刁乃仁 方肇洪（山东建筑大学）
地热能具有分布面广、储集量大、可再生性、清洁低碳、安全可靠等优势。合理开发利用地热能，实现清洁供暖，是缓解当前过度依赖化石能源供热对资源环境造成压力的有效解决方案。
地热能从热能品位高低来分主要分为可直接利用的地热资源和能够间接利用的浅、中深层地热能。这里主要讨论以间接利用为主的浅层与中深层地热能，不涉及以直接利用为主的水热型和干热岩型的地热资源。地源热泵系统作为一种利用地热能为冷热源的高效节能系统，二十年来得到了快速推广与应用。
（一）浅层地热能开发利用
浅层地热能属于可再生的清洁能源，一般是指地表以下200米范围内。虽然浅层地热能具有埋藏深度浅、储藏量大、易于开发等优点，但是由于其品位较低，不能直接被利用，因此往往需要与地源热泵技术相结合来实现对浅层地热能的利用。地源热泵技术的实质是热泵技术与地下蓄能技术的结合，通常分为地下水源热泵系统、地表水源热泵系统以及地埋管地源热泵系统三种1。
地下水源热泵系统是以地下水为冷热源，通常有闭式循环系统以及开式循环系统两种2。使用该系统的前提条件为该地区具有丰富的地下水资源。但是，如何保证地下水不受污染以及将地下水完全同层回灌是一个难以解决的问题，因此，随着地下水资源的保护越来越严，其推广应用受到了较大的限制。
我国江河湖海等水资源十分丰富，地表水源热泵技术在我国应用较为普遍，尤其是南方地区，应用更广泛。该系统分为闭式以及开式两种系统3。这种系统易受地理位置的限制。对于开式的水源热泵系统来说，如何保证水源的温度、水量以及清洁度也是系统成功运行的关键。而且浅层水体的温度受气候的影响较大，在冬季，尤其是我国北方寒冷地区，室外空气温度有时会低于冰点，此时浅层水体的温度较低，使得整个热泵系统供热量较少，降低了热泵系统的COP。
地埋管地源热泵系统通常为闭式循环系统，通过在地下敷设地埋管，利用介质在埋管内循环流动实现热泵系统与土壤之间的热量交换，从而达到为建筑物供冷或供暖的目的。地源热泵系统中地埋管换热器的形式通常有水平和竖直两种形式，竖直埋管又分为单U型、双U型和套管式换热器等4。
《中国地热能发展报告2018》报告显示，截至2017年底，中国地源热泵装机容量达2万兆瓦，年利用浅层地热能折合1900万吨标准煤，实现供暖（制冷）建筑面积超过5亿平方米。
（二）中深层地热能开发利用
中深层地热能是指地表以下200米~3000米范围内，由于地球内部深处放射性物质的衰变从而产生的热能资源。与浅层地热能相比，中深层地热能具有温度高、热流密度大的特点，是一种绿色可再生的清洁能源，具有极大开发价值5。由于中深层地热能温度较高（可以达到90℃甚至更高），因此，在利用中深层地热能时仅考虑为建筑物供热。中深层地热能既可以将地下水提取上来直接利用，又可以通过与热泵技术相结合实现为建筑物供热的目的。
目前，对于中深层地热能利用的方式，通常以直接粗略利用和梯级利用居多6。直接粗略利用是将地下水提取上来直接供热或经过地源热泵提升热媒温度后为用户供热。但是由于一次直接供热所供给的热量较少，对中深层地热能的直接利用极其有限，因此对中深层地热能的利用增设热泵也是必要的7。与目前应用较为广泛的浅层地热能利用方式不同，深孔套管式地埋管换热器具有占地面积较少、季节性蓄热性能以及冬季换热性能良好等优势8，适用于北方寒冷地区的冬季供热，近年来引起了广泛关注，已进入研究与应用发展阶段。陕西省《中深层地热地埋管供热系统应用技术规程》自2020年5月10日正式颁布实施。但目前现有相对成熟的理论大多是研究浅孔地埋管换热器，深孔地埋管换热器的理论与研究则相对滞后9。
我国与欧美国家相比，基于地源热泵的浅层地热能利用技术起步较晚，但发展速度快，日臻成熟。在短短二十年时间内，在理论研究深度、技术开发广度与工程应用单体规模、总体数量等方面，已达到国际领先水平。2019年启用的北京大兴国际机场地源热泵工程，为机场250万平方米办公场地提供冷热源。据测算，这一工程每年可节省标准煤21078吨，减少碳排放1.58万吨。在超大型工程中，地源热泵浅层地热能利用技术展现出了良好的社会效益、环保效益和经济效益。经过二十多年地源热泵空调系统研究与应用，地源热泵技术成熟度高；政策法规支持，标准体系规范完善，设计专业化，施工产业化，运维智能化，工程应用量大面广，系统可靠性高，经济效益好。地源热泵技术业已成为“煤改电”清洁供暖的主要方式之一。
中深层地埋管地源热泵地热能利用技术是浅层地埋管地源热泵系统的一种技术创新10，具有占地少和可利用地温高的独特优点，特别适合在寒冷地区应用。这种技术数年前首先在我国进行了探索性的应用尝试。在此基础上，近年来在局部区域进行了较大规模的工程应用。已运行的系统总体达到了预期效果。与浅层地热能利用技术相比，由于钻孔深度成20~30倍的增加，钻孔初投资增加的幅度更大，同时理论研究与技术开发尚处于深化完善阶段，再加之实际工程运行时间较短，因此，其技术和经济方面的可行性还有待于更多项目长期运行的验证和检验，对于中深层地埋管换热器传热传质过程关键科学与技术问题的研究有待深化，中深层地埋管换热器深度、钻孔间距等主要参数的合理设计及其热泵供暖系统的科学运行也需要深入研究。
（一）发展机遇
目前，我国地热能的开发利用已经受到社会多层次多方面的高度关注，从浅层地热能的地源热泵技术应用到中深层地热能供暖，有众多研究单位、生产企业、工程公司及社会资金积极介入。近二十年地源热泵空调的推广应用，大大提高了全社会和普通百姓对该项技术的认知度和认可度；供暖区域南扩，南方更适宜地源热泵供暖，扩大了地源热泵供暖的适用范围；绿色节能建筑的大力推广与普及，大大降低了建筑单位面积耗热量。这为地热能地源热泵利用系统，减少峰值负荷、用地空间及初投资奠定了先决条件。城市热电联产、太阳能、生物质能与风力发电等可再生能源与常规清洁能源复合能源系统优势互补，进一步扩大了地源热泵技术应用范围，提高了系统能效比。政策法规倡导，国家层面支持，地热能利用开发已进入新的快速发展阶段。
（二）问题与挑战
地热能地源热泵利用技术，在我国应用日益广泛，由浅层到中深层，由城市到乡村，单个项目覆盖的建筑面积由几百平方米到几百万平方米，积累了丰富的实践经验和大量的成功案例。但另一方面，无论是应用技术，还是基础研究等方面，还有提升的空间。
1.中深层地热能利用技术。中深层地埋管换热器地下传热分析涉及固体和流体间耦合的瞬态多维传热问题，空间和时间的跨度大，中深层地下蓄热体热物性参数复杂，尤其是中深层地埋管群的传热分析及其长期运行条件下地埋管间距对换热量的影响等科技关键问题，还需要深入研究，以科学合理确定中深层地埋管长期（十年以上）运行的换热能力、中深层地埋管群的地埋管间距等重要设计参数。
2.岩土体勘察及其热物性测定。地下地质构造千差万别，对现有换热系统的认识还不足以直接指导地热能利用技术的改进完善和提升。
3.既有建成地热能地源热泵项目，缺乏系统完整的实际应用检测数据、故障诊断、维修及其结果分析，系统运维的专业化水平有待提升。
4.地热能利用系统设计、施工、安装及运维的优质化、精细化、科学化水平有待进一步提高。
5.对地热能开发利用的资源性条件关注度较高，对需求侧建筑物系统性条件分析研究不足，二者应统筹考虑。
鉴于以上不足和问题，对我国加大地热能开发利用的建议：
加大科研支持力度，重点解决地热能资源开发利用中，尤其是中深层地热能地源热泵系统应用中的主要技术问题，为系统精准设计、科学施工、高效运维奠定理论基础。
提升岩土体尤其是中深岩土层地质结构、大地热流、地下水渗流以及热物性的勘查与测试水平，因地制宜科学评价地热能开发利用的可行性与经济性，为系统方案设计提供科学依据。
加快健全系统体系化建设和行业标准完善。强化地热能集成商精准设计、精心施工、精良设备应用的指导与监察。支持设备生产企业技术创新，研发适合地热能用于村镇建筑供暖的节能效果好、初投资省、智能化水平高的主机与末端设备。
适度给予地热开发利用项目优惠政策与税收支持。
地热能清洁供暖资源丰富，前景广阔。以低品位能量为主的地热能最主要利用方式是供热，供暖又是其中的主要部分。在北方城市，中深层地热能地源热泵系统，只供暖，不制冷，采用深度钻孔埋管，可减少城市用地空间；在乡镇，热用户密度低，可利用地热能地域广，空间大，而且以冬季供暖为主，“温度对口”，供需匹配。因地制宜推广地热能地源热泵清洁供暖技术，具有广阔的发展空间。
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