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王沣浩:地热能建筑供热技术助力双碳愿景实现

   2021-12-07 地源热泵网1030
核心提示:2012年起,我国科研人员开始尝试通过使用2km以深的地埋管换热器耦合热泵系统提取深部地热并获得了成功,截止2019年底,该技术应用面积已超过1300万平方米,在建项目超过2000万平方米,供热面积及工程体量世界领先。

为满足持续增长的能源消耗需求,适应全新的可持续发展方式,传统以不可再生化石能源为主的能源结构亟需调整。据统计,2018年我国建筑能耗约为10亿吨标煤,约占社会总能耗的22%,其中北方城镇供暖约占建筑能耗的21.2%。目前,北方城镇供热面积超过147亿平方米且仍在高速增长,因此研究利用清洁可再生能源的高效建筑供热技术有利于应对和解决目前日益严重的环境污染和资源枯竭问题,早日实现习近平总书记提出的我国碳达峰及碳中和长期愿景。

地热能因具有稳定、储量大、分布广泛等特点,在建筑供热领域受到广泛关注。对标不同类别的地热资源,多种与之对应的地热能开发利用技术应运而生,可依照其所利用地热资源的不同分为浅层地源热泵技术、水热型供热技术和中深层地埋管供热技术等。 

浅层地源热泵技术以浅层岩土体、地下水或地表水作为低位热源,通过付出少量电能将无法直接利用的低品位热能转化为高品位热能,从而为建筑提供所需的冷、热负荷。20世纪90年代起,我国浅层地源热泵技术开始逐步发展,2010年后随城市化进程加速推进。截至2019年底,我国浅层地热能建筑应用面积约8.41亿平方米,位居世界第一。浅层地源热泵技术中应用最为广泛的的土壤源热泵可被类比为“蓄热器”,其核心运行机理为冬取夏灌,系统同时承担建筑冷、热负荷,通过维持全年土壤侧能量平衡实现系统稳定运行。因此对于土壤源热泵而言,土壤侧能否维持能量平衡直接关乎实际工程应用的可持续性。在我国实际工程中动辄敷设数百根甚至上千根浅层地埋管,而如此多地埋管所构成管群系统的水力耦合特性及管间交互效应将极大影响系统使用性能。考虑到不同气候区的建筑负荷特性,为满足建筑供冷/供热需求,单一土壤源热泵系统很难实现全年土壤侧能量平衡。此外,目前已有研究结果表明大型浅层地埋管管群运行过程中或因土壤侧冷热不平衡而出现负荷迁移现象,即管群中每根单管所承担的负荷并不一致,其与地埋管所在位置的土壤温度实时相关且受管网系统水力分配机制控制。因此研究土壤源热泵系统岩土热平衡控制机制以及与辅助能源耦合的多能互补系统使用特性和对应控制方法十分必要。

水热型供热技术是一种抽取中深层地下水用于建筑供热的地热利用技术。21世纪初开始,我国水热型供热技术高速发展。2018年,全国水热型地热能供暖面积达1.65亿平方米,预计至2023年,还将新增水热型地热供热面积1亿平方米,体量稳居世界首位。考虑到水热型供热技术主要受制于当地自然资源禀赋,例如对于存在充足地下水资源的岩溶热储层而言发展该技术较为适宜,未来还应着力于其回灌安全性研究和高效回灌技术方法探讨。研究同井回灌、异井回灌、多井回灌等回灌技术的适用性和可行性,以及准确评估取水作业对于地下水储层、流场以及微生物生态环境的影响,从而确保水热型供热技术的推广使用不会对环境造成影响或破坏。

中深层地埋管供热技术是通过布置深至地下2~3 km的中深层地埋管换热器内部流动介质的闭式循环抽取深部岩土内赋存的热量,并进一步通过热泵提升能量品位为建筑供热的新型地热供热技术。2012年起,我国科研人员开始尝试通过使用2km以深的地埋管换热器耦合热泵系统提取深部地热并获得了成功,截止2019年底,该技术应用面积已超过1300万平方米,在建项目超过2000万平方米,供热面积及工程体量世界领先。目前所报道的中深层地埋管供热技术的研究,多数只针对单根中深层地埋管换热器。但实际应用中大多需要5~8根中深层地埋管换热器以满足建筑总供热负荷。因此开展中深层地埋管管群换热性能评估,分析管间交互作用大小以及对长期使用稳定性的影响十分必要。此外,中深层地埋管供热系统若连续逐年取热将产生一定程度土壤热衰减,在此前提下评估中深层地埋管换热器长期使用工况下地下土壤的温度重分布特性、最大热影响半径以及土壤热量补给运移机理同样十分重要。

发展清洁可再生建筑节能技术,推进地热能建筑供热技术发展,从长远看是能源结构转型调整及人类社会可持续发展背景下的题中应有之义。随着我国经济建设稳步发展,城市化不断推进,地热能建筑供热技术的广泛应用和蓬勃发展可为建筑供热领域注入新活力,助力碳达峰、碳中和愿景尽快实现。

(文/王沣浩,作者系西安交通大学建筑节能研究中心主任)


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