地热能供热技术的应用现状及发展趋势

时间：2024-07-28

王贵玲，杨轩，马凌，周佳琦，沈国华，王婉丽

（1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄050061；2.天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津300350；3.海信家电集团股份有限公司，山东青岛266000；4.海信（山东）空调有限公司，山东青岛266100；5.天津市华亭科技发展有限公司，天津300202）

0 引言

我国冬季供暖需求区域不断扩大，供热边界线不断南移，持续快速增长的需求随之带来了能耗总量的激增。仅我国北方城乡建筑取暖总面积就约215 亿m2，且仍在持续增长［1］。虽然近年来北方城镇供暖能耗强度持续下降，但一次能耗总量还在增长［2］。持续增长的用能需求给生态环境带来了巨大挑战，探寻清洁高效的供暖方式是满足供暖需求的必然途径。

随着我国城镇化进程的不断推进，带动了建筑业持续发展，中国建筑业规模现已位居世界第一。建筑面积的不断增长，也带来了建筑节能要求的提高。2019年全球建筑行业产生的CO2排放达到历史最高水平——100 亿t，基本相当于中国1 年的CO2总排放量［3］。且全球建筑运行相关碳排放量占到了全球总CO2排放的28%［2］。供暖和空调是最大的建筑能源消耗形式，经过调查研究，中国建筑单位面积能源消耗量比发达国家高出2～3 倍［4］。2019 年我国出台了《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019），涵盖了超低能耗建筑、近零能耗建筑及零能耗建筑的技术标准，通过建筑被动式设计、主动式高性能能源及可再生能源系统应用，大幅减少化石能源使用，逐步迈向近零能耗，直至零能耗。欧盟的《建筑能效指令》也要求：自2020年12月31日起，所有的新建建筑要达到“近零能耗建筑”标准［5］。在碳达峰、碳中和的时代背景下，我们面临的是能源替代和能源转型的挑战，减少我国冬季采暖所造成的大气污染，降低供暖空调系统的能耗、节约能源是最终目标，而地源热泵也正是实现建筑零能耗最常用的一种方式［6］。

国家能源局提出到2025年全国地热能供暖（制冷）面积比2020 年增加50%，到2035 年，地热能供暖（制冷）面积比2025 年翻一番的目标［7］。要求按照“以灌定采、采灌均衡、水热均衡”的原则，重点推进中深层地热能供暖，同时积极开发浅层地热能供暖，经济高效替代散煤供暖［8］。地源热泵技术具有节能高效、环保清洁的优势，被广泛应用于建筑供暖、制冷工程中。截至2019 年年底，我国浅层地源热泵供能建筑面积已超过8.58 亿m2［9］，位居世界第一。浅层地热利用装机容量达26.45 GW，年总利用量为2.46×105TJ［10］。在目前中国地热供暖利用中，地源热泵占比达7 成左右。据中国住建部最新统计，截至2020 年年底，全国城市集中供热面积约98.82亿m2［11］，也就是说，地源热泵供能面积占到了全国8.68%左右。我国2015—2020 年的地源热泵供能面积由3.92 亿m2增长到了8.58 亿m2［10，12］，增长率为118.88%；城市集中供暖面积由67.22 亿m2增长到了98.82亿m2［11］，增长率为47.01%。若按照近5年我国地源热泵供能面积和城市集中供暖面积的增速计算，到2030 年，我国地源热泵供能面积将达到41.11 亿m2，城市集中供暖面积将达到213.57亿m2，也就是说，2030年我国19.25%的城市供暖将由地源热泵提供。地源热泵技术通过较少的高品位能源实现低温位能向高温位能转移，一方面能实现冬暖夏凉的基本需求，另一方面可替代传统的化石能源燃烧供暖，减少环境污染，是目前暖通空调应用中既能实现经济效益，又能实现社会效益和环保效益的技术之一［13］。据统计，推广清洁能源供暖以来，2020 年北京空气质量优良的天数为276 d，优良率达到75.4%，较上年增加9.6百分点［14］。因此，使用清洁能源供暖势在必行。

1 地热资源及利用模式

1.1 地热资源禀赋及利用现状

1.1.1 资源禀赋及分布

世界地热能基础资源总量约为4.27×1016t标准煤［15］，地热能储量多集中分布在构造板块边缘一带，分布相对分散。

我国地热资源储量丰富，约占全球地热资源的1/6，以中低温为主，分布如图1所示［16-18］。浅层地热能资源遍布全国，年可开采资源量折合7 亿t 标准煤［12］。浅层（200 m 深度内）地温梯度总体分布为北高南低，南方平均值为2.45 ℃/hm，北方大部分地区地温梯度由西向东逐渐升高，平均值为3.00 ℃/hm［16］。中深层地热资源主要集中在大型沉积盆地和山地断裂带上，以水热型地热资源为主，资源量折合12.5 Tt 标准煤，相当于2019 年全国能源消耗的257倍，年可开采资源量折合19 亿t 标准煤［12］。沉积盆地地热资源主要分布在我国东部中、新生代平原盆地，包括华北平原、江淮平原、松辽盆地等地区，资源量折合标准煤1.06 Tt［16］，是我国重要的地热开发潜力区。高温地热资源则分布在位于喜马拉雅地热带的新、藏、川、滇和位于环太平洋地热带的台湾地区。地热资源总体分布具有“东高西低、南高北低”的特点，大陆地区总体热背景不高，平均大地热流密度为63 mW/m2［17］。

图1 中国地热资源分布［16-18］Fig.1 Geothermal resources distribution in China［16-18］

1.1.2 利用现状

截至2019年年底，世界地热直接利用总装机容量为107.727 GW［9］，中国地热直接利用装机容量位居世界第一。我国2015 年地热能年利用总量约为6.0×105TJ［19］，主要利用形式为水热型及浅层地热能，其中通过热泵为民/商用建筑供冷供热为最主要的利用形式，年利用量约为3.1×105TJ，约占地热能年利用总量的51.7%［20-21］。我国浅层地热能开发利用区划如图2 所示［22］，336 个地级以上城市80%的土地适宜利用浅层地热能，可实现建筑物夏季制冷面积3.26×1010m2，冬季供暖面积3.23×1010m2［22］。其中，地下水地源热泵系统夏季可制冷面积5.59×109m2，冬季可供暖面积3.61×109m2；地埋管地源热泵系统夏季可制冷面积3.56×1010m2，冬季可供暖面积3.75×1010m2［18］。

图2 我国浅层地热能开发利用分区［22］Fig.2 Zoning of shallow geothermal energy development and utilization in China［22］

从浅层地热能的开发利用方式来看，城市地埋管地源热泵系统适宜区占总面积的29%，较适宜区占53%；地下水地源热泵系统适宜区占总面积的11%，较适宜区占27%［23］。

除了浅层地热能，中深层水热型地热能利用也呈现良好发展趋势。截至2015年年底，全世界水热型地热能供暖装机容量为7 556 MW，占世界地热能直接利用总装机容量的10.7%［15］。我国水热型地热资源利用方式中，地热发电占0.50%，供热采暖占32.70%，医疗洗浴与娱乐健身占32.32%，养殖占2.55%，种植占17.93%，工业利用占0.44%，其他占13.56%［18］。作为水热型地热资源中占有份额最大的利用方式，供热采暖利用已有上千年的历史，改革开放后，水热型地热供暖的开发利用在规模、深度和广度上都有很大发展。截至2019年年底，我国水热型地热资源可利用量达14.16 GW［23］，近10 年来，我国水热型地热能直接利用量更是以年均10%的速度增长，已连续多年位居世界首位［24］。截至2014 年年底，全国水热型地热资源供暖利用面积为6 032 万m2，2016 年增至1.02 亿m2，2017 年年底超过1.50亿m2，其中山东、河北、河南增长较快［24］。截至2019 年，北方地区中深层地热供暖面积约1.52亿m2［9］。

在所有地热供暖地区中，天津是我国利用地热供暖规模最大的城市，全市拥有140个地热站，每年地热水开采量为2 600万t，地热供暖面积达到2 500万m2，约占全市集中供暖总面积的6%［23］。截至2016年，天津市地热供暖面积达2 503万m2，占全国的1/4［25］。河北省也是中深层地热供暖利用大户，目前全省约有200 口地热井进行地热供热，面积953万m2，主要集中在平原地区，如雄县、任丘、肃宁、黄骅、沧州、衡水、深州、故城等县市［26］。特别是在河北雄县，水热型地热资源满足了450 万m2建筑面积的集中供暖需求，占全县城95%以上的供热需求，创建了中国首个供暖“无烟城”［22］，同时对地热供暖的尾水实施回灌，保护地热资源实现了可持续开发，形成了水热型地热能规模化开发利用“雄县模式”。

除了京津冀地区，中深层地热供暖在其他省份也呈现出了快速增长的发展态势，在全国各地都有试点，如西安、咸阳、郑州、鞍山等地［27］。总体来看，我国中深层地热供暖已辐射河北、陕西、山西、河南、山东、湖北、天津等13个省区市。

1.2 地热资源利用模式——精准施策

根据地热资源分布情况，我国地热利用已形成“东热、南冷、西电”，即京津冀地区地热供暖、东南沿海地区旅游疗养及供冷和西南地区高温地热发电的开发利用格局。

京津冀地区以中低温地热资源为主，宜将浅层地热能与水热型地热能相结合，形成深浅联用、梯级利用的供暖模式。采用地热供暖替代散煤燃烧，“雄县模式”不失为一种很好的城市地热能开发利用解决方案。雄安新区1个供暖季的地热供暖运行成本约16 元/m2，低于燃煤锅炉的采暖运行成本22元/m2，价格降低了约28%［28］。据统计京津冀当前建筑物地热供暖面积仅2 亿m2，而该地区地热供暖能力超过了10亿m2，潜力巨大。

东南沿海地区地热资源丰富，以丰顺为代表形成了旅游疗养和地热制冷为主的综合利用模式。目前已建成的地热发电尾水集约化综合利用系统，是将丰顺地热电站92 ℃的地热水首先经过闪蒸发电系统发电，发电后约75 ℃的尾水再进行以地热制冷、热泵和洗浴为主的综合利用，可以实现地热资源综合利用率达70%以上。具体过程包括5 级利用，如图3所示。

图3 地热综合利用示意Fig.3 Schematic of comprehensive geothermal utilization

（1）第1 级（92 ℃→75 ℃）：地热发电，92 ℃的地热水经过闪蒸器产生蒸汽，然后推动汽轮机发电，为居民提供生活用电。

（2）第2 级（75 ℃→65 ℃）：地热制冷，75 ℃的地热水用于驱动2 级溴化锂吸收式制冷机组，为温泉酒店提供夏季空调，同时兼顾冬季供暖。选定机组制冷量为300 kW，计算得到所需地热水流量为40 m3/h。

（3）第3 级（65 ℃→55 ℃）：地热干燥，地热制冷后60 ℃左右的地热水用来加热空气干燥新鲜龙眼或酒店客房衣物，根据装置干燥能力，计算得到所需地热水流量为40 m3/h，与第1级水量相当。

（4）第4 级（55 ℃→35 ℃）：地热洗浴，干燥后50 ℃地热水可以提供给酒店客房洗浴用水和温泉池洗浴用水，客房洗浴用水量约为50 m3/d，游泳池用水量约为1 000 m3/d，其热水需求与第1 级水量相当。

（5）第5 级（35 ℃→25 ℃）：地热热泵，洗浴后的35 ℃地热水用于驱动高温热泵机组，产生的热水用于冬季酒店采暖以及应对温泉酒店的高峰热水需求。

秦岭以南地区则基本没有集中供暖基础设施，适宜使用区域或分散的地热供暖。居民普遍的供暖习惯是间歇式局部供暖，且供热、供冷量不匹配。以武汉一水源热泵小区为例，该小区于2009 年建成，建筑面积约5 万m2。小区使用2 台螺杆式水源热泵机组进行区域供暖与供冷，水系统形式为一级泵变流量系统。系统末端为风机管盘，末端安装电动阀可调节流量，住户可按自身需求调节高、中、低3 档风速。绝大部分住户目前对冬季室内情况较为满意，且认为经济性好。但也有住户感觉风机盘管的效果不太好，冬天室内没有完全热起来［29］。

西藏、川西、滇北等西南地区高温地热资源富集，其主要利用形式是地热发电。羊八井地热浅层开发利用自1975年开始，截至2020年6月累计发电3.425 TW·h［30］，是我国规模最大、运行最久的地热电站。世界海拔最高的地热电站——羊易16 MW电站，实现了地热尾水100%回灌，工程一期项目于2018 年并网成功，2020 年实现年上网结算电量0.110 TW·h［30］，成为当前中国运行中的单机装机最大的地热发电厂。

针对不同地区的地热资源特点，结合实际供能需求精准施策，寻求适合的地热利用方式，形成不同地区的地热利用模式，是源于自然、利用自然的最好回馈。

2 地埋管地源热泵工程应用及供能特点

本文着重总结了地埋管地源热泵工程应用案例，分析其供能特点。地埋管地源热泵系统是利用土壤作为热源或热汇，由1 组或多组埋于地下的地埋管换热器与热泵机组构成，称之为闭式环路，也成闭环地源热泵或土壤源热泵。

根据地热热储的分类，将地埋管深度在0～200 m 范围内的系统称为浅层地埋管地源热泵系统，将埋管深度在200～3 000 m 范围内的地源热泵系统称为中深层地源热泵系统。典型地埋管地源热泵工程应用项目见表1。

表1 典型地埋管地源热泵工程应用项目Tab.1 Typical GSHP engineering cases

2.1 浅层地埋管地源热泵技术

2.1.1 天津首个地源热泵工程：梅江生态小区办公楼

天津市首个实用地源热泵工程的应用建筑为天津梅江生态小区综合办公楼。该工程建筑面积3 715 m2，于2001 年开始筹划、预研、测试，自2003年冬季开始正式运行，目前已连续运行近18年。该工程以土壤作为冷热源，包括桩埋管、垂直埋管及水平埋管3种地埋管形式，如图4所示。

图4 地埋管形式Fig.4 Types of underground heat exchangers

该工程建设了较为完善的自动监测系统，可实时采集并记录地下与地上温度、流量、电功率等关键运行参数。通过监测系统积累了较为丰富的实际运行数据，结果表明埋管地源热泵系统在冬季供热和夏季制冷的间歇运行中，性能稳定，效果良好，达到了设计要求。冬季室内保持18～22 ℃，夏季保持在25 ℃左右［41］。地埋管换热器附近地温与地面空气温度相比冬高夏低，使得热泵机组可在较高效率下运行。

针对该项目的经济性进行了详细计算［42］，可知与煤炭、天然气、电等几种常规供暖空调方式相比，地埋管地源热泵技术具有很大的节能优势。

但是数据显示，该系统夏季排热负荷约是冬季吸热负荷的2.56 倍，累计排热量是累计吸热量的2.96 倍，排热量比吸热量多2.85×108kJ，使得地下土壤的冷热量不平衡，造成地下土壤温度升高。试验表明，经过1 年冬、夏季供暖空调运行，地下土壤温度升高了2～4 ℃。这有利于热泵系统冬季吸热运行，但不利于夏季排热运行［43］。长期的土壤热量收支不平衡，造成土壤温度的持续升高或者降低，不仅使系统的运行性能下降，也给生态环境带来极大的影响。

针对冷热不均衡的问题，可采用“混合式系统”方案来解决［43］，如“地埋管冷却塔”适用于排热量大于吸热量的情况，或“地埋管辅助热源”方式适用于吸热量大于排热量情况，通过这些手段来平衡地温。

2.1.2 中国最大的多能互补地源热泵工程：北京大兴国际机场

于2019 年9 月正式通航的北京大兴国际机场，不仅拥有世界最大的单体航站楼，还拥有我国最大规模的地源热泵系统。该系统包括2座地源热泵供热站，仅供热站的建筑面积就超过了1.7 万m2［40］。该系统所布置的地埋管位于机场蓄滞洪区内［40，44］，埋管总数达10 680个，埋管面积达26.7万m2。系统合计冬季供热能力54.2 MW，夏季供冷能力48.8 MW。系统本期供能面积约100 万m2，远期供能面积约250 万m2［40］。由于新机场要求设备制热出水温度达到50 ℃，机组运行压差比较大，本系统采用了全降膜变频离心式热泵机组等技术。此外，该系统还耦合了烟气余热、污水余热等可再生能源，形成了多能互补地源热泵系统，实现了可再生能源利用率10%的建设目标。

2.2 中深层地源热泵无干扰供热技术

由清华大学联合陕西四季春清洁热源股份有限公司研发的中深层地热能无干扰清洁供热技术是目前覆盖面积最广的中深层地热清洁供暖案例之一。该供暖技术热源侧采用封闭式换热器，以地下2～3 km 深的中深层地热能作为热泵的低温热源，完全做到了“取热不取水”。此外，由于该技术中钻孔直径小，对地下土壤岩石破坏较小。工程实测循环水流量一般为20～30 m3/h，热源侧出水温度在20.1～29.8 ℃之间，单孔取热量158～288 kW，每米孔深换热量为79～144 W，热泵机组性能系数（COP）达5～6，供热系统综合COP 达3～4［45］。2019 年，该系统已经在沣西新城实现近400 万m2的集中供暖面积。2020 年冬季该数字增至600 万m2，目前沣西能源推广应用中深层地热供热面积已突破1 500 万m2，并将探索创新成果成功输出至河南郑东新区、西咸能源金贸区。该技术取得的环境效益也非常明显，以4 个月供暖季为例，1 000 万m2的中深层供热项目可以取代标准煤16 万t，减排CO2达43 万t。其投资成本为200～300 元/m2不等，运行成本仅为市政供暖的50%［46］。

2.3 地源热泵供能特点分析

由上节中的工程案例可知，地埋管地源热泵具有应用范围广、对生态环境无干扰、低碳环保的优势，该地源热泵系统可供暖、制冷，还可供生活热水，一机多用，1 套系统可以替换原来的锅炉加空调2 套装置或系统；可应用于住宅、商场、办公楼、学校等建筑，改善建筑的外观和城市的风貌。同时地热能属于清洁能源，热泵系统运行没有燃烧、排烟等过程，也没有废弃物产生，因此地埋管地源热泵系统碳减排潜力较大。同时，地埋管地源热泵技术也面临较大的技术难题，比如浅层地埋管占地面积大、冷热不平衡，而中深层地埋管初投资较高、换热效率较低等。具体来说，如供暖制冷负荷不匹配导致热枯竭或温度失衡、换热效率不足导致地热井利用率和经济性较差等。而且在实际应用中，通常也会遇到多种问题同时出现，互相牵制，进一步加剧了地热高效可持续利用的复杂性。

目前浅层地埋管地源热泵供能系统适合埋管地域充足的大规模应用；地表水地源热泵系统热源侧的形式又包括单井采灌、对井抽灌等，该系统对地下水资源的依赖性较强，适合在地热地质资源丰富的地区应用；除此之外，中深层地源热泵供能系统也是目前前景广阔、亟待挖掘的供能方式。

3 地源热泵技术发展趋势

3.1 推广地热资源勘探技术

我国地热资源种类丰富、分布广泛，具有巨大的应用潜力。未来可发挥地球物理与地球化学勘探技术的优势，来获取热储资源的准确位置和特性，特别是地层物性参数、地热水特性参数及地热资源分布区域，从而提高地热井钻探效率、节约投资成本。

3.2 强化低成本高效率的地热资源开采技术

地热资源的开采和应用应把握“因地制宜、可持续开采”的原则，需要结合地热资源特性做到开采方式与地热资源种类对应、用能温度与地热资源温度对应、用能强度与地热资源储量匹配。可从两方面入手：一是形成适用于多种地热资源和用能形式的普适化用能方案，例如面向中深层取热不取水开采理念的闭式同轴套管技术、面向保水取热开采理念的单井采灌、面向无泵循环取热原理的超长重力热管地热换热器等，实现多种地热能开采方式技术的细分、完善与整合；二是从地层循环空间的视角解决地热水回灌技术问题，对于有地热水循环空间的地层应在地热能开采的同时做到同层、高效、无污染回灌，维持热储压力，实现采灌均衡；对于无循环空间的地层应着力进行储层建造，构造循环空间，例如干热岩地层压裂及灌注流体等热储改造增产技术。同时注重高效钻井技术的研发，降低开采成本，提高投资回报率。

3.3 发挥地热利用的清洁、可持续优势

地热利用目前存在的主要问题是取热效率低且冷热不均衡，对于这2 个问题的解决要重点依靠补给+储能+强化换热的多方案有机结合。具体来说，源侧的地热能开采应以“补给+回灌+储能”为最大容量确定地热系统的换热能力和换热方式，如图5 所示的不同深度地热井互补的跨季蓄能模式，大地热流可持续为深井供给热量。夏季使用浅层辅井进行供冷，同时利用中深层主井给辅井补热，蓄存足够的热量以保证冬季供暖需求；冬季则使用主井和辅井同时进行供暖。据估算，该跨季蓄能模式可节省50%地下系统的初投资。

图5 浅中深互补的跨季蓄能模式示意Fig.5 Comprehensive energy system of shallow，medium and deep geothermal energy hybrid with the seasonal energy storage

负荷侧的地热能供给应当平衡供能和用能的强度差异，提高地热系统的供能强度范围，推广多种新型地热换热器的应用。此外，可持续理念还应包括环境效益和减碳潜力，如以CO2为工质的地下换热器有望得到进一步发展与应用。

多种新型地热换热器如多管地埋管换热器、螺旋形地埋管换热器、新型梅花管换热器、直膨式地下换热器系统等如图6所示［47-49］。

图6 多种新型地热换热器［47-48］Fig.6 Various new geothermal heat exchangers［47-48］

3.4 探索地源热泵与多能源耦合供能模式

采用地源热泵与多种能源耦合，发展多能利用方式耦合系统优化配置，可做到多种能源融合互补、有序输出。例如天津中新生态城综合能源系统包含地源热泵系统、水蓄能系统、三联供系统、电制冷系统等多种能源子系统。基于该系统构建了相关能源设备的能效模型，并在此基础上建立了能源站优化运行调度平台，如图7所示。

图7 能源站优化运行调度平台Fig.7 Optimized operation and dispatching platform of the energy station

该平台以各能源子系统能效模型为基础建立简化费用模型，代入设备的运行参数及能源价格体系得到各子系统在不同负荷率下的运行费用，通过将运行费用进行对比、分析得到各子系统的优先调度次序原则及设备的适宜荷载率运行区间。平台可根据气象预报数据、历史运行数据等预测未来24 h建筑冷/热负荷，然后结合设备的实际调节情况，进行各子系统的供能能力分档，将其与用户侧的预测负荷进行相互匹配，得到供能约束条件。最后根据设备的运行调节约束及蓄能系统放冷量约束，以经济性最优为目标，通过优化算法提供能源系统的优化调度策略。