合系统的节能率达到30.67%。比多联机系统节能率达到83%，整个供暖季的CO2减排量高达1055吨。
四、与国内同类技术比较、成熟度、成果创造性、先进性
本项目的创新性主要为
1.建立可再生能源利用潜力的评估方法，建立岩土体的蓄能释能的传热模型，提出地热能利用资源的预测方法。利用GIS空间分析法建立了村镇建筑屋顶太阳能资源供热潜力评估模型，借助于GIS的空间分析功能，在考虑太阳辐射的地理分布特征和太阳能热利用的具体条件基础上，把太阳能资源的理论潜力、地理潜力以及技术潜力有机结合起来。
2.提出可再生能源建筑利用系统评价指标，将指标体系划分为：目标层和准则层。目标层指标为可再生能源建筑利用综合性能，表征可再生能源建筑利用系统对可再生能源的收集、转换性能，以及环境影响；准则层则是相互独立、分别隶属于目标层的一级指标，是对目标层的分解与具体阐述。准则层为三个建筑能源高效优化利用的评价指标：常规能源替代率；可再生能源利用率以及二氧化碳减排量。
3.提出可再生能源复合系统的优化设计方法和形成优化集成技术体系，完成了多种复合系统的能源利用优化集成技术体系，包括太阳能辅助地源热泵供热系统、太阳能辅助空气源热泵供热系统、地源热泵水蓄能系统、地源热泵和冷水机组。研究了各种系统的关键技术和适用情况。
4.开发了可再生能源系统运营管理监控平台构建技术，开发复合系统运营管理监控软件平台，软件平台主要包括能源系统实时监测模块、数据库模块、能耗分析模块、故障诊断模块、系统优化模块等。利用物联网技术，通过云计算实现设备生命体征数据智能分析和可视化展示，同时结合实时数据和建模算法分析来实现能耗的优化。
与国内同类技术相比，具有明显的创新性。
5.建立了可再生能源复合供能系统的示范工程，根据研究的可再生能源规划设计方法与优化利用技术，选取典型建筑进行可再生能源优化利用的示范工程建设。并在该示范工程基础上开发建筑能源系统运营管理监控软件平台。通过将理论研究与技术应用相结合，将典型建筑建设成能源高效利用，节能减碳的示范项目。
与国内技术比较，创新性及先进性如表所示：
对比内容 本项目主要创新 国内 先进性
负荷预测 动态负荷特征因子 无 国际领先
潜力评估 浅层地热能与太阳能利用的潜力评估模型 无 国内领先
优化设计 太阳能与地源热泵的耦合设计方法与控制策略 有 国内领先
监控平台 可再生能源系统运营管理监控平台构建技术 有 国内领先
国家标准 规划、设计、运行及测评全过程的技术体系 无 国内领先

五、推广应用范围、条件和市场前景以及存在的问题等
2020年我国建筑运行阶段碳排放21.6亿t CO2，占全国碳排放总量的比重为21.7%。建筑运行CO2排放的主要来源于化石能源消耗，在建筑能源系统中引入可再生能源，提升建筑能效，减少建筑运行能耗，是建筑领域实现碳减排目标的关键所在。我国现阶段城乡建筑的能耗呈现快速增长趋势，加大了对城乡环境的压力，以电力、散煤为主要能源的城乡建筑能源结构体系亟须调整。城镇地区拥有大量新建及既有城镇建筑，以及周边村镇建筑，很多建筑能源构架不合理，能耗高，CO2排放较严重，加快开发利用可再生能源是城乡建筑能源结构体系改革的重要节能措施，有助于推动城乡地区能源绿色转型发展，调整能源结构，应对气候变化和保护生态环境。
可再生能源复合系统包括太阳能、风能、地热能、水能和生物质能等多种形式，这些能源技术的应用范围不断扩大，前景十分广阔。太阳能的应用范围非常广泛，包括太阳能电池板和太阳能热水器等，可以在任何地方生成电力，供应家庭和工业用电。地热能的应用范围涵盖采暖、供热、发电等多个领域，随着技术的进步，地热能的应用范围正在不断扩大。推广应用条件方面，全球可再生能源市场的发展一直受到政府政策的驱动，各国政府给予可再生能源方面的补贴和税收优惠政策是发展的重要推动因素。此外，随着科技的不断进步和技术突破，可再生能源已经成为世界能源市场中的一大重要板块，市场规模和市场份额也在不断扩大。市场前景方面，全球可再生能源市场的发展潜力巨大，预计到2023年，全球可再生能源市场将达到1.2万亿美元。随着科技创新高度活跃，新一代信息技术、新材料技术为可再生能源高效发展提供有力支撑，储能技术、精准天气预测技术、柔性输电技术、可中断工业负荷技术等持续进步，为可再生能源发展开辟了更加广阔的前景。能源系统形态加速迭代演进，分散化、扁平化、去中心化的趋势特征日益明显，为可再生能源营造了更加开放多元的发展环境。综上所述，随着技术的进步和政策的支持，可再生能源将在能源结构中占据更重要的地位，为人类提供更清洁、更可持续的能源。
存在问题主要为在系统顶层设计方面，需要基于能源需求及演变规律的能源系统形态布局，进行多种能源耦合、供需双侧互动，存在不确定因素多样、利益主体关系复杂、实施难度高等问题。在系统运行层面，存在多能耦合、特性差异大、利益主体协调困难的问题。

目前山东城乡建筑具有规模小，居住分散等特点，不适宜采用集中供热系统。利用太阳能、空气能和地热能等可再生能源对分散建筑供暖，对于缓解环境污染具有重要意义。近几年，太阳能供暖技术发展迅速，但该技术难以长期、连续、稳定提供热能。空气源热泵供暖技术虽然也实现了大面积推广，但存在低温情况下系统化霜频繁，导致能效较低运行费用高的情况。相对于太阳能的间歇性和波动性，地热能因具有稳定、储量大、分布广泛等特点，在建筑供热领域受到广泛关注。地源热泵通过土壤中地埋管换热器的吸放热进行制冷或供暖，具有节能环保、维护费用低、寿命长等优点，但地源热泵长期运行易导致地埋管周围土壤冷热失衡、系统换热效率降低等问题。因此单一能源在城镇建筑供暖改造中很难承担全部建筑供热等用能，约束凸显。若能将太阳能集热系统与空气源/地源热泵相结合，取长补短，既可有效提升空气源热泵效率或使地源热泵机组长期稳定运行，还可提高太阳能集热器利用率，在保证供暖效果的同时提高了系统综合能效比，具有较高的经济效益、环境效益与社会效益。
本项目首先对济南市及其周边城镇与乡村的不同类型、不同功能新建及既有建筑（典型建筑）能耗现状进行调研，对建筑周边可再生能源利用潜力进行评估，建立城乡建筑能源系统诊断技术与评估方法。然后结合不同类型城乡建筑能耗及用能负荷特点和可利用的能源资源特点，研究可再生能源匹配供应技术和绿色高效能源技术，重点研发适宜于不同类型建筑的低成本、易推广、可复制的地热能为主的复合式可再生能源系统。目前缺乏一套针对山东城乡建筑可再生能源复合供能的技术集成体系，因此本研究基于地热能等可再生能源供能技术，构建山东城乡建筑供热空调高能效、低污染的能源体系，探索城乡建筑供热空调节能减排新途径，最后总结建立一套以地热能为主的可再生能源利用优化集成技术体系，促进可再生复合系统在山东城乡建筑中的推广利用，为山东省城乡建筑能源领域尽早实现双碳目标提供关键技术支撑。