地熱能供熱技術的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王貴玲，楊軒，馬凌，周佳琦，沈國華，王婉麗

（1.中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊050061；2.天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津300350；3.海信家電集團股份有限公司，山東青島266000；4.海信（山東）空調(diào)有限公司，山東青島266100；5.天津市華亭科技發(fā)展有限公司，天津300202）

0 引言

我國冬季供暖需求區(qū)域不斷擴大，供熱邊界線不斷南移，持續(xù)快速增長的需求隨之帶來了能耗總量的激增。僅我國北方城鄉(xiāng)建筑取暖總面積就約215 億m2，且仍在持續(xù)增長［1］。雖然近年來北方城鎮(zhèn)供暖能耗強度持續(xù)下降，但一次能耗總量還在增長［2］。持續(xù)增長的用能需求給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大挑戰(zhàn)，探尋清潔高效的供暖方式是滿足供暖需求的必然途徑。

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，帶動了建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，中國建筑業(yè)規(guī)?，F(xiàn)已位居世界第一。建筑面積的不斷增長，也帶來了建筑節(jié)能要求的提高。2019年全球建筑行業(yè)產(chǎn)生的CO2排放達到歷史最高水平——100 億t，基本相當于中國1 年的CO2總排放量［3］。且全球建筑運行相關碳排放量占到了全球總CO2排放的28%［2］。供暖和空調(diào)是最大的建筑能源消耗形式，經(jīng)過調(diào)查研究，中國建筑單位面積能源消耗量比發(fā)達國家高出2～3 倍［4］。2019 年我國出臺了《近零能耗建筑技術標準》（GB/T 51350—2019），涵蓋了超低能耗建筑、近零能耗建筑及零能耗建筑的技術標準，通過建筑被動式設計、主動式高性能能源及可再生能源系統(tǒng)應用，大幅減少化石能源使用，逐步邁向近零能耗，直至零能耗。歐盟的《建筑能效指令》也要求：自2020年12月31日起，所有的新建建筑要達到“近零能耗建筑”標準［5］。在碳達峰、碳中和的時代背景下，我們面臨的是能源替代和能源轉型的挑戰(zhàn)，減少我國冬季采暖所造成的大氣污染，降低供暖空調(diào)系統(tǒng)的能耗、節(jié)約能源是最終目標，而地源熱泵也正是實現(xiàn)建筑零能耗最常用的一種方式［6］。

國家能源局提出到2025年全國地熱能供暖（制冷）面積比2020 年增加50%，到2035 年，地熱能供暖（制冷）面積比2025 年翻一番的目標［7］。要求按照“以灌定采、采灌均衡、水熱均衡”的原則，重點推進中深層地熱能供暖，同時積極開發(fā)淺層地熱能供暖，經(jīng)濟高效替代散煤供暖［8］。地源熱泵技術具有節(jié)能高效、環(huán)保清潔的優(yōu)勢，被廣泛應用于建筑供暖、制冷工程中。截至2019 年年底，我國淺層地源熱泵供能建筑面積已超過8.58 億m2［9］，位居世界第一。淺層地熱利用裝機容量達26.45 GW，年總利用量為2.46×105TJ［10］。在目前中國地熱供暖利用中，地源熱泵占比達7 成左右。據(jù)中國住建部最新統(tǒng)計，截至2020 年年底，全國城市集中供熱面積約98.82億m2［11］，也就是說，地源熱泵供能面積占到了全國8.68%左右。我國2015—2020 年的地源熱泵供能面積由3.92 億m2增長到了8.58 億m2［10，12］，增長率為118.88%；城市集中供暖面積由67.22 億m2增長到了98.82億m2［11］，增長率為47.01%。若按照近5年我國地源熱泵供能面積和城市集中供暖面積的增速計算，到2030 年，我國地源熱泵供能面積將達到41.11 億m2，城市集中供暖面積將達到213.57億m2，也就是說，2030年我國19.25%的城市供暖將由地源熱泵提供。地源熱泵技術通過較少的高品位能源實現(xiàn)低溫位能向高溫位能轉移，一方面能實現(xiàn)冬暖夏涼的基本需求，另一方面可替代傳統(tǒng)的化石能源燃燒供暖，減少環(huán)境污染，是目前暖通空調(diào)應用中既能實現(xiàn)經(jīng)濟效益，又能實現(xiàn)社會效益和環(huán)保效益的技術之一［13］。據(jù)統(tǒng)計，推廣清潔能源供暖以來，2020 年北京空氣質(zhì)量優(yōu)良的天數(shù)為276 d，優(yōu)良率達到75.4%，較上年增加9.6百分點［14］。因此，使用清潔能源供暖勢在必行。

1 地熱資源及利用模式

1.1 地熱資源稟賦及利用現(xiàn)狀

1.1.1 資源稟賦及分布

世界地熱能基礎資源總量約為4.27×1016t標準煤［15］，地熱能儲量多集中分布在構造板塊邊緣一帶，分布相對分散。

我國地熱資源儲量豐富，約占全球地熱資源的1/6，以中低溫為主，分布如圖1所示［16-18］。淺層地熱能資源遍布全國，年可開采資源量折合7 億t 標準煤［12］。淺層（200 m 深度內(nèi)）地溫梯度總體分布為北高南低，南方平均值為2.45 ℃/hm，北方大部分地區(qū)地溫梯度由西向東逐漸升高，平均值為3.00 ℃/hm［16］。中深層地熱資源主要集中在大型沉積盆地和山地斷裂帶上，以水熱型地熱資源為主，資源量折合12.5 Tt 標準煤，相當于2019 年全國能源消耗的257倍，年可開采資源量折合19 億t 標準煤［12］。沉積盆地地熱資源主要分布在我國東部中、新生代平原盆地，包括華北平原、江淮平原、松遼盆地等地區(qū)，資源量折合標準煤1.06 Tt［16］，是我國重要的地熱開發(fā)潛力區(qū)。高溫地熱資源則分布在位于喜馬拉雅地熱帶的新、藏、川、滇和位于環(huán)太平洋地熱帶的臺灣地區(qū)。地熱資源總體分布具有“東高西低、南高北低”的特點，大陸地區(qū)總體熱背景不高，平均大地熱流密度為63 mW/m2［17］。

圖1 中國地熱資源分布［16-18］Fig.1 Geothermal resources distribution in China［16-18］

1.1.2 利用現(xiàn)狀

截至2019年年底，世界地熱直接利用總裝機容量為107.727 GW［9］，中國地熱直接利用裝機容量位居世界第一。我國2015 年地熱能年利用總量約為6.0×105TJ［19］，主要利用形式為水熱型及淺層地熱能，其中通過熱泵為民/商用建筑供冷供熱為最主要的利用形式，年利用量約為3.1×105TJ，約占地熱能年利用總量的51.7%［20-21］。我國淺層地熱能開發(fā)利用區(qū)劃如圖2 所示［22］，336 個地級以上城市80%的土地適宜利用淺層地熱能，可實現(xiàn)建筑物夏季制冷面積3.26×1010m2，冬季供暖面積3.23×1010m2［22］。其中，地下水地源熱泵系統(tǒng)夏季可制冷面積5.59×109m2，冬季可供暖面積3.61×109m2；地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季可制冷面積3.56×1010m2，冬季可供暖面積3.75×1010m2［18］。

圖2 我國淺層地熱能開發(fā)利用分區(qū)［22］Fig.2 Zoning of shallow geothermal energy development and utilization in China［22］

從淺層地熱能的開發(fā)利用方式來看，城市地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)占總面積的29%，較適宜區(qū)占53%；地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)占總面積的11%，較適宜區(qū)占27%［23］。

除了淺層地熱能，中深層水熱型地熱能利用也呈現(xiàn)良好發(fā)展趨勢。截至2015年年底，全世界水熱型地熱能供暖裝機容量為7 556 MW，占世界地熱能直接利用總裝機容量的10.7%［15］。我國水熱型地熱資源利用方式中，地熱發(fā)電占0.50%，供熱采暖占32.70%，醫(yī)療洗浴與娛樂健身占32.32%，養(yǎng)殖占2.55%，種植占17.93%，工業(yè)利用占0.44%，其他占13.56%［18］。作為水熱型地熱資源中占有份額最大的利用方式，供熱采暖利用已有上千年的歷史，改革開放后，水熱型地熱供暖的開發(fā)利用在規(guī)模、深度和廣度上都有很大發(fā)展。截至2019年年底，我國水熱型地熱資源可利用量達14.16 GW［23］，近10 年來，我國水熱型地熱能直接利用量更是以年均10%的速度增長，已連續(xù)多年位居世界首位［24］。截至2014 年年底，全國水熱型地熱資源供暖利用面積為6 032 萬m2，2016 年增至1.02 億m2，2017 年年底超過1.50億m2，其中山東、河北、河南增長較快［24］。截至2019 年，北方地區(qū)中深層地熱供暖面積約1.52億m2［9］。

在所有地熱供暖地區(qū)中，天津是我國利用地熱供暖規(guī)模最大的城市，全市擁有140個地熱站，每年地熱水開采量為2 600萬t，地熱供暖面積達到2 500萬m2，約占全市集中供暖總面積的6%［23］。截至2016年，天津市地熱供暖面積達2 503萬m2，占全國的1/4［25］。河北省也是中深層地熱供暖利用大戶，目前全省約有200 口地熱井進行地熱供熱，面積953萬m2，主要集中在平原地區(qū)，如雄縣、任丘、肅寧、黃驊、滄州、衡水、深州、故城等縣市［26］。特別是在河北雄縣，水熱型地熱資源滿足了450 萬m2建筑面積的集中供暖需求，占全縣城95%以上的供熱需求，創(chuàng)建了中國首個供暖“無煙城”［22］，同時對地熱供暖的尾水實施回灌，保護地熱資源實現(xiàn)了可持續(xù)開發(fā)，形成了水熱型地熱能規(guī)?；_發(fā)利用“雄縣模式”。

除了京津冀地區(qū)，中深層地熱供暖在其他省份也呈現(xiàn)出了快速增長的發(fā)展態(tài)勢，在全國各地都有試點，如西安、咸陽、鄭州、鞍山等地［27］?？傮w來看，我國中深層地熱供暖已輻射河北、陜西、山西、河南、山東、湖北、天津等13個省區(qū)市。

1.2 地熱資源利用模式——精準施策

根據(jù)地熱資源分布情況，我國地熱利用已形成“東熱、南冷、西電”，即京津冀地區(qū)地熱供暖、東南沿海地區(qū)旅游療養(yǎng)及供冷和西南地區(qū)高溫地熱發(fā)電的開發(fā)利用格局。

京津冀地區(qū)以中低溫地熱資源為主，宜將淺層地熱能與水熱型地熱能相結合，形成深淺聯(lián)用、梯級利用的供暖模式。采用地熱供暖替代散煤燃燒，“雄縣模式”不失為一種很好的城市地熱能開發(fā)利用解決方案。雄安新區(qū)1個供暖季的地熱供暖運行成本約16 元/m2，低于燃煤鍋爐的采暖運行成本22元/m2，價格降低了約28%［28］。據(jù)統(tǒng)計京津冀當前建筑物地熱供暖面積僅2 億m2，而該地區(qū)地熱供暖能力超過了10億m2，潛力巨大。

東南沿海地區(qū)地熱資源豐富，以豐順為代表形成了旅游療養(yǎng)和地熱制冷為主的綜合利用模式。目前已建成的地熱發(fā)電尾水集約化綜合利用系統(tǒng)，是將豐順地熱電站92 ℃的地熱水首先經(jīng)過閃蒸發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，發(fā)電后約75 ℃的尾水再進行以地熱制冷、熱泵和洗浴為主的綜合利用，可以實現(xiàn)地熱資源綜合利用率達70%以上。具體過程包括5 級利用，如圖3所示。

圖3 地熱綜合利用示意Fig.3 Schematic of comprehensive geothermal utilization

（1）第1 級（92 ℃→75 ℃）：地熱發(fā)電，92 ℃的地熱水經(jīng)過閃蒸器產(chǎn)生蒸汽，然后推動汽輪機發(fā)電，為居民提供生活用電。

（2）第2 級（75 ℃→65 ℃）：地熱制冷，75 ℃的地熱水用于驅動2 級溴化鋰吸收式制冷機組，為溫泉酒店提供夏季空調(diào)，同時兼顧冬季供暖。選定機組制冷量為300 kW，計算得到所需地熱水流量為40 m3/h。

（3）第3 級（65 ℃→55 ℃）：地熱干燥，地熱制冷后60 ℃左右的地熱水用來加熱空氣干燥新鮮龍眼或酒店客房衣物，根據(jù)裝置干燥能力，計算得到所需地熱水流量為40 m3/h，與第1級水量相當。

（4）第4 級（55 ℃→35 ℃）：地熱洗浴，干燥后50 ℃地熱水可以提供給酒店客房洗浴用水和溫泉池洗浴用水，客房洗浴用水量約為50 m3/d，游泳池用水量約為1 000 m3/d，其熱水需求與第1 級水量相當。

（5）第5 級（35 ℃→25 ℃）：地熱熱泵，洗浴后的35 ℃地熱水用于驅動高溫熱泵機組，產(chǎn)生的熱水用于冬季酒店采暖以及應對溫泉酒店的高峰熱水需求。

秦嶺以南地區(qū)則基本沒有集中供暖基礎設施，適宜使用區(qū)域或分散的地熱供暖。居民普遍的供暖習慣是間歇式局部供暖，且供熱、供冷量不匹配。以武漢一水源熱泵小區(qū)為例，該小區(qū)于2009 年建成，建筑面積約5 萬m2。小區(qū)使用2 臺螺桿式水源熱泵機組進行區(qū)域供暖與供冷，水系統(tǒng)形式為一級泵變流量系統(tǒng)。系統(tǒng)末端為風機管盤，末端安裝電動閥可調(diào)節(jié)流量，住戶可按自身需求調(diào)節(jié)高、中、低3 檔風速。絕大部分住戶目前對冬季室內(nèi)情況較為滿意，且認為經(jīng)濟性好。但也有住戶感覺風機盤管的效果不太好，冬天室內(nèi)沒有完全熱起來［29］。

西藏、川西、滇北等西南地區(qū)高溫地熱資源富集，其主要利用形式是地熱發(fā)電。羊八井地熱淺層開發(fā)利用自1975年開始，截至2020年6月累計發(fā)電3.425 TW·h［30］，是我國規(guī)模最大、運行最久的地熱電站。世界海拔最高的地熱電站——羊易16 MW電站，實現(xiàn)了地熱尾水100%回灌，工程一期項目于2018 年并網(wǎng)成功，2020 年實現(xiàn)年上網(wǎng)結算電量0.110 TW·h［30］，成為當前中國運行中的單機裝機最大的地熱發(fā)電廠。

針對不同地區(qū)的地熱資源特點，結合實際供能需求精準施策，尋求適合的地熱利用方式，形成不同地區(qū)的地熱利用模式，是源于自然、利用自然的最好回饋。

2 地埋管地源熱泵工程應用及供能特點

本文著重總結了地埋管地源熱泵工程應用案例，分析其供能特點。地埋管地源熱泵系統(tǒng)是利用土壤作為熱源或熱匯，由1 組或多組埋于地下的地埋管換熱器與熱泵機組構成，稱之為閉式環(huán)路，也成閉環(huán)地源熱泵或土壤源熱泵。

根據(jù)地熱熱儲的分類，將地埋管深度在0～200 m 范圍內(nèi)的系統(tǒng)稱為淺層地埋管地源熱泵系統(tǒng)，將埋管深度在200～3 000 m 范圍內(nèi)的地源熱泵系統(tǒng)稱為中深層地源熱泵系統(tǒng)。典型地埋管地源熱泵工程應用項目見表1。

表1 典型地埋管地源熱泵工程應用項目Tab.1 Typical GSHP engineering cases

2.1 淺層地埋管地源熱泵技術

2.1.1 天津首個地源熱泵工程：梅江生態(tài)小區(qū)辦公樓

天津市首個實用地源熱泵工程的應用建筑為天津梅江生態(tài)小區(qū)綜合辦公樓。該工程建筑面積3 715 m2，于2001 年開始籌劃、預研、測試，自2003年冬季開始正式運行，目前已連續(xù)運行近18年。該工程以土壤作為冷熱源，包括樁埋管、垂直埋管及水平埋管3種地埋管形式，如圖4所示。

圖4 地埋管形式Fig.4 Types of underground heat exchangers

該工程建設了較為完善的自動監(jiān)測系統(tǒng)，可實時采集并記錄地下與地上溫度、流量、電功率等關鍵運行參數(shù)。通過監(jiān)測系統(tǒng)積累了較為豐富的實際運行數(shù)據(jù)，結果表明埋管地源熱泵系統(tǒng)在冬季供熱和夏季制冷的間歇運行中，性能穩(wěn)定，效果良好，達到了設計要求。冬季室內(nèi)保持18～22 ℃，夏季保持在25 ℃左右［41］。地埋管換熱器附近地溫與地面空氣溫度相比冬高夏低，使得熱泵機組可在較高效率下運行。

針對該項目的經(jīng)濟性進行了詳細計算［42］，可知與煤炭、天然氣、電等幾種常規(guī)供暖空調(diào)方式相比，地埋管地源熱泵技術具有很大的節(jié)能優(yōu)勢。

但是數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)夏季排熱負荷約是冬季吸熱負荷的2.56 倍，累計排熱量是累計吸熱量的2.96 倍，排熱量比吸熱量多2.85×108kJ，使得地下土壤的冷熱量不平衡，造成地下土壤溫度升高。試驗表明，經(jīng)過1 年冬、夏季供暖空調(diào)運行，地下土壤溫度升高了2～4 ℃。這有利于熱泵系統(tǒng)冬季吸熱運行，但不利于夏季排熱運行［43］。長期的土壤熱量收支不平衡，造成土壤溫度的持續(xù)升高或者降低，不僅使系統(tǒng)的運行性能下降，也給生態(tài)環(huán)境帶來極大的影響。

針對冷熱不均衡的問題，可采用“混合式系統(tǒng)”方案來解決［43］，如“地埋管冷卻塔”適用于排熱量大于吸熱量的情況，或“地埋管輔助熱源”方式適用于吸熱量大于排熱量情況，通過這些手段來平衡地溫。

2.1.2 中國最大的多能互補地源熱泵工程：北京大興國際機場

于2019 年9 月正式通航的北京大興國際機場，不僅擁有世界最大的單體航站樓，還擁有我國最大規(guī)模的地源熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括2座地源熱泵供熱站，僅供熱站的建筑面積就超過了1.7 萬m2［40］。該系統(tǒng)所布置的地埋管位于機場蓄滯洪區(qū)內(nèi)［40，44］，埋管總數(shù)達10 680個，埋管面積達26.7萬m2。系統(tǒng)合計冬季供熱能力54.2 MW，夏季供冷能力48.8 MW。系統(tǒng)本期供能面積約100 萬m2，遠期供能面積約250 萬m2［40］。由于新機場要求設備制熱出水溫度達到50 ℃，機組運行壓差比較大，本系統(tǒng)采用了全降膜變頻離心式熱泵機組等技術。此外，該系統(tǒng)還耦合了煙氣余熱、污水余熱等可再生能源，形成了多能互補地源熱泵系統(tǒng)，實現(xiàn)了可再生能源利用率10%的建設目標。

2.2 中深層地源熱泵無干擾供熱技術

由清華大學聯(lián)合陜西四季春清潔熱源股份有限公司研發(fā)的中深層地熱能無干擾清潔供熱技術是目前覆蓋面積最廣的中深層地熱清潔供暖案例之一。該供暖技術熱源側采用封閉式換熱器，以地下2～3 km 深的中深層地熱能作為熱泵的低溫熱源，完全做到了“取熱不取水”。此外，由于該技術中鉆孔直徑小，對地下土壤巖石破壞較小。工程實測循環(huán)水流量一般為20～30 m3/h，熱源側出水溫度在20.1～29.8 ℃之間，單孔取熱量158～288 kW，每米孔深換熱量為79～144 W，熱泵機組性能系數(shù)（COP）達5～6，供熱系統(tǒng)綜合COP 達3～4［45］。2019 年，該系統(tǒng)已經(jīng)在灃西新城實現(xiàn)近400 萬m2的集中供暖面積。2020 年冬季該數(shù)字增至600 萬m2，目前灃西能源推廣應用中深層地熱供熱面積已突破1 500 萬m2，并將探索創(chuàng)新成果成功輸出至河南鄭東新區(qū)、西咸能源金貿(mào)區(qū)。該技術取得的環(huán)境效益也非常明顯，以4 個月供暖季為例，1 000 萬m2的中深層供熱項目可以取代標準煤16 萬t，減排CO2達43 萬t。其投資成本為200～300 元/m2不等，運行成本僅為市政供暖的50%［46］。

2.3 地源熱泵供能特點分析

由上節(jié)中的工程案例可知，地埋管地源熱泵具有應用范圍廣、對生態(tài)環(huán)境無干擾、低碳環(huán)保的優(yōu)勢，該地源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷，還可供生活熱水，一機多用，1 套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)2 套裝置或系統(tǒng)；可應用于住宅、商場、辦公樓、學校等建筑，改善建筑的外觀和城市的風貌。同時地熱能屬于清潔能源，熱泵系統(tǒng)運行沒有燃燒、排煙等過程，也沒有廢棄物產(chǎn)生，因此地埋管地源熱泵系統(tǒng)碳減排潛力較大。同時，地埋管地源熱泵技術也面臨較大的技術難題，比如淺層地埋管占地面積大、冷熱不平衡，而中深層地埋管初投資較高、換熱效率較低等。具體來說，如供暖制冷負荷不匹配導致熱枯竭或溫度失衡、換熱效率不足導致地熱井利用率和經(jīng)濟性較差等。而且在實際應用中，通常也會遇到多種問題同時出現(xiàn)，互相牽制，進一步加劇了地熱高效可持續(xù)利用的復雜性。

目前淺層地埋管地源熱泵供能系統(tǒng)適合埋管地域充足的大規(guī)模應用；地表水地源熱泵系統(tǒng)熱源側的形式又包括單井采灌、對井抽灌等，該系統(tǒng)對地下水資源的依賴性較強，適合在地熱地質(zhì)資源豐富的地區(qū)應用；除此之外，中深層地源熱泵供能系統(tǒng)也是目前前景廣闊、亟待挖掘的供能方式。

3 地源熱泵技術發(fā)展趨勢

3.1 推廣地熱資源勘探技術

我國地熱資源種類豐富、分布廣泛，具有巨大的應用潛力。未來可發(fā)揮地球物理與地球化學勘探技術的優(yōu)勢，來獲取熱儲資源的準確位置和特性，特別是地層物性參數(shù)、地熱水特性參數(shù)及地熱資源分布區(qū)域，從而提高地熱井鉆探效率、節(jié)約投資成本。

3.2 強化低成本高效率的地熱資源開采技術

地熱資源的開采和應用應把握“因地制宜、可持續(xù)開采”的原則，需要結合地熱資源特性做到開采方式與地熱資源種類對應、用能溫度與地熱資源溫度對應、用能強度與地熱資源儲量匹配?？蓮膬煞矫嫒胧郑阂皇切纬蛇m用于多種地熱資源和用能形式的普適化用能方案，例如面向中深層取熱不取水開采理念的閉式同軸套管技術、面向保水取熱開采理念的單井采灌、面向無泵循環(huán)取熱原理的超長重力熱管地熱換熱器等，實現(xiàn)多種地熱能開采方式技術的細分、完善與整合；二是從地層循環(huán)空間的視角解決地熱水回灌技術問題，對于有地熱水循環(huán)空間的地層應在地熱能開采的同時做到同層、高效、無污染回灌，維持熱儲壓力，實現(xiàn)采灌均衡；對于無循環(huán)空間的地層應著力進行儲層建造，構造循環(huán)空間，例如干熱巖地層壓裂及灌注流體等熱儲改造增產(chǎn)技術。同時注重高效鉆井技術的研發(fā)，降低開采成本，提高投資回報率。

3.3 發(fā)揮地熱利用的清潔、可持續(xù)優(yōu)勢

地熱利用目前存在的主要問題是取熱效率低且冷熱不均衡，對于這2 個問題的解決要重點依靠補給+儲能+強化換熱的多方案有機結合。具體來說，源側的地熱能開采應以“補給+回灌+儲能”為最大容量確定地熱系統(tǒng)的換熱能力和換熱方式，如圖5 所示的不同深度地熱井互補的跨季蓄能模式，大地熱流可持續(xù)為深井供給熱量。夏季使用淺層輔井進行供冷，同時利用中深層主井給輔井補熱，蓄存足夠的熱量以保證冬季供暖需求；冬季則使用主井和輔井同時進行供暖。據(jù)估算，該跨季蓄能模式可節(jié)省50%地下系統(tǒng)的初投資。

圖5 淺中深互補的跨季蓄能模式示意Fig.5 Comprehensive energy system of shallow，medium and deep geothermal energy hybrid with the seasonal energy storage

負荷側的地熱能供給應當平衡供能和用能的強度差異，提高地熱系統(tǒng)的供能強度范圍，推廣多種新型地熱換熱器的應用。此外，可持續(xù)理念還應包括環(huán)境效益和減碳潛力，如以CO2為工質(zhì)的地下?lián)Q熱器有望得到進一步發(fā)展與應用。

多種新型地熱換熱器如多管地埋管換熱器、螺旋形地埋管換熱器、新型梅花管換熱器、直膨式地下?lián)Q熱器系統(tǒng)等如圖6所示［47-49］。

圖6 多種新型地熱換熱器［47-48］Fig.6 Various new geothermal heat exchangers［47-48］

3.4 探索地源熱泵與多能源耦合供能模式

采用地源熱泵與多種能源耦合，發(fā)展多能利用方式耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置，可做到多種能源融合互補、有序輸出。例如天津中新生態(tài)城綜合能源系統(tǒng)包含地源熱泵系統(tǒng)、水蓄能系統(tǒng)、三聯(lián)供系統(tǒng)、電制冷系統(tǒng)等多種能源子系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)構建了相關能源設備的能效模型，并在此基礎上建立了能源站優(yōu)化運行調(diào)度平臺，如圖7所示。

圖7 能源站優(yōu)化運行調(diào)度平臺Fig.7 Optimized operation and dispatching platform of the energy station

該平臺以各能源子系統(tǒng)能效模型為基礎建立簡化費用模型，代入設備的運行參數(shù)及能源價格體系得到各子系統(tǒng)在不同負荷率下的運行費用，通過將運行費用進行對比、分析得到各子系統(tǒng)的優(yōu)先調(diào)度次序原則及設備的適宜荷載率運行區(qū)間。平臺可根據(jù)氣象預報數(shù)據(jù)、歷史運行數(shù)據(jù)等預測未來24 h建筑冷/熱負荷，然后結合設備的實際調(diào)節(jié)情況，進行各子系統(tǒng)的供能能力分檔，將其與用戶側的預測負荷進行相互匹配，得到供能約束條件。最后根據(jù)設備的運行調(diào)節(jié)約束及蓄能系統(tǒng)放冷量約束，以經(jīng)濟性最優(yōu)為目標，通過優(yōu)化算法提供能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度策略。

4 結論

（1）我國地熱資源儲量豐富，地源熱泵具有應用范圍廣、一機多用、節(jié)能環(huán)保等顯著優(yōu)勢，可根據(jù)當?shù)責醿l件，選用適宜的地源熱泵形式，將蘊藏在地下水、地表水或土壤中的地熱能用于建筑供能。

（2）目前淺層地埋管地源熱泵供暖技術是使用最廣泛、技術最成熟的工程應用形式。因此，在實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的過程中，淺層地熱能將作出巨大貢獻。中深層地源熱泵供暖技術近年來獲得了快速發(fā)展，但目前仍存在冷熱不平衡、熱枯竭、采灌不均衡引起的地面沉降等問題，未來在系統(tǒng)經(jīng)濟性與可持續(xù)利用方面仍需進一步研究。

（3）為了實現(xiàn)地熱能資源的可持續(xù)開采和地源熱泵系統(tǒng)的高效利用，應當從地熱資源勘探、開采、利用等多方面進行技術突破。與此同時，開發(fā)更多井下?lián)Q熱形式，提高換熱效率，并將地上與地下充分匹配融合，發(fā)展多能耦合的供能系統(tǒng)，提高投資回報率，使地源熱泵系統(tǒng)具有更強的市場競爭力。