中深層地巖熱耦合熱泵技術在房建工程中的應用實例分析

1 引言

近年來，國家出臺了大量支持地熱供暖的政策文件，鼓勵開展中深層地熱能集中利用示范工作， 探索有利于地熱能開發利用的新型管理技術和市場運營模式。 國家能源局發布的《關于促進地熱能開發利用的若干意見》（國能發新能規〔2021〕43 號）文件中，明確提出宜采取地熱區塊整體開發的方式推進地熱能供暖，調動企業保護資源、堅持可持續開發的積極性，鼓勵推廣“地熱能+”多能互補的供暖形式。相比空氣能、太陽能、風能的不穩定性，地熱能不受季節和晝夜溫差變化的影響，具有穩定、安全等優點，合理開發利用地熱能，對調整能源結構、治理霧霾、應對氣候變化等方面具有重要意義。

2 中深層地巖熱耦合熱泵技術

中深層無干擾地巖熱供暖是一種新型供熱技術， 原理是通過地下巖層鉆孔采熱，利用鉆機向地下中高溫巖層鉆孔，并在鉆孔中安裝密閉的金屬換熱器，直接從地下2 000～3 000 m 處采集熱量，將軟化水注入換熱器，向地面建筑物供熱，詳見圖1。 該技術取熱不耗水、完全等量同層回灌，且為密封式，無干擾井下換熱，最大限度地減少了對地下土壤、巖層和水體的干擾，確保地下水水量不減少、水位不下降、水質不降低，避免對地下水資源和環境造成損害[1]。

圖1 中深層地巖熱耦合熱泵系統示意圖

該供熱系統具有安全可靠，供熱穩定的特點，壽命與建筑壽命相當（不小于50 年），主機系統壽命20 年；系統供熱不受氣候環境的限制；就近取熱，地下中深層地巖熱能穩定，2 000 m深處地溫大約在40～50 ℃， 通過熱泵系統可將供熱溫度穩定在50 ℃以上，適合大面積供熱需求。 環保節能，全系統能效比COP 值可達到5.0 以上。

3 工程應用案例

3.1 工程概況

本工程為張掖市臨澤縣某產業園實訓基地項目， 位于張掖市臨澤縣。 該實訓基地項目總供暖建筑面積7.5 萬m2，主要包括接待中心、研學中心、教學樓、實訓樓等，均為多層公共建筑。 本工程的采暖負荷為5 809.76 kW，空調熱負荷610 kW，冷負荷1 429.8 kW。 該地區的室外氣象參數詳見表1。

表1 室外氣象參數

本項目周邊地勢開闊，無可用天然氣管網，無城市或區域集中供熱。 按照《甘肅省發展和改革委員會關于明確清潔能源供暖價格支持政策有關問題的通知》（甘發改價管〔2017〕1080號）文，地熱能與超低溫空氣源熱泵供暖制冷的項目運行電價參照峰谷用電價格執行，平均單價為0.50 元/（kW·h）。

3.2 不同熱源形式的投資成本測算

在項目初期，從設計層面，對本工程采用的超低溫空氣源熱泵和中深層地巖熱泵技術分別從初始投資、 運行費用等方面做了初步的測算分析、比較，確定選用合理的熱源方式為建筑群供暖[2]。

3.2.1 初投資成本測算

若采用中深層地巖熱泵系統，需設一座供熱（冷）機房，內設3 臺（制熱功率約1 700 kW）單制熱中深層地巖熱主機、1臺（額定制冷量為1 520 kW，制熱量為1 830 kW）雙制中深層地巖熱主機，采用集中供熱（冷）方式，在綠化帶建設7 口換熱孔，孔徑為300 mm。 若采用超低溫空氣源熱泵系統，各單體分設設備用房，共需52 臺（140 kW）超低溫空氣源熱泵機組，可分開管理，單獨維護。 初步估算，中深層地巖熱供熱系統建設工程費用約為3 097 萬元，若以空氣源熱泵作為熱源，其工程建設費用約為1 794 萬元。

由此可見，就本項目而言，中深層地巖熱泵系統建設成本高出空氣源熱泵系統1 303 萬元，建設成本高，施工相對復雜，且需要集中控制管理。

3.2.2 運行成本測算

1）電價：按照甘發改價管〔2017〕1080 號文，地熱能與超低溫空氣源熱泵供暖制冷的項目運行電價參照峰谷用電價格執行，平均單價為0.50 元/（kW·h）。

2）設備效率：中深層地巖熱機組具有較高的能效，本項目按照地巖熱機組制熱平均COP≈5.0 計算。張掖地區的冬季室外空氣溫度波動幅度較大， 超低溫空氣源熱泵的能效系數以該地區平均能效系數計算，即COP≈2.5。

3）人工費用：中深層地巖熱供熱系統在運行中自動化程度較高，可實現無人值守，安排2 人兼職巡檢和維護，人工工資均按照3 500 元/ 月計算，每年工作8 個月。 超低溫空氣源熱泵機組運行自動化程度較高， 同樣安排2 人兼職巡檢和維護，人工工資均按照3 500 元/ 月計算，每年工作8 個月[3]。

3.3 年運行費用和環境分析

本工程采用中深層地巖熱泵系統、 空氣源熱泵系統的年運行費用見表2、表3。

表2 中深層地巖熱系統年運行費用估算表

表3 超低溫空氣源熱泵采暖年運行費用估算

由此可見，僅從設備用電量的角度考慮，超低溫空氣源熱泵系統的運行費用明顯高于中深層地巖熱泵系統， 運行費用幾乎是中深層地巖熱泵系統運行費用的2 倍， 明顯降低了無法進行集中供熱的建筑群體冬季采暖的運行費用， 保障了這類建筑冬季使用的舒適度。 又從初投資成本和運行費用在使用壽命內累計疊加的角度再進行進一步分析發現， 當建筑物投入使用后第10 年開始，超低溫空氣源熱泵系統的總投資費用開始遠超中深層地巖熱泵系統，如圖2 所示。 超低溫空氣源熱泵系統的運行使用年限為10～15 年， 中深層地巖熱泵的使用年限可達50 年[4]。

圖2 不同熱源形式的經濟性回收分析

如果從碳排放的角度來看， 超低溫空氣源熱泵每年消耗電能510.69 萬kW·h， 中深層地巖熱泵系統每年消耗電能264.62 萬kW·h，根據相關專家統計，節約1 kW·h 電相當于減少碳排放1 kg， 本項目采用中深層地巖熱泵系統可以減少碳排放量2 460.7 t/a。 可見，由建筑供暖能耗引起的碳排放成為建設用地碳排放的重要來源， 有效的碳減排措施對于當地的環境改善意義重大。

4 結語