在可持续发展的背景下, 电驱动热泵系统得到大力推广^[1]。然而, 随着越来越多的热泵系统投入使用, 诸多问题在实际运行过程中被发现, 影响热泵系统的运行能效^[2]。对于热泵机组实际运行而言, 其关键在于寻找低温热源, 低温热源的品位将直接影响热泵系统的运行能效。

　　 对于空气源热泵, 其能效受室外温度影响较大^[3], 且存在除霜问题, 限制了它的推广和使用^[4]。而对于海水源热泵, 一方面存在腐蚀性和脏堵问题影响系统使用寿命, 另一方面, 取水点深度不够, 水温低且受可利用条件限制^[5]。对于污水源热泵, 其热源温度较高且受气候环境影响较小, 但受可利用条件限制, 无法大规模推广。而对于浅层地源热泵系统, 主要分为地下水式和地埋管式, 前者的系统性能受地下水水量、水温以及供水稳定性影响较大^[6];后者埋管深度较浅, 热源温度不高, 仍然容易受到气候环境的影响^[7]。

　　 为了获得温度更高且稳定的低温热源, 最直接的方法就是增加取热点深度。近年来, 随着勘探技术的发展和地下换热装置的研发, 深层的地热能逐渐被发掘。其中, 对于深度在2~3km、岩层温度70~100℃左右的中深层地热能, 以前由于开采难度较大且温度无法达到发电的要求, 实际利用较少。对于这部分中深层地热能, 如果能通过密闭换热装置从中取热, 在不破坏地下环境的前提下可以为热泵提供温度更高的低温热源, 且基本不受气候条件影响, 可以保证热泵机组长期、稳定地高效运行。

　　 中深层地热源热泵系统由热源侧水系统、热泵机组以及用户侧水系统组成, 如图1所示。

　　 该系统与常规地源热泵系统以及目前存在的提取中深层地下水作为热泵机组低温热源的供热系统相比, 最主要的区别在于其热源侧采用封闭式换热器, 从地下2~3km深、温度在70~90℃甚至更高范围的岩石中, 提取蕴藏其中的地热能作为热泵系统的低温热源, 即图1所示的封闭式取热孔。从图1可以看出, 为了保证地下换热装置的结构稳定性, 通常采用套管结构。换热介质在循环泵的驱动下从外套管向下流动, 到达竖直管的底部后, 再由内管向上流出换热装置。换热介质在外套管向下流动过程中, 一方面通过外管管壁与土壤岩石等进行换热, 另一方面通过内管管壁与向上流动的换热介质进行换热, 水温逐步上升。而已加热介质从内管向上流动的过程中, 又会向外管向下流动的换热介质传热, 导致内管水温逐步降低。该技术热源侧采用封闭式换热器, 不提取地下水, 对地下环境影响较小, 可以保证系统长期稳定运行。此外, 由于中深层地热能温度较高, 只能作为热源用于冬季供热, 无法作为夏季排热的热汇, 这也是该系统与常规地源热泵系统的区别。

　　 除了热源侧具有较大区别以外, 中深层地热源热泵技术与常规地源热泵技术相似, 均通过热泵机组将热源侧的热量提升到较高的温度水平并释放至用户侧供热介质。其室内放热末端可以搭配地板供暖、常规散热器以及风机盘管等末端形式。

　　 笔者所在团队于2013—2015年期间对我国已投入使用的中深层地热源热泵系统实际运行情况进行了实测调研。项目所在地位于我国气候寒冷地区, 供暖时间为每年的11月15日至次年3月15日。表1为调研项目基本信息。

　　 图2显示了项目实测过程中的测点布置情况。参照GB/T 50801—2003《可再生能源建筑应用工程评价标准》, 对4个投入实际运行的项目在严寒期进行48h以上的连续监测, 通过连续测量热源侧流量和进出口水温、用户侧流量和进出口水温以及热泵机组消耗的电量等参数, 测试结果经能量平衡校核后 (不平衡率低于10%) , 得到中深层地热源热泵供暖系统的实际运行情况。图3显示了4个项目测试阶段用户侧供回水温度、热源侧进出水温度的变化情况。

　　 其中项目A, B, C系统运行较为稳定, 在48h的监测时间内, 热源侧进出水温度变化较小, 为系统提供了一个稳定的工作环境。为了能更加清晰地显示水温的变化情况, 图3d中只显示了热泵机组开启时水温的监测数据。对于项目D而言, 由于设备选型远大于末端实际需求, 使得热泵机组在运行过程中存在频繁启停的现象, 另外该项目热源侧水泵采用变频控制, 由于控制策略不佳导致热源侧换热情况不稳定, 水温波动较大, 给系统运行性能带来了不利的影响。

　　 对监测阶段室外气温、用户侧供回水温度、热源侧供回水温度的平均值进行统计, 结果如表2所示。

　　 图4显示了对几类常规热泵系统热源侧出水温度的连续监测情况。其中, 海水源热泵系统热源侧平均出水温度为11.5℃, 污水源热泵系统热源侧平均出水温度为15.3℃, 常规地埋管地源热泵系统热源侧平均出水温度为12.5℃, 空气源热泵系统热源侧平均进风温度 (即室外环境温度) 为1.2℃。通过对比几类热泵系统热源侧出水温度可以看出, 中深层地热源热泵系统热源侧的出水温度明显高于其他几类常规热泵系统, 可以为热泵机组提供温度更高的低温热源, 提高机组能效。对比4个项目热源侧出水温度实测情况可以看出, 各个项目之间仍然存在较大的差别。如表2所示, 项目B测试期间室外平均温度最低, 但其热源侧进出水平均温度却高于其他3个项目, 比项目C进出水平均温度分别高出近10℃。

　　 表3显示了4个项目测试期间热源侧换热器单位长度的取热量。其中, 项目C由于热源侧平均温度最低, 使得其与土壤换热温差相对更大, 热源侧换热器单位长度取热量最大;而项目B由于热源侧平均温度最高, 因此其热源侧换热器单位长度取热量最小;而常规地源热泵系统热源侧换热器单位长度取热量为40 W/m^[8]。相比之下, 中深层地热源热泵系统热源侧换热器单位长度取热量可以达到常规地源热泵系统的2.0~3.6倍。

　　 表4显示了系统运行性能实测情况, 可以看出, 得益于中深层地热能提供的高温热源, 中深层地热源热泵系统无论是机组能效还是系统能效都得到了提升。实测4个项目热泵机组制热性能系数COP_h最高为5.64 (项目A) , 最低为4.35 (项目C) ;而系统综合制热性能系数COP_s最高为3.81 (项目A) , 最低为3.28 (项目B) 。

　　 表5显示了4个项目1个供暖季累积单位建筑面积供暖量和耗电量。其中项目A单位面积供暖量和单位面积耗电量均最高, 项目B单位面积供暖量和单位面积耗电量均最小。由此可见, 采用相同的供暖技术, 在同一地区为同一类型的建筑进行供暖, 在系统设计、施工、运维、管理水平不同的情况下, 系统运行性能也会存在较大差别。这其中既有中深层地热源热泵供暖技术系统设计、运行调节亟需完善的原因, 也有建筑物围护结构、庭院管网敷设与平衡调节、楼内管网及末端用户调节等方面的原因, 需全面考虑、系统解决。

　　 1) 该供暖技术热源侧采用封闭式换热器, 对地下环境基本无影响, 应用范围广。我国地热资源丰富, 该技术采用地下2~3km深的中深层地热能作为热泵低温热源, 通过地埋管换热装置提取热能, 无需提取地下水, 对地下水资源无影响。另一方面, 由于取热孔径小, 对地下土壤岩石破坏较小, 因此该技术对地下环境基本无影响。其次, 由于该技术热源侧取热点较深, 基本不受当地气候环境影响, 可为热泵机组长期提供高品位的低温热源, 保证系统稳定高效运行。

　　 2) 由于中深层地热能温度较高, 只能满足冬季供暖需求, 不能满足夏季供冷需求, 这一特点正好适用于居住建筑供暖。对于我国北方城乡居住建筑, 解决其供冷和供暖需求的合理方式之一, 是各用户采用分体空调, 根据实际需求独立调控, 解决各用户的夏季供冷需求;而在冬季采用集中供暖系统, 避免燃烧散煤, 实现高效清洁供暖。如果采用常规的地源热泵系统, 只在冬季为居住建筑供暖, 在夏季需要额外对土壤进行补热, 以避免由于全年取热、排热不平衡导致土壤温度逐年下降, 使得系统运行能效降低甚至无法运行的情况^[6]。如果采用中深层地热源热泵技术, 由于热源侧取热于地下中深层地热能, 其热量直接来自于地球内部熔融岩浆和放射性物质的衰变过程, 有源源不断的热量补充到中深层地热之中, 能够从根本上解决补热的问题。经计算, 如果地埋管间距在20 m以上, 经过1个供暖季的取热, 地下土壤平均温降小于2℃, 在供暖季结束后4个月即可恢复, 夏季无需额外补热, 保证热泵系统长期高效地运行, 很好地适应了居住建筑的用能特点。

　　 3) 热源侧出水温度较高, 取热量较大。通过对已投入使用的项目运行情况进行实测调研, 得到热源侧单个取热孔循环水量一般为20~30m³/h, 此时热源侧出水温度可以达到20.1~29.8℃, 单个取热孔的取热量为158~288kW, 平均每延米取热量可达到79~144W, 热源侧取热量及出水温度均高于常规浅层地热源热泵。实际运行的热泵机组蒸发温度都能保证在15℃以上, 对于居住建筑, 末端搭配地板供暖系统时, 用户侧实测供回水温度为42℃/37℃, 热泵冷凝温度为45℃左右。而当末端采用常规散热器或风机盘管时, 供回水温度要求为45℃/50℃, 热泵冷凝温度达到48~53℃。即无论搭配何种末端形式, 采用该技术的热泵压缩机与常规的浅层地热源热泵系统相比, 都运行在一个更小的压缩比工况下, 机组COP更高。工程案例实测也表明, 应用中深层地热源的热泵机组制热COP_h能达到5~6, 供热系统的综合效率COP_s能达到3~4 (包括热源侧循环泵和用户侧循环泵的电耗) , 具体系统效率取决于系统设计、施工、调适和运行管理水平。而常规的浅层地热源热泵系统实测系统综合效率COP_s在3左右。可见, 得益于高温的热源, 中深层地热源热泵供暖系统具有更高的运行能效, 是实现高效清洁供暖、推动建筑节能的重要途径。

　　 中深层地热源热泵供暖系统在为居住建筑供暖过程中, 相比于常规热泵系统具有热源侧出水温度高, 取热量大, 换热器对环境破坏小、可以保证系统长期高效运行, 地埋管占地面积小、开采位置选择灵活等特点。虽然在实际工程中仍然存在常规热泵系统普遍存在的问题^[2], 在系统设计、设备选型、运行策略等方面, 仍具有大幅度提升系统能效的空间, 但作为一种热泵供暖新技术, 对实现居住建筑高效清洁供暖具有重要意义。

　　 中深层地热源热泵供暖系统的核心, 是热源侧地埋管换热装置, 虽然换热装置为热泵机组提供了温度更高的低温热源, 提升了系统供暖性能, 降低了系统运行能耗, 但在该装置的建造和施工过程中, 目前仍然存在一定的技术难题。在已有实际工程的地埋管换热装置钻孔过程中, 遇到过岩层硬度大、压力高等具体困难, 大幅度增加施工周期和成本。同时, 在地埋管换热装置安装过程中, 需要保证内外套管分别密闭连接, 技术要求高。对于成井技术, 需要和其他专业共同研究探讨。目前实际工程中, 由于地质结构不同、钻孔难度和工艺不同、钻孔施工过程中不可预见因素等, 该系统成井难度和造价远高于常规的浅层地热源热泵系统, 虽然运行能耗较低, 但投资回收期仍然较长。另一方面, 由于地埋管开采难度大, 在开采时搭建井架、安装打井设备工序烦琐, 并且费用较高, 因此在开采时, 宜多开采几口取热井, 避免仅开采一口取热井导致初期搭建井架浪费费用。

　　 此外, 系统设计仍然存在优化空间, 在以后的研究过程中重点工作应该放在热源侧换热强化、适用于小压比的主机性能提升和系统控制优化几个方面, 探究热源侧流量变化对取热孔换热性能的影响, 针对不同功能建筑的连续取热和间断取热模式的探讨, 以及冷凝侧、热源侧不同蓄热模式的探讨, 通过系统研究逐步提升该技术的供暖性能。