引言我国自20世纪70年代开始进行地热的普查、勘探及利用工作。地热资源作为可再生清洁能源，具有利用率高、稳定性好、运行成本低、安全、可综合利用等特点，与其他能源相比优势较为明显。天津、北京、沈阳、咸阳和保定等城市作为代表开展了一系列包括旅游疗养、种植养殖、中低温地热供暖等直接利用地热源的发展项目，地热资源的巨大储量和广阔的应用范围使其成为未来的重要的替代能源之一。21世纪初期，随着热泵技术的发展，地源热泵供暖等一系列浅层地热能的开发利用得到飞速发展。由于浅层地热能的开发还具有一定的局限性，中深层地热能的开发越来越受到人们的关注和推广。目前，推进地源热泵的研究和应用是实现我国“双碳”目标和清洁供暖的重要手段。1地源热泵系统地源热泵系统是利用地热资源作为冷热源进行供热以及制冷的空调系统。地源热泵系统根据地热深度不同可分为浅层地源热泵系统、中深层地源热泵系统。地源热泵将地热井内换热器加热循环的水用作冷热源，通过热泵机组的提升作用，使建筑物达到供热和供冷所需要的供水温度，实现向建筑物不断供暖供冷的目的。地源热泵系统具有稳定可靠、应用灵活和节能环保等优势。目前，浅层地源热泵技术较为成熟，但其应用仍存在部分局限性：土壤的导热系数较小时，需要设置较大的换热面积；年制冷量与制热量不一致会导致土壤热平衡，系统长期运行导致的土壤热失衡会使热泵机组的运行效率降低，使热泵机组的运行工况变得不稳定，难以满足建筑物的供暖或供冷需求。为了克服浅层地源热泵技术的局限性，中深层地源热泵技术研究将成为地源热泵主要研究方向。中深层地源热泵系统采用封闭的换热管进行换热，不会破坏地下水资源，不存在回灌困难的问题，可以实现地热资源的可持续利用。中深层地源热泵系统的热源主要是岩土蓄热。如果无其他热量补充，随着系统运行年限增加，岩土的温度会逐渐降低。针对单个地热井（孔）或距离足够远的相邻孔，在持续取热的情况下，地热孔周围岩土的温度在开始运行的3~5年内有小幅下降，随后逐渐趋于平稳。针对比较密集的钻孔埋管，如果无其他补热手段，持续取热一定会使岩土体的温度降低，导致系统供热能力逐渐衰减。决定系统供热能力衰减程度的主要因素是孔间距、系统的设计寿命以及平均取热速率（总取热量）。根据初步的理论研究，应保证系统持续有效的工作寿命超过30年，无补热的情况下，建议群孔间距不小于50 m。2中深层地源热泵系统研究现状中深层地源热泵技术深度为1 500~3 000 m，浅层地源热泵深度为40~150 m。与浅层地源热泵技术相比，中深层地源热泵技术具有地埋管占地面积大幅减少、利用土壤的温度提高明显等优势。长春市某中深层地源热泵实际工程中，井深2 000 m处的水温可以达到60 ℃左右，其品位远高于浅层地源热泵系统。传统的单一中深层地埋管地源热泵系统虽然具有节能减排的优点，但是在工程实际应用中也遇到了一些技术限制。该系统需要占用一定的场地设置地埋管，在建筑用地通常紧张的北京、上海等城市，场地方面的限制条件影响较大。其次，深度为1 500~3 000 m的中深层地源热泵系统打井费用较高。深度为2 000 m左右的中深层地源热泵，平均每米打井费用高达300万元。目前国内外学者已开展复合地埋管地源热泵系统研究。2.1单一地埋管地源热泵系统针对单一地埋管地源热泵系统研究主要包括换热器结构优化、地埋管换热器换热性能、数值模拟、运行参数设计以及经济性分析等方面。黄帅[1]等基于有限差分法，通过离散求解控制方程建立中深层地埋管换热器与周围岩土的耦合传热模型。研究发现，中深层地源热泵运停比越小，岩土热恢复能力越高，中深层地源热泵的热影响半径越小。Morgan[2]等给出中深层的地埋管换热器与周围岩土多孔介质的热交换数值模型，在此基础上分析岩土的物性参数、换热管材料与系统参数设置带来的影响。Welsch[3]等基于Feflow系统研究中深层地埋管换热器在进口流体温度下的取热速率，发现系统提取的总热量与入口流体温度具有很强的相关性。方亮[4]针对中深层套管式地埋管换热器，通过实验分析地下能量的平衡与自恢复能力分析、循环液平均温度误差、热流量误差及土壤的初始温度误差等影响因素。王德敬[5]等分析和计算钻孔深度、岩土的温度梯度和热物性等关键参数对中深层套管式地埋管换热器取热量的影响，并给出简单易懂可直接查阅的名义取热量估算线图。鲍玲玲[6]等分析管径比、环腔流体流速、回填材料的导热系数以及内管导热系数等参数对中深层套管式地埋管换热器的换热量和出口水温的影响规律。为了对中深层地热能进行更加高效的利用，以满足更多建筑面积的供暖，同时避免复杂的换热结构。一种新型的地埋管换热器可以将深度在1 000~3 000 m的两个竖直钻孔在底部进行水平连接，并在其中布置钢管，形成由3段钻孔组成的U形井地埋管换热器。该换热器与普通套管式换热器的不同之处在于采用单管循环，避免了套管内外管流体之间的逆向换热问题，同时在钻孔底部有一段较长的水平管道，可以有效地增大管内循环液流体与周围高温岩土之间的换热面积，从而提取更多的热量。2016年陕西省煤田地质集团公司完成U型井对接项目，其循环液流动方式采用封闭式单向循环。张育平[7]等、Zhou[8]等在中深层U形井地埋管换热器进水处流体的温度和流速恒定的前提下，实时监测中深层U型井地埋管换热器出口温度，通过分析进出口处流体的温度差异和流速，得到埋管换热强度，并研究不同深度地热井的取热状况，指出深度的增加可以大幅影响换热强度。LI[9]等基于现场实验建立三维数值模型，结合套管内管和外管的换热过程验证该模型的可行性，评价U型地埋管换热器在间歇和连续运行工况下金属管的传热特性。2.2复合地埋管地源热泵系统与浅层地源热泵相比，中深层地源热泵利用的地热温度更高，供热效率进一步提高，可以在单供热的模式下长期运行，运行工况更稳定，占地面积较小。但中深层地源热泵的应用仍存在一些局限性，如打井深度较深时的打井费用较高，初投资费用较高且施工难度较大。为了降低中深层地源热泵系统的初投资，常使用辅助装置作为辅助冷热源，如使用太阳能作为辅助能源。（1）太阳能+地埋管地源热泵。彭冬根[10]等建立太阳能地源热泵联合运行试验台，发现与传统单一地埋管地源热泵相比，太阳能地源热泵的联合应用提高了整个系统的利用率。张宏葛[11]等对太阳能辅助地源热泵系统进行优化配比分析。研究表明，太阳能集热器与地埋管换热器承担负荷比例为4∶6时，系统运行性能系数(COP)最大。为了优化太阳能耦合地源热泵，文献[12]至文献[15]通过数学建模分析与实际工程运行效果分析找到最佳耦合方式。Chen[16]等、赵攀[17]等研究表明，太阳能地源热泵系统联合应用不能满足北方建筑供暖和供热水需求，因此需要热网辅助运行。太阳能地源热泵系统整体性能受到区域性影响和季节影响较大，主要由太阳能资源分布不均导致。这使得太阳能地源热泵系统无法实现规模化量产。（2）热补偿装置+地埋管地源热泵。You[18]等使用热补偿装置和地源热泵系统联合运行，并设置4种运行模式。研究表明，模式3、模式4的运行有利于减少热量的堆积，维持土壤的热平衡。丁金虎[19]等提出并构建一种地源热泵与冰蓄冷协同冷暖系统，确定了协同冷暖系统的供冷策略和供热策略。许国锋[20]等针对哈尔滨地区提出地源热泵与电锅炉的并联系统和互补系统，将这两种系统与常规的单一地源热泵系统提供制冷制热和电锅炉系统仅提供制热进行对比分析。结果表明，并联系统在节能和经济性两方面比互补系统和单一运行系统更具有优越性。甄浩然[21]等提出一种热电冷三联供与地源热泵耦合的综合能源系统，并对该系统进行优化。优化后的耦合系统在满足冷热负荷前提下，不仅为可再生能源上网提供了足够的空间，还节约了大量的运行费用。3中深层地源热泵技术的不足与展望目前中深层地源热泵存在以下问题：中深层地源热泵地埋管换热器的结构有待优化；为了降低中深层地源热泵的初投资需要采用辅助热源，而辅助热源+中深层地源热泵复合系统的匹配问题有待进一步研究；系统运行过程大量介质参与循环导致能耗较高，且复合地源热泵系统控制困难等问题有待进一步研究。未来中深层地源热泵研究中应结合理论研究与工程监测数据，通过模拟计算与实测分析改变换热器结构形式或结构参数，提出新的地埋管换热器；探究辅助热源+中深层地源热泵复合系统的最佳匹配比例。考虑中深层地源热泵运行费用问题，应进行中深层地源热泵复合系统控制策略研究，保证复合系统有效运行和控制。4结语中深层地源热泵技术的发展积极按照《“十四五”可再生能源发展规划》提出的地热能规模化开发要求，对解决我国部分地区的冷热负荷不均匀的问题具有重要意义。未来如何提高单井单位面积的取热能力、热泵系统经济性以及如何有效控制中深层地源热泵复合系统将成为中深层地源热泵的研究方向。