為滿足持續(xù)增長的能源消耗需求，適應(yīng)全新的可持續(xù)發(fā)展方式，傳統(tǒng)以不可再生化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)亟需調(diào)整。據(jù)統(tǒng)計，2018年我國建筑能耗約為10億噸標煤，約占社會總能耗的22%，其中北方城鎮(zhèn)供暖約占建筑能耗的21.2%。目前，北方城鎮(zhèn)供熱面積超過147億平方米且仍在高速增長，因此研究利用清潔可再生能源的高效建筑供熱技術(shù)有利于應(yīng)對和解決目前日益嚴重的環(huán)境污染和資源枯竭問題，早日實現(xiàn)習(xí)近平總書記提出的我國碳達峰及碳中和長期愿景。

地熱能因具有穩(wěn)定、儲量大、分布廣泛等特點，在建筑供熱領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。對標不同類別的地熱資源，多種與之對應(yīng)的地熱能開發(fā)利用技術(shù)應(yīng)運而生，可依照其所利用地熱資源的不同分為淺層地源熱泵技術(shù)、水熱型供熱技術(shù)和中深層地埋管供熱技術(shù)等。 

淺層地源熱泵技術(shù)以淺層巖土體、地下水或地表水作為低位熱源，通過付出少量電能將無法直接利用的低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能，從而為建筑提供所需的冷、熱負荷。20世紀90年代起，我國淺層地源熱泵技術(shù)開始逐步發(fā)展，2010年后隨城市化進程加速推進。截至2019年底，我國淺層地熱能建筑應(yīng)用面積約8.41億平方米，位居世界第一。淺層地源熱泵技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的的土壤源熱泵可被類比為“蓄熱器”，其核心運行機理為冬取夏灌，系統(tǒng)同時承擔建筑冷、熱負荷，通過維持全年土壤側(cè)能量平衡實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行。因此對于土壤源熱泵而言，土壤側(cè)能否維持能量平衡直接關(guān)乎實際工程應(yīng)用的可持續(xù)性。在我國實際工程中動輒敷設(shè)數(shù)百根甚至上千根淺層地埋管，而如此多地埋管所構(gòu)成管群系統(tǒng)的水力耦合特性及管間交互效應(yīng)將極大影響系統(tǒng)使用性能。考慮到不同氣候區(qū)的建筑負荷特性，為滿足建筑供冷/供熱需求，單一土壤源熱泵系統(tǒng)很難實現(xiàn)全年土壤側(cè)能量平衡。此外，目前已有研究結(jié)果表明大型淺層地埋管管群運行過程中或因土壤側(cè)冷熱不平衡而出現(xiàn)負荷遷移現(xiàn)象，即管群中每根單管所承擔的負荷并不一致，其與地埋管所在位置的土壤溫度實時相關(guān)且受管網(wǎng)系統(tǒng)水力分配機制控制。因此研究土壤源熱泵系統(tǒng)巖土熱平衡控制機制以及與輔助能源耦合的多能互補系統(tǒng)使用特性和對應(yīng)控制方法十分必要。

水熱型供熱技術(shù)是一種抽取中深層地下水用于建筑供熱的地熱利用技術(shù)。21世紀初開始，我國水熱型供熱技術(shù)高速發(fā)展。2018年，全國水熱型地熱能供暖面積達1.65億平方米，預(yù)計至2023年，還將新增水熱型地熱供熱面積1億平方米，體量穩(wěn)居世界首位。考慮到水熱型供熱技術(shù)主要受制于當?shù)刈匀毁Y源稟賦，例如對于存在充足地下水資源的巖溶熱儲層而言發(fā)展該技術(shù)較為適宜，未來還應(yīng)著力于其回灌安全性研究和高效回灌技術(shù)方法探討。研究同井回灌、異井回灌、多井回灌等回灌技術(shù)的適用性和可行性，以及準確評估取水作業(yè)對于地下水儲層、流場以及微生物生態(tài)環(huán)境的影響，從而確保水熱型供熱技術(shù)的推廣使用不會對環(huán)境造成影響或破壞。

中深層地埋管供熱技術(shù)是通過布置深至地下2～3 km的中深層地埋管換熱器內(nèi)部流動介質(zhì)的閉式循環(huán)抽取深部巖土內(nèi)賦存的熱量，并進一步通過熱泵提升能量品位為建筑供熱的新型地熱供熱技術(shù)。2012年起，我國科研人員開始嘗試通過使用2km以深的地埋管換熱器耦合熱泵系統(tǒng)提取深部地熱并獲得了成功，截止2019年底，該技術(shù)應(yīng)用面積已超過1300萬平方米，在建項目超過2000萬平方米，供熱面積及工程體量世界領(lǐng)先。目前所報道的中深層地埋管供熱技術(shù)的研究，多數(shù)只針對單根中深層地埋管換熱器。但實際應(yīng)用中大多需要5～8根中深層地埋管換熱器以滿足建筑總供熱負荷。因此開展中深層地埋管管群換熱性能評估，分析管間交互作用大小以及對長期使用穩(wěn)定性的影響十分必要。此外，中深層地埋管供熱系統(tǒng)若連續(xù)逐年取熱將產(chǎn)生一定程度土壤熱衰減，在此前提下評估中深層地埋管換熱器長期使用工況下地下土壤的溫度重分布特性、最大熱影響半徑以及土壤熱量補給運移機理同樣十分重要。

發(fā)展清潔可再生建筑節(jié)能技術(shù)，推進地熱能建筑供熱技術(shù)發(fā)展，從長遠看是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型調(diào)整及人類社會可持續(xù)發(fā)展背景下的題中應(yīng)有之義。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)穩(wěn)步發(fā)展，城市化不斷推進，地熱能建筑供熱技術(shù)的廣泛應(yīng)用和蓬勃發(fā)展可為建筑供熱領(lǐng)域注入新活力，助力碳達峰、碳中和愿景盡快實現(xiàn)。

（文/王灃浩，作者系西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主任）

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