中深层地岩热耦合热泵技术在房建工程中的应用实例分析

1 引言

近年来，国家出台了大量支持地热供暖的政策文件，鼓励开展中深层地热能集中利用示范工作， 探索有利于地热能开发利用的新型管理技术和市场运营模式。 国家能源局发布的《关于促进地热能开发利用的若干意见》（国能发新能规〔2021〕43 号）文件中，明确提出宜采取地热区块整体开发的方式推进地热能供暖，调动企业保护资源、坚持可持续开发的积极性，鼓励推广“地热能+”多能互补的供暖形式。相比空气能、太阳能、风能的不稳定性，地热能不受季节和昼夜温差变化的影响，具有稳定、安全等优点，合理开发利用地热能，对调整能源结构、治理雾霾、应对气候变化等方面具有重要意义。

2 中深层地岩热耦合热泵技术

中深层无干扰地岩热供暖是一种新型供热技术， 原理是通过地下岩层钻孔采热，利用钻机向地下中高温岩层钻孔，并在钻孔中安装密闭的金属换热器，直接从地下2 000～3 000 m 处采集热量，将软化水注入换热器，向地面建筑物供热，详见图1。 该技术取热不耗水、完全等量同层回灌，且为密封式，无干扰井下换热，最大限度地减少了对地下土壤、岩层和水体的干扰，确保地下水水量不减少、水位不下降、水质不降低，避免对地下水资源和环境造成损害[1]。

图1 中深层地岩热耦合热泵系统示意图

该供热系统具有安全可靠，供热稳定的特点，寿命与建筑寿命相当（不小于50 年），主机系统寿命20 年；系统供热不受气候环境的限制；就近取热，地下中深层地岩热能稳定，2 000 m深处地温大约在40～50 ℃， 通过热泵系统可将供热温度稳定在50 ℃以上，适合大面积供热需求。 环保节能，全系统能效比COP 值可达到5.0 以上。

3 工程应用案例

3.1 工程概况

本工程为张掖市临泽县某产业园实训基地项目， 位于张掖市临泽县。 该实训基地项目总供暖建筑面积7.5 万m2，主要包括接待中心、研学中心、教学楼、实训楼等，均为多层公共建筑。 本工程的采暖负荷为5 809.76 kW，空调热负荷610 kW，冷负荷1 429.8 kW。 该地区的室外气象参数详见表1。

表1 室外气象参数

本项目周边地势开阔，无可用天然气管网，无城市或区域集中供热。 按照《甘肃省发展和改革委员会关于明确清洁能源供暖价格支持政策有关问题的通知》（甘发改价管〔2017〕1080号）文，地热能与超低温空气源热泵供暖制冷的项目运行电价参照峰谷用电价格执行，平均单价为0.50 元/（kW·h）。

3.2 不同热源形式的投资成本测算

在项目初期，从设计层面，对本工程采用的超低温空气源热泵和中深层地岩热泵技术分别从初始投资、 运行费用等方面做了初步的测算分析、比较，确定选用合理的热源方式为建筑群供暖[2]。

3.2.1 初投资成本测算

若采用中深层地岩热泵系统，需设一座供热（冷）机房，内设3 台（制热功率约1 700 kW）单制热中深层地岩热主机、1台（额定制冷量为1 520 kW，制热量为1 830 kW）双制中深层地岩热主机，采用集中供热（冷）方式，在绿化带建设7 口换热孔，孔径为300 mm。 若采用超低温空气源热泵系统，各单体分设设备用房，共需52 台（140 kW）超低温空气源热泵机组，可分开管理，单独维护。 初步估算，中深层地岩热供热系统建设工程费用约为3 097 万元，若以空气源热泵作为热源，其工程建设费用约为1 794 万元。

由此可见，就本项目而言，中深层地岩热泵系统建设成本高出空气源热泵系统1 303 万元，建设成本高，施工相对复杂，且需要集中控制管理。

3.2.2 运行成本测算

1）电价：按照甘发改价管〔2017〕1080 号文，地热能与超低温空气源热泵供暖制冷的项目运行电价参照峰谷用电价格执行，平均单价为0.50 元/（kW·h）。

2）设备效率：中深层地岩热机组具有较高的能效，本项目按照地岩热机组制热平均COP≈5.0 计算。张掖地区的冬季室外空气温度波动幅度较大， 超低温空气源热泵的能效系数以该地区平均能效系数计算，即COP≈2.5。

3）人工费用：中深层地岩热供热系统在运行中自动化程度较高，可实现无人值守，安排2 人兼职巡检和维护，人工工资均按照3 500 元/ 月计算，每年工作8 个月。 超低温空气源热泵机组运行自动化程度较高， 同样安排2 人兼职巡检和维护，人工工资均按照3 500 元/ 月计算，每年工作8 个月[3]。

3.3 年运行费用和环境分析

本工程采用中深层地岩热泵系统、 空气源热泵系统的年运行费用见表2、表3。

表2 中深层地岩热系统年运行费用估算表

表3 超低温空气源热泵采暖年运行费用估算

由此可见，仅从设备用电量的角度考虑，超低温空气源热泵系统的运行费用明显高于中深层地岩热泵系统， 运行费用几乎是中深层地岩热泵系统运行费用的2 倍， 明显降低了无法进行集中供热的建筑群体冬季采暖的运行费用， 保障了这类建筑冬季使用的舒适度。 又从初投资成本和运行费用在使用寿命内累计叠加的角度再进行进一步分析发现， 当建筑物投入使用后第10 年开始，超低温空气源热泵系统的总投资费用开始远超中深层地岩热泵系统，如图2 所示。 超低温空气源热泵系统的运行使用年限为10～15 年， 中深层地岩热泵的使用年限可达50 年[4]。

图2 不同热源形式的经济性回收分析

如果从碳排放的角度来看， 超低温空气源热泵每年消耗电能510.69 万kW·h， 中深层地岩热泵系统每年消耗电能264.62 万kW·h，根据相关专家统计，节约1 kW·h 电相当于减少碳排放1 kg， 本项目采用中深层地岩热泵系统可以减少碳排放量2 460.7 t/a。 可见，由建筑供暖能耗引起的碳排放成为建设用地碳排放的重要来源， 有效的碳减排措施对于当地的环境改善意义重大。

4 结语