超低温区域供热网络中地热能利用的可行性分析：地下隧道内热分布的影响

《Regional Studies in Marine Science》：Feasibility Analysis of Geothermal Energy Utilization in Ultra-Low Temperature District Heating Networks: Effect of Heat Distribution in Underground Tunnels

　　Sylvester Ofili|Hossein Alimohammadi|Igor Krupenski|Mohammad Sameti|Zili Li|Sreenath Sukumaran|Kertu Lepiksar|Aleksandr Ledvanov|Anna Volkova
塔林理工大学，能源技术系，塔林，Ehitajate tee 5，12616，爱沙尼亚

**摘要**
将地源热泵集成到超低温区域供暖网络中是实现城市供热脱碳和缓解传统高温区域供暖系统缺点的一个有前景的途径。然而，这种系统的可行性取决于与运行条件、需求特性和热分布相关的多个技术因素。本研究在现实的边界条件下，评估了以地热热泵为基础的超低温区域供暖系统的技术可行性和年性能。该系统包括一个地源热泵，它连接到一个由135个深度为200米的钻孔组成的钻孔场，为一个峰值需求为5.2 MW的区域供暖网络提供服务。使用MATLAB/Simulink实现的系统级建模框架，并结合Leanheat?网络模拟得出的区域供暖边界条件，来评估部分峰值负荷覆盖策略、地热钻孔场的行为以及网络温度水平和分布环境（包括基于隧道的管道布置）对系统性能的影响。结果表明，一个能够覆盖部分峰值负荷的热泵可以提供大约69%的年热需求，同时实现3.82的季节性能系数。钻孔场的运行在整个年度周期内都是热上可行的，且在钻孔出口处未观察到冻结现象。比较分析显示，将网络温度提高到60/40°C可以在保持相似需求覆盖率的同时，由于热泵效率降低而显著增加电力消耗。此外，通过地下隧道环境铺设区域供暖管道可以将年度分配热损失减少约183 MWh，而不会显著影响热泵的性能或水力行为。敏感性检查表明，隧道环境部分抵消了管道保温降低所导致的分销热损失增加的影响。

**1. 引言**
供暖和制冷是欧洲及其他许多地区能源和碳排放最高的行业[1]，约占欧盟总最终能源消耗的40%[2]。随着各国追求雄心勃勃的气候目标和碳中和目标，供热系统的脱碳已成为一个核心挑战，推动着供暖和制冷的生产和分配方式的变化[3]。为应对这一挑战，越来越多地考虑使用储能技术和可再生能源来提高系统灵活性并减少排放[4][5]。在这一转变过程中，区域供暖（DH）系统在为建筑物提供热量方面发挥着重要作用，尤其是在城市环境中[6]。例如，在波罗的海国家（爱沙尼亚、拉脱维亚和立陶宛），大约64%的住宅供暖来自区域供暖[7]。然而，传统的DH系统通常依赖化石燃料作为热源，并且在高于90°C的供电温度下运行，这导致了高热损失、与需要较低供暖负荷的现代节能建筑的兼容性有限[8]、难以利用可再生和低能量的热源，以及依赖于集中式基础设施，从而限制了其灵活性[3]。在这种情况下，超低温区域供暖（ULTDH，通常以低于50°C的供电温度为特征）作为一种解决方案应运而生，旨在解决这些效率问题，并支持向更可持续、灵活和低碳的供暖系统的过渡[9]。

浅层地热能被广泛用作ULTDH系统的低能量热源，因为它是一种普遍存在、相对稳定且环保的热源，可以从地面、地下结构（如隧道[10]）和其他地下环境中利用地源热泵（GSHP）系统提取，并可应用于各种场合，包括住宅区、混合用途开发和改造项目[11]。尽管对浅层地热ULTDH的兴趣日益增长，但其集成仍面临一些技术挑战，尤其是与网络内的热分布相关的问题。在超低温下分配地热能需要更高的质量流量以满足供暖需求，这导致了比传统区域供暖系统更高的压力损失和泵送要求[12]。此外，网络内的流量变化也会影响热泵的运行。根据网络运行温度和终端使用需求，可能还需要进行额外的温度提升，这可能会增加电力消耗并影响整体系统性能[13]。由于这些复杂性，许多研究集中在系统设计、运行和控制策略的高级优化上。例如，Quirosa等人[14]提出了一种将同轴钻孔换热器集成到超低温区域供暖和制冷网络中的方法，并通过西班牙南部的案例研究证明，所提出的系统显著减少了排放和运行成本，同时提高了性能。Yand和Svensen[9]对低热密度地区的超低温区域供暖系统进行了能量、能量效率和经济损失优化，结合了中央热泵和本地增压器，并将其性能与低温和中等温度区域供暖配置进行了比较。为了应对使用建筑级增压器制备生活热水所带来的经济效益低下问题，Topal和Arabkoohsar[15]提出了一种ULTDH配置，采用 neighborhood规模的水源增压器和三管分配网络，并通过案例研究证明了改进的技术经济性能。Yang等人[16]通过比较不同变电站配置下制备生活热水的相对热能和电力需求，展示了变电站设计和补充供暖策略对ULTDH系统能源使用的影响。

将能源地热结构与ULTDH系统集成在提高运行性能方面可以发挥重要作用。例如，在区域供暖的背景下，隧道得到了越来越多的研究，如都灵隧道[17]、伦敦地铁（LU）运输网络及其周围的地层[18]、大巴黎快线[20]、深圳地铁隧道[21]和布伦纳基线隧道[22]。Chicherin等人[23]估计，比利时的地下汽车/铁路隧道每年具有高达2.9 GWh的热回收潜力。Dai等人[24]描述了根据地温和流体入口温度，能源隧道的热输出可以从5到6 W/m2变化。Csesznák等人[25]基于一份详细描述动物园建筑供暖和制冷系统设计与开发的报告（使用长约1公里的道路隧道），表明从现有隧道中提取热量对环境的影响最小。根据ARUP技术报告，600米长的能源隧道的热交换率与35个100米长钻孔场的热交换率相当[26]。Barla和Insana对未来都灵地铁线路进行了可行性研究，并报告在意大利地理条件下热产出在400到1200 W/m之间[27]。由于隧道内的空气温度高于周围土壤温度[29]，隧道也为DH管道布置提供了潜在的途径。这种布置可以减少分配管道的热损失，从而可能提高浅层地热ULTDH网络的效率。大多数现有研究集中在能源隧道上，其中隧道内壁配备了换热器，并直接用作地热能源或散热器[30]。相比之下，隧道作为地热热分配途径的作用受到了非常有限的关注。有一项现有研究考察了通过隧道铺设的区域供暖管道，但其范围仅限于隧道内壁的结构和耐久性考虑，未涉及与热分布相关的能源方面[31]。因此，通过隧道在ULTDH中分配浅层地热能的能源相关影响尚未得到充分探索。

在本研究中，重点利用真实的区域供暖需求和温度数据，对在ULTDH网络中使用浅层地热能的能源和运行可行性进行了评估。采用基于场景的建模和仿真框架来评估不同运行条件和网络温度情况下的地热热分布。此外，该研究还比较了利用隧道作为分配网络与传统地下埋设管道网络的性能。

本文的其余部分组织如下：第2节描述了集成系统配置、建模框架和设计方法。第3节介绍了案例研究和区域供暖网络边界条件。第4节定义了控制方程和关键性能指标。第5节展示了仿真结果及其解释。最后，第6节总结了主要发现，并概述了将地源热泵集成到超低温区域供暖系统中的影响。

**2. 系统描述和设计方法**
本研究采用的方法框架如图1所示。该方法基于为真实世界案例研究设计和确定地源热泵（GSHP）和地热钻孔场的尺寸。通过考虑四种不同的系统配置来分析所提出系统的性能，包括基于隧道的分配网络。

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**图1. GSHP–ULTDH系统设计、建模和性能评估的方法框架**

**2.1. GSHP-ULTDH系统配置**
所研究的系统包括一个与ULTDH网络耦合的地源热泵，该网络的峰值需求为5.2 MW，年热需求约为15 GWh。热量由一个包含135个深度为200米的钻孔的浅层地热钻孔场提供。系统由四个主要子系统组成：区域供暖网络、热泵单元、地热钻孔场和辅助地热平衡机制。热泵从地热钻孔场提取热能并将其输送到区域供暖网络。区域供暖需求和运行条件作为从DH网络模型模拟得到的外源性边界条件施加。地热回路将钻孔场与热泵蒸发器连接起来，而冷凝器侧则以规定的ULTDH温度水平向区域供暖系统供热。地热回路的质量流量受到控制，以维持钻孔场内的预定温差。一个比例-积分控制器根据与参考温差的偏差调整质量流量，受预定义的最小和最大流量限制的约束。辅助热源和详细的网络水力不在建模范围内。

**2.2. 热泵尺寸和运行**
热泵的尺寸被有意设计为仅覆盖部分峰值区域供暖需求。这反映了实际的设计方法，其中可再生热源被优化用于基本和中等负荷，而辅助系统用于满足短时峰值需求。名义热泵容量如公式（1）所定义：
\[Q_p = k \cdot \frac{Q_{peak}}{1 - \eta} \cdot N_A \cdot \frac{D^2 \cdot \alpha}{L} \cdot A}\]
其中 \(Q_p\) 表示从Leanheat?数据[32]提取的峰值区域供暖需求，\(k\) 是选定的峰值覆盖比例。热泵性能使用基于温度的Carnot公式进行建模，允许性能系数在模拟过程中随热源和散热器温度变化。热泵在遵循负荷的模式下运行，受到其名义容量限制的约束。当区域供暖需求超过 \(Q_p\) 时，热泵输出会被限制。剩余需求假定由辅助热源满足，这超出了本研究的范围。辅助热源假定在现实运行条件下提供所需的峰值负荷容量。

**2.3. 热边界条件**
埋设区域供暖管道的地温数据来自爱沙尼亚气象服务数据，使用月平均值表示，范围为3至15°C。这些温度对应于典型的区域供暖管道安装深度，大约在地面以下1–2米。基于都柏林一个地下隧道的测量数据获得了基于隧道铺设的管道的空气温度，2023年全年记录的每小时空气温度范围为15至18°C。隧道位于地面以下大约21–23米处，由两个各长约4.5公里、直径11.7米的管道组成。隧道内的通风由多个喷射风扇提供，这些风扇产生纵向气流。所使用的数据对应于距离隧道入口最远的内侧传感器，那里的通风效果最小，空气温度相对稳定，基本上不受室外空气或当地气候条件的影响。这些温度被用作相应管道环境的外部热边界条件，而管道几何形状和网络布局在所有案例中保持一致。地热钻孔场设计
地热源被建模为一个由135个平行钻孔组成的垂直钻孔场，每个钻孔的深度为200米。本研究中的钻孔场规模是根据年度热需求覆盖范围、季节性负荷变化以及每单位钻孔长度的设计特定热提取率来确定的。该地热系统旨在满足ULTDH网络的基本负荷，而峰值负荷则由辅助热源提供。通过在整个供暖期间的动态模拟，明确捕捉了热需求的季节性变化和地面热响应。因此，确定了钻孔场深度和钻孔数量，以确保可持续的长期热提取。所采用的规模确定方法基于简化的GSHP设计方法，使用特定的热提取率，这通常应用于系统可行性评估中。名义上的地热热提取量通过公式（2）估算，其中是热泵的名义性能系数。然后使用公式（3）计算所需的总钻孔长度，其中是目标特定提取率。钻孔数量是根据所需总钻孔长度和固定的钻孔深度来确定的。

2.5. 钻孔场热模型
钻孔场的热行为使用一个集总参数模型来表示，该模型考虑了地热流体、钻孔壁和周围地面之间的热传递。该模型包括一个有效热阻和热容量，以捕捉季节性地温动态。忽略了地下水流的影响，并假设热传递主要是传导性的。虽然在某些地质条件下地下水流可能会影响钻孔场的性能，但目前的系统级可行性分析集中在一阶热行为上。

2.6. 场景开发
本研究考虑了四种区域供热配置。参考配置是一个以35/20°C运行的ULTDH系统，使用传统的地下埋设分配管道。将其作为基准案例，分析了三种额外的配置：（i）一个以35/20°C运行的ULTDH系统，采用基于隧道的分配方式，其中区域供热管道穿过地下隧道环境；（ii）一个以60/40°C运行的低温区域供热（LTDH）系统，使用地下埋设分配管道；以及（iii）一个以60/40°C运行的LTDH系统，也采用基于隧道的分配管道。所有四种情景都使用了II级管道保温材料。图2展示了基于隧道的分配配置（案例i）的示意图，说明了地热钻孔场、中央热泵、基于隧道的分配网络以及连接建筑物的集成。

3. 案例研究和数据收集
3.1. 区域供热网络和运行条件
本案例研究代表了一个在超低温度区域供热模式下运行的城市区域供热（DH）网络。该网络在名义供应温度为35°C、返回温度为20°C的条件下运行。热需求表现出明显的季节性和短期变化，冬季峰值负荷达到5.2兆瓦，而夏季运行时需求显著降低。

3.2. 网络模型边界条件
区域供热网络是使用Leanheat? Network软件环境建模的[32]。高分辨率边界条件是通过网络模拟得出的，提供了网络级别的热需求、供应温度和质量流量的时间序列数据。这些时间序列数据被用作GSHP-DH系统模型的外生输入。网络模拟采用准稳态水力和热力建模方法进行。对于每种运行模式，计算了质量流量，以满足规定的热需求，同时保持ULTDH（35/20°C）和LTDH（60/40°C）运行下的预定供应和返回温度水平。所有调查情景中的区域供热需求曲线保持一致。根据网络压力损失计算了水力损失和循环泵的电能消耗，假设所有情景下的泵效率恒定。分配热损失是根据管道表面与周围环境之间的温差计算的。由于DH管道的热损失取决于其周围环境的热特性，因此考虑了两种管道安装环境：地下埋设管道和隧道内安装的管道。对于地下埋设管道，使用土壤温度作为环境参考；对于隧道内安装的管道，则使用隧道空气温度。分析了两种保温等级（I级和II级），以评估管道保温对分配损失的影响。与土壤相比，隧道构成了一个不同的热环境，具有不同的温度动态、气流模式、湿度水平和热传递机制[28]。模拟进行了全年周期，时间分辨率为每小时一次，捕捉了热需求、环境条件和网络运行参数的季节性变化。得到的质量流量、供应和返回温度、分配热损失以及泵送电能消耗的时间序列数据被汇总，以获得每个调查网络配置的年度性能指标。以下边界条件时间序列数据被提取并用作GSHP-DH系统模型的外部输入：
- 区域供热热负荷，
- 区域供热供应温度，
- 区域供热质量流量。
所有时间序列数据都以15分钟的时间分辨率提供，并覆盖整个年度周期。这些边界条件被视为外生输入，不受地热热泵系统运行的影响，确保了需求侧行为和供应侧可行性评估之间的明确分离。

图3展示了用于驱动GSHP-DH系统的区域供热边界条件，这些条件是从区域供热网络模型时间序列数据中提取的。

3.3. 能源需求特征
模型数据集表示的年度区域供热总需求约为15吉瓦时。需求曲线在供暖季节以空间供热负荷为主，夏季需求相对较低。高峰值负荷与平均负荷比率以及频繁的短期波动对地热热泵系统的运行稳定性和灵活性提出了严峻挑战。DH网络内的分配热损失使用基于网络模型输出校准的有效分析损失模型来表示。虽然在这个阶段忽略了动态热存储效应和过渡延迟，但采用的表示方法捕捉了网络损失对整体能量平衡的主要贡献，并与报告的保温良好的ULTDH系统的典型性能水平一致。

3.4. 案例研究的范围和作用
图4展示了网络建模中考虑的网络拓扑结构、消费者分布和连接点。该网络包括住宅建筑（公寓楼和单间公寓）、办公楼和商业用户，总峰值需求为5.2兆瓦。

图5展示了所研究区域供热网络中按消费者类型划分的峰值热需求分布。在本研究中，单间公寓指的是独立的小型住宅建筑，而公寓楼则表示在建筑层面汇总热需求的多单元住宅建筑。报告的值代表了案例研究区域内每个消费者类别内所有建筑的汇总峰值热需求。住宅建筑主导了峰值热负荷，这是寒冷气候地区典型区域供热系统的特征。

4. 控制方程和性能指标
4.1. 耦合热泵模型
地源热泵（GSHP）被建模为区域供热回水环路和地热源环路之间的热力学耦合元件。在区域供热侧，冷凝器提供的有用热量根据施加的区域供热边界条件确定，公式为（4），其中是区域供热质量流量，和分别是供应和返回温度，是水的比热容量。在本研究中，这些区域供热参数是从Leanheat为基础的网络模拟中获得的，并被视为外生边界条件。热泵满足瞬时稳态能量平衡（5），其中是来自地热环路的蒸发器吸收的热功率，是压缩机的电能。瞬时性能系数定义为（6）。为了捕捉温度升高的影响，COP使用卡诺尺度公式表示（7），其中是有效热泵效率因子，是有效冷凝器温度，是有效蒸发器温度。冷凝器和蒸发器温度分别从回水侧和源侧流体温度近似得到（8）（9），其中和是表示有限热交换器温度差的集总温度项。公式（7）、（8）、（9）明确了区域供热温度水平和热泵效率之间的相互作用：提高区域供热供应温度会增加温度升高并降低可实现的COP。

4.2. 地热源侧模型
在蒸发器侧，从地热环路提取的热功率为（10），其中是地热回路的质量流量，是循环盐水的比热容量，是进入蒸发器的钻孔出口温度，是从蒸发器返回钻孔的流体温度。地热回路的质量流量被调节以维持钻孔内的预定温差（11），受最小和最大流量限制的约束。这种控制策略确保了源侧的稳定运行，同时允许热提取率跟随区域供热系统施加的冷凝器侧需求。

4.3. 钻孔场热响应和设计约束
遵循标准GSHP设计逻辑，钻孔场的特征是其总有效钻孔长度（12），其中是钻孔数量，是每个钻孔的深度。在设计条件下的名义地热提取量从热泵平衡中获得（13），从而得到设计钻孔长度要求（14），其中是每单位钻孔长度的目标特定热提取率。钻孔场热响应使用集总热阻公式表示，其中平均流体温度与地面温度和提取负荷之间的关系为（15），其中是代表性地面温度，是每单位钻孔长度的热提取率，是考虑钻孔和近地面热阻的有效热阻。为了评估源侧的可行性，评估了峰值特定提取率（16），并在全年周期内检查了进入和离开流体的最低和最高温度。这些量是确定钻孔场是否保持在可接受运行范围内的标准指标。在每个模拟时间步长，区域供热边界条件、和决定了通过公式（4）所需的冷凝器侧热传递量。然后热泵模型使用公式（5）、（6）、（7）、（8）、（9）、（10）计算相应的电能消耗和地热热提取量。钻孔场模型更新了源侧流体温度，这反过来又影响温度升高，从而影响瞬时COP。通过这种方式，区域供热网络、热泵和地热钻孔在整个年度模拟过程中是热力学耦合的。

4.4. 年度能量量
通过时间积分方程（17）中定义的相应功率信号，评估年度能量量：（17），其中表示感兴趣的瞬时功率，是模拟时间步长。评估以下年度能量量：
- 热泵提供的有用热量，
- 热泵电能消耗，
- 区域供热总需求，
- 区域供热分配损失。

4.5. 性能指标
[33]
为了评估系统级性能和可行性，定义了几个关键性能指标（KPI）。GSHP的季节性能因子（SPF）定义为公式（18）（18）。使用公式（19）计算年度区域供热需求的满足比例（19）。为了评估地热资源利用的强度，使用公式（20）评估峰值特定热提取率（20），其中是钻孔数量，是每个钻孔的深度。这些指标为评估GSHP整合到超低温度区域供热系统中的能量效率、需求覆盖率和热可行性提供了简洁且物理上有意义的基础。集成的GSHP-DH系统在一个模块化动态仿真框架中实现，并使用固定的15分钟时间步长进行了全年周期的评估。所有子系统模型在每个时间步内依次执行，实现了热过程、水力过程和控制过程的时间分辨耦合。模拟是在MATLAB/Simulink中实现的，所得到的性能指标在文献[9]中报告的类似超低温区域供热系统的范围内。模拟中使用的关键模型参数和输入数据总结在表1中。

表1. GSHP–ULTDH系统模拟中使用的模型参数和输入数据

| 符号 | 描述 | 单位 |
|-------------------|------------------------|----------------|
| 地孔深度 | 200m | |
| 地孔数量 | 设定/计算 | |
| 总钻孔长度 | 计算得出，单位：m |
| 每单位长度的地孔热阻 | 0.09 | |
| 有效地面热导率 | 2.7 | |
| 地面体积热容量 | | |
| 未扰动地面温度 | 10 | |
| 额定热泵热容量 | W | |
| 额定性能系数（COP） | 4.0 | |
| COP范围 | 2.0, 6.0 | |
| 地热回路温度下降设定点 | 3K | |
| 最小地热质量流量 | 2.0 | |
| 管道热损失模型（土壤/隧道）的环境温度 | | |
| 气候/隧道数据 | 5 | |

## 5. 结果与讨论
首先展示了参考ULTDH配置的结果，以证明GSHP集成的技术可行性，随后分析了分布环境和网络温度水平的变化如何影响可行性边际。

### 5.1. 地孔场热可行性与稳定性
图6显示了地热孔入口和出口温度随时间的变化情况以及代表性的地面温度。在高热量提取期间，由于盐水的操作，孔入口温度会降至0°C以下，而孔出口和地面温度在整个模拟期间保持在冰点以上。这表明地孔场操作在热上是可行的，孔壁和周围地面不会发生冻结，如图6所示。

### 5.2. 地热回路控制与运行稳定性
图7（a）和（b）分别展示了地热质量流量和相应的孔场温度差。质量流量在预定义的范围内调节，以维持目标地热温差。温差在整个年度周期内紧密跟随参考值，表明即使在区域供热需求变化的情况下，地热回路也能稳定且可控地运行。

### 5.3. 热泵性能与电力需求
图8展示了热泵的热性能和电力性能。所提供的热功率随着区域供热需求的变化而变化，在高峰需求期间接近满负荷运行。性能系数（COP）表现出季节性变化，受方程（7）的控制，在温度提升较小的时期COP值较高。总体而言，热泵在整个年度模拟期间运行在合理的COP范围内，并保持稳定的性能。

### 5.4. 需求覆盖与年度能量平衡
图9将区域供热需求与地热热泵提供的热输出进行了比较。虽然热泵的规模仅覆盖了峰值需求的一部分，但它满足了年度能量需求的相当大比例。在高峰负荷期间，剩余需求假设由当前模型范围之外的辅助热源满足。两条曲线下面积的比率（代表总年度能量需求和热泵提供的能量）为0.69，表明热泵满足了总年度能量需求的69%。

### 5.5. LTDH系统在60/40°C下的性能
为了将ULTDH的结果放在背景下，分析了一个在60/40°C下运行的LTDH系统。考虑了两种分布配置：埋在地下的管道和埋在隧道中的管道。提高网络温度水平会显著增加热泵冷凝器的温度提升，从而导致热泵效率降低，如方程（7）所述。在LTDH运行下，季节性能系数从3.82降至2.36，而年度电力消耗从大约2.7 GWh增加到4.5 GWh（表2）。尽管更高的供回温度差减少了所需的质量流量，但这种水力优势并不能抵消因较高运行温度带来的效率损失。将LTDH分布管道通过隧道可以减少年度分布热损失，从大约1120 MWh减少到950 MWh，相当于提供的热量减少了7.0%到6.0%（图11和12）。然而，这种减少幅度有限，并没有显著提高LTDH系统的整体能量性能。

### 5.6. 隧道分布对系统性能的影响
评估了将ULTDH分布管道通过地下隧道环境与基础配置（埋在地下的管道）相比的影响。隧道与土壤相比代表了不同的热环境，其特征是环境温度更高且更稳定[29]，这会影响分布网络上的热损失。通过隔离分布环境同时保持其他系统参数不变，以下结果量化了隧道路由如何影响系统级性能和地热热泵集成的能量可行性。

#### 5.6.1. 分布损失
将区域供热管道通过隧道环境路由可以将年度分布热损失从基础配置的543 MWh减少到358 MWh，相当于提供的热量减少了3.5%到2.3%（图11和12）。热损失的减少主要归因于管道表面与周围隧道空气之间的平均温差较小，与埋在土壤中的管道相比。这种差异在冬季最为明显，因为此时土壤温度达到最低值，而隧道空气温度相对稳定。作为敏感性检查，还使用了较低管道保温水平（保温等级I）的ULTDH隧道配置进行了评估。在这种情况下，年度分布热损失增加到433 MWh，相当于提供的热量的2.8%。尽管有所增加，但损失仍低于埋在地下的ULTDH配置（3.5%），表明隧道环境部分抵消了管道保温降低的影响。

#### 5.6.2. 热泵性能
分布损失的减少提高了实际传递给建筑物的地热热量比例，并略微降低了满足相同区域供热需求所需的系统级热产生。然而，对热泵性能的影响仍然很小。COP在基于隧道的配置和基础配置之间没有系统性的变化，两种情况下的季节性能系数大致相同，约为3.82（见表2）。隧道配置仍然导致年度热泵电力消耗略有减少（从2715 MWh/年减少到2702 MWh/年），这归因于分布损失的减少。

#### 5.6.3. 质量流量与水力影响
表2显示了分析配置中区域供热质量流量与网络循环泵年度电力消耗之间的关系。如预期的那样，较低的网络温度运行需要相对较高的质量流量，这反过来增加了循环泵的电力消耗。然而，泵送能量的增加与整个系统的电力消耗相比仍然较小，并没有抵消ULTDH的效率优势。埋在地下的和埋在隧道中的ULTDH配置的质量流量和循环泵电力消耗是相同的，表明通过隧道路由分布管道不影响水力要求或泵送能量需求。

#### 5.6.4. 年度能量平衡与服务比例
基于隧道的ULTDH配置的年度有用热输出为10,333 MWh，而基础配置为10,370 MWh，尽管热泵提供的总有用热量略有减少，但这反映了减少补偿分布损失的需求，而不是热泵运行的限制。因此，当分布管道通过隧道环境路由时，GSHP的部分峰值覆盖在经济上更具吸引力，因为更多的地热热量保留在网络中并传递给最终用户。

### 5.7. 设计影响与限制
结果表明，将地热热泵的规模设置为仅覆盖峰值区域供热需求的一部分可以实现高年度能量覆盖和高效运行。这种部分峰值覆盖策略能够在保持热泵高利用率的同时显著减小地孔场的规模和资本投资。结果还表明，通过隧道路由分布管道可以通过减少分布热损失来提高系统的可行性边际，而无需改变热泵的规模、控制策略或水力设计。

### 6. 结论
本研究评估了将地源热泵（GSHP）集成到超低温区域供热（ULTDH）系统中的可行性。它是基于从区域供热网络模拟中得出的实际边界条件。应用了系统级建模框架来评估年度能量性能、需求覆盖、电力消耗、分布热损失和在高度可变运行条件下的地热孔场热约束。结果表明，一个仅覆盖峰值区域供热需求一部分规模的热泵可以满足年度热量需求的相当大比例。在研究的案例中，大约69%（10.33 GWh）的年度区域供热能量需求得到了满足，同时保持了3.8的季节性能系数，这代表了高效的大规模GSHP运行。这证实了在区域供暖系统中，部分覆盖高峰热需求是一种有效且实用的地热集成设计策略。通过对温度变化的模拟，证实了该地热钻孔场的热可行性。尽管在热提取高峰期间入口温度会降至零下，但钻孔出口和地面的温度在整个年度周期内都保持在冰点以上，表明其具有热可持续性。ULTDH系统较低的供回水温度（35/20°C）通过最小化温差，显著提高了热泵的性能。与运行温度为60/40°C的低温区域供暖系统相比，低网络温度水平的重要性更加明显。虽然高温系统能略微增加需求覆盖范围，但这种优势是以高达4485 MWh的电力消耗和较低的热泵效率（COP为2.36）为代价的，这表明ULTDH是最大化可再生能源利用更为有利的工作模式。将ULTDH分配管道铺设在地下隧道环境中，通过每年减少约183 MWh的热量损失进一步提高了可行性，同时不会对热泵性能、水力特性或钻孔场运行产生显著影响。这表明，在具备此类基础设施的情况下，基于隧道的分配方式能够增强系统的稳健性。总体而言，研究结果表明，将地源热泵（GSHP）集成到ULTDH网络中是实现低碳区域供暖的一条技术可行且能源高效的选择。所提出的框架通过量化热泵容量、钻孔场规模、网络温度水平和分配环境之间的权衡，为系统设计早期阶段提供了实用指导。未来的工作可以扩展分析范围，包括多年运行情况和经济评估，以进一步支持部署决策。

作者贡献声明：
Sreenath Sukumaran：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、方法论、概念构思
Zili Li：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、资金获取、概念构思
Mohammad Sameti：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、数据整理、概念构思
Igor Krupenski：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、概念构思
Hossein Alimohammadi：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论
Sylvester Ofili：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、方法论、形式分析、数据整理、概念构思
Anna Volkova：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、数据整理、概念构思
Aleksandr Ledvanov：可视化、验证、软件开发、数据整理
Kertu Lepiksar：撰写——审阅与编辑、方法论、概念构思