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(jì)，2018年我國建筑能耗約為10億噸標(biāo)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(yán)重的環(huán)境污染和資源枯竭問題，早日實(shí)現(xiàn)習(xí)近平總書記提出的我國碳達(dá)峰及碳中和長期愿景。

地?zé)崮芤蚓哂蟹€(wěn)定、儲量大、分布廣泛等特點(diǎn)，在建筑供熱領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。對標(biāo)不同類別的地?zé)豳Y源，多種與之對應(yīng)的地?zé)崮荛_發(fā)利用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，可依照其所利用地?zé)豳Y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(fù)荷。20世紀(jì)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(jìn)程加速推進(jìn)。截至2019年底，我國淺層地?zé)崮芙ㄖ?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(yùn)行機(jī)理為冬取夏灌，系統(tǒng)同時(shí)承擔(dān)建筑冷、熱負(fù)荷，通過維持全年土壤側(cè)能量平衡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(shí)際工程應(yīng)用的可持續(xù)性。在我國實(shí)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?？紤]到不同氣候區(qū)的建筑負(fù)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(shí)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(yùn)行過程中或因土壤側(cè)冷熱不平衡而出現(xiàn)負(fù)荷遷移現(xiàn)象，即管群中每根單管所承擔(dān)的負(fù)荷并不一致，其與地埋管所在位置的土壤溫度實(shí)時(shí)相關(guān)且受管網(wǎng)系統(tǒng)水力分配機(jī)制控制。因此研究土壤源熱泵系統(tǒng)巖土熱平衡控制機(jī)制以及與輔助能源耦合的多能互補(bǔ)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?zé)崂眉夹g(shù)。21世紀(jì)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?zé)崮芄┡娣e達(dá)1.65億平方米，預(yù)計(jì)至2023年，還將新增水熱型地?zé)峁崦娣e1億平方米，體量穩(wěn)居世界首位?？紤]到水熱型供熱技術(shù)主要受制于當(dāng)?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(zhǔn)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(jìn)一步通過熱泵提升能量品位為建筑供熱的新型地?zé)峁峒夹g(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?zé)岵@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(xiàng)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(bào)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(shí)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(fù)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(bǔ)給運(yùn)移機(jī)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(jìn)地?zé)崮芙ㄖ峒夹g(shù)發(fā)展，從長遠(yuǎn)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(jì)建設(shè)穩(wěn)步發(fā)展，城市化不斷推進(jìn)，地?zé)崮芙ㄖ峒夹g(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(dá)峰、碳中和愿景盡快實(shí)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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