0 引言

為推進“雙碳”目標的實現,開發清潔型可再生能源有著重要意義。《“十四五”現代能源體系規劃》指出,加快能源綠色低碳轉型,是實現碳達峰、碳中和目標的關鍵手段。據統計,我國可再生能源占比預計將于2050年達到能源消費總量的45%,而地熱能比重約為可再生能源總量的50%。地源熱泵作為地熱能利用的關鍵技術,可切實降低建筑物供暖與制冷所需的能耗。目前,淺層地源熱泵技術已經完善,中深層地源熱泵技術也在持續進步,而對于現有中深層聯合淺層地源熱泵系統供暖的研究較少。

1中深層及淺層地源熱泵復合系統

1.1簡介

中深層及淺層地源熱泵復合系統是采用中深層、淺層地源熱泵相結合的復合供暖系統,其充分利用了中深層地源熱泵系統溫度高、熱量大、供熱能力強以及淺層地源熱泵系統相對簡單、技術成熟、成本較低的優勢,且尤為適配冬季供暖、夏季供冷的需求,同時適用于冷熱負荷不均的地區。該復合系統可解決淺層地源熱泵長期運行可能導致地下巖土溫度得不到有效恢復,無法滿足建筑所需的制冷或供熱要求的問題。并且當中深層地源熱泵長期運行,系統性能隨著局部地熱場逐年下降,從而導致供暖性能相應降低、熱量提取不穩定時,可通過淺層地源熱泵起到一定程度上的緩解與補充作用,以保證系統的穩定運行。中深層及淺層地源熱泵復合系統通過實現中深層地熱能和淺層地熱能兩種地熱能源的綜合利用,能更好地應對復雜多變的建筑物供暖和制冷需求,充分發揮各自的優勢,從而做到最大程度開發地熱能,使系統更加高效、穩定地運行,是一種具有巨大發展潛力和應用前景的地熱能利用系統。

1.2工作原理

復合系統運行的工作原理見圖1。在供熱工況下,對于中深層地源熱泵系統,循環介質在地埋管內流動與地下巖土進行換熱,經板式換熱器加熱處理后,進入中深層地源熱泵機組進行二次換熱,隨后即可向建筑物提供熱量;對于淺層地源熱泵系統,淺層熱泵機組從淺層土壤中取熱,經機組處理后提升溫度,同時與中深層地源熱泵所提供的熱量進行耦合,共同滿足建筑物的供暖需求。在制冷工況下,僅運行淺層地源熱泵系統,建筑物內的熱量經淺層熱泵機組傳輸到地埋管內,并釋放到地下巖土中,從而滿足建筑物的制冷需要。經以上方式,即可實現中深層及淺層地源熱泵復合系統的正常運行,達成建筑物制冷供熱的目的。

2研究現狀

作為兼顧淺層系統的靈活性與中深層系統的高效性的供暖技術,中深層及淺層地源熱泵復合系統具有廣闊的應用前景,目前已有學者對此開展了相關研究。王樂等以陜西省某農業示范園為研究對象,提出了不同熱負荷規律下中深層及淺層地源熱泵系統能源的梯級利用方案,測試分析了冬季系統的實際運行情況及供熱性能,結果見圖2。較高熱負荷工況下,中深層及淺層地源熱泵系統地下取熱量占比分別為43.5%和56.5%,熱泵機組的平均制熱性能系數分別為3.49和4.96;高熱負荷工況下,中深層及淺層地源熱泵系統地下取熱量占比分別為39.2%和60.8%,熱泵機組的平均制熱性能系數分別為3.27和4.65。在采取能源梯級利用的模式下,中深層井的取熱量是淺層井的5.6倍,取熱溫度也較淺層井提高了53℃。其地熱能的取熱量相較無梯級利用提高了1倍。中深層地熱能和淺層地熱能在梯級利用的系統運行模式下,具備較高的能源利用效率,擁有良好的發展前景。

戚旭鵬以長春某物流大廈為研究對象,探究了中深層和淺層地埋管的聯合應用模式,分別進行了以中深層地源熱泵為淺層地源熱泵的輔助熱源補熱和中深層地源熱泵為淺層地源熱泵跨季節蓄能補熱的兩種運行模式研究。結果顯示,若中深層地熱能作為輔助熱源補熱,淺層地源熱泵運行時的冷熱失衡率為21%,約需要其提供458萬kW·h熱負荷,采用一口可承擔熱負荷為183萬kWh的中深層套管式地埋管和一口可承擔熱負荷為328萬kW·h的U型對接式地埋管即可滿足;若中深層地熱能作為跨季節蓄能補熱,當循環介質在單U-120m淺層地埋管內的流速為0.2 m/s,入口溫度為11℃時,則換熱量為26.92萬kW·h的中深層地埋管蓄熱66 d就能滿足93口該淺層地埋管需要的熱量。通過以中深層地埋管為淺層地源熱泵長期運行期間的輔助熱源及淺層地埋管跨季節的蓄熱熱源,在合理運行的情況下,能夠有效解決嚴寒地區地下巖土產生的“冷熱不平衡”問題。李艷斌等從系統的經濟性和節能性的角度考慮,并采用中深層地熱及淺層地熱聯合應用的方式為某溫室大棚供暖,結合冷熱負荷需求以及區域的地熱資源情況,給出了最優的能源利用搭配方案,見圖3。技術方案為采用中深層取水井2口,回灌井2口,供熱量為15 MW;淺層取水井24口,回灌井48口,供熱量為26.2 MW。系統制冷量為30 MW,中深層地源熱泵承擔30%熱負荷和淺層地源熱泵承擔50%熱負荷。復合系統的運行費用見表1,中深層和淺層耦合水源熱泵的方案供暖季運行費用最低為534萬元,其中中深層地熱耗電量212萬kW·h,淺層地熱耗電量745萬kW·h,且淺層地源熱泵運行費用是中深層地源熱泵運行費用的2.01倍。系統在冬季有著相對穩定的供暖能力,同時能夠滿足夏季所需的制冷要求。能源方面優先利用中深層地熱能,能夠有效實現節能減排,具有較為良好的經濟性。

何流從地熱能的多能耦合設計角度,基于建立的多能耦合供暖制冷系統,對中深層水熱型地源熱泵及淺層地源熱泵結合冷水機組-冷卻塔、鍋爐系統和蓄能系統等能源耦合的方案進行了優化與研究。部分方案及成本見表2,結果表明,通過耦合中深層地熱系統,年運行費用可降低約47.9%,周期成本可降低約25.9%,年碳排放量可降低34.6%;加入淺層地源熱泵系統后,折合初投資可降低約20.2%,年運行費用增加約8.9%,系統運行的周期成本降低約5.5%。總體而言,中深層地熱能與淺層地熱能相結合的應用模式將地熱能供暖制冷的節能與經濟效益優勢展現得尤為明顯。

總結現有研究成果可知,中深層及淺層地源熱泵復合系統在實際應用中具有大幅降低能源消耗、減少投資和運行費用等優勢。還能夠根據建筑物的實際需求、當地的地質條件以及地熱資源情況,靈活調整中深層和淺層地源熱泵的容量比例,從而在不同的應用工況下,都可以實現最適合的地源熱泵系統設計。

3前景分析

3.1發展前景

目前,地熱資源已在全球范圍內成為可再生能源利用的熱點,擴大地熱能開發范圍和提高地熱能利用水平是未來加強地源熱泵系統相關研究的關鍵所在。中深層及淺層地源熱泵復合系統不僅實現了運行模式的多樣化,還提升了系統性能,實現了地熱能的高效開發,有助于實現地源熱泵系統的廣泛應用,在各個方面展現出卓越的發展前景。

從“雙碳”目標的角度分析,地熱資源的開發利用能夠為減少碳排放和優化能源消費結構提供產業升級和科技創新等有力支撐,推動地熱能行業的高質量發展。據統計,地源熱泵復合系統的平均制熱季節COP為5.72,相較電加熱設備節能率約為 82.5%,碳排放減少82.5%。與空氣源熱泵相比,節能率約為44%,碳排放減少44%。中深層及淺層地源熱泵復合系統通過利用地下中深層及淺層熱能,減少對外部集中供暖與制冷系統的應用,能夠在建筑的能源使用上更具獨立性,從而間接降低系統的碳排放,有助于減少建筑領域的碳強度和碳足跡。從這個意義上來看,中深層及淺層地源熱泵復合系統的應用模式可以推動構建低碳和清潔的能源體系, 是助力實現碳達峰、碳中和目標的重要手段。

從節能減排的角度分析,中深層及淺層地源熱泵復合系統的設計充分考慮系統的節能與環境效益,通過靈活調配兩種不同深度的地熱能,可提高地熱能源利用效率、節省大量的能源消耗、緩解能源供應壓力,同時減少對傳統化石能源的依賴。且系統運行過程中不產生污染物,無燃燒過程,可避免粉塵、氮氧化物的釋放,改善空氣質量和生態環境。通過中深層地熱能結合淺層地熱能,探索并實現地熱的高效儲能利用技術,未來將會成為可再生能源技術挑戰應對的重要目標。

從能源結構的角度分析,淺層地熱能分布廣泛、儲量豐富,中深層地熱能熱量穩定、供應持續, 二者相結合的系統受自然與季節等外部因素影響較小,可在不同應用條件下穩定供給能源。此外,該復合系統可通過綜合利用多種可再生清潔能源的技術形式,助力構建以地熱能為核心的清潔可再生能源利用體系,實現多種能源綜合利用、多能耦合協同運行,推動能源結構的優化升級。中深層及淺層地源熱泵復合系統的應用,能夠促進能源供應多元化,在能源戰略方面占有重要地位。

從產業發展的角度分析,地熱能行業標準體系建設的加強,能夠進一步推動和規范我國地熱產業的高質量發展。目前我國已占全球地熱能開發總量的75%,據統計,淺層地熱能約占地熱能年利用總量的51.7%,中深層水熱型地熱能利用總量居世界首位,其年利用量高達12 604.6 MW,每年仍在以 10%左右的速度增長。中深層與淺層地熱能的結合,突破了地熱資源開發利用的限制,能夠帶動地熱資源勘查、地源熱泵設備制造、安裝維護、技術研發等相關產業的協同發展,提高地熱行業的經濟效益和市場競爭力,促進地熱產業的規模化發展。同時完善現有地熱能產業體系,推動地熱能源領域的技術創新,為其提供產業支持和技術保障。

從應用推廣的角度分析,中深層及淺層地源熱泵復合系統運行維護費用低,穩定效果好,長期運行能夠節省企業和居民可觀的開支,且運行過程中不產生碳排放,不會形成環境污染。同時,該復合系統應用靈活性高,可以按照所處位置環境、建筑負荷需求靈活配置中深層和淺層系統的比例,普遍適用于各種不同功能的小型建筑或大型建筑集群。中深層及淺層地源熱泵復合系統的推廣具有優越的經濟優勢和環保效益,符合全球環保理念和可持續發展戰略。

從全球性發展的角度分析,復合地源熱泵系統已在國內外得到廣泛應用,如太陽能-地源熱泵復合系統、空氣源-地源熱泵復合系統等。秦景等研究表明,傳統地源熱泵供暖系統COP為2.7,太陽能-地源熱泵復合系統COP可提升至5.2,能效比顯著提高。但與中深層及淺層地源熱泵復合系統相比,太陽能受季節變換和天氣狀況等影響顯著,需依賴地源熱泵系統進行補充,增加了系統的復雜性。

4結語

隨著地源熱泵技術的日漸成熟與“雙碳”目標的持續推進,中深層及淺層地源熱泵復合系統能夠合理、高效地進行地熱能的利用,從而大幅減少高品位能源的消耗。通過對不同項目、不同地域的應用實踐表明,該復合系統在建筑供暖、制冷等領域具有卓越的性能,對于行業各方面都擁有廣闊的應用前景。未來尚需進一步對中深層及淺層地源熱泵復合系統的設計和優化進行完善,不斷提高其節能潛力,結合不同地域的地熱資源特點,合理進行地熱能源的開發。中深層及淺層地源熱泵復合系統的應用對于未來清潔能源領域的進步至關重要,有望為可持續發展的能源應用方式做出新的貢獻。