中深层及浅层地源热泵复合系统的应用现状及前景分析

0 引言

为推进“双碳”目标的实现,开发清洁型可再生能源有着重要意义。《“十四五”现代能源体系规划》指出,加快能源绿色低碳转型,是实现碳达峰、碳中和目标的关键手段。据统计,我国可再生能源占比预计将于2050年达到能源消费总量的45%,而地热能比重约为可再生能源总量的50%。地源热泵作为地热能利用的关键技术,可切实降低建筑物供暖与制冷所需的能耗。目前,浅层地源热泵技术已经完善,中深层地源热泵技术也在持续进步,而对于现有中深层联合浅层地源热泵系统供暖的研究较少。

1中深层及浅层地源热泵复合系统

1.1简介

中深层及浅层地源热泵复合系统是采用中深层、浅层地源热泵相结合的复合供暖系统,其充分利用了中深层地源热泵系统温度高、热量大、供热能力强以及浅层地源热泵系统相对简单、技术成熟、成本较低的优势,且尤为适配冬季供暖、夏季供冷的需求,同时适用于冷热负荷不均的地区。该复合系统可解决浅层地源热泵长期运行可能导致地下岩土温度得不到有效恢复,无法满足建筑所需的制冷或供热要求的问题。并且当中深层地源热泵长期运行,系统性能随着局部地热场逐年下降,从而导致供暖性能相应降低、热量提取不稳定时,可通过浅层地源热泵起到一定程度上的缓解与补充作用,以保证系统的稳定运行。中深层及浅层地源热泵复合系统通过实现中深层地热能和浅层地热能两种地热能源的综合利用,能更好地应对复杂多变的建筑物供暖和制冷需求,充分发挥各自的优势,从而做到最大程度开发地热能,使系统更加高效、稳定地运行,是一种具有巨大发展潜力和应用前景的地热能利用系统。

1.2工作原理

复合系统运行的工作原理见图1。在供热工况下,对于中深层地源热泵系统,循环介质在地埋管内流动与地下岩土进行换热,经板式换热器加热处理后,进入中深层地源热泵机组进行二次换热,随后即可向建筑物提供热量;对于浅层地源热泵系统,浅层热泵机组从浅层土壤中取热,经机组处理后提升温度,同时与中深层地源热泵所提供的热量进行耦合,共同满足建筑物的供暖需求。在制冷工况下,仅运行浅层地源热泵系统,建筑物内的热量经浅层热泵机组传输到地埋管内,并释放到地下岩土中,从而满足建筑物的制冷需要。经以上方式,即可实现中深层及浅层地源热泵复合系统的正常运行,达成建筑物制冷供热的目的。

2研究现状

作为兼顾浅层系统的灵活性与中深层系统的高效性的供暖技术,中深层及浅层地源热泵复合系统具有广阔的应用前景,目前已有学者对此开展了相关研究。王乐等以陕西省某农业示范园为研究对象,提出了不同热负荷规律下中深层及浅层地源热泵系统能源的梯级利用方案,测试分析了冬季系统的实际运行情况及供热性能,结果见图2。较高热负荷工况下,中深层及浅层地源热泵系统地下取热量占比分别为43.5%和56.5%,热泵机组的平均制热性能系数分别为3.49和4.96;高热负荷工况下,中深层及浅层地源热泵系统地下取热量占比分别为39.2%和60.8%,热泵机组的平均制热性能系数分别为3.27和4.65。在采取能源梯级利用的模式下,中深层井的取热量是浅层井的5.6倍,取热温度也较浅层井提高了53℃。其地热能的取热量相较无梯级利用提高了1倍。中深层地热能和浅层地热能在梯级利用的系统运行模式下,具备较高的能源利用效率,拥有良好的发展前景。

戚旭鹏以长春某物流大厦为研究对象,探究了中深层和浅层地埋管的联合应用模式,分别进行了以中深层地源热泵为浅层地源热泵的辅助热源补热和中深层地源热泵为浅层地源热泵跨季节蓄能补热的两种运行模式研究。结果显示,若中深层地热能作为辅助热源补热,浅层地源热泵运行时的冷热失衡率为21%,约需要其提供458万kW·h热负荷,采用一口可承担热负荷为183万kWh的中深层套管式地埋管和一口可承担热负荷为328万kW·h的U型对接式地埋管即可满足;若中深层地热能作为跨季节蓄能补热,当循环介质在单U-120m浅层地埋管内的流速为0.2 m/s,入口温度为11℃时,则换热量为26.92万kW·h的中深层地埋管蓄热66 d就能满足93口该浅层地埋管需要的热量。通过以中深层地埋管为浅层地源热泵长期运行期间的辅助热源及浅层地埋管跨季节的蓄热热源,在合理运行的情况下,能够有效解决严寒地区地下岩土产生的“冷热不平衡”问题。李艳斌等从系统的经济性和节能性的角度考虑,并采用中深层地热及浅层地热联合应用的方式为某温室大棚供暖,结合冷热负荷需求以及区域的地热资源情况,给出了最优的能源利用搭配方案,见图3。技术方案为采用中深层取水井2口,回灌井2口,供热量为15 MW;浅层取水井24口,回灌井48口,供热量为26.2 MW。系统制冷量为30 MW,中深层地源热泵承担30%热负荷和浅层地源热泵承担50%热负荷。复合系统的运行费用见表1,中深层和浅层耦合水源热泵的方案供暖季运行费用最低为534万元,其中中深层地热耗电量212万kW·h,浅层地热耗电量745万kW·h,且浅层地源热泵运行费用是中深层地源热泵运行费用的2.01倍。系统在冬季有着相对稳定的供暖能力,同时能够满足夏季所需的制冷要求。能源方面优先利用中深层地热能,能够有效实现节能减排,具有较为良好的经济性。

何流从地热能的多能耦合设计角度,基于建立的多能耦合供暖制冷系统,对中深层水热型地源热泵及浅层地源热泵结合冷水机组-冷却塔、锅炉系统和蓄能系统等能源耦合的方案进行了优化与研究。部分方案及成本见表2,结果表明,通过耦合中深层地热系统,年运行费用可降低约47.9%,周期成本可降低约25.9%,年碳排放量可降低34.6%;加入浅层地源热泵系统后,折合初投资可降低约20.2%,年运行费用增加约8.9%,系统运行的周期成本降低约5.5%。总体而言,中深层地热能与浅层地热能相结合的应用模式将地热能供暖制冷的节能与经济效益优势展现得尤为明显。

总结现有研究成果可知,中深层及浅层地源热泵复合系统在实际应用中具有大幅降低能源消耗、减少投资和运行费用等优势。还能够根据建筑物的实际需求、当地的地质条件以及地热资源情况,灵活调整中深层和浅层地源热泵的容量比例,从而在不同的应用工况下,都可以实现最适合的地源热泵系统设计。

3前景分析

3.1发展前景

目前,地热资源已在全球范围内成为可再生能源利用的热点,扩大地热能开发范围和提高地热能利用水平是未来加强地源热泵系统相关研究的关键所在。中深层及浅层地源热泵复合系统不仅实现了运行模式的多样化,还提升了系统性能,实现了地热能的高效开发,有助于实现地源热泵系统的广泛应用,在各个方面展现出卓越的发展前景。

从“双碳”目标的角度分析,地热资源的开发利用能够为减少碳排放和优化能源消费结构提供产业升级和科技创新等有力支撑,推动地热能行业的高质量发展。据统计,地源热泵复合系统的平均制热季节COP为5.72,相较电加热设备节能率约为 82.5%,碳排放减少82.5%。与空气源热泵相比,节能率约为44%,碳排放减少44%。中深层及浅层地源热泵复合系统通过利用地下中深层及浅层热能,减少对外部集中供暖与制冷系统的应用,能够在建筑的能源使用上更具独立性,从而间接降低系统的碳排放,有助于减少建筑领域的碳强度和碳足迹。从这个意义上来看,中深层及浅层地源热泵复合系统的应用模式可以推动构建低碳和清洁的能源体系, 是助力实现碳达峰、碳中和目标的重要手段。

从节能减排的角度分析,中深层及浅层地源热泵复合系统的设计充分考虑系统的节能与环境效益,通过灵活调配两种不同深度的地热能,可提高地热能源利用效率、节省大量的能源消耗、缓解能源供应压力,同时减少对传统化石能源的依赖。且系统运行过程中不产生污染物,无燃烧过程,可避免粉尘、氮氧化物的释放,改善空气质量和生态环境。通过中深层地热能结合浅层地热能,探索并实现地热的高效储能利用技术,未来将会成为可再生能源技术挑战应对的重要目标。

从能源结构的角度分析,浅层地热能分布广泛、储量丰富,中深层地热能热量稳定、供应持续, 二者相结合的系统受自然与季节等外部因素影响较小,可在不同应用条件下稳定供给能源。此外,该复合系统可通过综合利用多种可再生清洁能源的技术形式,助力构建以地热能为核心的清洁可再生能源利用体系,实现多种能源综合利用、多能耦合协同运行,推动能源结构的优化升级。中深层及浅层地源热泵复合系统的应用,能够促进能源供应多元化,在能源战略方面占有重要地位。

从产业发展的角度分析,地热能行业标准体系建设的加强,能够进一步推动和规范我国地热产业的高质量发展。目前我国已占全球地热能开发总量的75%,据统计,浅层地热能约占地热能年利用总量的51.7%,中深层水热型地热能利用总量居世界首位,其年利用量高达12 604.6 MW,每年仍在以 10%左右的速度增长。中深层与浅层地热能的结合,突破了地热资源开发利用的限制,能够带动地热资源勘查、地源热泵设备制造、安装维护、技术研发等相关产业的协同发展,提高地热行业的经济效益和市场竞争力,促进地热产业的规模化发展。同时完善现有地热能产业体系,推动地热能源领域的技术创新,为其提供产业支持和技术保障。

从应用推广的角度分析,中深层及浅层地源热泵复合系统运行维护费用低,稳定效果好,长期运行能够节省企业和居民可观的开支,且运行过程中不产生碳排放,不会形成环境污染。同时,该复合系统应用灵活性高,可以按照所处位置环境、建筑负荷需求灵活配置中深层和浅层系统的比例,普遍适用于各种不同功能的小型建筑或大型建筑集群。中深层及浅层地源热泵复合系统的推广具有优越的经济优势和环保效益,符合全球环保理念和可持续发展战略。

从全球性发展的角度分析,复合地源热泵系统已在国内外得到广泛应用,如太阳能-地源热泵复合系统、空气源-地源热泵复合系统等。秦景等研究表明,传统地源热泵供暖系统COP为2.7,太阳能-地源热泵复合系统COP可提升至5.2,能效比显著提高。但与中深层及浅层地源热泵复合系统相比,太阳能受季节变换和天气状况等影响显著,需依赖地源热泵系统进行补充,增加了系统的复杂性。

4结语

随着地源热泵技术的日渐成熟与“双碳”目标的持续推进,中深层及浅层地源热泵复合系统能够合理、高效地进行地热能的利用,从而大幅减少高品位能源的消耗。通过对不同项目、不同地域的应用实践表明,该复合系统在建筑供暖、制冷等领域具有卓越的性能,对于行业各方面都拥有广阔的应用前景。未来尚需进一步对中深层及浅层地源热泵复合系统的设计和优化进行完善,不断提高其节能潜力,结合不同地域的地热资源特点,合理进行地热能源的开发。中深层及浅层地源热泵复合系统的应用对于未来清洁能源领域的进步至关重要,有望为可持续发展的能源应用方式做出新的贡献。