摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，综合国力显著加强，针对寒冷地区采用地源热泵供暖造成土壤冷负荷堆积的问题，文章提出一种增强型地热系统结合热泵的新型供暖系统作为解决方案。首先，介绍了该系统的组成及运行原理；然后，基于沈阳某场地的地质资料建立模型，进行水力压裂及产能分析，探讨了该系统各项指标的变化情况；最后，与传统地源热泵和太阳能-地源热泵进行了经济对比。结果表明：该系统可解决土壤冷负荷堆积问题，且可保持恒定供热量；投资回报年限较短；可节省大量空间和土地面积。
关键词：寒冷地区；增强型地热系统；热泵；水力压裂；供暖
引言
我国空气污染情况逐年加重，各个城市的雾霾问题不断凸显，不可再生能源呈现短缺局面，使人们越来越关注对于清洁的、可再生能源的开发以及利用。在清洁能源中，地热占据着极为重要的地位，但是，现阶段仍未被我们合理的利用。在地热能源中，包含有浅热、水热以及干热等3种类别。我国是世界上地热能源含有量最多的国家，总的地热能源含有量达到了全球总地热能源量的1/6左右。但是，对于地热能源的利用效率却偏低，仍然存在很大的上升空间，对于地热能源高效利用的需求仍然很大。通过地热能源提供热量来供应给供暖系统，是目前地热能源开发中最为直接的方法。我国利用地热进行供暖，可以极大的优化供暖产业结构，并且还可以有效的降低供暖系统对环境的污染，对于城市减排降霾有着极为重要的意义。
1热泵能源站的概念
地源热泵是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。它是一种利用可再生能源—地下浅层地温能（包括地表水、地下水、土壤等）的既可供热又可制冷的新型高效节能空调系统。热泵能源站一定是基于热泵技术的，根据服务对象项目所在地所具有的地热和浅层地热资源条件，采用多种多样的技术路线组合的能源站，有深层的地热梯级利用的能源站，有深层地热梯级利用＋埋管地源热泵的能源站，也有地表水热泵、江水热泵或再生水热泵以及工业余热的地源热泵能源站，热泵能源站还可以是和燃气锅炉、蓄能电锅炉、冷却塔等常规能源搭配而成的复合能源系统。
2增强型地热系统结合热泵供暖系统研究
2.1水力压裂模拟
本文采用商业软件StimPlan进行压裂模拟。StimPlan采用全三维裂缝几何模型及有限元计算方法，计算流体流动时，考虑了重力分异与裂缝平面流动模式；计算裂缝宽度时，引入了“层模量”概念，更适合进行复杂薄层、多层和非均质性较强的储层压裂分析。本文建立了2000~2500m的压裂模型，射孔段设置为2200~2400m。射孔段地层的顶底处具有较高应力遮挡，且弹性模量比邻层低，表明该段容易形成较长的水力裂缝。该段滤失系数比邻层稍高，压裂时可预先注入胶塞进行封堵，以降低井筒附近压裂液滤失。根据该区压裂施工经验，选用50#X-Link压裂液及Carbo300F20-40型支撑剂，排量为6.5m3/min，采用阶梯式注入方式（87~121~173~242~277~311~382~417kg/m3），压裂时间为307min。
2.2真空度
真空度高低实质上是机内不凝气体被抽除多少的反映，不凝气体越少真空度就越高。蒸发器在高真空度下吸收余热的能力最强，如果机组真空度下降，蒸发器吸收余热能力会直线下降，导致热泵机组的能效比下降。所以在热泵运行时要特别注意热泵的真空度观测，一般机内的压力超过10kPa，就要及时启动抽气系统，来维持机组真空，或者定期启动抽气系统，时间一般在一周左右。
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2.3复合式能源的关键技术
复合式热泵能源系统的应用主要体现在以下四个方面：“深浅结合”“天地结合”“调蓄结合”“表里结合”。“深浅结合”主要是浅层地温能与深层水热型地热资源的结合，深层地热通过热泵技术，采用梯级利用的技术做到能源的利用最大化。“天地结合”主要为太阳能（风能）与地热能的结合，尤其是与太阳能的结合。在初投资上，太阳能系统完全为增量成本，系统的初投资较高。首先在经济许可的前提下最大限度的利用太阳能，其次这种复合技术适宜全年提供生活热水、冬季供暖和夏季制冷的全年综合利用场合，目的在于全年综合利用太阳能，避免闲置的同时还能增加集热器寿命。地源热泵与风能的结合在于风能可以给系统提供电力的供应。“调蓄结合”中“调”为调峰，“蓄”为蓄能。调峰的意义首先在于系统的稳定运行，使能源的供应更加可靠，不论是“冷却塔调峰”还是”锅炉调峰”都有效地平衡了地源热泵系统取热量和排热量的差异；其次，调峰有效地削减了“本应由地源热泵承担的峰值负荷”，使得热泵系统只承担了系统６０％～７０％的基础负荷，一定程度上降低了系统初投资，提高了系统经济性。
2.4地热井供热能力
当前新村里具有4口地热井，其中直接供热给用户的有3口高温井，总有290t/h的出水量（其20t/h给予居民的用作生活热水），有270t/h的热水量作为供暖，70℃的水温；1口低温井，40t/h的出水量，49℃的水温。有回水温度大约49℃的高温井供热。和低温井相混合以后给热泵将热量提取。依照热井直供热量的公式：G=3.6×Q/c×（t1-t2），公式中，G代表热力网设计流量（单位t／h）；Q代表设计热负荷（单位kW），c代表水的比热容[单位k3/（kg•oC）]；t1代表热力网供水的温度（单位℃），t2：为热力网回水温度（单位℃），依据270t／h的高温水量，70℃至49℃的地热水供、回水温，计算结果是6.6MW热直供热量。（270+40）t/h低温水余量，49℃～25℃的水温，8.65MW的热量。在国内溴化锂吸收式热泵的COP值通常在1.7之间，所以在热泵回收地热尾水后制8.65×1.7/（1.7-1.0）=21.6MW的热量。也就是说现在有地热井四口及热泵一共制6.6+21.6=28.2MW的热量和40.8MW热负荷，它们之间有12.6MW的差值。
2.6水热型地热供暖技术的应用
水热型地热供暖的主要热源是地下水。水热型地热供暖技术，即通过开挖地下井，获取地下水资源，将地下水资源中的热量进行转换，传递到供热管道中，提供给各个用户使用。随着科学技术的不断发展，该技术逐渐朝着大规模、高效率方向发展，并且成为当前我国新能源供暖的重要技术手段。当前，我国对于水热型地热供暖技术的应用已经达到了世界前列，地热能的利用位居世界首位。
结语
本文针对寒冷地区地源热泵供暖造成土壤冷负荷堆积的问题，提出一种增强型地热系统结合热泵的新型供暖系统。以沈阳地区地质条件为例，探讨了该系统相比其他供热系统的优越性。①该系统前两年产出水温维持稳定，之后从初始69℃一直降到第30年的63.8℃；供热量稳定，仅从初始0.53MW降到最终0.50MW。表明采用该系统在寒冷地区冬季供暖，可保持恒定供热量且不会发生性能下降的问题。②该系统相比传统地源热泵的优点在于：封闭循环回路，不会造成储层压力下降；不用考虑回灌问题；适用范围更广。相比太阳能热泵的优点在于：占地面积小；产能稳定，不受地表气候等因素的影响。投资回报年限比传统地源热泵和太阳能-地源热泵短。
参考文献：
[1]徐伟，刘志坚.中国地源热泵技术发展与展望[J].建筑科学，2013，29（10）：26-33.
[2]姜海洋.严寒地区地源热泵系统运行后评估及优化模拟分析[D].山东：山东建筑大学，2016.
论文作者:李旭强,杨立柱,杨立场
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/7