地熱能供熱技術研究現狀及展望

王灃浩 蔡皖龍 王 銘 高 遠 劉 俊 王志華 徐 晗

(1 西安交通大學人居環境與建筑工程學院 西安 710049； 2 國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室 西安 710021)

為了滿足人類持續增長的能源消耗需求，傳統以不可再生化石能源為主的能源結構亟待調整。2018年，我國建筑能耗約為10億噸標煤，約占社會總能耗的22%，其中北方城鎮供暖約占建筑能耗的21.2%[1]。目前，北方城鎮供熱面積超過147億m2且仍在高速增長，因此研究利用清潔可再生能源的高效建筑供熱技術十分必要。

地熱能因具有穩定、儲量大、分布廣泛等特點，在建筑供熱領域受到廣泛關注。21世紀初期，我國開始在部分地區試點發展淺層土壤源熱泵及地下水源熱泵，而后逐步在全國范圍推廣。至今我國已成為世界最大地熱能資源利用國，在淺層地熱能以及水熱型地熱能資源直接利用量、供熱面積、裝機容量等方面均位居世界第一[2]。2012年，我國科研人員嘗試使用區別于傳統淺層地埋管(深度約為200 m以淺)的中深層地埋管換熱器(深度為2～3 km)提取深層地熱用于建筑供熱，并取得了成功。經過數年發展，目前已有超過1 000萬m2建筑使用中深層地埋管供熱技術供熱，發展規模和技術水平居于世界前列。

考慮到建筑供熱是北方城鎮居民剛需，且近年來南方部分地區也開始試點推廣集中供熱，因此國家近年來發布多項相關規劃，大力推動地熱能供熱技術發展。2016年，我國在《可再生能源發展“十三五”規劃》[3]中針對地熱能確立了“技術先進、環境友好、經濟可行”的發展要求，以期全面促進地熱能資源的合理有效利用。2017年1月，國家發改委、能源局、國土資源部聯合發布《地熱能開發利用“十三五”規劃》[4]，詳細闡述了地熱能開發利用的指導方針和目標、重點任務、重大布局。更進一步，2017年12月，國家發改委、能源局、財政部、環保部、住建部等10個部門聯合發布《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021年)》[5]，規劃中重點強調依照“取熱不取水”原則積極推進地熱能供熱技術發展。2020年4月，國家能源局組織召開《可再生能源發展“十四五”規劃研究(地熱部分)》討論會，會上專家明確強調了推進北方冬季清潔取暖的必要性[6]。

綜上可知，地熱能供熱技術近年來在我國蓬勃發展，故系統梳理地熱能供熱技術領域國內外發展及研究現狀，并進一步展望未來研究方向十分必要。本文將從地熱能供熱技術的分類、應用情況出發，全面分析目前相關技術領域的發展沿革、研究手段及最新研究進展，最后總結并展望未來地熱能供熱技術的發展方向，以期為相關研究人員、工程技術人員以及政策制定部門提供參考。

1 分類與應用現狀

1.1 地熱資源涵義及分類

地熱資源一般指地熱過程的全部產物，包括天然蒸汽、熱(鹵)水等，或由人工引入(回灌)熱儲的水、氣或者其它流體產生的二次蒸汽和熱(鹵)水等，以及由上述產物帶出的礦物質副產品。全球范圍內地熱能主要應用于發電和供熱，而我國則是直接使用地熱能源的最大消費國，約占全球總量的75%[7]。

地熱資源按照分布位置和賦存狀態可分為三大類[8]，如表1所示。

1.2 地熱能供熱技術分類與應用現狀

對標不同類別的地熱資源，多種與之對應的地熱能開發利用技術應運而生。在地熱能供熱技術領域，同樣可依照其所利用地熱資源的不同分為如下三類：淺層地源熱泵技術、水熱型供熱技術與中深層地埋管供熱技術。

1)淺層地源熱泵技術

傳統淺層地源熱泵技術以淺層巖土體、地下水或地表水作為低位熱源，通過付出少量的電能代價將無法直接利用的低品位熱能轉化為高品位熱能，從而為建筑提供所需的冷、熱負荷[9]。根據地熱能交換系統形式及所利用的低位熱源不同,將淺層地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統及地表水地源熱泵系統[10]，行業內一般分別簡稱為土壤源熱泵(ground-source heat pump)、地下水源熱泵(ground-water heat pump)及地表水源熱泵(surface-water heat pump)。近年還出現了以城市污水為熱源的污水源熱泵，原則上也可劃分至廣義淺層地源熱泵范圍內[11]。

表1 地熱資源按分布位置和賦存狀態分類

1912年，開發淺層地熱能的熱泵技術在瑞士首次被提出，1946年在美國俄勒岡州誕生第一個熱泵系統，20世紀70年代起，北歐國家開始逐步發展該技術，同時在北美、西歐、北歐、東亞等地也有較多推廣應用[12]。20世紀90年代起，我國淺層地源熱泵技術開始逐步發展，2010年后隨城市化進程加速推進。截止2017年底，我國淺層地源熱泵裝機容量達2萬MW，實現供熱(制冷)面積超過5億m2，位居世界第一[2]。我國31個省會城市淺層地溫調查結果顯示淺層地熱資源可開采量約為4.67×108噸標煤，能源利用效率按35%計可提供能量約1.63×108噸標煤，是我國建筑物供暖制冷能源消耗的1.42倍，由此表明淺層地熱能仍有較大開發潛力[13]。

2)水熱型供熱技術

地下熱水是水熱型地熱資源的主要賦存形式，常按流體介質溫度可分為3類，如表2所示。水熱型供熱技術抽取中深層地下水并直接用于建筑供熱，主要使用低溫型水熱資源[14]。

20世紀末，國外學者已開始針對水熱型地熱能資源開發及產業發展開展研究。水熱型地熱資源綜合梯級利用率先在冰島東北部地區開展，綜合地熱采暖、工業利用、水產養殖等方式挖掘水熱型地熱資源潛在價值[15]。我國水熱型地熱資源的應用歷史悠久，但截至20世紀末，全國范圍內水熱型地熱能供熱面積僅為190萬m2[2]。21世紀初開始，我國水熱型供熱技術高速發展，特別是在西北及華北平原部分地區，由于水熱型地熱資源稟賦優越，近10年來直接利用量不斷增長。2017年底，全國水熱型地熱能供暖面積已超過1.5億m2，其中河北省雄縣水熱型供熱面積達450萬m2，可滿足縣城95%的供熱需求，創立了中國地熱能利用“雄縣模式”。預計至2023年，還將新增水熱型地熱供熱面積1億m2，體量穩居世界首位[16]。

表2 水熱型地熱資源按溫度分級

3)中深層地埋管供熱技術

中深層地埋管供熱技術，也稱中深層地源熱泵技術、中深層無干擾地熱供熱技術，是指布置深至地下2～3 km的中深層地埋管換熱器，通過換熱器套管內部流動介質的閉式循環抽取深部巖土內賦存的熱量，并進一步通過熱泵提升能量品位為建筑供熱的新型地熱供熱技術。

20世紀末，T. Kohl等[17]最早明確提出利用深層地埋管換熱器(deep borehole heat exchanger，DBHE)開采中深層巖土中賦存熱量，并于瑞士維吉斯開展了試點項目實驗。在美國夏威夷、德國普倫茨勞和亞琛工大校區等地也有多個試點工程，但由于鉆井成本高以及缺乏運行經驗，沒有得到較大范圍推廣[18-19]。國內應用方面，2012年，我國科研人員開始嘗試通過使用2 km以深的地埋管換熱器耦合熱泵系統提取深部地熱并獲得了成功，經過數年對鉆完井、固井及運行控制等方面的技術探索，實現了該技術的商業化應用。而后中深層地埋管供熱技術在中國西部科技創新港、灃西新城總部經濟園能源站等多個項目中得到應用。截止2019年底，該技術應用面積已超過1 300萬m2，在建項目超過2 000萬m2，供熱面積及工程體量世界領先。

2 技術發展及研究現狀

2.1 淺層地源熱泵技術

淺層地源熱泵技術作為全球范圍內技術最成熟的地熱能供熱技術，在我國同樣得到廣泛應用[2]。關于淺層地源熱泵的相關研究可依照其所使用的低溫熱源進行分類，即針對土壤源、地下水源、地表水源及污水源熱泵開展相關研究。

1)土壤源熱泵

作為淺層地源熱泵技術中最核心的技術方向和應用方式，土壤源熱泵概念的提出最早可追溯到20世紀初，但由于當時熱泵設備技術水平較低且化石燃料豐沛，該技術并未引起太多重視。直至20世紀70年代出現石油危機，人們才開始意識到這種可再生能源利用技術的價值。美國、英國、瑞士、德國等國相繼開始進行技術研究及優化，并于20世紀末初步建立起土壤源熱泵系統技術理論體系，涵蓋系統設計、施工及運行成本控制等[20-21]。

20世紀90年代末，我國開始出現土壤源熱泵相關研究報道，湖南大學、同濟大學及山東建筑大學的研究人員對土壤源熱泵技術的系統原理、啟動特性、換熱量計算方法等內容進行了研究[22-24]。此后重慶大學、天津大學、哈爾濱工業大學等高校的研究人員也相繼針對土壤源熱泵的換熱性能、土壤溫度場分布以及熱泵機組耦合特性開展研究[25-27]。目前國內外相關研究主要集中在土壤源系統與太陽能等輔助系統的耦合系統性能分析[28-29]、熱響應測試中土壤熱物性參數高效辨識方法[30-31]、土壤源熱泵系統的技術經濟性評估[32]以及結合先進算法和大數據技術開展土壤源熱泵系統運行優化[33]。

準確評估地埋管換熱器(borehole heat exch-anger，BHE)的換熱能力，對于土壤源熱泵的系統設計至關重要。對地埋管換熱器本身的研究甚至早于土壤源熱泵技術，最早可追溯到線/柱熱源純導熱問題分析以及工業管道換熱能力計算領域。目前地埋管換熱器耦合周圍土壤換熱計算已形成涵蓋解析解、半解析解及數值解等方法的成熟體系。瑞典隆德大學開發的EED軟件、美國俄克拉荷馬州立大學開發的GLHEPro軟件等作為淺層土壤源熱泵專用設計軟件，均具有一定影響力。此外，基于管道蓄熱模型(duct heat storage model，DST)開發的內置于TRNSYS軟件的地埋管計算模塊也得到了廣泛應用。系統設計方面，國際地源熱泵協會IGSHPA及美國暖通空調工程師協會ASHRAE均以技術手冊形式發布了淺層地埋管換熱器詳細設計步驟[34-35]?？紤]到工程應用可行性以及對計算速度的要求，以上軟件及工程規范均基于解析解(無限線熱源、無限柱熱源、有限線熱源等模型)或半解析解(g函數)進行計算[36]。但由于解析解求解需要預設一系列假定條件，因此較難設置與實際情況相匹配的復雜邊界條件及巖土熱物性參數，與之相比，數值解則更加靈活，因此在科學研究領域得到廣泛應用。除了使用FLUENT、COMSOL等商業軟件進行地埋管換熱器計算外，基于有限體積，有限差分及有限元方法，通過FORTRAN、C++或MATLAB語言編程計算也成為地埋管換熱器性能分析的重要手段。目前地埋管換熱器計算領域研究內容主要集中在針對同軸、單U、雙U、螺旋管等多種形式換熱器的管內熱阻模型分析[37]、多根淺層地埋管換熱器耦合交互影響評估[38]以及考慮地下水滲流的高效快速熱滲耦合數值計算方法構建等[39-40]。

2)地下水源、地表水源熱泵

對于同屬于廣義淺層地源熱泵概念的地下水源、地表水源熱泵，應避免使用“水源熱泵”代指二者概念之和，否則易與“水源熱泵機組”(水-水式熱泵機組，適用于不同種類淺層地源熱泵系統)概念混淆。不同于土壤源熱泵擁有的資源普適性，地下水源、地表水源熱泵對自然資源稟賦有較高要求，因此并未得到較大規模推廣，僅在某些淺層地下水豐沛或天然擁有江河湖海毗鄰的位置有所應用。針對地下水源熱泵適宜性以及回灌方式等內容，哈爾濱工業大學、上海交通大學和天津大學等研究人員曾開展深入研究[41-43]。但整體而言，目前地下水源、地表水源熱泵在我國的應用體量遠小于土壤源熱泵，回灌不充分易造成淺層地表沉降是其技術應用過程中所面臨的主要風險。

此外，中國建筑科學研究院袁東立等[44]設計了一種可利用低溫水/冰漿作為低位熱源的冰源熱泵。其與傳統熱泵循環形式不同，通過在低溫水與蒸發器中間加裝一套制冰裝置，使水在制冰裝置中可控結冰，實現對0 ℃左右地表水中熱量的提取和利用，大大拓展了地表水源熱泵的適用范圍。

3)污水源熱泵

城市污水由于其內部不斷進行的微生物活動和化學反應可在全年維持較高溫度，是一種穩定的低品位熱源，因而也被用于熱泵供熱技術。早在21世紀初，哈爾濱工業大學等學者就對污水源熱泵的原理、特點、國內外應用現狀和發展前景進行了系統分析[11]。由于污水的特殊性，污水源熱泵換熱器的防腐蝕、防堵塞及強化換熱問題是其研究重點，許多研究圍繞該主題展開[45]。近年來研究重點還轉移至污水源熱泵供熱系統的優化控制[46]等方向，可以預見在城市化不斷發展的大環境下，污水源熱泵也將擁有廣闊的發展前景。

2.2 水熱型供熱技術

水熱型供熱技術的應用依托水熱型地熱資源，其推廣可行性同地下水源熱泵一樣取決于當地自然資源稟賦。與地下水源熱泵相比，主要區別在于水熱型供熱技術管井深度(2～3 km)遠深于地下水源熱泵埋管深度(200 m以淺)，并且是直接將地下高溫地熱水抽至地表進行換熱后再回灌至儲層，其中不涉及使用熱泵提升能量品位的過程。水熱型地熱資源主要集中于我國西北、華北等地，多出現于擁有沉積盆地或板塊斷裂等地質特征的區域。最初對水熱型地熱資源的探索是地熱發電技術發展的需要，但在勘察過程中發現部分低溫水熱型地熱資源(60～90 ℃)恰好與建筑供熱所需的溫區相契合，因此水熱型地熱資源在供熱領域得到了廣泛應用。對于水熱型供熱技術的相關研究主要集中于水熱型地熱資源分布和形成機理的勘察和分析，中國科學院地質與地球物理研究所、中國地質科學院水文地質環境地質研究所及西北大學等開展了相關研究工作[47-49]。

2.3 中深層地埋管供熱技術

中深層地埋管供熱技術最早于20世紀末出現類似概念，但名稱尚未統一。我國在2012年前后出現類似報道，初期將該技術歸類于干熱巖開發利用技術，但干熱巖在地質領域有其嚴格定義，即：內部不存在或僅存在少量流體，溫度高于180 ℃的異常高溫巖體[50]。因此中深層地埋管供熱技術后逐漸被明確為以中深層地埋管換熱器為核心部件的中深層地熱能開發利用技術。此外需要注意的是，長安大學官燕玲團隊已有關于U型管式中深層地埋管換熱器用于建筑供熱的研究發表[51]，但目前該技術絕大部分的使用案例和相關研究均圍繞同軸套管式換熱器開展，為統一起見，本文中所提到的中深層地埋管換熱器默認均為同軸套管式。

21世紀初起，國外已有部分學者開始研究中深層地埋管換熱器耦合地源熱泵系統用于建筑供熱的可行性，但受限于國外高昂的鉆井成本和低人口密度下的較小供熱體量，該技術并未獲得太多關注[52-53]。得益于我國較為低廉的鉆井成本以及高人口密度所帶來的較大供熱需求，2012年在我國陜西省首次工程嘗試并取得成功后，該技術在短時間內迅速發展。西安交通大學王灃浩團隊分析了西安市一處應用中深層地埋管供熱技術示范工程的實測數據，使用FLUENT軟件進行了管井性能優化[54]。中國科學院地質與地球物理研究所與德國亥姆霍茲環境研究中心合作，使用開源有限元模擬軟件OpenGeoSys進行了中深層地埋管換熱器取熱量評估，結果表明，其每延米換熱量不超過150 W/m，為工程應用提供了指導[55]。清華大學魏慶芃團隊針對中深層地埋管供熱技術實際應用開展了一系列工程監測，結果表明該技術較傳統淺層地源熱泵系統而言，系統COP更高，可達4.6～6.4[56]。山東建筑大學方肇洪團隊使用有限差分法分析了中深層地埋管換熱器的性能影響因素[57]，中國科學院廣州能源研究所卜憲標團隊使用有限體積法分析了巖土熱物性參數對換熱性能的影響[58]。此外，中國石油大學[59]、中國科學技術大學[60]、吉林大學[61]等單位均針對中深層地埋管換熱器開展了相關研究，包括對固井材料，管材導熱系數等參數進行敏感性分析。以上工作均基于數值模擬開展，由于中深層地埋管換熱器的橫縱向空間尺度差異巨大，導致數值模擬所使用的網格數量較多，長時間尺度運行模擬耗費時間較長。為此，華中科技大學羅勇強團隊[62]、天津大學趙軍團隊[63]、香港理工大學及山東建筑大學[64]等還在解析解領域開展研究，基于分段有限長線熱源模型實現了考慮地溫梯度的中深層地埋管換熱器換熱模擬。此外，俄克拉荷馬州立大學R. A. Beier團隊[65]利用反拉普拉斯變換求解了中深層地埋管換熱器控制方程，推導得到了考慮地溫梯度的解析解計算方法。目前針對中深層地埋管換熱器，國內外的研究重點主要集中在單根中深層地埋管換熱器長期穩定性研究[66]以及中深層地埋管換熱器耦合深部巖土高效仿真計算模型開發[67]。

3 未來研究方向

3.1 大型淺層地埋管管群熱平衡問題

從適用性角度出發，可以預計，未來淺層地源熱泵技術中的土壤源熱泵將是應用和研究的重點。考慮到土壤源熱泵系統可被類比為“蓄熱器”，其核心運行機理為冬取夏灌，通過維持全年土壤側能量平衡實現系統穩定運行。因此對于土壤源熱泵而言，土壤側能否維持能量平衡直接關乎實際工程應用的可持續性[68-69]。在我國土壤源熱泵的應用過程中，考慮到我國建筑的體量和規模，與國外大多數為小型別墅供冷/供熱的使用場景不同，國內實際工程中動輒敷設數百根甚至上千根地埋管，而如此多淺層地埋管所構成管群系統的水力耦合特性及管間交互效應將極大影響系統使用性能。目前已有眾多相關研究關注管群間交互影響大小對系統性能及土壤熱平衡的影響，但大多僅從傳統單管角度出發，在研究過程中固定管群內各管進口溫度或功率。德國亥姆霍茲環境研究中心邵亥冰團隊使用其自主開發的開源軟件OpenGeoSys耦合Python工具包TESPy實現了地下管群耦合巖土換熱及地下管網系統水力特性動態耦合模擬[70]，結果表明，大型淺層地埋管管群運行過程中可能出現負荷遷移現象，即管群中每根單管所承擔的負荷并不一致，與地埋管所在位置的土壤溫度實時相關且受管網系統水力分配控制。這為淺層地埋管管群換熱特性分析提供了新思路，值得進一步深入研究。

此外，考慮到不同氣候區的建筑負荷特性，為滿足建筑供冷/供熱需求，很難做到全年土壤側能量平衡，因此研究土壤源熱泵系統和其它輔助能源耦合的多能互補系統及與其使用特性匹配的控制方法同樣十分必要。在東北地區等熱負荷占優的區域使用太陽能對地下土壤進行補熱，在南方冷負荷占優的區域結合冷卻塔甚至蒸發冷卻技術等緩解地下土壤熱堆積，可為確保土壤源熱泵系統長期穩定運行提供理論支撐。

3.2 水熱型供熱高效回灌技術研究

考慮到水熱型供熱技術主要受制于當地自然資源稟賦，例如對于存在充足地下水資源的巖溶熱儲層而言發展該技術較為適宜，未來還應著力于其回灌安全性研究和高效回灌技術方法探討。研究同井回灌、異井回灌、多井回灌等回灌技術的適用性和可行性，以及準確評估取水作業對于地下水儲層、流場以及微生物生態環境的影響，從而確保水熱型供熱技術的推廣使用不會對環境造成影響或破壞。

3.3 中深層地埋管管群換熱性能評估及長期穩定性分析

中深層地埋管供熱技術只在近十年內于我國迅速發展，尚存許多研究方向有待挖掘。目前相關研究多使用數值模擬或解析解作為仿真手段，結合實測數據驗證，分析中深層地埋管換熱器的換熱性能及長期穩定性，對管井設計參數、系統運行參數及巖土熱物性參數等進行敏感性分析。但目前所報道的幾乎所有研究，均只針對單根中深層地埋管換熱器。但實際應用中，以每延米換熱量120 W/m，系統COP為6.0，單位面積建筑熱負荷為30 W/m2計，一根長2.5 km的中深層地埋管換熱器僅可滿足12 000 m2的供熱需求，對于現今的公共建筑及住宅建筑而言，大多需要5～8根中深層地埋管換熱器以滿足建筑總供熱負荷。因此開展中深層地埋管管群換熱性能評估，分析管間交互作用大小以及對長期使用穩定性的影響十分必要，所得成果可以對實際工程設計提供指導和幫助。

同時，考慮到中深層地埋管供熱系統與淺層土壤源熱泵系統的一般使用場景，二者的最大區別在于，前者僅用于供熱，而后者需同時滿足供熱制冷需求。因此不同于淺層土壤源熱泵系統可追求全年土壤側取/釋熱能量平衡，中深層地埋管供熱系統若連續逐年取熱將產生一定程度土壤熱衰減。目前工程中使用的做法是每年為中深層地埋管換熱器周圍土壤預留一定的恢復時間(供暖季使用，非供暖季恢復)。因此，在此前提下評估中深層地埋管換熱器長期使用工況下地下土壤的溫度重分布、最大熱影響半徑以及土壤熱量補給運移機理同樣十分重要。此外，考慮到建筑熱負荷在供暖季內的波動(初、末供暖季負荷相對較小)，如何將建筑負荷特性與中深層地埋管供熱技術的運行控制相結合，在負荷較低的特定時期關閉熱源側水泵讓深部土壤得以恢復以提高系統長期使用性能，同樣值得研究。

4 展望

北方地區冬季清潔取暖，關系到廣大人民群眾生活，是重大的民生工程。發展清潔可再生建筑節能技術，推進地熱能供熱技術發展，從長遠看是能源結構轉型調整及人類社會可持續發展背景下的題中應有之義。隨著我國經濟建設穩步發展，城市化不斷推進，地熱能供熱技術的出現和蓬勃發展正可為建筑供熱領域注入新活力。目前，在我國地熱能供熱技術應用面積及工程體量世界領先的基礎上，科研工作者及工程技術人員更應針對以淺層地源熱泵技術、水熱型供熱技術為代表的傳統地熱能供熱技術及中深層地埋管供熱技術、污水源熱泵技術、冰源熱泵技術、多能耦合供熱技術等新型供熱技術開展產學研用一體化研究，對標國際頂尖技術水平，產出高質量原創性科研成果，同時在技術領域上下游設計、施工、運行維護等各個環節不斷努力以期取得更大進步，為國家發展、社會進步、人民生活水平提升貢獻力量。