地热能供热技术的应用现状及发展趋势

doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.003

华电技术 ›› 2021, Vol. 43 ›› Issue (11): 15-24.doi: 10.3969/j.issn.1674-1951.2021.11.003

地热能供热技术的应用现状及发展趋势

王贵玲¹(), 杨轩², 马凌³^,⁴^,^*(), 周佳琦², 沈国华⁵, 王婉丽¹

1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所,石家庄 050061
2.天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室,天津 300350
3.海信家电集团股份有限公司,山东青岛 266000
4.海信（山东）空调有限公司,山东青岛 266100
5.天津市华亭科技发展有限公司,天津 300202

收稿日期:2021-09-22 修回日期:2021-10-15 出版日期:2021-11-25 发布日期:2021-11-16
通讯作者: 马凌
作者简介:王贵玲（1964—）,男,河北邢台人,研究员,博士,从事水文地质、地热地质及环境地质相关研究工作（E-mail： guilingw@163.com）。
基金资助:
天津市科技支撑重点项目(17YFZCGX00580)

Status quo and prospects of geothermal energy in heat supply

WANG Guiling¹(), YANG Xuan², MA Ling³^,⁴^,^*(), ZHOU Jiaqi², SHEN Guohua⁵, WANG Wanli¹

1. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Shijiazhuang 050061,China
2. Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy（Tianjin University）,MOE,Tianjin 300350,China
3. Hisense Home Appliance Group Company Limited,Qingdao 266000,China
4. Hisense（Shandong） Air Conditioning Company Limited,Qingdao 266100,China
5. Tianjin Huating Technology Development Company Limited,Tianjin 300202,China

Received:2021-09-22 Revised:2021-10-15 Online:2021-11-25 Published:2021-11-16
Contact: MA Ling

摘要/Abstract

摘要：

目前建筑行业能耗居高不下,2019年全球建筑运行碳排放占到了总CO₂排放的28%。如今,建筑节能降耗成为了我国乃至世界能源格局面临的一大问题。为了探究地热资源供热潜力及其在“双碳”目标中的价值体现,简述了我国地热资源禀赋及分布特点,给出了不同地区适用的地热供能模式。聚焦节能高效的地埋管地源热泵技术,通过工程案例分析,得出了浅层和中深层的不同供能特点。根据近5年发展推测,到2030年地源热泵将覆盖我国19.25%的城市供暖面积,具有很大的发展潜力。在实际应用和未来发展方面,从探热-采热-用热的不同角度,提出了多种新型地埋管换热器和直膨式地源热泵系统及跨季蓄能、多能互补的综合能源利用模式,以提高可再生能源利用率,减少化石能源的使用,降低建筑能耗。

关键词: 地热能, 地源热泵, 建筑供能, 工程应用, 碳排放, “双碳”目标, 多能互补, 供暖

Abstract:

The energy consumption in construction industry stays high.In 2019,global carbon emissions from construction industry accounted for 28% of the total CO₂ emissions.Nowadays,energy conservation and emission reduction for buildings has become a major problem for energy structure of China and even the world.In order to explore the heating potential of geothermal resources and its value in achieving emission peak and carbon neutrality,the endowment and distribution characteristics of geothermal resources in China is briefly described and the geothermal energy utilization modes suitable for different regions are obtained.Energy-saving and high-efficiency pipe burying ways for ground source heat pumps（GSHPs）have drawn great attention.Based on engineering cases,different heat-supply characteristics of shallow and medium-deep geothermal energy have been analyzed.According to the development in the past five years,the GSHP is of great development potential for being able to meet 19.25% of China's building energy supply demand by 2030. In terms of practical application and prospects,a variety of new underground heat exchangers,direct-expansion GSHPs,cross-season energy storage and multi-energy complementary geothermal energy utilization modes are proposed by considering the geothermal detection,geothermal extraction and geothermal utilization.These technologies can increase the utilization rate of renewable energy,reduce the fossil energy consumption and lower the energy consumption of buildings.

Key words: geothermal energy, ground source heat pump, energy supply for buildings, engineering application, carbon emissions, carbon peaking and carbon neutrality, multi-energy complementary, heating

中图分类号:

TK01

王贵玲, 杨轩, 马凌, 周佳琦, 沈国华, 王婉丽. 地热能供热技术的应用现状及发展趋势[J]. 华电技术, 2021, 43(11): 15-24.

WANG Guiling, YANG Xuan, MA Ling, ZHOU Jiaqi, SHEN Guohua, WANG Wanli. Status quo and prospects of geothermal energy in heat supply[J]. Huadian Technology, 2021, 43(11): 15-24.

图/表 8

图1

图2

图3

表1

图4

图5

图6

图7

参考文献 49

[1]	李德英. 我国清洁能源与清洁取暖发展机遇与挑战[R]. 2020国际可再生能源供热技术大会暨以太阳能为主的建筑供热论坛, 内蒙古, 2020.
[2]	清华大学建筑节能中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2020[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2020.
[3]	Global Alliance for Buildings and Construction. 2020 Global status report for buildings and construction[R/OL].(2020-09-22)[2021-09-30]. https://wedocs.unep.org/bitstream/handle/20.500.11822/34572/GSR_ES.pdf?sequence=3&isAllowed=y.
[4]	苏珊. 寒冷地区近零能耗办公建筑设计策略研究[D]. 天津:河北工业大学, 2017.
[5]	BURMAN E, MUMOVIC D, KIMPIAN J. Towards measurement and verification of energy performance under the framework of the European directive for energy performance of buildings[J]. Energy, 2014, 77:153-163. doi: 10.1016/j.energy.2014.05.102
[6]	WILBERFORCE T, OLABI A G, SAYED E T, et al. A review on zero energy buildings—Pros and cons[J]. Energy and Built Environment, 2021.DOI: 10.1016/j.enbenv.2021.06.002. doi: 10.1016/j.enbenv.2021.06.002
[7]	国家能源局. 关于促进地热能开发利用的若干意见(征求意见稿)[EB/OL].(2021-04-13)[2021-09-30]. http://www.nea.gov.cn/2021-04/14/c_139880250.htm.
[8]	国家能源局. 国家能源局关于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知[EB/OL].(2021-01-27)[2021-09-30]. http://zfxxgk.nea.gov.cn/2021-01/27/c_139728132.htm.
[9]	JOHN L W, ANIKO N T. Direct utilization of geothermal energy 2020 worldwide review[J]. Geothermics, 2021, 90.DOI: 10.1016/j.geothermics.2020.101915. doi: 10.1016/j.geothermics.2020.101915
[10]	顾洪宾. 中国可再生能源发展报告2020[R]. 水电水利规划设计总院, 2021.
[11]	中华人民共和国住房和城乡建设部. 2020 年城乡建设统计年鉴[R/OL].(2021-10-12)[2021-10-15]. http://www.mohurd.gov.cn/xytj/tjzljsxytjgb/jstjnj/index.html.
[12]	国家发展和改革委员会, 国家能源局, 国土资源部. 地热能开发利用“十三五”规划[R]. 北京:国家发展和改革委员会, 2017.
[13]	董清明, 朱启波, 董谷雨. 地源热泵技术在暖通空调节能中的应用[J]. 智能城市, 2020, 6(10):129-130.
[14]	北京市生态环境局. 2020年北京市PM2.5年均浓度38微克/立方米为有监测记录以来最优[EB/OL].(2021-01-04)[2021-09-30]. http://sthjj.beijing.gov.cn/bjhrb/index/xxgk69/zfxxgk43/fdzdgknr2/xwfb/10914648/index.html.
[15]	自然资源部中国地质调查局, 国家能源局新能源和可再生资源司, 中国科学院科技战略咨询研究院, 等. 中国地热能发展报告(2018)[R]. 北京: 中国石化出版社,2018.
[16]	王贵玲, 刘彦广, 朱喜, 等. 中国地热资源现状及发展趋势[J]. 地学前缘, 2020, 27(1):1-9.
	WANG Guiling, LIU Yanguang, ZHU Xi, et al. The status and development trend of geothermal resources in China[J]. Earth Science Frontiers, 2020, 27(1):1-9.
[17]	汪集暘. 地热学及其应用[M]. 北京: 科学出版社, 2015.
[18]	王贵玲, 张薇, 梁继运, 等. 中国地热资源潜力评价[J]. 地球学报, 2017, 38(4):449-459.
	WANG Guiling, ZHANG Wei, LIANG Jiyun, et al. Evaluation of geothermal resources potential in China[J]. Acta Geoscientica Sinica, 2017, 38(4):449-459.
[19]	赵军, 李扬, 李浩, 等. 中低温能源在中国[J/OL]. 太阳能学报:1-12.(2020-11-13)[2021-10-15]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2082.TK.20201113.1409.002.html.
	ZHAO Jun, LI Yang, LI Hao, et al. Mid-/low-temperature energy in China[J/OL]. Acta Energiae Solaris Sinica:1-12.(2020-11-13)[2021-10-15]. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2082.TK.20201113.1409.002.html.
[20]	ZHENG K Y, DONG Y, CHEN Z H, et al. Speeding up industrialized development of geothermal resources in China—Country update report 2010—2014[R]. Melbourne:Proceedings World Geothermal Congress, 2015.
[21]	ZHU J L, HU K Y, LU X L, et al. A review of geothermal energy resources,development,and applications in China:Current status and prospects[J]. Energy, 2015, 93:466-483. doi: 10.1016/j.energy.2015.08.098
[22]	王婉丽, 王贵玲, 朱喜, 等. 中国省会城市浅层地热能开发利用条件及潜力评价[J]. 中国地质, 2017, 44(6):1062-1073.
	WANG Wanli, WANG Guiling, ZHU Xi, et al. Characteristics and potential of shallow geothermal resources in provincial capital cities of China[J]. Geology in China, 2017, 44(6):1062-1073.
[23]	TIAN T S, DONG Y, ZHANG W, et al. Rapid development of China's geothermal industry—China national report of the 2020 world geothermal conference[R]. Iceland:Proceedings World Geothermal Congress, 2020.
[24]	李扬, 赵婉雨. 地热能领域产业技术分析报告[J]. 高科技与产业化, 2019(9):46-51.
	LI Yang, ZHAO Wanyu. An industrial and technical analysis report of geothermal energy[J]. High-Technology & Commercialization, 2019(9):46-51.
[25]	郑克棪, 陈梓慧. 地热供暖世界现状及中国清洁供暖的地热选择[J]. 河北工业大学学报, 2018, 47(2):102-107.
	ZHENG Keyan, CHEN Zihui. World status of geothermal space heating and geothermal option in China's clean heating[J]. Journal of Hebei University of Technology, 2018, 47(2):102-107.
[26]	田勇, 王卫民, 赵岩. 京津冀地热资源综合利用研究[J]. 中国煤炭地质, 2020, 32(2):51-58.
	TIAN Yong, WANG Weimin, ZHAO Yan, et al. Study on geothermal resource integrated utilization in Beijing-Tianjin-Hebei area[J]. Coal Geology of China, 2020, 32(2):51-58.
[27]	邓波, 龙惟定. 中深层地热资源合理开发利用现状综述[C]// 《环境工程》编委会、工业建筑杂志社有限公司.环境工程2019年全国学术年会,北京, 2019.
[28]	王贵玲. 开发雄安地热,促进绿色发展[R]. 李四光倡导中国地热能开发利用50周年纪念大会暨首届中国地热前沿技术与应用在线研讨会, 2020.
[29]	郭偲悦, 燕达, 崔莹, 等. 长江中下游地区住宅冬季供暖典型案例及关键问题[J]. 暖通空调, 2014, 44(6):25-32.
	GUO Caiyue, YAN Da, CUI Ying, et al. Case studies and key questions of space heating in residential buildings in Yangtze River basin[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2014, 44(6):25-32.
[30]	中国新闻网. “世界屋脊”不断刷新“中国之最”[EB/OL].(2021-08-13)[2021-10-15]. http://www.chinanews.com/gn/2021/08-13/9542891.shtm.
[31]	许有师, 岳子成, 张翼飞. 北京天湖国际会议酒店地源热泵中央空调系统——清洁、环保、节能的新能源空调系统[J]. 暖通空调, 2005, 35(B02):22-22.
[32]	陈凤君, 冯婷婷. 九华山庄二期地埋管地源热泵工程[J]. 暖通空调, 2007(3):91-95.
	CHEN Fengjun, FENG Tingting. Ground-source heat pump system in phase 2 of Jiuhua Hotel project[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2007(3):91-95.
[33]	刘欣. 交流蓄能技术推进工程应用——国际能源组织蓄能节能委员会(IEA/ECES)首次在中国召开执委会会议[J]. 建设科技, 2007(12):71.
[34]	李文伟, 陈燕民, 王吉标, 等. 北京用友软件园地源热泵及冰蓄冷中央空调系统工程[C]// 中国城市经济学会、国家机械工业局工程建设中心.首届中国地源热泵技术城市级应用高层论坛论文集, 2006: 10.
[35]	李莹, 丁高, 胡建丽. 国家体育场暖通空调绿色设计[J]. 建设科技, 2008(13):52-54.
[36]	国家体育场(鸟巢)地埋管施工组织设计[EB/OL].(2006-12-30)[2021-10-15]. https://wenku.baidu.com/view/74f3c5ce0508763231121241.html.
[37]	吴玲红, 叶大法, 梁韬, 等. 上海世博轴工程空调冷热源系统设计[J]. 制冷技术, 2010, 30(S1):50-54,71.
	WU Linghong, YE Dafa, LIANG Tao, et al. Design of a cooling and heating source system in Expo Axis Shanghai[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2010, 30(S1):50-54,71.
[38]	李魁山, 吴玲红, 梁韬, 等. 世博轴及地下综合体地源热泵应用研究[J]. 暖通空调, 2010, 40(8):78-81.
	LI Kuishan, WU Linghong, LIANG Tao, et al. Application research of ground source heat pump of World Expo Axis and Underground Complex[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2010, 40(8):78-81.
[39]	张俊. 北洋园校区能源站和供热系统介绍[R]. 天津市地源热泵发展研究会新技术研讨会, 2021.
[40]	肖伟, 李晋秋, 白洋, 等. 大兴国际机场能源规划与航站楼节能设计研究介绍[J]. 建筑节能, 2019, 47(10):9-14.
	XIAO Wei, LI Jinqiu, BAI Yang, et al. Energy planning of Daxing International Airport and energy efficiency design of its terminals[J]. Building Energy Efficiency, 2019, 47(10):9-14.
[41]	余乐渊. 地源热泵U型埋管换热器传热性能与实验研究[D]. 天津:天津大学, 2004.
[42]	朱强. 可再生能源——地源热泵空调系统在天津市建筑应用项目研究[D]. 天津:天津大学, 2008.
[43]	张春雷. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究[D]. 天津:天津大学, 2005.
[44]	长光卫星. 大国工程——北京大兴国际机场[EB/OL].(2021-10-07)[2021-10-15]. https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404689603255731195.
[45]	邓杰文, 魏庆芃, 张辉, 等. 中深层地热源热泵供暖系统能耗和能效实测分析[J]. 暖通空调, 2017, 47(8):150-154.
	DENG Jiewen, WEI Qingpeng, ZHANG Hui, et al. On-site measurement and analysis on energy consumption and energy efficiency ratio of medium-depth geothermal heat pump systems for space heating[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2017, 47(8):150-154.
[46]	龚艳妮. 西咸新区中深层地热能无干扰清洁供热技术成效显著[EB/OL].(2018-06-12)[2021-10-15]. https://www.sohu.com/a/235321007_99915713.
[47]	AYDIN M, SISMAN A. Experimental and computational investigation of multi U-tube boreholes[J]. Applied Energy, 2015, 145:163-171. doi: 10.1016/j.apenergy.2015.02.036
[48]	ZARRELLA A, CARLI M D, GALGARO A. Thermal performance of two types of energy foundation pile:Helical pipe and triple U-tube[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 61:301-310. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2013.08.011
[49]	孙思宇, 于成琪, 孙涛, 等. 冷热电三联供分布式能源系统研究进展[J]. 华电技术, 2019, 41(11):26-31,56.
	SUN Siyu, YU Chengqi, SUN Tao, et al. Advance in study on CCHP distributed energy system[J]. Huadian Technology, 2019, 41(11):26-31,56.

名称及位置	埋管类型	供暖/供冷面积/万m²	制热/制冷量/kW	年份
天津首个地源热泵工程：梅江生态小区办公楼	桩埋管+垂直埋管+水平埋管	0.37	—	2001
北京首个基岩地源热泵工程：天湖国际会议酒店^[31]	垂直埋管（218 m×120 m）	4.00	—	2004
中国早期大型地源热泵+冰蓄冷项目：北京九华山庄^[32,33]	垂直埋管（700 m×100 m）	13.00	10 500.0/13 000.0	2005
中国早期大型地埋管地源热泵工程：北京用友软件园^[34]	双U型埋管（616 m×120 m）	18.50	13 400.0/15 800.0	2007
地源热泵助力绿色奥运：国家体育场^[35,36]	垂直埋管（312 m×70 m）	—	1 800.0/1 500.0	2008
地源热泵助力上海世博会：世博轴^[37,38]	W型桩埋管	25.00	—	2010
地源热泵助力绿色校园：天津大学北洋园校区^[39]	垂直埋管	38.44/28.01	13 569.8/18 304.4	2015
中国最大的多能互补地源热泵工程：北京大兴国际机场^[40]	垂直埋管	100.00	54 200.0/48 800.0	2019

地热能供热技术的应用现状及发展趋势

Status quo and prospects of geothermal energy in heat supply

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献 49

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	江婷, 赵雅姣. 基于燃气分布式的综合能源系统碳减排分析[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(9): 27-32.
[2]	李彬, 胡纯瑾, 王婧. 基于EEMD-BiLSTM的可调节负荷预测方法[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(9): 33-39.
[3]	王开亭, 李小斌, 张红娜, 刘糁, 曲凯阳, 李凤臣. 集中供热系统中应用湍流减阻剂的节能减排综合性能评价[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(9): 40-50.
[4]	姜曙, 刘芳芳, 刘媛媛, 陈启召, 连丽, 任梦楠. “地热能+”在工程实践中的综合梯级应用[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(9): 59-64.
[5]	高圆, 李智, 李甲鸿, 高九涛, 李成新, 李长久. 金属支撑固体氧化物燃料电池技术进展[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(8): 1-24.
[6]	张荣权, 李刚强, 卜思齐, 刘芳, 朱玉祥. 基于自适应学习率萤火虫算法的多能源系统联合优化调度[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(7): 49-57.
[7]	郭祚刚, 袁智勇, 徐敏, 雷金勇, 李朋岳, 谈赢杰. 多能互补综合能源系统混合能流计算方法及算例[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(7): 58-65.
[8]	谢典, 高亚静, 芦新波, 刘天阳, 赵良, 赵勇. 能耗“双控”向碳排放“双控”转变的实施路径研究[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(7): 73-80.
[9]	喻小宝, 章天浩, 邓思维. 数字化背景下电力数据要素定价机制优化研究[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(7): 81-89.
[10]	郭恒元, 冯小峰, 李国栋, 段志国, 李远征. 含制氢装置的机组组合与检修低碳协同优化研究[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(5): 78-87.
[11]	王长君, 闫君, 董勇, 宋占龙. 相变储能技术在热泵系统中的应用综述[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(4): 51-64.
[12]	王盛, 谈健, 马亚辉, 邹风华. 多重不确定性下基于LMDI的城市工业碳排放量影响因素分析及预测：以苏州市为例[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(2): 1-7.
[13]	王一铮, 胡嘉骅, 唐琦雯, 赵一琰, 沈琪. 电力现货市场背景下的水电出力优化与光伏发电消纳[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(2): 73-79.
[14]	徐恒志, 周博文, 李广地, 华光辉, 孔祥淼. 含水源热泵的区域综合能源系统低碳运行优化研究[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(1): 39-48.
[15]	蒋文坤, 韩颖慧, 薛智文, 朱勇奇, 徐艳梅. 多能互补能源系统中储能原理及其应用[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(1): 63-71.