0 引言

為推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),開發(fā)清潔型可再生能源有著重要意義。《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》指出,加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型,是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵手段。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)可再生能源占比預(yù)計(jì)將于2050年達(dá)到能源消費(fèi)總量的45%,而地?zé)崮?/a>比重約為可再生能源總量的50%。地源熱泵作為地?zé)崮芾?/a>的關(guān)鍵技術(shù),可切實(shí)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(shù)已經(jīng)完善,中深層地源熱泵技術(shù)也在持續(xù)進(jìn)步,而對(duì)于現(xiàn)有中深層聯(lián)合淺層地源熱泵系統(tǒng)供暖的研究較少。

1中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)

1.1簡(jiǎn)介

中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)是采用中深層、淺層地源熱泵相結(jié)合的復(fù)合供暖系統(tǒng),其充分利用了中深層地源熱泵系統(tǒng)溫度高、熱量大、供熱能力強(qiáng)以及淺層地源熱泵系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、成本較低的優(yōu)勢(shì),且尤為適配冬季供暖、夏季供冷的需求,同時(shí)適用于冷熱負(fù)荷不均的地區(qū)。該復(fù)合系統(tǒng)可解決淺層地源熱泵長(zhǎng)期運(yùn)行可能導(dǎo)致地下巖土溫度得不到有效恢復(fù),無法滿足建筑所需的制冷或供熱要求的問題。并且當(dāng)中深層地源熱泵長(zhǎng)期運(yùn)行,系統(tǒng)性能隨著局部地?zé)?/a>場(chǎng)逐年下降,從而導(dǎo)致供暖性能相應(yīng)降低、熱量提取不穩(wěn)定時(shí),可通過淺層地源熱泵起到一定程度上的緩解與補(bǔ)充作用,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)通過實(shí)現(xiàn)中深層地?zé)崮?/a>和淺層地?zé)崮?/a>兩種地?zé)崮茉?/a>的綜合利用,能更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的建筑物供暖和制冷需求,充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),從而做到最大程度開發(fā)地?zé)崮?/a>,使系統(tǒng)更加高效、穩(wěn)定地運(yùn)行,是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的地?zé)崮芾?/a>系統(tǒng)。

1.2工作原理

復(fù)合系統(tǒng)運(yùn)行的工作原理見圖1。在供熱工況下,對(duì)于中深層地源熱泵系統(tǒng),循環(huán)介質(zhì)在地埋管內(nèi)流動(dòng)與地下巖土進(jìn)行換熱,經(jīng)板式換熱器加熱處理后,進(jìn)入中深層地源熱泵機(jī)組進(jìn)行二次換熱,隨后即可向建筑物提供熱量;對(duì)于淺層地源熱泵系統(tǒng),淺層熱泵機(jī)組從淺層土壤中取熱,經(jīng)機(jī)組處理后提升溫度,同時(shí)與中深層地源熱泵所提供的熱量進(jìn)行耦合,共同滿足建筑物的供暖需求。在制冷工況下,僅運(yùn)行淺層地源熱泵系統(tǒng),建筑物內(nèi)的熱量經(jīng)淺層熱泵機(jī)組傳輸?shù)?a href="http://www.bdpks.com/t/地埋管.html" >地埋管內(nèi),并釋放到地下巖土中,從而滿足建筑物的制冷需要。經(jīng)以上方式,即可實(shí)現(xiàn)中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的正常運(yùn)行,達(dá)成建筑物制冷供熱的目的。

2研究現(xiàn)狀

作為兼顧淺層系統(tǒng)的靈活性與中深層系統(tǒng)的高效性的供暖技術(shù),中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景,目前已有學(xué)者對(duì)此開展了相關(guān)研究。王樂等以陜西省某農(nóng)業(yè)示范園為研究對(duì)象,提出了不同熱負(fù)荷規(guī)律下中深層及淺層地源熱泵系統(tǒng)能源的梯級(jí)利用方案,測(cè)試分析了冬季系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況及供熱性能,結(jié)果見圖2。較高熱負(fù)荷工況下,中深層及淺層地源熱泵系統(tǒng)地下取熱量占比分別為43.5%和56.5%,熱泵機(jī)組的平均制熱性能系數(shù)分別為3.49和4.96;高熱負(fù)荷工況下,中深層及淺層地源熱泵系統(tǒng)地下取熱量占比分別為39.2%和60.8%,熱泵機(jī)組的平均制熱性能系數(shù)分別為3.27和4.65。在采取能源梯級(jí)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?zé)崮?/a>的取熱量相較無梯級(jí)利用提高了1倍。中深層地?zé)崮?/a>和淺層地?zé)崮?/a>在梯級(jí)利用的系統(tǒng)運(yùn)行模式下,具備較高的能源利用效率,擁有良好的發(fā)展前景。

戚旭鵬以長(zhǎng)春某物流大廈為研究對(duì)象,探究了中深層和淺層地埋管的聯(lián)合應(yīng)用模式,分別進(jìn)行了以中深層地源熱泵為淺層地源熱泵的輔助熱源補(bǔ)熱和中深層地源熱泵為淺層地源熱泵跨季節(jié)蓄能補(bǔ)熱的兩種運(yùn)行模式研究。結(jié)果顯示,若中深層地?zé)?/a>能作為輔助熱源補(bǔ)熱,淺層地源熱泵運(yùn)行時(shí)的冷熱失衡率為21%,約需要其提供458萬kW·h熱負(fù)荷,采用一口可承擔(dān)熱負(fù)荷為183萬kWh的中深層套管式地埋管和一口可承擔(dān)熱負(fù)荷為328萬kW·h的U型對(duì)接式地埋管即可滿足;若中深層地?zé)?/a>能作為跨季節(jié)蓄能補(bǔ)熱,當(dāng)循環(huán)介質(zhì)在單U-120m淺層地埋管內(nèi)的流速為0.2 m/s,入口溫度為11℃時(shí),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(zhǎng)期運(yùn)行期間的輔助熱源及淺層地埋管跨季節(jié)的蓄熱熱源,在合理運(yùn)行的情況下,能夠有效解決嚴(yán)寒地區(qū)地下巖土產(chǎn)生的“冷熱不平衡”問題。李艷斌等從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性的角度考慮,并采用中深層地?zé)?/a>及淺層地?zé)?/a>聯(lián)合應(yīng)用的方式為某溫室大棚供暖,結(jié)合冷熱負(fù)荷需求以及區(qū)域的地?zé)豳Y源情況,給出了最優(yōu)的能源利用搭配方案,見圖3。技術(shù)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(tǒng)制冷量為30 MW,中深層地源熱泵承擔(dān)30%熱負(fù)荷和淺層地源熱泵承擔(dān)50%熱負(fù)荷。復(fù)合系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用見表1,中深層和淺層耦合水源熱泵的方案供暖季運(yùn)行費(fèi)用最低為534萬元,其中中深層地?zé)?/a>耗電量212萬kW·h,淺層地?zé)?/a>耗電量745萬kW·h,且淺層地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用是中深層地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用的2.01倍。系統(tǒng)在冬季有著相對(duì)穩(wěn)定的供暖能力,同時(shí)能夠滿足夏季所需的制冷要求。能源方面優(yōu)先利用中深層地?zé)崮?/a>,能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,具有較為良好的經(jīng)濟(jì)性。

何流從地熱能的多能耦合設(shè)計(jì)角度,基于建立的多能耦合供暖制冷系統(tǒng),對(duì)中深層水熱型地源熱泵及淺層地源熱泵結(jié)合冷水機(jī)組-冷卻塔、鍋爐系統(tǒng)和蓄能系統(tǒng)等能源耦合的方案進(jìn)行了優(yōu)化與研究。部分方案及成本見表2,結(jié)果表明,通過耦合中深層地?zé)嵯到y(tǒng),年運(yùn)行費(fèi)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(tǒng)后,折合初投資可降低約20.2%,年運(yùn)行費(fèi)用增加約8.9%,系統(tǒng)運(yùn)行的周期成本降低約5.5%?？傮w而言,中深層地?zé)崮?/a>與淺層地?zé)?/a>能相結(jié)合的應(yīng)用模式將地?zé)崮芄┡评?/a>的節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)得尤為明顯。

總結(jié)現(xiàn)有研究成果可知,中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有大幅降低能源消耗、減少投資和運(yùn)行費(fèi)用等優(yōu)勢(shì)。還能夠根據(jù)建筑物的實(shí)際需求、當(dāng)?shù)氐?a href="http://www.bdpks.com/t/地質(zhì)條件.html" >地質(zhì)條件以及地?zé)豳Y源情況,靈活調(diào)整中深層和淺層地源熱泵的容量比例,從而在不同的應(yīng)用工況下,都可以實(shí)現(xiàn)最適合的地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3前景分析

3.1發(fā)展前景

目前,地?zé)?/a>資源已在全球范圍內(nèi)成為可再生能源利用的熱點(diǎn),擴(kuò)大地?zé)崮荛_發(fā)范圍和提高地?zé)崮芾?/a>水平是未來加強(qiáng)地源熱泵系統(tǒng)相關(guān)研究的關(guān)鍵所在。中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行模式的多樣化,還提升了系統(tǒng)性能,實(shí)現(xiàn)了地?zé)崮?/a>的高效開發(fā),有助于實(shí)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,在各個(gè)方面展現(xiàn)出卓越的發(fā)展前景。

從“雙碳”目標(biāo)的角度分析,地?zé)?/a>資源的開發(fā)利用能夠?yàn)闇p少碳排放和優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)提供產(chǎn)業(yè)升級(jí)和科技創(chuàng)新等有力支撐,推動(dòng)地?zé)崮苄袠I(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì),地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的平均制熱季節(jié)COP為5.72,相較電加熱設(shè)備節(jié)能率約為 82.5%,碳排放減少82.5%。與空氣源熱泵相比,節(jié)能率約為44%,碳排放減少44%。中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)通過利用地下中深層及淺層熱能,減少對(duì)外部集中供暖與制冷系統(tǒng)的應(yīng)用,能夠在建筑的能源使用上更具獨(dú)立性,從而間接降低系統(tǒng)的碳排放,有助于減少建筑領(lǐng)域的碳強(qiáng)度和碳足跡。從這個(gè)意義上來看,中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的應(yīng)用模式可以推動(dòng)構(gòu)建低碳和清潔的能源體系, 是助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要手段。

從節(jié)能減排的角度分析,中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)境效益,通過靈活調(diào)配兩種不同深度的地?zé)崮?/a>,可提高地?zé)崮茉蠢?/a>效率、節(jié)省大量的能源消耗、緩解能源供應(yīng)壓力,同時(shí)減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴。且系統(tǒng)運(yùn)行過程中不產(chǎn)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(zhì)量和生態(tài)環(huán)境。通過中深層地?zé)崮?/a>結(jié)合淺層地?zé)崮?/a>,探索并實(shí)現(xiàn)地?zé)岬母咝?a href="http://www.bdpks.com/t/儲(chǔ)能.html" >儲(chǔ)能利用技術(shù),未來將會(huì)成為可再生能源技術(shù)挑戰(zhàn)應(yīng)對(duì)的重要目標(biāo)。

從能源結(jié)構(gòu)的角度分析,淺層地?zé)崮?/a>分布廣泛、儲(chǔ)量豐富,中深層地?zé)崮?/a>熱量穩(wěn)定、供應(yīng)持續(xù), 二者相結(jié)合的系統(tǒng)受自然與季節(jié)等外部因素影響較小,可在不同應(yīng)用條件下穩(wěn)定供給能源。此外,該復(fù)合系統(tǒng)可通過綜合利用多種可再生清潔能源的技術(shù)形式,助力構(gòu)建以地熱能為核心的清潔可再生能源利用體系,實(shí)現(xiàn)多種能源綜合利用、多能耦合協(xié)同運(yùn)行,推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)。中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的應(yīng)用,能夠促進(jìn)能源供應(yīng)多元化,在能源戰(zhàn)略方面占有重要地位。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度分析,地?zé)崮苄袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的加強(qiáng),能夠進(jìn)一步推動(dòng)和規(guī)范我國(guó)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。目前我國(guó)已占全球地?zé)崮荛_發(fā)總量的75%,據(jù)統(tǒng)計(jì),淺層地?zé)?/a>能約占地?zé)崮苣昀每偭康?1.7%,中深層水熱型地?zé)崮?/a>利用總量居世界首位,其年利用量高達(dá)12 604.6 MW,每年仍在以 10%左右的速度增長(zhǎng)。中深層與淺層地?zé)?/a>能的結(jié)合,突破了地?zé)豳Y源開發(fā)利用的限制,能夠帶動(dòng)地?zé)豳Y源勘查、地源熱泵設(shè)備制造、安裝維護(hù)、技術(shù)研發(fā)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展,提高地?zé)嵝袠I(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,促進(jìn)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。同時(shí)完善現(xiàn)有地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)體系,推動(dòng)地?zé)崮茉?/a>領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新,為其提供產(chǎn)業(yè)支持和技術(shù)保障。

從應(yīng)用推廣的角度分析,中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低,穩(wěn)定效果好,長(zhǎng)期運(yùn)行能夠節(jié)省企業(yè)和居民可觀的開支,且運(yùn)行過程中不產(chǎn)生碳排放,不會(huì)形成環(huán)境污染。同時(shí),該復(fù)合系統(tǒng)應(yīng)用靈活性高,可以按照所處位置環(huán)境、建筑負(fù)荷需求靈活配置中深層和淺層系統(tǒng)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(fù)合系統(tǒng)的推廣具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和環(huán)保效益,符合全球環(huán)保理念和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

從全球性發(fā)展的角度分析,復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用,如太陽能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)、空氣源-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)等。秦景等研究表明,傳統(tǒng)地源熱泵供暖系統(tǒng)COP為2.7,太陽能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)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(fù)合系統(tǒng)相比,太陽能受季節(jié)變換和天氣狀況等影響顯著,需依賴地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

4結(jié)語

隨著地源熱泵技術(shù)的日漸成熟與“雙碳”目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn),中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)能夠合理、高效地進(jìn)行地?zé)崮艿睦?從而大幅減少高品位能源的消耗。通過對(duì)不同項(xiàng)目、不同地域的應(yīng)用實(shí)踐表明,該復(fù)合系統(tǒng)在建筑供暖、制冷等領(lǐng)域具有卓越的性能,對(duì)于行業(yè)各方面都擁有廣闊的應(yīng)用前景。未來尚需進(jìn)一步對(duì)中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行完善,不斷提高其節(jié)能潛力,結(jié)合不同地域的地?zé)豳Y源特點(diǎn),合理進(jìn)行地?zé)崮茉?/a>的開發(fā)。中深層及淺層地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于未來清潔能源領(lǐng)域的進(jìn)步至關(guān)重要,有望為可持續(xù)發(fā)展的能源應(yīng)用方式做出新的貢獻(xiàn)。