地?zé)崮芾眉夹g(shù)研究進(jìn)展綜述

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20240604.01 文章編號(hào)：1003-0417（2024）07-109-09

摘 要：地?zé)崮茏鳛?大非碳基清潔能源之一，具有儲(chǔ)量大和分布廣泛等特點(diǎn)。概述了地?zé)崮芾眉夹g(shù)分類及發(fā)展現(xiàn)狀，并進(jìn)一步介紹了淺層地源熱泵技術(shù)、水熱型供熱系統(tǒng)、中深層地埋管供熱技術(shù)以及增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的基本概念及發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀。對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)今地?zé)崮芾眉夹g(shù)研究進(jìn)展及最新研究方向進(jìn)行綜述，從行業(yè)重難點(diǎn)問題攻關(guān)、多場景地?zé)崮芾眠m應(yīng)性方案開發(fā)、地?zé)醿?chǔ)能技術(shù)探索等方向?qū)χ袊磥淼責(zé)崮芾眉夹g(shù)的研究與發(fā)展做出展望，以期為中國地?zé)犷I(lǐng)域從業(yè)人員提供指導(dǎo)建議與意見參考。

關(guān)鍵詞：地?zé)崮?；利用技術(shù)；地埋管換熱器；建筑供熱制冷；增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)

中圖分類號(hào)：TK529/TM616 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

氣候變化和能源安全一直是全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中需要面對(duì)的嚴(yán)峻課題。隨著全球?qū)μ寂欧诺闹匾?，尋求能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、降低碳排放已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和變革的主要推動(dòng)力。自20世紀(jì)以來，多數(shù)發(fā)達(dá)國家已陸續(xù)將碳減排納入國家發(fā)展議程[1]。開發(fā)清潔可再生能源，是低碳社會(huì)發(fā)展的必由之路[2]。地?zé)崮芘c太陽能、風(fēng)能、水能、核能并稱為5大非碳基能源，地?zé)崮芤蚱鋬?chǔ)量巨大、分布廣泛、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，近年來受到了國際社會(huì)廣泛關(guān)注。

中國是目前世界最大的地?zé)崮苜Y源利用國[3]，推動(dòng)地?zé)崮芾眉夹g(shù)發(fā)展對(duì)保障國家能源資源安全、構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)而言意義重大。近年來，中國在國家層面已出臺(tái)多項(xiàng)政策從頂層設(shè)計(jì)角度推動(dòng)可再生能源技術(shù)發(fā)展，特別是地?zé)崮芾眉夹g(shù)。2020年，中國在第75屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上向全世界鄭重宣布：承諾力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2022年6月，國家發(fā)展改革委員會(huì)、國家能源局等9個(gè)部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，明確提出積極推進(jìn)中深層地?zé)崮芄┡评浼皽\層地?zé)崮艿拈_發(fā)[4]。國家、省、市等多個(gè)層面密集出臺(tái)的地?zé)崮芄崂谜?，不僅是地?zé)崮芄峒夹g(shù)進(jìn)步的強(qiáng)心劑，也是地?zé)岙a(chǎn)業(yè)發(fā)展的壓艙石。

本文對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)今地?zé)崮芾眉夹g(shù)研究進(jìn)展及最新研究方向進(jìn)行綜述，從行業(yè)重難點(diǎn)問題攻關(guān)、多場景地?zé)崮芾眠m應(yīng)性方案開發(fā)、地?zé)醿?chǔ)能技術(shù)探索等方向?qū)χ袊磥淼責(zé)崮芾眉夹g(shù)的研究與發(fā)展進(jìn)行展望。

1" 地?zé)崮芾眉夹g(shù)分類及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1" 地?zé)崮芾眉夹g(shù)分類方式

地?zé)崮芾眉夹g(shù)的分類方法多樣，主要基于地?zé)岬刭|(zhì)條件、資源潛力和開采方法等進(jìn)行分類。分類依據(jù)主要包括：地?zé)崮芊植嘉恢眉百x存狀態(tài)[5]、地?zé)崃黧w焓值[6-8]、儲(chǔ)層孔隙度和滲透性[9]、地?zé)嵯到y(tǒng)能量轉(zhuǎn)移方式[10]等內(nèi)容。從歷史發(fā)展角度看，人類對(duì)于地?zé)崮艿睦每勺匪莸郊s1萬年前[11]。中國是世界上開發(fā)利用地?zé)崮苜Y源最早的國家之一，其溫泉利用的歷史可追溯至先秦時(shí)期[12]。地?zé)崮芾眉夹g(shù)發(fā)展史示意圖如圖1所示。

隨著勘探、提取和利用技術(shù)進(jìn)步，地?zé)崮茉谌蚍秶鷥?nèi)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括：傳統(tǒng)地?zé)崮芾眉夹g(shù)領(lǐng)域和非傳統(tǒng)地?zé)崮芾眉夹g(shù)領(lǐng)域（本文統(tǒng)稱為“地?zé)崮芾眯屡d技術(shù)”）[13]。

傳統(tǒng)地?zé)崮芾眉夹g(shù)包括水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)和淺層地源熱泵技術(shù)。自20世紀(jì)70年代以來，隨著鉆井技術(shù)和熱儲(chǔ)改造技術(shù)等人工干預(yù)手段不斷進(jìn)步，地?zé)崮芾眉夹g(shù)領(lǐng)域逐漸涌現(xiàn)出EGS、中深層地埋管閉式換熱等新興技術(shù)，使深層干熱巖和低滲透性熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源的開采和利用成為可能。

1.2" 地?zé)崮芾眉夹g(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

地?zé)崮芾眉夹g(shù)的發(fā)展可以追溯到古代文明時(shí)期利用地?zé)釡厝M(jìn)行浴療。自19世紀(jì)末以來，各類中深層及深層地?zé)崮芾眉夹g(shù)不斷涌現(xiàn)，呈現(xiàn)出百花齊放的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。以下主要針對(duì)不同地?zé)崮芾眉夹g(shù)在中國和海外的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀做詳細(xì)介紹。

1.2.1" 淺層地源熱泵技術(shù)

回溯淺層地源熱泵技術(shù)的發(fā)展歷程，可追溯到20世紀(jì)初。1912年，瑞士工程師Zoelly首次提出利用淺層地?zé)崮艿臒岜霉┠芗夹g(shù)，并申報(bào)了相關(guān)專利，標(biāo)志著淺層地源熱泵技術(shù)的誕生。

到20世紀(jì)中葉，美國俄勒岡州首次試點(diǎn)應(yīng)用了這一技術(shù)，主要用于為單體別墅提供供冷、供熱服務(wù)，并逐漸在歐美國家推廣實(shí)踐[14]。隨后，美國、瑞士和德國等國家開始探索將淺層地?zé)釕?yīng)用于小規(guī)模工業(yè)和家庭的采暖、制冷需求[15]。20世紀(jì)70年代的世界石油危機(jī)極大地促進(jìn)了淺層地源熱泵技術(shù)在建筑供暖和制冷領(lǐng)域的發(fā)展，特別是在北美洲和歐洲，隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)步，這一技術(shù)的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大[16]。20世紀(jì)90年代后，熱交換器設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷改進(jìn)與熱泵制造技術(shù)的日益成熟，進(jìn)一步增強(qiáng)了淺層地源熱泵技術(shù)的實(shí)用性及環(huán)保性，使該技術(shù)得到顯著發(fā)展，鞏固了其在建筑供暖制冷技術(shù)中的地位。

進(jìn)入21世紀(jì)，中國開始在北方地區(qū)試點(diǎn)使用淺層地埋管換熱器耦合熱泵機(jī)組為建筑供冷供熱，隨后這一技術(shù)在中國得到廣泛推廣。得益于龐大的建筑面積及建筑供能需求，中國在淺層地?zé)崮苤苯永昧?、供熱面積、裝機(jī)容量等方面均位居世界第一[17]。

1.2.2" 水熱型地?zé)崮芾眉夹g(shù)

水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)是一種高效利用地?zé)崮艿募夹g(shù)，通常由幾個(gè)關(guān)鍵部分組成：生產(chǎn)井（直井或定向井）、回注井（直井或定向井）、熱儲(chǔ)層和地面設(shè)施。生產(chǎn)井抽取熱水并輸送至地面換熱器，由其提取熱能，然后用于電廠發(fā)電或區(qū)域供熱。使用后的地?zé)崃黧w通過回注井重新注入地層，與熱儲(chǔ)層巖土接觸后再次被加熱，形成一個(gè)可持續(xù)的循環(huán)過程，循環(huán)往復(fù)提取地?zé)崮?。熱?chǔ)層是水熱型地?zé)豳Y源開采的關(guān)鍵要素[18-19]，其涵蓋地溫、滲透率和地?zé)崃黧w等概念。水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲(chǔ)層通常為基質(zhì)滲透率較大的孔隙型熱儲(chǔ)或裂隙型熱儲(chǔ)。

水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)因結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷及取熱量高的優(yōu)勢，在國內(nèi)外地?zé)崮荛_發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。美國、冰島和日本等國家利用該系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電已有超過100年的歷史，技術(shù)較為成熟。近年來，隨著清潔供暖需求的不斷增加及鉆井和回灌技術(shù)的迅速發(fā)展，中國水熱型地?zé)崮艿闹苯永靡?guī)模不斷增長，直接利用量已連續(xù)多年位居世界首位[20]，年增長速度達(dá)到10%。

盡管水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)，主要是如何保證地?zé)醿?chǔ)的可持續(xù)利用。其關(guān)鍵在于保證地?zé)醿?chǔ)內(nèi)部的采灌平衡，防止熱儲(chǔ)溫度衰減、生態(tài)平衡破壞、地表水污染及地層下沉[21]等問題。此外，地?zé)崴泻懈鞣N溶解物質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生腐蝕和結(jié)垢[22]，影響系統(tǒng)效率和壽命。上述問題可通過地?zé)嵛菜幚?、回灌及管?設(shè)備防腐蝕結(jié)垢等技術(shù)手段解決。

1.2.3" 中深層地埋管供熱技術(shù)

中深層地埋管供熱技術(shù)的發(fā)展歷史可追溯到20世紀(jì)末。1995年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Rybach教授和卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Kohl教授首次提出利用同軸深孔換熱器提取深部巖土熱量的概念[23]，其初衷是將油氣鉆井開發(fā)中的廢棄干孔再利用，并在瑞士維吉斯進(jìn)行了實(shí)際項(xiàng)目測試，且在美國夏威夷、德國亞琛等地也有試點(diǎn)工程[24]。然而，由于廢棄井資源有限、鉆新井成本高昂及缺乏運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)（大多數(shù)運(yùn)行場景為直供且連續(xù)運(yùn)行）等因素，該技術(shù)此后并未得到進(jìn)一步重視及發(fā)展，未出現(xiàn)任何商業(yè)化應(yīng)用案例報(bào)道。

2012年，陜西省工程技術(shù)人員及科研人員組成的團(tuán)隊(duì)基于淺層地源熱泵概念，探索了使用中深層同軸套管式地埋管換熱器與熱泵機(jī)組耦合為建筑供熱的可行性，并成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用[25]。該技術(shù)的熱源側(cè)采用封閉式換熱器，通過地埋管換熱裝置提取熱能，無需提取地下水。由于熱源側(cè)取熱點(diǎn)較深，系統(tǒng)基本不受當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境影響，能夠?yàn)闊岜脵C(jī)組長期提供高品質(zhì)的低溫?zé)嵩?，確保系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行[26]。

在中國北方城鎮(zhèn)地區(qū)，由于人口密度大、供熱需求旺盛，中深層地埋管供熱技術(shù)展現(xiàn)出了獨(dú)特優(yōu)勢，包括：靈活性強(qiáng)、占地面積小、取熱不取水等。這些特點(diǎn)使其適用于不具有市政或余熱供熱且不具備水熱抽采回灌資源條件或淺層地埋管群布設(shè)場地的工程場景，目前全國推廣應(yīng)用面積已超過2500萬m3，未來有望成為北方城鎮(zhèn)清潔供熱場景中的重要解決方案。

1.2.4" EGS

EGS也稱為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，其開發(fā)利用對(duì)象主要為干熱巖。干熱巖是指位于地殼深部（通常在3 km以下）、溫度大于180 ℃且內(nèi)部無流體或僅存在少量地下流體的高溫巖體[27-28]。作為一種新型的熱能利用方式，EGS技術(shù)旨在解決傳統(tǒng)地?zé)崮荛_發(fā)利用過程中存在的系統(tǒng)輸出功率小、應(yīng)用面窄等局限性。

EGS技術(shù)的核心在于通過人為方式在干熱巖中建立熱交換系統(tǒng)，從而將地下熱能提取出來。通過水力壓裂或化學(xué)溶蝕等手段在地下高溫巖石中建立人工裂縫系統(tǒng)，使注入的冷水有效地與巖石進(jìn)行熱交換，然后將加熱后的熱水或水蒸氣回抽至地表用于發(fā)電或供熱[29]。EGS 系統(tǒng)由兩部分組成：注水井和生產(chǎn)井。地表冷水經(jīng)回灌井注入地下，經(jīng)過高溫巖體加熱后產(chǎn)生200～300 ℃的高壓水或汽水混合物，通過生產(chǎn)井將這部分流體抽回地表，用于將地?zé)崮苻D(zhuǎn)化為電能或熱能。利用后的溫水通過回灌井注到干熱巖中，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

盡管EGS技術(shù)具有巨大的開發(fā)潛力，但目前該技術(shù)仍處于發(fā)展期，由于其對(duì)資源稟賦要求高，大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用尚存難度。

2" 技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1" 淺層地源熱泵技術(shù)

淺層地源熱泵技術(shù)指以淺層土壤、淺層地下水或地表水作為低品位熱源，通過淺層地埋管換熱器為核心的地下?lián)Q熱系統(tǒng)與熱泵設(shè)備耦合，付出一定量電能代價(jià)將低品位熱能提升至高品位熱能。該技術(shù)在冬季為建筑供熱；夏季則通過四通換向閥將系統(tǒng)運(yùn)行方向調(diào)換，將建筑室內(nèi)熱能排至低品位熱匯，實(shí)現(xiàn)制冷。

目前，國內(nèi)外研究人員將研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)移至系統(tǒng)層面的土壤熱物性參數(shù)辨識(shí)算法[30]、耦合輔助系統(tǒng)性能分析[31]及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估體系[32]等課題，從而針對(duì)淺層地源熱泵開展運(yùn)行性能優(yōu)化。

對(duì)于淺層地源熱泵系統(tǒng)而言，能夠準(zhǔn)確評(píng)估其核心部件—— 淺層地埋管換熱器，對(duì)于系統(tǒng)性能優(yōu)化而言至關(guān)重要[33]，因此，淺層地埋管換熱器的性能仿真計(jì)算方法一直是國內(nèi)外研究人員的研究重點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)方法涵蓋：解析解[34]、半解析解（即g函數(shù)）[35]及數(shù)值解[36]等。自學(xué)者Kelvin提出線熱源模型[37]后，逐步發(fā)展出了無限線熱源模型[38]、有限長線熱源模型[39]和無限長柱熱源模型[40]。在2D傳熱模型[41]基礎(chǔ)上，刁乃仁等[42]提出了鉆孔內(nèi)豎直U型管地?zé)釗Q熱器的準(zhǔn)3D傳熱模型。

淺層地源熱泵技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，由于單根淺層地埋管換熱器的換熱量有限，常規(guī)規(guī)模的項(xiàng)目通常需要布置數(shù)百甚至上千根淺層地埋管換熱器[43]?；诖?，Hefni等[44]提出了多孔換熱器3D空間解析模型，可準(zhǔn)確預(yù)測和評(píng)估單個(gè)或多個(gè)地?zé)徙@孔系統(tǒng)的熱性能。盡管解析解在面對(duì)較復(fù)雜的邊界條件設(shè)置及多管耦合交互問題時(shí)較難得到準(zhǔn)確數(shù)學(xué)表達(dá)式，但Eskilson[45]提出了g函數(shù)方法，通過獲取脈沖熱作用下巖土溫度響應(yīng)結(jié)合杜哈梅爾定理可處理各類淺層地埋管計(jì)算需求。相比解析解方法，數(shù)值解可較為便捷地處理復(fù)雜邊界條件和設(shè)置各類運(yùn)行工況下的參數(shù)。近年來，隨著取熱不取水技術(shù)的不斷發(fā)展，淺層地埋管換熱器的研究與應(yīng)用逐漸向中深層[46-47]、復(fù)雜數(shù)值解[48-49]發(fā)展。

展望未來，淺層地源熱泵技術(shù)將更加側(cè)重大規(guī)模淺層地埋管群中巖土熱平衡控制的理論研究和工程實(shí)踐[50]；其次考慮搭載熱泵單元[51]及大型淺層地埋管群之間的耦合機(jī)制[52]，以實(shí)現(xiàn)更高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的能源利用。

2.2" 水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)

水熱型地?zé)豳Y源是最早被人類開發(fā)利用的地?zé)豳Y源[53]，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括：取暖、醫(yī)療康養(yǎng)、農(nóng)業(yè)種植和工業(yè)發(fā)電等[54]。中國水熱型地?zé)豳Y源豐富，可采儲(chǔ)量折合當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)煤18.65億t[55]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水熱型地?zé)衢_采技術(shù)的研究主要圍繞地層參數(shù)分析和開采方案優(yōu)化。

熱儲(chǔ)層儲(chǔ)能量主要受生產(chǎn)井所在熱儲(chǔ)層的各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)的影響[56]，基于此，Schout等[57]、Drijver等[58]和Jan等[59]的研究表明：中深層熱儲(chǔ)層儲(chǔ)熱系統(tǒng)具有較高的熱回收效率，系統(tǒng)的儲(chǔ)熱效率最高可達(dá)80%。值得注意的是，由于在中低溫（25～150 ℃）地?zé)豳Y源開發(fā)利用過程中，攜帶熱能的地?zé)崃黧w枯竭速度遠(yuǎn)高于熱能消耗速度[59]，因此尾水回灌是開發(fā)和保護(hù)地?zé)豳Y源的關(guān)鍵措施。河北雄安新區(qū)相關(guān)實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了，利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測及模型預(yù)測等方法規(guī)劃水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)開采方案，具有顯著的優(yōu)越性，研究確定了布井方向、最小采灌井距、最大采灌量及最低回灌溫度[60]，科學(xué)地解決了流量和熱量失衡問題，同時(shí)盡可能不破壞地下原生態(tài)的平衡。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所孔彥龍團(tuán)隊(duì)提出了一種綜合考慮產(chǎn)熱量、初投資和運(yùn)營成本的水熱型多井采灌系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將其應(yīng)用于渤海灣盆地曹妃甸廢棄油田的地?zé)衢_發(fā)[61]。研究發(fā)現(xiàn)：考慮鉆井和抽水成本后，經(jīng)濟(jì)優(yōu)化井距相較于僅考慮產(chǎn)熱量時(shí)大幅減少。該方法不僅適用于井距優(yōu)化，還可用于優(yōu)化流量等運(yùn)行參數(shù)，為地?zé)崮荛_采提供了實(shí)際策略。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比了抽、灌同井和單井循環(huán)兩種形式，發(fā)現(xiàn)抽、灌同井累積負(fù)荷不平衡會(huì)導(dǎo)致源匯井效率降低，影響取熱效果[62]。

2.3" EGS

EGS概念最早于20世紀(jì)70年代由美國提出，并在1977年啟動(dòng)了全球第1個(gè)EGS項(xiàng)目——Fenton Hill項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于新墨西哥州，通過多年的研究和試驗(yàn)，驗(yàn)證了在滲透率很低的巖層中通過人工壓裂方法建立儲(chǔ)層的可行性[63]。隨后，全球多個(gè)國家也開始了EGS技術(shù)的研究和開發(fā)，比如：英國的Rosemanowes項(xiàng)目、法國的Soultz-sous-Forêts項(xiàng)目、澳大利亞的Cooper Basin項(xiàng)目和德國的Landau項(xiàng)目等，這些項(xiàng)目都是EGS技術(shù)領(lǐng)域的重要探索。其中，Soultz-sous-Forêts項(xiàng)目是目前世界上最成功的EGS示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目于1987年啟動(dòng)，其地?zé)峋淖畲缶罴s為5000 m，儲(chǔ)層溫度約為202 ℃，熱儲(chǔ)巖性為花崗巖，熱水產(chǎn)量為30 L/s；項(xiàng)目對(duì)儲(chǔ)層壓裂過程中的相關(guān)微震開展了監(jiān)測工作，是該項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)[64]。在2010年，該項(xiàng)目利用1口注入井和2口生產(chǎn)井，建成了世界上第1個(gè)EGS示范電站，裝機(jī)容量為1.5 MW。目前，Soultz-sous-Forêts地?zé)崮茈娬疽逊€(wěn)定運(yùn)行，待項(xiàng)目后期規(guī)劃部分最終完成后，裝機(jī)容量有望達(dá)到5～6 MW。

近年來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和能源需求的增長，EGS項(xiàng)目在全球范圍內(nèi)得到了越來越多的關(guān)注。美國、歐洲及中國等地區(qū)在EGS項(xiàng)目上都取得了積極的進(jìn)展。美國在EGS技術(shù)上的研究較早，F(xiàn)ORGE項(xiàng)目位于猶他州，是一個(gè)重要的EGS研究平臺(tái)，旨在通過公私合作推動(dòng)EGS技術(shù)的發(fā)展。歐洲在冰島和匈牙利等地都開展了新的EGS項(xiàng)目。中國雖然在EGS技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較晚，但近年來取得了顯著進(jìn)展。2017年，中國在青海省共和盆地啟動(dòng)了EGS示范項(xiàng)目，其中，GR1井底溫度達(dá)到236 ℃，是中國迄今為止鉆獲的溫度最高的干熱型地?zé)豳Y源，標(biāo)志著中國在干熱型地?zé)豳Y源勘查方面取得了突破[65]。此外，中國于2021年在唐山市馬頭營凸起區(qū)首次實(shí)現(xiàn)了干熱巖試驗(yàn)性發(fā)電。

盡管EGS技術(shù)展現(xiàn)出廣闊的前景，但其發(fā)展仍然面臨一些高挑戰(zhàn)，包括成本高、工程技術(shù)復(fù)雜和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等挑戰(zhàn)。當(dāng)前，國內(nèi)外研究重點(diǎn)主要包括提高壓裂效果、優(yōu)化熱交換效率、降低鉆井和維護(hù)成本及環(huán)境影響評(píng)估等[66]。隨著技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)驗(yàn)的積累，EGS技術(shù)有望在未來克服這些挑戰(zhàn)，成為可靠的低碳能源解決方案，為全球能源供應(yīng)提供長期穩(wěn)定的支持。

2.4" 中深層地埋管供熱技術(shù)

上世紀(jì)末，國外部分學(xué)者探索了使用廢棄井進(jìn)行深井換熱的可能性，但由于系統(tǒng)未耦合熱泵且長期連續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）不理想，使相關(guān)研究陷入沉寂。自2012年，中國的工程技術(shù)人員及科研工作者開始對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入研究及工程實(shí)踐探索。

西安交通大學(xué)王灃浩團(tuán)隊(duì)及中國科學(xué)院廣州能源研究所卜憲標(biāo)團(tuán)隊(duì)，開展了相關(guān)模擬研究，并進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性優(yōu)化分析[67-68]。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所孔彥龍團(tuán)隊(duì)與德國亥姆霍茲環(huán)境研究中心邵亥冰團(tuán)隊(duì)合作，首次量化評(píng)估了中深層地埋管換熱器的熱量提取能力，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了重要指導(dǎo)[69]。清華大學(xué)魏慶芃團(tuán)隊(duì)則針對(duì)中深層地埋管供熱技術(shù)進(jìn)行了大量工程實(shí)測，證明了該技術(shù)的COP較傳統(tǒng)淺層地源熱泵高出約50%以上[70]。

此外，山東建筑大學(xué)方肇洪和崔萍團(tuán)隊(duì)、華中科技大學(xué)羅勇強(qiáng)團(tuán)隊(duì)，以及長安大學(xué)、中國石油大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國建科院、天津大學(xué)、香港理工大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)也分別從數(shù)值模擬[71-74]和解析解模型構(gòu)建[75-77]等方向開展了相關(guān)研究，給出了各設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性分析結(jié)果。

當(dāng)前，國內(nèi)外研究主要集中在單根中深層地埋管換熱器的長期穩(wěn)定性研究及其與深部巖土耦合的高效仿真計(jì)算模型開發(fā)。西安交通大學(xué)王灃浩團(tuán)隊(duì)與德國亥姆霍茲環(huán)境研究中心邵亥冰團(tuán)隊(duì)合作，首次開發(fā)了中深層地埋管群換熱模型，并針對(duì)管群熱交互問題進(jìn)行了研究，相關(guān)結(jié)論為工程設(shè)計(jì)提供了直接參考[78]。未來中深層地埋管供熱技術(shù)的研究重點(diǎn)將集中在耦合建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷設(shè)計(jì)方法、定向管群換熱性能影響因素分析及針對(duì)不同建筑使用場景（礦區(qū)[79]、工業(yè)園區(qū)等）的適應(yīng)性與多能互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化研究上。此外，將中深層地?zé)崤c淺層系統(tǒng)結(jié)合，開展多時(shí)空尺度取熱-儲(chǔ)熱協(xié)同長期性能分析優(yōu)化[80]也將是未來技術(shù)攻關(guān)的重要目標(biāo)。

3" 結(jié)論與展望

在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，中國地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)迎來了高速發(fā)展的黃金時(shí)期。隨著國家、省、市、地區(qū)相關(guān)利好政策不斷出臺(tái)，地?zé)崮軐⒊蔀橹袊鍧嵞茉蠢眉澳茉唇Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要支撐。對(duì)于地?zé)犷I(lǐng)域科研工作者而言，大力發(fā)展地?zé)崮芨咝Ю眉夹g(shù)賦能新質(zhì)生產(chǎn)力是責(zé)任也是使命。

然而，當(dāng)前中國地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)和地?zé)崮芾眉夹g(shù)發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括：技術(shù)應(yīng)用成本高、全產(chǎn)業(yè)鏈上下游聯(lián)動(dòng)不足、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不夠緊密、缺乏顛覆性領(lǐng)跑性技術(shù)及國際地?zé)嵝袠I(yè)話語權(quán)有待提升等。為應(yīng)對(duì)以上問題，助力中國地?zé)崮芾眉夹g(shù)水平進(jìn)一步躍升，行業(yè)發(fā)展動(dòng)能進(jìn)一步提振，未來可針對(duì)以下內(nèi)容繼續(xù)開展科學(xué)研究及工程實(shí)踐：

1）開展政產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)。針對(duì)地?zé)崮荛_發(fā)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題，比如：大型淺層地埋管群耦合熱泵長期巖土熱平衡動(dòng)態(tài)調(diào)控、水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)多井聯(lián)動(dòng)抽采回灌、中深層地埋管高效換熱參數(shù)優(yōu)化等問題，進(jìn)一步探索增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)及低成本地?zé)岚l(fā)電的商業(yè)化可行性。

2）多場景適應(yīng)性分析。面向煤田熱害治理及煤熱共采、油氣田廢棄井改造利用、零碳園區(qū)能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、農(nóng)業(yè)溫室大棚節(jié)能改造等具體場景，引入大數(shù)據(jù)及人工智能結(jié)束，開展地?zé)崮芨咝Ю眉夹g(shù)的多場景適應(yīng)性分析及學(xué)科交叉研究，提出適配不同場景需求的專屬“地?zé)?”解決方案。

3）積極開展地?zé)醿?chǔ)能技術(shù)研究及工程示范和綜合能源系統(tǒng)構(gòu)建。在清潔能源轉(zhuǎn)型大背景下，中國當(dāng)前光伏發(fā)電及風(fēng)電占比逐年提升，清潔電力調(diào)峰需求迫切?？沙浞职l(fā)揮地?zé)崮芾孟到y(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、輸出功率不受天氣時(shí)間等影響的優(yōu)勢，探索含水層儲(chǔ)能、淺層及中深層地埋管儲(chǔ)能等多種技術(shù)形式，實(shí)現(xiàn)地?zé)釣楹诵牡木C合能源系統(tǒng)多能耦合協(xié)同運(yùn)行及電網(wǎng)需求側(cè)靈活動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

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AN OVERVIEW OF RESEARCH PROGRESS ON GEOTHERMAL ENERGY UTILIZATION TECHNOLOGY

Xia Qing1，Guo Shuai2，Ma Jingchen3，Meng Boyan4，Cai Wanlong1，Kong Yanlong5

（1. School of Human Settlements and Civil Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China；

2. Beijing Institute of Engineering Geology，Beijing 100048，China；

3. Beijing Institute of Geological and Mineral Exploration，Beijing 100032，China；

4. Geothermal Engineering Research Center，CISPDR Corporation，Wuhan 430074，China；

5. Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China）

Abstract：As one of the quintessential non-carbon-based renewable energy sources，geothermal energy boasts substantial reserves and extensive geographical distribution. This paper outlines the classification and development status of geothermal energy utilization technology，and further introduces the basic concepts and application status of shallow ground source heat pump technology，hydrothermal heating system，deep borehole heat exchanger heating technology，and enhanced geothermal system. After reviewing the current research progress and the latest research directions of geothermal energy utilization technology at domestic and abroad，this article looks forward to the future research and development of geothermal energy utilization technology in China from the perspectives of tackling crucial issues in the industry，developing adaptive solutions for geothermal utilization in multiple scenarios，and exploring geothermal energy storage technology. The relevant research results can provide guidance，suggestions，and reference opinions for practitioners in Chinese geothermal community.

Keywords：geothermal energy；utilization technology；borehole heat exchanger；building heating and cooling；enhanced geothermal system

收稿日期：2024-06-04

通信作者：蔡皖龍（1994—），男，博士、助理教授，主要從事地?zé)崮芾眉敖ㄖ?jié)能技術(shù)方面的研究。wanlongcai@mail.xjtu.edu.cn