1 引言

近年來，國家出臺了大量支持地?zé)峁┡恼呶募?，鼓?lì)開展中深層地?zé)崮芗欣檬痉豆ぷ鳎?探索有利于地?zé)崮荛_發(fā)利用的新型管理技術(shù)和市場運(yùn)營模式。 國家能源局發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用的若干意見》（國能發(fā)新能規(guī)〔2021〕43 號）文件中，明確提出宜采取地?zé)釁^(qū)塊整體開發(fā)的方式推進(jìn)地?zé)崮芄┡?，調(diào)動企業(yè)保護(hù)資源、堅(jiān)持可持續(xù)開發(fā)的積極性，鼓勵(lì)推廣“地?zé)崮?”多能互補(bǔ)的供暖形式。相比空氣能、太陽能、風(fēng)能的不穩(wěn)定性，地?zé)崮懿皇芗竟?jié)和晝夜溫差變化的影響，具有穩(wěn)定、安全等優(yōu)點(diǎn)，合理開發(fā)利用地?zé)崮?，對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、治理霧霾、應(yīng)對氣候變化等方面具有重要意義。

2 中深層地巖熱耦合熱泵技術(shù)

中深層無干擾地巖熱供暖是一種新型供熱技術(shù)， 原理是通過地下巖層鉆孔采熱，利用鉆機(jī)向地下中高溫巖層鉆孔，并在鉆孔中安裝密閉的金屬換熱器，直接從地下2 000～3 000 m 處采集熱量，將軟化水注入換熱器，向地面建筑物供熱，詳見圖1。 該技術(shù)取熱不耗水、完全等量同層回灌，且為密封式，無干擾井下?lián)Q熱，最大限度地減少了對地下土壤、巖層和水體的干擾，確保地下水水量不減少、水位不下降、水質(zhì)不降低，避免對地下水資源和環(huán)境造成損害[1]。

圖1 中深層地巖熱耦合熱泵系統(tǒng)示意圖

該供熱系統(tǒng)具有安全可靠，供熱穩(wěn)定的特點(diǎn)，壽命與建筑壽命相當(dāng)（不小于50 年），主機(jī)系統(tǒng)壽命20 年；系統(tǒng)供熱不受氣候環(huán)境的限制；就近取熱，地下中深層地巖熱能穩(wěn)定，2 000 m深處地溫大約在40～50 ℃， 通過熱泵系統(tǒng)可將供熱溫度穩(wěn)定在50 ℃以上，適合大面積供熱需求。 環(huán)保節(jié)能，全系統(tǒng)能效比COP 值可達(dá)到5.0 以上。

3 工程應(yīng)用案例

3.1 工程概況

本工程為張掖市臨澤縣某產(chǎn)業(yè)園實(shí)訓(xùn)基地項(xiàng)目， 位于張掖市臨澤縣。 該實(shí)訓(xùn)基地項(xiàng)目總供暖建筑面積7.5 萬m2，主要包括接待中心、研學(xué)中心、教學(xué)樓、實(shí)訓(xùn)樓等，均為多層公共建筑。 本工程的采暖負(fù)荷為5 809.76 kW，空調(diào)熱負(fù)荷610 kW，冷負(fù)荷1 429.8 kW。 該地區(qū)的室外氣象參數(shù)詳見表1。

表1 室外氣象參數(shù)

本項(xiàng)目周邊地勢開闊，無可用天然氣管網(wǎng)，無城市或區(qū)域集中供熱。 按照《甘肅省發(fā)展和改革委員會關(guān)于明確清潔能源供暖價(jià)格支持政策有關(guān)問題的通知》（甘發(fā)改價(jià)管〔2017〕1080號）文，地?zé)崮芘c超低溫空氣源熱泵供暖制冷的項(xiàng)目運(yùn)行電價(jià)參照峰谷用電價(jià)格執(zhí)行，平均單價(jià)為0.50 元/（kW·h）。

3.2 不同熱源形式的投資成本測算

在項(xiàng)目初期，從設(shè)計(jì)層面，對本工程采用的超低溫空氣源熱泵和中深層地巖熱泵技術(shù)分別從初始投資、 運(yùn)行費(fèi)用等方面做了初步的測算分析、比較，確定選用合理的熱源方式為建筑群供暖[2]。

3.2.1 初投資成本測算

若采用中深層地巖熱泵系統(tǒng)，需設(shè)一座供熱（冷）機(jī)房，內(nèi)設(shè)3 臺（制熱功率約1 700 kW）單制熱中深層地巖熱主機(jī)、1臺（額定制冷量為1 520 kW，制熱量為1 830 kW）雙制中深層地巖熱主機(jī)，采用集中供熱（冷）方式，在綠化帶建設(shè)7 口換熱孔，孔徑為300 mm。 若采用超低溫空氣源熱泵系統(tǒng)，各單體分設(shè)設(shè)備用房，共需52 臺（140 kW）超低溫空氣源熱泵機(jī)組，可分開管理，單獨(dú)維護(hù)。 初步估算，中深層地巖熱供熱系統(tǒng)建設(shè)工程費(fèi)用約為3 097 萬元，若以空氣源熱泵作為熱源，其工程建設(shè)費(fèi)用約為1 794 萬元。

由此可見，就本項(xiàng)目而言，中深層地巖熱泵系統(tǒng)建設(shè)成本高出空氣源熱泵系統(tǒng)1 303 萬元，建設(shè)成本高，施工相對復(fù)雜，且需要集中控制管理。

3.2.2 運(yùn)行成本測算

1）電價(jià)：按照甘發(fā)改價(jià)管〔2017〕1080 號文，地?zé)崮芘c超低溫空氣源熱泵供暖制冷的項(xiàng)目運(yùn)行電價(jià)參照峰谷用電價(jià)格執(zhí)行，平均單價(jià)為0.50 元/（kW·h）。

2）設(shè)備效率：中深層地巖熱機(jī)組具有較高的能效，本項(xiàng)目按照地巖熱機(jī)組制熱平均COP≈5.0 計(jì)算。張掖地區(qū)的冬季室外空氣溫度波動幅度較大， 超低溫空氣源熱泵的能效系數(shù)以該地區(qū)平均能效系數(shù)計(jì)算，即COP≈2.5。

3）人工費(fèi)用：中深層地巖熱供熱系統(tǒng)在運(yùn)行中自動化程度較高，可實(shí)現(xiàn)無人值守，安排2 人兼職巡檢和維護(hù)，人工工資均按照3 500 元/ 月計(jì)算，每年工作8 個(gè)月。 超低溫空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行自動化程度較高， 同樣安排2 人兼職巡檢和維護(hù)，人工工資均按照3 500 元/ 月計(jì)算，每年工作8 個(gè)月[3]。

3.3 年運(yùn)行費(fèi)用和環(huán)境分析

本工程采用中深層地巖熱泵系統(tǒng)、 空氣源熱泵系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用見表2、表3。

表2 中深層地巖熱系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用估算表

表3 超低溫空氣源熱泵采暖年運(yùn)行費(fèi)用估算

由此可見，僅從設(shè)備用電量的角度考慮，超低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用明顯高于中深層地巖熱泵系統(tǒng)， 運(yùn)行費(fèi)用幾乎是中深層地巖熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的2 倍， 明顯降低了無法進(jìn)行集中供熱的建筑群體冬季采暖的運(yùn)行費(fèi)用， 保障了這類建筑冬季使用的舒適度。 又從初投資成本和運(yùn)行費(fèi)用在使用壽命內(nèi)累計(jì)疊加的角度再進(jìn)行進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)建筑物投入使用后第10 年開始，超低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的總投資費(fèi)用開始遠(yuǎn)超中深層地巖熱泵系統(tǒng)，如圖2 所示。 超低溫空氣源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行使用年限為10～15 年， 中深層地巖熱泵的使用年限可達(dá)50 年[4]。

圖2 不同熱源形式的經(jīng)濟(jì)性回收分析

如果從碳排放的角度來看， 超低溫空氣源熱泵每年消耗電能510.69 萬kW·h， 中深層地巖熱泵系統(tǒng)每年消耗電能264.62 萬kW·h，根據(jù)相關(guān)專家統(tǒng)計(jì)，節(jié)約1 kW·h 電相當(dāng)于減少碳排放1 kg， 本項(xiàng)目采用中深層地巖熱泵系統(tǒng)可以減少碳排放量2 460.7 t/a。 可見，由建筑供暖能耗引起的碳排放成為建設(shè)用地碳排放的重要來源， 有效的碳減排措施對于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境改善意義重大。

4 結(jié)語