介绍了含水层储能技术、江水源热泵技术、冰源热泵技术、浅层渗滤海水源热泵技术、地源热泵综合能源技术和地热综合梯级利用技术等浅层地热和中深层地热利用创新技术的基本工作原理。通过调研这些技术在长三角地区的应用案例，分析了其技术先进性、经济性以及需要解决的主要问题。

　　长江三角洲地区位于中国长江的下游地区，濒临黄海与东海，区域内河川纵横，湖荡棋布，是中国河网密度最高的区域。长三角的带气候特征使其既有夏天的制冷需求，也有冬天的供暖需求，但冬天供暖强度低于严寒和寒冷地区，夏天的制冷强度又低于夏热冬暖地区。正是由于看似需求并不强烈，中国长久以来并没有将集中供暖系统作为必要市政设施在长三角地区进行投资建设。相对于北方，长三角地区的湿度较大，在相同气温下，冬季体感温度较低，觉得“湿冷”，夏季体感温度较高，觉得“闷热”。所以，随着人民群众生活水平的不断提高，长三角地区对集中供暖和制冷的需求日益强烈。在中国追求尽快实现“碳达峰、碳中和”目标的背景下，长三角地区作为中国经济最发达、环保意识最强、创新水平最高的区域之一，扩大利用清洁的可再生能源为建筑供暖制冷是必然选择。

　　目前，可利用的可再生能源主要有风能、太阳能、水能、生物质能、海洋能、地热能等非化石能源。其中，风能、水能、生物质能、海洋能主要用于发电，而直接用于供暖或制冷的一般以太阳能、地热能为主。相对于太阳能天然的不稳定性，地热能依靠其庞大的地下热储可以实现在一定条件下的热能稳定输出，其稳定性使得地热利用设备工作效率和投资回报都可以得到保证。另外，地热空调设备一般只有热传递或冷热转换过程，其能量转化效率远大于新能源发电装置。中国的地热直接利用规模早已居世界首位，称得上世界地热利用大国。2020年，全国地热供暖面积大致在14亿m2，其中水热型中深层供暖面积为5.8亿m2、浅层供暖面积为8.2亿m2。按相关规划，到2035年，地热供暖（制冷）面积将达到42亿m2。虽然中国地热供暖规模庞大，但大多数集中于北方地区，处于东南部的长三角地区最近几年才开始加大地热利用的推广力度。尽管起步较晚，但在技术上长三角地区却有后发优势，目前中国在地热开发上的创新技术大多在该地区首先得到推广应用。

　　地下储能分为含水层储能（ATES）和钻孔式储能（BTES）。前者主要是利用地下水作为储热媒介，而后者主要是利用土壤作为储热媒介。因为水的热容量远大于土壤，所以ATES单位储热量的成本最低，最有经济性。与已广泛推广应用的BTES技术相比，中国的ATES技术刚刚才开始起步，目前全国只有不超过10个应用案例。长三角地区是中国地下水资源最为丰富的地域之一，具有实施含水层储能技术的天然优势。

　　含水层常指土壤通气层以下的饱和层，其介质孔隙完全充满水分。根据距离地表深度不同，处于近地表含水层为潜水含水层，处于地下深处含水层为承压含水层。承压含水层的水温几乎不受外界因素的影响，是一个恒温带，具有较好的储能效果。因此，含水层储能主要是指承压含水层的蓄冷蓄热。含水层储能的原理如图1所示。在供暖季，从“热井”抽出高温地下水经过热泵蒸发器，被热泵工质吸取热量后温度降低，并回灌至“冷井”。在整个供暖季，“热井”周边的热水体由大变小，而“冷井”周边的冷水体由小变大。而到了空调季，从“冷井”抽出冷的地下水（供暖季回灌至“冷井”的冷水），经过换热器或制冷机组向建筑供冷，释放冷量（吸热）后的地下水升温并回灌至“热井”。在空调季，“冷井”周边的冷水体由大变小，而“热井”周边的热水体由小变大。全年来看，含水层的地下水放热、吸热过程周而复始，实现了“冬冷夏用”“夏热冬用”的跨季节储能。地下储能的冷热水体温度场变化情况如图2所示。

　　含水层储能技术起步于中国。1966年，上海就已经通过回灌来进行地下水位下降的控制和改善，134口井同时回灌使地下水位升高10m。欧洲最先开始大规模应用实施含水层储能，其中荷兰是推广得最为成功的国家。近几十年来，该技术已经应用到荷兰的农业、房地产开发、公共建筑等诸多领域。最近几年，含水层储能技术在中国再次得到重视。据不完全统计，2013—2022年，该技术已成功地应用于上海、襄阳、西安、涿州、南通等5个城市的12个工程项目中。2013年，在上海的国家设施农业工程技术研究中心崇明农业示范基地开展了含水层储能技术的实施。该项目是国内首个将含水层储能技术国产化的成功案例，并且在荷兰含水层储能实施经验基础上有了新的技术突破，为该技术在国内的推广提供了理论和实践依据。该项目整个系统包括含水层储能系统（热水井和冷水井配对使用）、地下水换热系统（高效板式换热器）、热泵机组、末端系统（温室加热管道和空气处理机组）和蓄能系统（蓄热罐和蓄冷罐配对使用）。蓄冷罐温度为热泵机组蒸发端运行温度，蓄热罐温度为热泵机组冷凝端运行温度。含水层储能热泵系统可连续满负荷运行，功率不因温室冷热负荷的变化而变化，能效系数（COP）可维持在4.5左右。上海第二含水层地下水初始温度为20℃，通过提取热水井的热量，将蓄冷罐中5℃的冷水加热到16℃。通过一个冬季的运行，冷水井温度可从19℃降为10℃。夏季则相反，在取用冷水的同时，热水被回灌到热水井中，使热水井温度达到23℃。夏季可直接取用10℃冷水进行温室降温，冬季因热水温度提高而提高了热泵效率，并通过变频技术节约运行电耗成本，系统实景如图3所示。

　　该系统在2014年上半年进行了运行测试。2014年1月23日至5月21日，热泵机组产热量573218kWh，制冷量442438kWh，加热工况COP平均为4.25，制冷工况COP平均为3.28。热水井抽水流量为80m3/h，共抽水24850.8m3，100%实现回灌。抽水温度在20℃左右，回灌温度在7℃左右。整个热泵系统（含各种泵）共用电146055kWh，按综合电价0.633元/kWh计算，电费总计92453元。该储能系统的能源成本分别为燃煤、燃气、燃油的94%、38%和25%。

　　为了防止地面沉降和减少地下水资源浪费，地下水完全回灌是含水层储能技术应用的前提条件。这需要在工程地质方面有先进合理的技术保障。例如，同层抽灌可以防止浅层地下水的污染向深层扩散。对于采用多层含水层的同井抽灌系统，一定要进行严格的水文化学分析。在地下水全面回灌和系统密封情况下，地面污染物难以侵入地下，而且地下水处于厌氧状态，当地下水回灌温度低于25℃时，对地质环境的影响是轻微的。高温含水层储能对提高供热能效具有重要意义。

　　近年来，中国科学院地质与地球物理研究所庞忠和团队在深层含水层地下储热技术研究方面取得了重大进展，已从理论模型研究进入到技术研发阶段。目前，该团队利用雄安新区容城县领秀城供热站地热井，已完成不同储热、供暖运行模式的长、短周期现场试验。实验结果显示，该井的储热效率＞80%，可为28万m2民用建筑提供100%可再生能源供暖。

　　江水源热泵是一种利用江水为冷热源的地表水源热泵形式。 与空气温度相比，江水温度一年四季的波动不大，相对稳定。夏季时，江水温度低于空气温度，而冬季时江水温度则高于空气温度。因此，利用江水作为冷热源的热泵可以在夏季制冷、冬季供暖时获得较高的能效比。江水源热泵工艺流程如图4所示。取水口在上游放置，排水口在下游放置，两者间隔尽量长的距离，并有一定深度差。 经过一定的水处理后，取水泵站将江水引入热泵机组。在夏天空调季时，江水与热泵冷凝器换热，带走热量后升温，并通过排水口排入江河。在冬天供 暖季时，江水与热泵蒸发器换热，输出热量后降温并排出。中国长江中下游地区江水资源丰富，沿江城市经济发达，空调负荷大、增长速度快，推广江水源热泵潜力巨大。

　　由于江水源热泵在长江流域越来越受重视，近年来，沿江城市建设了很多江水源热泵项目，其中，比较有代表性的是南京鼓楼高新技术产业园区区域供冷供热项目。该项目规划服务南京鼓楼高新技术产业园区面积为8.75km2，可为1500万m2建筑提供空调与供暖，计划共建设7座能源站和1座江水取水泵站。项目全部建成后，其经济社会效益显著。

　　目前，项目6号能源站和7号能源站一期工程已经投运，新区市民中心、服贸大厦2处已率先使用江水源热泵。6号能源站为地下结构，地下一层，局部夹层，占地面积约5830m2，总建筑面积约7200m2，最大供冷能力122MW。数据统计显示，采用江水源热泵的新区市民中心，从2020年开始使用至2022年6月底，比常规空调节约用电量58.8万kWh，累计节约标煤455t，减少二氧化碳排放1376t，新区市民中心已经成为南京应用可再生能源的绿色建筑典范工程。

　　在环保方面，因为江水在该水域流量较大，空调排热量可以被大量江水迅速带走，对江水温度的影响很小。而且江水源热泵一般都深取浅排，鱼类的自由游动使其对温排水造成的羽状热流有很强的回避能力，因此江水源热泵导致的有限温升对水生生态环境的影响可以忽略。

　　与其他以水为冷热源的热泵相比，江水源热泵具有水源热泵的一般特征，其技术难点同样在于水温、水质、水量以及运行管理上。因此，建设江水源热泵工程首先要满足以下3个前提条件：（1）获得江（河）水务管理部门的用水、排水许可；（2）设计和建造专用的取水排水设施（实施江水源热泵一般使用开式系统）；（3）水处理代价及环境影响在可接受范围内。

　　冰源热泵系统是以水的凝固热为主要低温热源的热泵系统。具体来说，它是利用过冷水技术使部分低温水源水在冰水混合制备蒸发器中结冰，提取过冷水结冰的相变潜热作为热泵热源。冰源热泵主要分为冰水侧循环、低温工质循环和供热水循环。主要设备及部件包括：过滤设备、冰水侧循环泵、换热器、水槽、冰水分离设备、冰源热泵机组、工质循环泵、热水侧循环泵、冷却塔、室内末端等。其基本工作原理是：由热泵机组蒸发器制出的-3℃左右的低温工质（如乙二醇溶液）与0℃的水在换热器中换热，0℃的水失去热量成为-2℃的过冷水。非稳态的过冷水进入水槽释冷结冰，变成冰水混合物，也称为冰浆。冰浆在冰水分离器中完成冰水分离，水再次进入换热器循环，冰被排放。因此，水的相变潜热通过水槽和换热器传递给了热泵工。