【HVAC】工程运行测试专栏——《中深层地热源热泵供热系统能耗和能效实测分析》.pdf

【HVAC】工程运行测试专栏——《中深层地热源热泵供热

系统能耗和能效实测分析》

0引言在可持续发展的背景下，电驱动热泵系统得到

大力推广。然而，随着越来越多的热泵系统投入使用，诸多

问题在实际运行过程中被发现，影响热泵系统的运行能效。

对于热泵机组实际运行而言，其关键在于寻找低温热源，低

温热源的品位将直接影响热泵系统的运行能效。对于空气源

热泵，其能效受室外温度影响较大，且存在除霜问题，限制

了它的推广和使用。而对于海水源热泵，一方面存在腐蚀性

和脏堵问题影响系统使用寿命，另一方面，取水点深度不够，

水温低且受可利用条件限制。对于污水源热泵，其热源温度

较高且受气候环境影响较小，但受可利用条件限制，无法大

规模推广。而对于浅层地源热泵系统，主要分为地下水式和

地埋管式，前者的系统性能受地下水水量、水温以及供水稳

定性影响较大；后者埋管深度较浅，热源温度不高，仍然容

易受到气候环境的影响。为了获得温度更高且稳定的低温热

源，最直接的方法就是增加取热点深度。近年来，随着勘探

技术的发展和地下换热装置的研发，深层的地热能逐渐被发

掘。其中，对于深度在2~3km、岩层温度70~100℃左右的

中深层地热能，以前由于开采难度较大且温度无法达到发电

的要求，实际利用较少。对于这部分中深层地热能，如果能

通过密闭换热装置从中取热，在不破坏地下环境的前提下可

以为热泵提供温度更高的低温热源，且基本不受气候条件影

响，可以保证热泵机组长期、稳定地高效运行。1中深层

地热源热泵供热系统介绍中深层地热源热泵系统由热源侧

水系统、热泵机组以及用户侧水系统组成，如图1所示。图

1中深层地热源热泵系统示意图该系统与常规地源热泵系

统以及目前存在的提取中深层地下水作为热泵机组低温热

源的供热系统相比，最主要的区别在于其热源侧采用封闭式

换热器，从地下2~3km深、温度在70~90℃甚至更高范围

的岩石中，提取蕴藏其中的地热能作为热泵系统的低温热

源，即图1所示的封闭式取热孔。从图1可以看出，为了保

证地下换热装置的结构稳定性，通常采用套管结构。换热介

质在循环泵的驱动下从外套管向下流动，到达竖直管的底部

后，再由内管向上流出换热装置。换热介质在外套管向下流

动过程中，一方面通过外管管壁与土壤岩石等进行换热，另

一方面通过内管管壁与向上流动的换热介质进行换热，水温

逐步上升。而已加热介质从内管向上流动的过程中，又会向

外管向下流动的换热介质传热，导致内管水温逐步降低。该

技术热源侧采用封闭式换热器，不提取地下水，对地下环境

影响较小，可以保证系统长期稳定运行。此外，由于中深层

地热能温度较高，只能作为热源用于冬季供热，无法作为夏

季排热的热汇，这也是该系统与常规地源热泵系统的区别。

除了热源侧具有较大区别以外，中深层地热源热泵技术与常

规地源热泵技术相似，均通过热泵机组将热源侧的热量提升

到较高的温度水平并释放至用户侧供热介质。其室内放热末

端可以搭配地板供暖、常规散热器以及风机盘管等末端形

式。2中深层地热源热泵系统工程案例实测调研笔者所在

团队于2013—2015年期间对我国已投入使用的中深层地热

源热泵系统实际运行情况进行了实测调研。项目所在地位于

我国气候寒冷地区，供暖时间为每年的11月15日至次年3

月15日。表1为调研项目基本信息。表1中深层地热源热

泵系统项目基本信息图2显示了项目实测过程中的测点布置

情况。参照GB/T50801—2003《可再生能源建筑应用工程评

价标准》，对4个投入实际运行的项目在严寒期进行48h以

上的连续监测，通过连续测量热源侧流量和进出口水温、用

户侧流量和进出口水温以及热泵机组消耗的电量等参数，测

试结果经能量平衡校核后（不平衡率低于10%），得到中深

层地热源热泵供暖系统的实际运行情况。图3显示了4个项

目测试阶段用户侧供回水温度、热源侧进出水温度的变化情

况。图2中深层地热源热泵系统测点布置图34个项目

测试阶段用户侧、热源侧水温监测情况其中项目A，B，C

系统运行较为稳定，在48h的监测时间内，热源侧进出水温

度变化较小，为系统提供了一个稳定的工作环境。为了能更

加清晰地显示水温的变化情况，图3d中只显