地?zé)崮芄峒夹g(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王貴玲，楊軒，馬凌，周佳琦，沈國華，王婉麗

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊050061；2.天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300350；3.海信家電集團(tuán)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(kuò)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(qiáng)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(jìn)程的不斷推進(jìn)，帶動(dòng)了建筑業(yè)持續(xù)發(fā)展，中國建筑業(yè)規(guī)模現(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(dá)到歷史最高水平——100 億t，基本相當(dāng)于中國1 年的CO2總排放量［3］。且全球建筑運(yùn)行相關(guān)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(dá)國家高出2～3 倍［4］。2019 年我國出臺(tái)了《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（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(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過建筑被動(dòng)式設(shè)計(jì)、主動(dòng)式高性能能源及可再生能源系統(tǒng)應(yīng)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(dá)到“近零能耗建筑”標(biāo)準(zhǔn)［5］。在碳達(dá)峰、碳中和的時(shí)代背景下，我們面臨的是能源替代和能源轉(zhuǎn)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(biāo)，而地源熱泵也正是實(shí)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?zé)崮芄┡ㄖ评洌┟娣e比2020 年增加50%，到2035 年，地?zé)崮芄┡ㄖ评洌┟娣e比2025 年翻一番的目標(biāo)［7］。要求按照“以灌定采、采灌均衡、水熱均衡”的原則，重點(diǎn)推進(jìn)中深層地?zé)崮芄┡?，同時(shí)積極開發(fā)淺層地?zé)崮芄┡?jīng)濟(jì)高效替代散煤供暖［8］。地源熱泵技術(shù)具有節(jié)能高效、環(huán)保清潔的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)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?zé)崂醚b機(jī)容量達(dá)26.45 GW，年總利用量為2.46×105TJ［10］。在目前中國地?zé)峁┡弥?，地源熱泵占比達(dá)7 成左右。據(jù)中國住建部最新統(tǒng)計(jì)，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(jì)算，到2030 年，我國地源熱泵供能面積將達(dá)到41.11 億m2，城市集中供暖面積將達(dá)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(shù)通過較少的高品位能源實(shí)現(xiàn)低溫位能向高溫位能轉(zhuǎn)移，一方面能實(shí)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(yīng)用中既能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，又能實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益和環(huán)保效益的技術(shù)之一［13］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dá)到75.4%，較上年增加9.6百分點(diǎn)［14］。因此，使用清潔能源供暖勢(shì)在必行。

1 地?zé)豳Y源及利用模式

1.1 地?zé)豳Y源稟賦及利用現(xiàn)狀

1.1.1 資源稟賦及分布

世界地?zé)崮芑A(chǔ)資源總量約為4.27×1016t標(biāo)準(zhǔn)煤［15］，地?zé)崮軆?chǔ)量多集中分布在構(gòu)造板塊邊緣一帶，分布相對(duì)分散。

我國地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富，約占全球地?zé)豳Y源的1/6，以中低溫為主，分布如圖1所示［16-18］。淺層地?zé)崮苜Y源遍布全國，年可開采資源量折合7 億t 標(biāo)準(zhǔn)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?zé)豳Y源主要集中在大型沉積盆地和山地?cái)嗔褞?，以水熱型地?zé)豳Y源為主，資源量折合12.5 Tt 標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)煤［12］。沉積盆地地?zé)豳Y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(biāo)準(zhǔn)煤1.06 Tt［16］，是我國重要的地?zé)衢_發(fā)潛力區(qū)。高溫地?zé)豳Y源則分布在位于喜馬拉雅地?zé)釒У男?、藏、川、滇和位于環(huán)太平洋地?zé)釒У呐_(tái)灣地區(qū)。地?zé)豳Y源總體分布具有“東高西低、南高北低”的特點(diǎn)，大陸地區(qū)總體熱背景不高，平均大地?zé)崃髅芏葹?3 mW/m2［17］。

圖1 中國地?zé)豳Y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?zé)嶂苯永每傃b機(jī)容量為107.727 GW［9］，中國地?zé)嶂苯永醚b機(jī)容量位居世界第一。我國2015 年地?zé)崮苣昀每偭考s為6.0×105TJ［19］，主要利用形式為水熱型及淺層地?zé)崮?，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?zé)崮苣昀每偭康?1.7%［20-21］。我國淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用區(qū)劃如圖2 所示［22］，336 個(gè)地級(jí)以上城市80%的土地適宜利用淺層地?zé)崮?，可?shí)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?zé)崮荛_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?zé)崮艿拈_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?zé)崮?，中深層水熱型地?zé)崮芾靡渤尸F(xiàn)良好發(fā)展趨勢(shì)。截至2015年年底，全世界水熱型地?zé)崮芄┡b機(jī)容量為7 556 MW，占世界地?zé)崮苤苯永每傃b機(jī)容量的10.7%［15］。我國水熱型地?zé)豳Y源利用方式中，地?zé)岚l(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?zé)豳Y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?zé)峁┡拈_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?zé)豳Y源可利用量達(dá)14.16 GW［23］，近10 年來，我國水熱型地?zé)崮苤苯永昧扛且阅昃?0%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?zé)豳Y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?zé)峁┡娣e約1.52億m2［9］。

在所有地?zé)峁┡貐^(qū)中，天津是我國利用地?zé)峁┡?guī)模最大的城市，全市擁有140個(gè)地?zé)嵴?，每年地?zé)崴_采量為2 600萬t，地?zé)峁┡娣e達(dá)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?zé)峁┡娣e達(dá)2 503萬m2，占全國的1/4［25］。河北省也是中深層地?zé)峁┡么髴?，目前全省約有200 口地?zé)峋M(jìn)行地?zé)峁幔娣e953萬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?zé)豳Y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(gè)供暖“無煙城”［22］，同時(shí)對(duì)地?zé)峁┡奈菜畬?shí)施回灌，保護(hù)地?zé)豳Y源實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)開發(fā)，形成了水熱型地?zé)崮芤?guī)模化開發(fā)利用“雄縣模式”。

除了京津冀地區(qū)，中深層地?zé)峁┡谄渌》菀渤尸F(xiàn)出了快速增長的發(fā)展態(tài)勢(shì)，在全國各地都有試點(diǎn)，如西安、咸陽、鄭州、鞍山等地［27］。總體來看，我國中深層地?zé)峁┡演椛浜颖?、陜西、山西、河南、山東、湖北、天津等13個(gè)省區(qū)市。

1.2 地?zé)豳Y源利用模式——精準(zhǔn)施策

根據(jù)地?zé)豳Y源分布情況，我國地?zé)崂靡研纬伞皷|熱、南冷、西電”，即京津冀地區(qū)地?zé)峁┡?、東南沿海地區(qū)旅游療養(yǎng)及供冷和西南地區(qū)高溫地?zé)岚l(fā)電的開發(fā)利用格局。

京津冀地區(qū)以中低溫地?zé)豳Y源為主，宜將淺層地?zé)崮芘c水熱型地?zé)崮芟嘟Y(jié)合，形成深淺聯(lián)用、梯級(jí)利用的供暖模式。采用地?zé)峁┡娲⒚喝紵?，“雄縣模式”不失為一種很好的城市地?zé)崮荛_發(fā)利用解決方案。雄安新區(qū)1個(gè)供暖季的地?zé)峁┡\(yùn)行成本約16 元/m2，低于燃煤鍋爐的采暖運(yùn)行成本22元/m2，價(jià)格降低了約28%［28］。據(jù)統(tǒng)計(jì)京津冀當(dāng)前建筑物地?zé)峁┡娣e僅2 億m2，而該地區(qū)地?zé)峁┡芰Τ^了10億m2，潛力巨大。

東南沿海地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，以豐順為代表形成了旅游療養(yǎng)和地?zé)嶂评錇橹鞯木C合利用模式。目前已建成的地?zé)岚l(fā)電尾水集約化綜合利用系統(tǒng)，是將豐順地?zé)犭娬?2 ℃的地?zé)崴紫冉?jīng)過閃蒸發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，發(fā)電后約75 ℃的尾水再進(jìn)行以地?zé)嶂评洹岜煤拖丛橹鞯木C合利用，可以實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源綜合利用率達(dá)70%以上。具體過程包括5 級(jí)利用，如圖3所示。

圖3 地?zé)峋C合利用示意Fig.3 Schematic of comprehensive geothermal utilization

（1）第1 級(jí)（92 ℃→75 ℃）：地?zé)岚l(fā)電，92 ℃的地?zé)崴?jīng)過閃蒸器產(chǎn)生蒸汽，然后推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，為居民提供生活用電。

（2）第2 級(jí)（75 ℃→65 ℃）：地?zé)嶂评洌?5 ℃的地?zé)崴糜隍?qū)動(dòng)2 級(jí)溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，為溫泉酒店提供夏季空調(diào)，同時(shí)兼顧冬季供暖。選定機(jī)組制冷量為300 kW，計(jì)算得到所需地?zé)崴髁繛?0 m3/h。

（3）第3 級(jí)（65 ℃→55 ℃）：地?zé)岣稍铮責(zé)嶂评浜?0 ℃左右的地?zé)崴脕砑訜峥諝飧稍镄迈r龍眼或酒店客房衣物，根據(jù)裝置干燥能力，計(jì)算得到所需地?zé)崴髁繛?0 m3/h，與第1級(jí)水量相當(dāng)。

（4）第4 級(jí)（55 ℃→35 ℃）：地?zé)嵯丛?，干燥?0 ℃地?zé)崴梢蕴峁┙o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(jí)水量相當(dāng)。

（5）第5 級(jí)（35 ℃→25 ℃）：地?zé)釤岜?，洗浴后?5 ℃地?zé)崴糜隍?qū)動(dòng)高溫?zé)岜脵C(jī)組，產(chǎn)生的熱水用于冬季酒店采暖以及應(yīng)對(duì)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(chǔ)設(shè)施，適宜使用區(qū)域或分散的地?zé)峁┡?。居民普遍的供暖?xí)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(tái)螺桿式水源熱泵機(jī)組進(jìn)行區(qū)域供暖與供冷，水系統(tǒng)形式為一級(jí)泵變流量系統(tǒng)。系統(tǒng)末端為風(fēng)機(jī)管盤，末端安裝電動(dòng)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(fēng)速。絕大部分住戶目前對(duì)冬季室內(nèi)情況較為滿意，且認(rèn)為經(jīng)濟(jì)性好。但也有住戶感覺風(fēng)機(jī)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?zé)豳Y源富集，其主要利用形式是地?zé)岚l(fā)電。羊八井地?zé)釡\層開發(fā)利用自1975年開始，截至2020年6月累計(jì)發(fā)電3.425 TW·h［30］，是我國規(guī)模最大、運(yùn)行最久的地?zé)犭娬?。世界海拔最高的地?zé)犭娬尽蛞?6 MW電站，實(shí)現(xiàn)了地?zé)嵛菜?00%回灌，工程一期項(xiàng)目于2018 年并網(wǎng)成功，2020 年實(shí)現(xiàn)年上網(wǎng)結(jié)算電量0.110 TW·h［30］，成為當(dāng)前中國運(yùn)行中的單機(jī)裝機(jī)最大的地?zé)岚l(fā)電廠。

針對(duì)不同地區(qū)的地?zé)豳Y源特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際供能需求精準(zhǔn)施策，尋求適合的地?zé)崂梅绞?，形成不同地區(qū)的地?zé)崂媚Ｊ?，是源于自然、利用自然的最好回饋?/p>

2 地埋管地源熱泵工程應(yīng)用及供能特點(diǎn)

本文著重總結(jié)了地埋管地源熱泵工程應(yīng)用案例，分析其供能特點(diǎn)。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(jī)組構(gòu)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?zé)釤醿?chǔ)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(yīng)用項(xiàng)目見表1。

表1 典型地埋管地源熱泵工程應(yīng)用項(xiàng)目Tab.1 Typical GSHP engineering cases

2.1 淺層地埋管地源熱泵技術(shù)

2.1.1 天津首個(gè)地源熱泵工程：梅江生態(tài)小區(qū)辦公樓

天津市首個(gè)實(shí)用地源熱泵工程的應(yīng)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(yù)研、測(cè)試，自2003年冬季開始正式運(yùn)行，目前已連續(xù)運(yùn)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(shè)了較為完善的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)采集并記錄地下與地上溫度、流量、電功率等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)。通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)積累了較為豐富的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)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(yùn)行中，性能穩(wěn)定，效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)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(jī)組可在較高效率下運(yùn)行。

針對(duì)該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)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(shù)具有很大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

但是數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)夏季排熱負(fù)荷約是冬季吸熱負(fù)荷的2.56 倍，累計(jì)排熱量是累計(jì)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(yàn)表明，經(jīng)過1 年冬、夏季供暖空調(diào)運(yùn)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(yùn)行，但不利于夏季排熱運(yùn)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(yùn)行性能下降，也給生態(tài)環(huán)境帶來極大的影響。

針對(duì)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(bǔ)地源熱泵工程：北京大興國際機(jī)場

于2019 年9 月正式通航的北京大興國際機(jī)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(jī)場蓄滯洪區(qū)內(nèi)［40，44］，埋管總數(shù)達(dá)10 680個(gè)，埋管面積達(dá)26.7萬m2。系統(tǒng)合計(jì)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(yuǎn)期供能面積約250 萬m2［40］。由于新機(jī)場要求設(shè)備制熱出水溫度達(dá)到50 ℃，機(jī)組運(yùn)行壓差比較大，本系統(tǒng)采用了全降膜變頻離心式熱泵機(jī)組等技術(shù)。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(bǔ)地源熱泵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了可再生能源利用率10%的建設(shè)目標(biāo)。

2.2 中深層地源熱泵無干擾供熱技術(shù)

由清華大學(xué)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?zé)崮軣o干擾清潔供熱技術(shù)是目前覆蓋面積最廣的中深層地?zé)崆鍧嵐┡咐?。該供暖技術(shù)熱源側(cè)采用封閉式換熱器，以地下2～3 km 深的中深層地?zé)崮茏鳛闊岜玫牡蜏責(zé)嵩?，完全做到了“取熱不取水”。此外，由于該技術(shù)中鉆孔直徑小，對(duì)地下土壤巖石破壞較小。工程實(shí)測(cè)循環(huán)水流量一般為20～30 m3/h，熱源側(cè)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(jī)組性能系數(shù)（COP）達(dá)5～6，供熱系統(tǒng)綜合COP 達(dá)3～4［45］。2019 年，該系統(tǒng)已經(jīng)在灃西新城實(shí)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(yīng)用中深層地?zé)峁崦娣e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(shù)取得的環(huán)境效益也非常明顯，以4 個(gè)月供暖季為例，1 000 萬m2的中深層供熱項(xiàng)目可以取代標(biāo)準(zhǔn)煤16 萬t，減排CO2達(dá)43 萬t。其投資成本為200～300 元/m2不等，運(yùn)行成本僅為市政供暖的50%［46］。

2.3 地源熱泵供能特點(diǎn)分析

由上節(jié)中的工程案例可知，地埋管地源熱泵具有應(yīng)用范圍廣、對(duì)生態(tài)環(huán)境無干擾、低碳環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，該地源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷，還可供生活熱水，一機(jī)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(yīng)用于住宅、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑，改善建筑的外觀和城市的風(fēng)貌。同時(shí)地?zé)崮軐儆谇鍧嵞茉?，熱泵系統(tǒng)運(yùn)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(shí)，地埋管地源熱泵技術(shù)也面臨較大的技術(shù)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(fù)荷不匹配導(dǎo)致熱枯竭或溫度失衡、換熱效率不足導(dǎo)致地?zé)峋寐屎徒?jīng)濟(jì)性較差等。而且在實(shí)際應(yīng)用中，通常也會(huì)遇到多種問題同時(shí)出現(xiàn)，互相牽制，進(jìn)一步加劇了地?zé)岣咝Э沙掷m(xù)利用的復(fù)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(yīng)用；地表水地源熱泵系統(tǒng)熱源側(cè)的形式又包括單井采灌、對(duì)井抽灌等，該系統(tǒng)對(duì)地下水資源的依賴性較強(qiáng)，適合在地?zé)岬刭|(zhì)資源豐富的地區(qū)應(yīng)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(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 推廣地?zé)豳Y源勘探技術(shù)

我國地?zé)豳Y源種類豐富、分布廣泛，具有巨大的應(yīng)用潛力。未來可發(fā)揮地球物理與地球化學(xué)勘探技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，來獲取熱儲(chǔ)資源的準(zhǔn)確位置和特性，特別是地層物性參數(shù)、地?zé)崴匦詤?shù)及地?zé)豳Y源分布區(qū)域，從而提高地?zé)峋@探效率、節(jié)約投資成本。

3.2 強(qiáng)化低成本高效率的地?zé)豳Y源開采技術(shù)

地?zé)豳Y源的開采和應(yīng)用應(yīng)把握“因地制宜、可持續(xù)開采”的原則，需要結(jié)合地?zé)豳Y源特性做到開采方式與地?zé)豳Y源種類對(duì)應(yīng)、用能溫度與地?zé)豳Y源溫度對(duì)應(yīng)、用能強(qiáng)度與地?zé)豳Y源儲(chǔ)量匹配?？蓮膬煞矫嫒胧郑阂皇切纬蛇m用于多種地?zé)豳Y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(shù)、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?zé)釗Q熱器等，實(shí)現(xiàn)多種地?zé)崮荛_采方式技術(shù)的細(xì)分、完善與整合；二是從地層循環(huán)空間的視角解決地?zé)崴毓嗉夹g(shù)問題，對(duì)于有地?zé)崴h(huán)空間的地層應(yīng)在地?zé)崮荛_采的同時(shí)做到同層、高效、無污染回灌，維持熱儲(chǔ)壓力，實(shí)現(xiàn)采灌均衡；對(duì)于無循環(huán)空間的地層應(yīng)著力進(jìn)行儲(chǔ)層建造，構(gòu)造循環(huán)空間，例如干熱巖地層壓裂及灌注流體等熱儲(chǔ)改造增產(chǎn)技術(shù)。同時(shí)注重高效鉆井技術(shù)的研發(fā)，降低開采成本，提高投資回報(bào)率。

3.3 發(fā)揮地?zé)崂玫那鍧?、可持續(xù)優(yōu)勢(shì)

地?zé)崂媚壳按嬖诘闹饕獑栴}是取熱效率低且冷熱不均衡，對(duì)于這2 個(gè)問題的解決要重點(diǎn)依靠補(bǔ)給+儲(chǔ)能+強(qiáng)化換熱的多方案有機(jī)結(jié)合。具體來說，源側(cè)的地?zé)崮荛_采應(yīng)以“補(bǔ)給+回灌+儲(chǔ)能”為最大容量確定地?zé)嵯到y(tǒng)的換熱能力和換熱方式，如圖5 所示的不同深度地?zé)峋パa(bǔ)的跨季蓄能模式，大地?zé)崃骺沙掷m(xù)為深井供給熱量。夏季使用淺層輔井進(jìn)行供冷，同時(shí)利用中深層主井給輔井補(bǔ)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(shí)進(jìn)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(bǔ)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(fù)荷側(cè)的地?zé)崮芄┙o應(yīng)當(dāng)平衡供能和用能的強(qiáng)度差異，提高地?zé)嵯到y(tǒng)的供能強(qiáng)度范圍，推廣多種新型地?zé)釗Q熱器的應(yīng)用。此外，可持續(xù)理念還應(yīng)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(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。

多種新型地?zé)釗Q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?zé)釗Q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(bǔ)、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(gòu)建了相關(guān)能源設(shè)備的能效模型，并在此基礎(chǔ)上建立了能源站優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度平臺(tái)，如圖7所示。

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

該平臺(tái)以各能源子系統(tǒng)能效模型為基礎(chǔ)建立簡化費(fèi)用模型，代入設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及能源價(jià)格體系得到各子系統(tǒng)在不同負(fù)荷率下的運(yùn)行費(fèi)用，通過將運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比、分析得到各子系統(tǒng)的優(yōu)先調(diào)度次序原則及設(shè)備的適宜荷載率運(yùn)行區(qū)間。平臺(tái)可根據(jù)氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)等預(yù)測(cè)未來24 h建筑冷/熱負(fù)荷，然后結(jié)合設(shè)備的實(shí)際調(diào)節(jié)情況，進(jìn)行各子系統(tǒng)的供能能力分檔，將其與用戶側(cè)的預(yù)測(cè)負(fù)荷進(jìn)行相互匹配，得到供能約束條件。最后根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行調(diào)節(jié)約束及蓄能系統(tǒng)放冷量約束，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，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(jié)論

（1）我國地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富，地源熱泵具有應(yīng)用范圍廣、一機(jī)多用、節(jié)能環(huán)保等顯著優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)當(dāng)?shù)責(zé)醿?chǔ)條件，選用適宜的地源熱泵形式，將蘊(yùn)藏在地下水、地表水或土壤中的地?zé)崮苡糜诮ㄖ┠堋?/p>

（2）目前淺層地埋管地源熱泵供暖技術(shù)是使用最廣泛、技術(shù)最成熟的工程應(yīng)用形式。因此，在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的過程中，淺層地?zé)崮軐⒆鞒鼍薮筘暙I(xiàn)。中深層地源熱泵供暖技術(shù)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(jì)性與可持續(xù)利用方面仍需進(jìn)一步研究。

（3）為了實(shí)現(xiàn)地?zé)崮苜Y源的可持續(xù)開采和地源熱泵系統(tǒng)的高效利用，應(yīng)當(dāng)從地?zé)豳Y源勘探、開采、利用等多方面進(jìn)行技術(shù)突破。與此同時(shí)，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(bào)率，使地源熱泵系統(tǒng)具有更強(qiáng)的市場競爭力。