南國冷熱行業首提——地熱開發【從能效比到投效比】

摘要：地熱供暖制冷項目具有能效高、運行穩定和全生命周期成本低等優勢，但在工程實踐中，部分項目仍存在系統能效難以兌現、經濟回報不及預期的問題，其根源在于多學科、多階段環節割裂，導致技術優勢在實施過程中被逐級削弱。本文從全生命周期視角出發，系統分析了地熱供暖制冷項目能效比與投效比的形成機理，指出二者并非天然一致，必須通過統一規劃與協同優化實現協同提升。在此基礎上，南國冷熱公司總結了基于地熱數智化軟硬件協同和“地熱+”綜合能源系統解決方案的關鍵技術路徑，將勘查評價、數值模擬、可研設計、施工建設和智能運維納入統一技術框架。研究認為，基于系統工程理念和全生命周期協同機制的技術路徑，是推動地熱供暖制冷項目實現高效運行與經濟可持續發展的關鍵方向。

關鍵詞：地熱供暖制冷；地熱數智化；能效比；投效比

前言

地熱供暖制冷項目是一類高度依賴交叉學科協同的系統工程，涉及地質勘查、熱工理論、建筑負荷、暖通設計、工程施工、自動控制、運行管理以及經濟評估等多個專業領域。其最終運行效果和經濟表現，并非由某一單一技術或單一環節決定，而是取決于各環節是否協同、是否銜接、是否形成閉環。只有在勘查評價、數值模擬、可研設計、施工建設和智能運維等各個階段均做到科學、規范和高質量實施，地熱供暖制冷系統的整體能效與投資回報才能真正得到提升。

然而，在以往工程實踐中，地熱供暖制冷項目往往采用分段式、割裂式的推進模式，勘查評價、數值模擬、方案設計、工程實施與運行管理之間缺乏有效的數據繼承與技術協同，導致設計假設與施工實際、建設成果與運行管理之間存在明顯脫節。實踐表明，在項目全生命周期中，若某一階段未能參與前序關鍵決策，卻在后續階段承擔運行或經濟后果，往往會削弱系統整體優化的可能性。這種權責失衡與邏輯割裂，不僅影響單個項目的運行效果和經濟性，也制約了地熱供暖制冷向高質量、規模化發展的進一步推進。

正是在這一背景下，系統性提升地熱供暖制冷項目的能效比【Coefficient Of Performance (COP)】與投效比【Investment-to-Performance Ratio (IPR)】顯得尤為必要。能效比反映的是技術層面的運行效率，投效比體現的是全生命周期的經濟回報，兩者只有在全流程協同優化的前提下才能實現統一。如果忽視任一環節，即便局部能效較高，也難以在長期運行中轉化為穩定、可持續的實際收益。

南國冷熱公司推進地熱供暖制冷項目能效比與投效比提升工作，既源于長期工程實踐中的現實反思（圖1），也源于對行業未來發展的責任意識。我們的目標不僅是把單個項目做好，更是通過打通地熱供暖制冷項目全生命周期關鍵環節，推動形成可復制、可推廣、可持續的技術和實施路徑，為地熱產業的高質量發展奠定基礎。

圖1南國冷熱公司地熱供暖制冷規模化開發商業模式

歸根結底，本研究的出發點與落腳點在于推動地熱供暖制冷技術實現可規模化、可持續的工程應用，使其在保障運行效率與經濟可行性的前提下，成為更廣泛用戶可穩定采用的清潔能源選擇。只有當地熱供暖制冷系統在全生命周期內實現高效運行、成本可控與收益可預期，地熱能源才能由少數示范性項目的技術選項，轉變為可在建筑、工業、農業及交通等多類用能場景中可靠應用的基礎能源形式，從而充分發揮其在現代能源體系中的綜合價值。

1 能效比與投效比的概念

在地熱供暖制冷項目中，能效比主要用于衡量系統在運行過程中能源利用效率的高低，是反映技術性能水平的核心指標。工程實踐中，能效比通常以熱泵系統性能系數（COP）或系統綜合能效指標表示，其基本形式為：

其中，Q輸出為系統輸出的有效供熱或制冷量，W輸入為系統運行所消耗的輸入能量。該指標體現了單位能耗條件下系統能夠提供的有效能量服務能力。較高的能效比意味著系統在特定運行工況下具有更高的能量利用效率，是地熱供暖制冷技術相較于傳統供熱供冷方式的重要技術優勢之一。

與能效比側重反映運行階段的技術效率不同（表1），投效比更多關注項目在全生命周期尺度上的經濟性表現，是衡量單位投資所支撐的有效能源服務產出的綜合指標（IPR）。在地熱供暖制冷項目中，投效比可從工程經濟學與全生命周期評價角度加以界定，其一般表達形式為：

其中，Qt為第t年系統實際提供的供熱和制冷量，Ccap為項目初始投資成本，Cope,t為第t年運行與維護成本，T為系統設計運行年限。該指標反映的是單位投資在全生命周期內所能夠持續支撐的有效能量服務能力。

從工程意義上看，投效比綜合考慮了系統初始投資規模、運行維護成本、使用壽命以及運行性能穩定性等因素，刻畫了技術性能在投資約束條件下的可兌現程度。投效比的高低直接影響項目的投資回收能力和經濟可持續性，是決定地熱供暖制冷項目對投資主體吸引力的重要指標，也是地熱供暖制冷能否實現規模化、長期穩定推廣的關鍵因素之一。

表1能效比VS投效比：地熱供暖制冷項目對比分析表

然而，在傳統地熱供暖制冷項目開發過程中，行業普遍更加關注能效比的提升，而對投效比的系統研究相對不足。部分項目在設計階段通過提高設備性能、增加系統配置來追求較高的理論能效，但在實際運行中卻因投資規模偏大、系統復雜度高、運行管理粗放等原因，導致運行成本上升、經濟回報不及預期。實踐表明，能效比的提高并不必然帶來投效比的同步提升，兩者之間存在一定程度的脫節現象。

這一問題在我國地熱供暖制冷項目中尤為突出。一方面，我國地熱供暖制冷終端收費水平整體較為固定，項目收益端彈性有限，難以通過提高能源價格來覆蓋成本波動；另一方面，地熱項目普遍具有投資規模大、建設周期長、運行年限長的特點，一旦前期決策或系統配置不合理，將對項目全生命周期經濟性產生持續影響。在此背景下，僅以能效比作為項目評價和設計優化的核心目標，已難以滿足地熱供暖制冷高質量發展的現實需求。

因此，從全生命周期視角出發，將能效比與投效比協同作為研究對象，系統分析兩者之間的內在聯系與制約機制，探索在保障系統高效運行的同時，實現投資成本可控、運行成本可降、回報預期可兌現的關鍵技術路徑，已成為地熱供暖制冷項目實現可持續發展的必然選擇。

2 能效比與投效比提升的全生命周期實現路徑

在地熱供暖制冷項目中，能效比與投效比的協同提升，必須建立在全生命周期統一規劃、系統實施的技術體系之上。針對以往項目中普遍存在的環節割裂、前后脫節問題，南國冷熱提出并實踐了一套以五個關鍵階段統一規劃實施為核心的技術路徑，將勘查評價、數值模擬、可研設計、施工建設和智能運維納入同一技術框架進行統籌管理。因此，提升能效比與投效比，必須從項目全生命周期出發，在關鍵環節實施系統性優化。

圖2地熱供暖制冷項目全流程示意圖

2.1 勘查評價階段

勘查評價階段是地熱供暖制冷項目的基礎環節，其核心作用在于真實掌握地下地質條件和換熱能力，為系統規模和技術路線提供物理邊界。通過規范開展地熱勘探、地質勘查和鉆井測試，獲取地層結構、熱物性參數及水文地質條件，可有效避免依賴經驗參數或區域均值帶來的系統性偏差。

在該階段，準確評估單位井或單位換熱體的長期供熱能力，不僅關系到系統設計能效上限，也直接影響鉆井數量和投資規模。一旦前期評估偏差過大，將導致后期系統長期低效運行或投資冗余，進而削弱投效比。因此，以真實可靠的勘查評價結果鎖定系統能力邊界，是實現高能效與高投效的前提條件。

2.2 數值模擬階段

數值模擬是連接地下資源條件與工程系統設計的重要橋梁。通過建立地熱數值模型，對不同井布置方式、取熱強度和運行策略下的長期換熱響應進行模擬分析，可提前識別系統運行中的潛在風險和能效衰減趨勢。

該階段的關鍵價值在于：優化鉆井數量與井間距配置，避免“多打井但效率并不提升”；評估不同運行工況下系統能效變化規律；在設計前排除效率低、投資高的技術方案。

通過數值模擬，項目可在實施前即落入技術可行、經濟合理的最優區間，有效實現能效目標與投資規模的協同控制。

2.3 可研設計階段

可研設計階段是能效比與投效比形成的關鍵決策階段。在該階段，通過負荷計算、系統形式選擇、設備選型及經濟測算，將技術方案與投資回報進行系統耦合。

提升能效比的同時，需重點關注系統配置與負荷需求的匹配程度，避免為追求局部高能效而引入過高投資或復雜系統結構。通過多方案比選和全生命周期經濟分析，在滿足運行能效要求的前提下，合理控制初始投資規模和運行費用水平，使項目在設計階段即具備清晰、可預期的投效表現。

2.4 施工建設階段

施工建設階段是設計成果向實體系統轉化的關鍵環節，也是系統性能最容易發生“隱性損失”的階段。鉆井施工質量、換熱回路工藝、設備安裝精度和系統水力平衡狀況，都會對系統運行效率產生長期影響。

通過強化關鍵工序質量控制、推進系統模塊化和標準化建設，可有效減少施工偏差帶來的能效損失，確保設計階段設定的能效目標在實際運行中得到兌現。避免在施工階段消耗能效，本質上也是對投效比的直接保護。

2.5 智能運維階段

運行階段是能效比與投效比最終體現的階段，也是后期優化空間最大的階段。通過構建實時監測、能耗分析和智能控制體系，可對系統運行狀態進行持續感知和動態調節。

在固定收費條件下，運行能效的提升和運維成本的降低，將直接轉化為項目的實際收益。通過負荷預測、設備協同控制和運行策略優化，使系統長期運行在高效區間，可有效延緩能效衰減，提升項目整體投效水平。

2.6 碳匯增值階段

在保障系統高效穩定運行的基礎上，地熱供暖制冷項目還具備顯著的碳減排潛力。通過替代化石能源供暖制冷，項目可形成穩定、可核證的減排量，為CCER 等碳匯機制提供良好基礎。

在項目前期將減排測算納入可研設計，在運行階段通過完善計量和數據管理體系形成連續、可追溯的數據鏈，可將項目的環境價值轉化為可量化、可交易的經濟收益。通過“能源收益+碳匯收益”的復合模式，進一步改善項目投效結構，增強項目長期抗風險能力。

總體來看，地熱供暖制冷項目能效比與投效比的提升，應通過勘查評價定邊界、數值模擬選優解、可研設計控成本、施工建設保兌現、智能運維強優化、碳匯價值擴收益等環節的協同推進來實現。只有將效率目標與經濟約束貫穿項目全生命周期，地熱供暖制冷項目才能真正實現高效運行與高質量回報的統一。

3 能效比與投效比提升的南國冷熱關鍵技術體系

在地熱供暖制冷項目中，能效比與投效比的協同提升既是技術問題，更是典型的系統工程問題。其核心難點并不在于單項技術水平的先進與否，而在于能否將分散于不同學科、不同階段的技術能力進行有效整合，構建貫穿項目全生命周期的統一技術體系。基于這一認識，南國公司以提升系統整體效能與經濟回報為目標，持續推進地熱數智化軟硬件協同研發（圖3），并圍繞實際工程需求構建“地熱+”綜合能源系統解決方案，推動地熱供暖制冷項目由傳統的分段式實施模式，向以系統優化和全流程協同為特征的開發模式轉變。

圖3南國冷熱公司地熱數智化產品架構圖

首先，在勘查評價階段，南國公司通過地熱數據庫、巖土熱響應測試儀以及廣域電磁法勘探儀器等技術手段（圖4），提高對地下資源條件和換熱能力的認知精度。與傳統依賴經驗參數或區域均值的做法不同，該類關鍵技術以實測數據為基礎，明確系統可持續供熱能力和取熱邊界。這一過程并非單純追求更高的理論能效，而是通過避免資源能力高估或低估，為系統規模控制和投資決策提供可靠依據，從源頭上防止因設計偏差導致的長期低效運行或投資冗余，從而同時保護能效比和投效比。

圖4廣域電磁法勘探儀器助力中深層地熱資源勘查評價

其次，在方案形成階段，南國公司以數值模擬和技術—經濟一體化計算工具為核心（圖5、圖6），對不同系統配置方案進行系統級比選。通過將地下資源條件、建筑負荷特性和運行策略進行耦合分析，可在設計階段提前識別能效衰減風險和經濟性不足的技術路徑。該類關鍵技術的價值在于：并非簡單追求局部高 COP，而是篩選在全生命周期內效率穩定、投資結構合理、運行成本可控的方案，使能效目標與投效目標在設計階段實現統一。

圖5地熱計算器賦能地熱開采數值模擬優化

圖6翼軫可研服務軟件一鍵生成可研報告

在施工建設階段，南國公司通過標準化施工工藝、關鍵節點質量控制和系統一致性管理（圖7），防止設計能效在建設過程中被“隱性消耗”。鉆井施工質量、換熱回路工藝和系統水力平衡狀況，都會對系統長期運行效率產生持續影響。通過關鍵技術對工程實施過程進行約束和校核，可確保設計階段確定的能效指標在實際運行中得到兌現，從而避免“設計高能效、運行低效率”對投效比造成的長期侵蝕。

圖7南國冷熱某項目施工標準化系統圖

進入運行階段，南國公司通過地溫監測、機房智慧大腦、邊緣智能設備和智慧能源管理平臺等數智化關鍵技術（圖8），對系統運行狀態進行持續感知和動態優化。與傳統依賴人工經驗調節的運行方式相比，該類技術能夠及時識別系統運行偏離高效區間的情況，并通過運行策略調整維持系統在合理負荷和高效工況下運行。在終端收費水平相對固定的條件下，運行階段能效的持續提升和運維成本的有效壓縮，將直接轉化為項目的實際收益，是投效比提升的重要來源。

圖8翼軫部分數智化產品展示

在此基礎上，南國公司進一步將地熱供暖制冷系統納入“地熱+”綜合能源解決方案框架（圖9），通過與其他冷熱源和用能方式的協同配置，提升整體能源系統的靈活性和經濟性。同時，通過碳減排核算與碳資產開發相關技術，將地熱系統在減排方面形成的環境價值轉化為可量化的經濟增量，為項目投效比提供新的增長空間。

圖9“地熱+”綜合能源解決方案

總體來看，南國公司的關鍵技術并非單點突破，而是通過前端認知精度提升、設計階段系統優選、實施階段能效保護、運行階段持續優化以及價值維度延伸等多層次協同作用，實現地熱供暖制冷項目能效比與投效比的同步提升。這種以系統工程為導向的技術路徑，使地熱項目從“追求高能效指標”，轉向“實現高質量、可持續回報”的發展模式。

4 未來展望

面向地熱供暖制冷產業的高質量發展需求，能效比與投效比的持續提升將不再依賴單點技術突破，而更加依賴全流程數智化能力和系統工程方法的不斷深化。隨著地熱應用場景的不斷拓展和項目規模的持續擴大，行業對系統穩定性、經濟可預期性和長期運行可靠性的要求將進一步提高。

在此背景下，南國公司將持續深耕地熱數智化服務全流程，圍繞勘查評價、數值模擬、可研設計、工程實施和智能運維等關鍵環節，不斷完善軟硬件協同技術體系，推動能效比與投效比的長期、可持續提升。通過強化數據貫通、模型迭代和運行反饋機制，使地熱供暖制冷項目在全生命周期內保持高效、穩定和可控的運行狀態。

同時，南國公司將進一步拓展“地熱+”綜合能源系統解決方案的應用邊界，促進地熱與多種能源形式的協同利用，提升系統整體能源利用效率和經濟適應性。在此基礎上，持續探索地熱項目在碳減排、能源資產化等方面的潛在價值，為項目投效結構優化提供更多支撐路徑。

總體而言，未來地熱供暖制冷的發展方向，將從單一工程建設轉向以系統優化、長期運營和價值綜合實現為核心的新階段。通過持續推進地熱數智化和全生命周期協同優化，南國公司致力于為廣大用戶提供技術可靠、運行穩定、經濟可預期的地熱供暖制冷服務，為地熱產業的規范化、規模化和高質量發展提供長期支撐。

5 結論

地熱供暖制冷項目作為典型的系統工程，其運行能效與經濟表現由勘查評價、數值模擬、方案設計、工程實施和運行管理等多階段協同作用決定。本文從全生命周期視角出發，系統揭示了傳統項目模式中環節割裂與權責不統一對系統性能和經濟性的制約機理，指出實現各階段協同決策與責任閉環是保障項目高質量運行的基礎。在此基礎上，提出并論證了以真實參數獲取為前提、以系統級優化為核心、以長期運行可控為導向的全生命周期技術路徑，通過將關鍵環節納入統一技術框架，避免能效優勢在實施過程中逐級削弱，實現技術優勢向穩定、可持續經濟回報的轉化。結合工程實踐，本文總結了南國公司基于地熱數智化軟硬件協同與“地熱+”綜合能源系統解決方案的關鍵技術體系，實踐表明該體系可顯著提升系統運行效率、降低投資與運維風險并增強回報可預期性。總體來看，系統工程理念與全生命周期協同機制的有效落實，是推動地熱供暖制冷由工程建設導向向系統優化與長期運營價值導向轉型的關鍵。

王光臨 劉焱菲 王中鵬 任丹南 王鑫 童小暢

1 安徽南國冷熱綜合能源有限公司

2 香港中文大學（深圳）城市地下空間及能源研究院

注：特別感謝中國科學院地質與地球物理研究所、中國科學院廣州能源研究所、西安交通大學、北京交通大學、東南大學、香港中文大學（深圳）城市地下空間及能源研究院、中國地質大學、成都理工大學以及安徽省勘查技術院的合作支持！