山東建築大學教授 方肇洪
內容提要
12月21日“萬和杯”2017中國供暖大會在北京九華山莊隆重舉行。 會上， 山東建築大學教授方肇洪以《地源熱泵技術及中深層地埋管換熱器》為題發表了精彩演講，
以下為演講實錄：
大家知道現在主流的一些清潔供熱技術， 除了中國原來一直依靠的煤炭供暖， 還出現了燃氣、熱泵技術， 熱泵技術裡又包括空氣源熱泵和地源熱泵。
多年來我一直從事地源熱泵方面的工作， 今天下午的報告， 內容比較偏向技術方面。 地源熱泵技術在中國歷史不是太長， 只有十年多一點的時間， 但是可能大家都已經瞭解得比較透徹了。
可能會有人問， 熱泵技術和鍋爐有什麼區別？鍋爐是直接燃燒化石燃料， 產生熱能， 可以加熱熱水；熱泵是從環境裡的一個低溫熱源中把熱量取出來， 經過熱泵的做功， 把熱量提升到一個比較高的溫度， 用來給樓供熱或者產生熱水。 利用熱泵技術加熱， 一次能源的利用率可以超過100%， 它是一項迎合時代發展需要的節能技術。
COP指的是我們花一分的電所能得到的熱量值，
我們期望達到3以上， 一般的燃煤發電效率為35%。 如果我們的發電效率是35%， 35%×3是105%， 我們得到的熱量比燃煤直接供熱還要高， 比煤直接去鍋爐裡燒得到的熱量多一點， 因為很多熱量是從環境裡來的。 所以地源熱泵最大的一個好處是節能， 節能就是環保， 就是低碳減排。
用熱泵還有一個好處， 就是用冷、用熱都可以。 雖然燃氣也是如此， 但是需要用吸收式製冷， 不像熱泵這樣， 一個機器就可以滿足人們的冷熱需求。
任何技術都有強弱項， 地源熱泵也有它的弱項：
第一， 初投資較高， 主要是埋管的費用；
第二， 要在地裡埋管， 需要占地是在中國推動地源熱泵最大的瓶頸；對於舊樓的改造， 這些事兒難度太大， 也跟地有關係；
第三， 需要考慮全年地下冷熱負荷平衡，
這些年我們一方面要積極推廣， 另一方面也要克服地源熱泵的這些技術障礙。
地源熱泵的技術集成2000年我專門到美國去， 帶著問題學習地源熱泵再回來推廣， 這是我們學校的強項。地源熱泵技術有地下、機房、末端，機房和末端方面我都不如設計院的工程師，而且他們的技術更成熟。“那我就到美國去學地下到底怎麼算”，這是我當時腦子裡想的事。回來後我們做了不少工作，並取得了一些成績。
《地埋管地源熱泵技術》是我們2006年出版的書，是早期中國做地源熱泵的人看的書；2009年獲得國家科技進步二等獎；除此之外，我們還開發了一個地源熱泵的設計軟體，並一直在改進。我們在地源熱泵傳熱理論方面做的工作今天不準備細講了。
比較得意的事情只講一個，大家知道地下水流動的時候，對地源熱泵的性能是有影響的，但一直沒有一個理論能很好地描述其中的規律，我們是世界上第一個找到有關傳熱問題解析解的。我們以此為主題在2005年發表的文章，到現在還是被很多人引用。最近幾年也有一些英文的著作，主要內容是地源熱泵的傳熱理論。
另外我要提一下能量樁技術。能量樁利用建築的樁基礎，把管子埋在樁裡，用來作為部分的地埋管換熱器，可以節省地源熱泵系統鑽孔的費用和占地。
儘管我們在理論方面做了很多工作，發表了很多文章，但是能量樁技術在商業推廣方面其實現在還不是特別好，因為它有點複雜，牽扯到暖通專業的人和建築結構的人，需要專業間的交叉和合作。而中國的設計院的行為準則是規範上有的可以做，規範上沒有的不能做。在樁裡埋上管子，對樁有什麼影響，到現在還沒有標準，所以應用推廣方面受到相當大的影響。目前，該技術不光中國人在做，外國人也一直在研究。
跟十年以前有很多人沒聽說過地源熱泵一樣，關於中深層地埋管地源熱泵技術，估計在座有一半以上的人沒聽說過，這是中國近年來非常熱的一個話題，我今天也想花一點時間講一講。
中深層地埋管是一個新技術，可以把它看成現有地源熱泵技術的一個變種。地源熱泵一般打井埋管是標準的，80m到120m是比較常見的深度，中深層閉式地埋管換熱器是要把地埋管打到大約2000m深。這個概念在外國也有，我們中國應該起源於大概兩年前，是陝西一家企業帶頭搞起來的，當時他們起的名字叫“幹熱岩”，我們幾個院士不願意了，幹熱岩這個名字在國內外已經有明確的概念了，不能再叫這個。
幹熱岩有一個確定的界定：深度在3000m以上，溫度達到180℃以上才能叫幹熱岩，你打到2000m，下面溫度只有60℃～70℃，不能叫幹熱岩。所以這個技術現在到底叫什麼，大家還沒有一個公認的說法。我給它起了一個名字，叫“中深層閉式地埋管換熱器”，與英文中的名字大致相當，不知是否會得到大家的認可。
為什麼會有這個概念，我從三個方面來說：
第一是占地問題。我們搞地源熱泵的人，碰到最大的瓶頸就是沒有地，外國還好一點，中國一做就是上千孔，沒有那麼多地，所以做不成。如果把100m的孔變成2000m，深度是原來的20倍，而且越往下溫度越高，那麼這個孔就可以頂原來的五六十個孔，占地大大減少了，占地問題也就解決了。
第二是不平衡的問題。這一問題主要集中于東北、新疆這樣的嚴寒地區。上海也有不平衡問題——熱量太多，但是用冷卻塔或地表水補充冷卻一下就可以了。到了東北地區，人們夏天根本不需要開空調，但是冬天真冷，所以肯定是不平衡。當然，有人做了太陽能和地源熱泵結合的複合系統，理論上說說可以，但是要做商業推廣是不行的，不是技術不行，而是錢算不著。太陽能和地源熱泵結合成本太高，所以說到了東北、新疆、內蒙古，地源熱泵就不能推，它北邊過不了長城。
第三就是地熱能不足的問題。哈爾濱地下100m以內平均溫度為8℃，所以它能用的地熱能很少，如果我們打到2000m，溫度能夠到60℃～70℃，就比8℃好很多。當然，中深層有一個壞處，就是不能供冷，地下的溫度是50～70℃，這個溫度拿來做供冷不夠高也不夠低，供冷是不靈的，只能供熱。正好東北不需要供冷，只要解決供熱問題就可以了。這是從地源熱泵的角度說為什麼要打到2000m。
還有一個思路，中深層地熱主要抽地下溫泉的熱水來供熱，我們稱之為開式系統，是我們現在解決供熱問題的一個重要途徑。我們現在有一個雄縣模式，雄安新區要大量利用中深層的地熱水解決供熱問題，這是初投資很低、運行費用很低、非常好的技術。
但是任何一個技術都有好處和壞處，中深層開式系統有一個問題——不是所有的地方打到2000m、2500m都能打到熱水，如果有的地方打到2000m都沒有水，幾百萬就白花了。還有一種情況，打出來有水，但是灌不回去。例如，山東現在很多地方打出來有水，也抽了，但是回灌困難。山東幾乎所有的地熱井都是不回灌的，不是不想回灌，而是灌不回去。現在很多地熱井運行四五年就不行了，因為水沒有了，或者水位逐漸下降。
地源熱泵系統是從地下水源熱泵開始做起的，做了以後不讓抽水了，大家只好搞個閉式的，和地下水沒關係。地源熱泵技術就是這麼過來的，因此中深層地閉式埋管的思路也是這麼來的，沒有水或回灌不回去就搞一個閉式的。
第三個思路叫作季節性蓄熱的概念，在國際上討論有二三十年了，中國也有人做，但現在基本上都是理論上的研究。我們和清華大學合作，參與了一些工業餘熱的季節性蓄熱的研究工作，但是這個事兒離市場推廣還有很遠的距離。從外國人那裡我們看到很多這方面的文獻，他們的思路是希望把110℃的熱水灌到地下，取出來50℃～60℃，直接拿去供熱，這就是季節性蓄熱的基本概念。比如說不需要熱的時候把太陽能放到地下去，要用的時候拿上來。但是即使110℃放下去，拿出來也不能持續達到60℃，會很快降下去。
外國人的文章說，需要打很多井，井之間相互要靠近，如此一來，蓄熱以後地下溫度會比較高，但沒有什麼經濟性。這種季節性蓄熱的概念在中國不是沒有人研究，但是經濟性至少現在還談不上。但是，如果要搞蓄熱，打2000m絕對比100m好，例如，黑龍江地下溫度只有8℃，再高溫度的熱量放下去，拿出來時溫度也會變得很低，如果能打到2000m，下面溫度有60℃～70℃，拿出來還好一點。
從這三個角度出發都想到了中深層地埋管換熱器技術，但是技術經濟性比較可行的，現在還要和地源熱泵聯繫起來，它代替了我們原來的淺層埋管。
中深層地埋管換熱器的現狀與前景我們原來地源熱泵的地埋管都是U形管，中深層地埋管一般採用套管式。一個外管，一般是鋼管，中間管現在中國用的是耐高溫的PE管，迴圈水可以從外管流下去，到下面再從內管出來，完全是一個閉式的迴圈。這個技術可以看到的優點是能解決其他幾種技術的缺點，就像地源熱泵一樣，解決了平均地溫升高、占地的問題，原來不適合地源熱泵做的事兒，現在可以做了。缺點第一個是造價高，第二個是不適合供冷。
對於造價高，一些外國人沒法做的事到中國來可能可以做。我們中國在地質中深層鑽孔的產能方面有大量的過剩，完全可以借用採油的技術和地熱井的技術。中國原來那麼多油田、採油隊，現在油田鑽得差不多了，設備很多、技術工人也很多，卻沒有新發現有大的油田需要采，所以有現成的產能。
前幾年在山東打一個2000m的井要400萬，現在150萬就有人給你幹，甚至有些採油鑽井設備都當廢鐵賣給你了，本來一台鑽機要400萬，現在二三十萬就可以賣給你。地源熱泵的初投資大概一平方250塊錢，包括樓內的末端設備，這是很粗的概念。現在如果用這個技術，大概一平方350～400塊錢，東北、新疆不讓燒煤，實在想不出什麼不燒煤解決供熱的好辦法，我相信400元一平方也會有人願意幹。
要不要蓄熱？是不是有地下冷熱不平衡的問題？我們的研究表明，基本上可以不考慮全年熱量平衡的問題，但是孔之間的間距要足夠大。
跟我們推廣地源熱泵的技術是一樣的，我們現在的主要工作是做計算。但是到底怎麼算的問題到現在依然沒有很好地解決。對於淺層地源熱泵，我們可以認為在地下100m的溫度是均勻的，因為在100m裡的溫差也就2～3℃，在工程上可以接受。但是現在到了2000m，溫差大概有50℃～60℃，還說它的溫度是均勻的就不對了。所以說，如果把主要的因素忽略了，這個計算就不靈了。
現在有很多人在用數值計算的方法算，但是算的時間非常長，經常算一個算例需要電腦運行幾小時甚至幾天。我們獨立開發的傳熱模型和計算方法快很多，在普通電腦上算幾分鐘就能類比地下溫度一年的變化。
我們搞地源熱泵的時候，人家說“怎麼算我不管，你就告訴我們每米鑽井換熱多少瓦”，做工程的人很多都是這樣，現在也問“到底這個井能抽多少熱量，告訴我一個數”。現在正處在初期剛剛起步的時候，大家都不很清楚，有理論的指導可以少走彎路。
根據我們的類比，一般來說，2000m深埋管的持續抽熱能力約為200～250kW，但是每個地方都不一樣，真的準確的還是要算。供熱面積大概在幾千平方，到不了一萬平方。如果用地源熱泵承擔峰值負荷，用燃氣鍋爐做備份，帶的面積就可以大很多。
還要告訴大家一點，很多人在這個技術的整體設計思路上是有問題的，他們認為，地下溫度很高，所以拿出來的水的溫度也會很高，熱泵要用高溫熱泵運行，所以設計的溫度是40℃進、20℃出，因為他想地下是60℃～70℃，出來怎麼不得40℃？這種想法是錯的，如果大家有地源熱泵運行的經驗就會發現，在開機幾個小時內，溫度會降得很快，恐怕一個禮拜就降到30℃以下了。
我們模擬了十年，頭兩三年溫度逐漸下降，跟我們原來估計的一樣，但是過了五六年以後下降速度很慢，今年的最低溫度和去年相比只差0.1℃，所以如果五六年以後每年差不到0.1℃，我們認為運行20年沒問題。
應用前景怎麼樣我不敢說，現在還在研究，大家都在試，在東北、新疆、內蒙有可能應用，這個市場要企業家們去琢磨，由企業家們去解決。經濟性是關鍵，占地的因素也是關鍵，比較適合嚴寒的地區，將來能不能成為一個有相當規模的產業，還需要大家共同摸索。
這是我們學校的強項。地源熱泵技術有地下、機房、末端，機房和末端方面我都不如設計院的工程師，而且他們的技術更成熟。“那我就到美國去學地下到底怎麼算”，這是我當時腦子裡想的事。回來後我們做了不少工作，並取得了一些成績。《地埋管地源熱泵技術》是我們2006年出版的書，是早期中國做地源熱泵的人看的書；2009年獲得國家科技進步二等獎；除此之外，我們還開發了一個地源熱泵的設計軟體，並一直在改進。我們在地源熱泵傳熱理論方面做的工作今天不準備細講了。
比較得意的事情只講一個，大家知道地下水流動的時候，對地源熱泵的性能是有影響的，但一直沒有一個理論能很好地描述其中的規律，我們是世界上第一個找到有關傳熱問題解析解的。我們以此為主題在2005年發表的文章，到現在還是被很多人引用。最近幾年也有一些英文的著作，主要內容是地源熱泵的傳熱理論。
另外我要提一下能量樁技術。能量樁利用建築的樁基礎，把管子埋在樁裡，用來作為部分的地埋管換熱器，可以節省地源熱泵系統鑽孔的費用和占地。
儘管我們在理論方面做了很多工作，發表了很多文章，但是能量樁技術在商業推廣方面其實現在還不是特別好，因為它有點複雜，牽扯到暖通專業的人和建築結構的人，需要專業間的交叉和合作。而中國的設計院的行為準則是規範上有的可以做，規範上沒有的不能做。在樁裡埋上管子，對樁有什麼影響，到現在還沒有標準，所以應用推廣方面受到相當大的影響。目前，該技術不光中國人在做，外國人也一直在研究。
跟十年以前有很多人沒聽說過地源熱泵一樣，關於中深層地埋管地源熱泵技術，估計在座有一半以上的人沒聽說過，這是中國近年來非常熱的一個話題，我今天也想花一點時間講一講。
中深層地埋管是一個新技術，可以把它看成現有地源熱泵技術的一個變種。地源熱泵一般打井埋管是標準的，80m到120m是比較常見的深度，中深層閉式地埋管換熱器是要把地埋管打到大約2000m深。這個概念在外國也有，我們中國應該起源於大概兩年前，是陝西一家企業帶頭搞起來的，當時他們起的名字叫“幹熱岩”，我們幾個院士不願意了，幹熱岩這個名字在國內外已經有明確的概念了，不能再叫這個。
幹熱岩有一個確定的界定：深度在3000m以上，溫度達到180℃以上才能叫幹熱岩，你打到2000m，下面溫度只有60℃～70℃，不能叫幹熱岩。所以這個技術現在到底叫什麼，大家還沒有一個公認的說法。我給它起了一個名字，叫“中深層閉式地埋管換熱器”，與英文中的名字大致相當，不知是否會得到大家的認可。
為什麼會有這個概念，我從三個方面來說：
第一是占地問題。我們搞地源熱泵的人，碰到最大的瓶頸就是沒有地，外國還好一點，中國一做就是上千孔，沒有那麼多地，所以做不成。如果把100m的孔變成2000m，深度是原來的20倍，而且越往下溫度越高，那麼這個孔就可以頂原來的五六十個孔，占地大大減少了，占地問題也就解決了。
第二是不平衡的問題。這一問題主要集中于東北、新疆這樣的嚴寒地區。上海也有不平衡問題——熱量太多，但是用冷卻塔或地表水補充冷卻一下就可以了。到了東北地區，人們夏天根本不需要開空調，但是冬天真冷，所以肯定是不平衡。當然，有人做了太陽能和地源熱泵結合的複合系統，理論上說說可以，但是要做商業推廣是不行的，不是技術不行，而是錢算不著。太陽能和地源熱泵結合成本太高，所以說到了東北、新疆、內蒙古，地源熱泵就不能推，它北邊過不了長城。
第三就是地熱能不足的問題。哈爾濱地下100m以內平均溫度為8℃，所以它能用的地熱能很少，如果我們打到2000m，溫度能夠到60℃～70℃，就比8℃好很多。當然，中深層有一個壞處，就是不能供冷，地下的溫度是50～70℃，這個溫度拿來做供冷不夠高也不夠低，供冷是不靈的，只能供熱。正好東北不需要供冷，只要解決供熱問題就可以了。這是從地源熱泵的角度說為什麼要打到2000m。
還有一個思路，中深層地熱主要抽地下溫泉的熱水來供熱，我們稱之為開式系統，是我們現在解決供熱問題的一個重要途徑。我們現在有一個雄縣模式，雄安新區要大量利用中深層的地熱水解決供熱問題，這是初投資很低、運行費用很低、非常好的技術。
但是任何一個技術都有好處和壞處，中深層開式系統有一個問題——不是所有的地方打到2000m、2500m都能打到熱水，如果有的地方打到2000m都沒有水，幾百萬就白花了。還有一種情況，打出來有水，但是灌不回去。例如，山東現在很多地方打出來有水，也抽了，但是回灌困難。山東幾乎所有的地熱井都是不回灌的，不是不想回灌，而是灌不回去。現在很多地熱井運行四五年就不行了，因為水沒有了，或者水位逐漸下降。
地源熱泵系統是從地下水源熱泵開始做起的，做了以後不讓抽水了，大家只好搞個閉式的，和地下水沒關係。地源熱泵技術就是這麼過來的，因此中深層地閉式埋管的思路也是這麼來的，沒有水或回灌不回去就搞一個閉式的。
第三個思路叫作季節性蓄熱的概念，在國際上討論有二三十年了，中國也有人做，但現在基本上都是理論上的研究。我們和清華大學合作，參與了一些工業餘熱的季節性蓄熱的研究工作，但是這個事兒離市場推廣還有很遠的距離。從外國人那裡我們看到很多這方面的文獻，他們的思路是希望把110℃的熱水灌到地下，取出來50℃～60℃，直接拿去供熱，這就是季節性蓄熱的基本概念。比如說不需要熱的時候把太陽能放到地下去，要用的時候拿上來。但是即使110℃放下去，拿出來也不能持續達到60℃，會很快降下去。
外國人的文章說，需要打很多井，井之間相互要靠近，如此一來，蓄熱以後地下溫度會比較高，但沒有什麼經濟性。這種季節性蓄熱的概念在中國不是沒有人研究，但是經濟性至少現在還談不上。但是，如果要搞蓄熱，打2000m絕對比100m好，例如，黑龍江地下溫度只有8℃，再高溫度的熱量放下去，拿出來時溫度也會變得很低，如果能打到2000m，下面溫度有60℃～70℃，拿出來還好一點。
從這三個角度出發都想到了中深層地埋管換熱器技術，但是技術經濟性比較可行的，現在還要和地源熱泵聯繫起來，它代替了我們原來的淺層埋管。
中深層地埋管換熱器的現狀與前景我們原來地源熱泵的地埋管都是U形管，中深層地埋管一般採用套管式。一個外管，一般是鋼管，中間管現在中國用的是耐高溫的PE管，迴圈水可以從外管流下去，到下面再從內管出來，完全是一個閉式的迴圈。這個技術可以看到的優點是能解決其他幾種技術的缺點，就像地源熱泵一樣，解決了平均地溫升高、占地的問題，原來不適合地源熱泵做的事兒，現在可以做了。缺點第一個是造價高，第二個是不適合供冷。
對於造價高，一些外國人沒法做的事到中國來可能可以做。我們中國在地質中深層鑽孔的產能方面有大量的過剩，完全可以借用採油的技術和地熱井的技術。中國原來那麼多油田、採油隊，現在油田鑽得差不多了，設備很多、技術工人也很多，卻沒有新發現有大的油田需要采，所以有現成的產能。
前幾年在山東打一個2000m的井要400萬，現在150萬就有人給你幹，甚至有些採油鑽井設備都當廢鐵賣給你了，本來一台鑽機要400萬，現在二三十萬就可以賣給你。地源熱泵的初投資大概一平方250塊錢，包括樓內的末端設備，這是很粗的概念。現在如果用這個技術，大概一平方350～400塊錢，東北、新疆不讓燒煤，實在想不出什麼不燒煤解決供熱的好辦法，我相信400元一平方也會有人願意幹。
要不要蓄熱？是不是有地下冷熱不平衡的問題？我們的研究表明，基本上可以不考慮全年熱量平衡的問題，但是孔之間的間距要足夠大。
跟我們推廣地源熱泵的技術是一樣的，我們現在的主要工作是做計算。但是到底怎麼算的問題到現在依然沒有很好地解決。對於淺層地源熱泵，我們可以認為在地下100m的溫度是均勻的，因為在100m裡的溫差也就2～3℃，在工程上可以接受。但是現在到了2000m，溫差大概有50℃～60℃，還說它的溫度是均勻的就不對了。所以說，如果把主要的因素忽略了，這個計算就不靈了。
現在有很多人在用數值計算的方法算，但是算的時間非常長，經常算一個算例需要電腦運行幾小時甚至幾天。我們獨立開發的傳熱模型和計算方法快很多，在普通電腦上算幾分鐘就能類比地下溫度一年的變化。
我們搞地源熱泵的時候，人家說“怎麼算我不管，你就告訴我們每米鑽井換熱多少瓦”，做工程的人很多都是這樣，現在也問“到底這個井能抽多少熱量，告訴我一個數”。現在正處在初期剛剛起步的時候，大家都不很清楚，有理論的指導可以少走彎路。
根據我們的類比，一般來說，2000m深埋管的持續抽熱能力約為200～250kW，但是每個地方都不一樣，真的準確的還是要算。供熱面積大概在幾千平方，到不了一萬平方。如果用地源熱泵承擔峰值負荷，用燃氣鍋爐做備份，帶的面積就可以大很多。
還要告訴大家一點，很多人在這個技術的整體設計思路上是有問題的，他們認為，地下溫度很高，所以拿出來的水的溫度也會很高，熱泵要用高溫熱泵運行，所以設計的溫度是40℃進、20℃出，因為他想地下是60℃～70℃，出來怎麼不得40℃？這種想法是錯的，如果大家有地源熱泵運行的經驗就會發現，在開機幾個小時內，溫度會降得很快，恐怕一個禮拜就降到30℃以下了。
我們模擬了十年，頭兩三年溫度逐漸下降，跟我們原來估計的一樣，但是過了五六年以後下降速度很慢，今年的最低溫度和去年相比只差0.1℃，所以如果五六年以後每年差不到0.1℃，我們認為運行20年沒問題。
應用前景怎麼樣我不敢說，現在還在研究，大家都在試，在東北、新疆、內蒙有可能應用，這個市場要企業家們去琢磨，由企業家們去解決。經濟性是關鍵，占地的因素也是關鍵，比較適合嚴寒的地區，將來能不能成為一個有相當規模的產業，還需要大家共同摸索。