浅层地温能开发利用前景广阔

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  发表日期：2010年8月13日      作者：卫万顺 冉伟彦     

 　随着我国国民经济的快速增长，能源形势日趋严峻。浅层地温能是一种清洁、价廉、丰富且可再生的新型环保能源，也是一种特殊的矿产资源，利用前景广阔。开发利用浅层地温能对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标的实现具有非常重要的现实意义。本版邀请中国地调局浅层地温能研究与推广中心主任卫万顺和总工程师冉伟彦为读者讲解浅层地温能的有关知识，介绍资源开发利用状况和今后一段时期的重点工作，以期对大家有所帮助。

　　问：地质工作在浅层地温能开发利用中的作用是什么？
　　答：浅层地温能是存在于地下隐蔽地质体中的一种无形自然资源，地质条件对开发利用起着举足轻重的作用，所以有必要采取专门的勘查方法对其进行资源量的估算和开发适宜性的评估。因此，要发挥地质工作的专业技术优势，国家需要利用这一技术优势为节能减排工作服务，地勘单位应主动出击，把握机遇、履行责任、开拓市场，使浅层地温能资源的开发利用成为地勘单位一个新的经济增加点。

　　问：围绕浅层地温能勘查评价和开发利用国土资源部门做了哪些主要工作？
　　答：国土资源部十分重视浅层地温能勘查评价和开发利用工作。2006年开始浅层地温能勘查评价试点工作；2007年国土资源部在北京组织召开了全国地热能（浅层地热能）开发利用现场经验交流会，中国地质调查局在北京市地勘局成立中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心；2008年国土资源部下发了《国土资源部关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》，全面部署我国浅层地温能资源的勘查评价、规划编制和地质环境监测工作；2009年国土资源部在天津召开了全国浅层地热能和地热能资源管理工作会议，颁布了《浅层地热能勘查评价规范》；中国地质调查局委托中国地调局浅层地温能研究与推广中心、北京市地勘局举办了四届全国浅层地温能勘查评价和开发利用高级研修班。徐绍史部长要求，要突出浅层地温能开发利用这一重要工作，将加强浅层地温能与地热资源评价、规划和开发利用作为开拓新领域、延长工作链的一项重要工作予以支持，完善措施，强力推进，尽快形成新的局面。最近，由北京市地质矿产勘查开发局、中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心组织编写的《中国浅层地温能资源》正式出版，汪民副部长为该书写了序。该书的出版，对全国浅层地温能调查评价和开发利用工作具有重要的指导作用和参考价值。由此可见，全面加强浅层地温能勘查评价和开发利用的局面即将形成。
　　问：今后一段时期的重点工作是什么？
　　答：针对目前浅层地温能开发利用中存在的一些问题，今后一段时期的重点工作主要是尽快开展浅层地温能勘查评价工作，摸清资源家底；关注浅层地温能开发利用对地质环境的影响；制定优惠政策支持浅层地温能开发利用；提高浅层地温能资源的社会认知程度。

第一节
浅层地温能概念、特点及利用价值

　　浅层地温能（又称浅层地热能）是指蕴藏在地表以下一定深度（一般小于200米）范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的一般低于25℃的热能。浅层地温能是深层地热能与太阳能共同作用的产物。
　　浅层地温能利用价值在于地层中比较恒定的温度与冬、夏两季外界空气存在较大的反向温差，这种温差即为潜在的可被利用的热能。浅层地温更接近于使人舒适的室温，当用热泵为建筑物供暖时，用热泵提温的幅度较小，使热泵机组运行工况更稳定、合理，所以当提供同样的热量时需要的电能较少；夏季制冷时，浅层地温能可提供比空气低得多的温度，使制冷机组的效率提高，因此节约电能。浅层地温能所赋存的空间有较大的热容量，且有较强的恢复能力，浅层地温能可在一个使用季节中通过暂时降低温度持续不断地输出热能，而在非使用期得到恢复，这种年内能够恢复的热输出量即为浅层地温能的合理开采量，这种多年可持续利用的热能就是浅层地温能的利用价值。
　　毋庸置疑，浅层地温能可以在一定的开采强度、合理的系统分布情况下，在冬、夏两季数月内连续为水源热泵机组提供稳定的低温热源（或热汇），例如冬天供暖时，浅层地温能为水源热泵机组提供的热能占到了热输出的70%～80%，在当前经济技术条件下具有很大的利用价值。所以根据以上定义，浅层地温能无疑是一种无形自然资源中的新能源。
　　浅层地温能具有如下特点：
　　一种新型战略资源。浅层地温能资源既是清洁能源，又是可再生能源，所以开发利用浅层地温能资源是保障国家能源安全的必然选择，是确保我国能源结构调整的需要，是实现节能、减排战略目标的重要手段。
　　分布广泛、能量巨大。浅层地温能资源广泛分布于除了赤道附近和高纬度地区之外的广大区域，尤其在中纬度、四季气温变化明显的地区有较高的利用价值。据专家测算，我国每百平方公里（相当于一个中等城市的面积）近百米深度内的土壤每年可采集的低温能量是1560×104千瓦，而百米内陆下水每年可采集的低温能量也有21×104千瓦。
　　可循环利用。浅层地温能经过一个冬季的连续开采利用后，在换热区域内造成了局布地温场异常，存在一定的热亏损。由于异常区与周围正常地温存在一定的地温梯度，因而产生恢复性热流，这种热流可在其他三个非使用季节使换热区的热亏损得到自然补充，逐步恢复到平衡状态；有制冷需求的工程则可在夏季制冷时的反向利用（放热）中得到人工补给，使开发利用工程年内总的热开采量和补充量基本达到平衡。所以，浅层地温能在季节性利用后可通过自然和人工补给或冬、夏两个季节的反向温差利用后基本保持地温场的动态平衡，从而可长期循环利用。
　　可就近利用。由于资源无处不在，利用工程可以就地取（排）热、就地取材，与地源热泵系统紧密结合为建筑物供暖和制冷。与传统能源相比可节省大量运输、传输和存放成本。如果大量采用则可提高资源的本地化水平，在一定程度上改善能源结构。
　　可实现节能减排。浅层地温能资源的开发利用只通过消耗少量的电能，能够从浅层岩土体、地下水中提取大量的热量或冷量，而地下水的水质、水量不发生任何变化，在城区不向大气排放二氧化碳等气体及灰尘，对外界环境影响极小。与传统的锅炉供暖相比，地源热泵系统对一次能源利用率可以达到90%，而中型锅炉房则仅为65%左右，相对节能约38%。可以说浅层地温能资源的开发利用即达到了节能又起到了减排的作用，一举两得。浅层地温能资源的开发利用为解决建筑节能减排提供了一条重要途径。

第二节
破解浅层地温能勘查滞后的难题

发展浅层地温能资源是大势所趋
    大力发展浅层地温能资源可有效地缓解我国化石燃料紧张局面。《北京市平原区浅层地温能资源地质勘查》项目成果得出，在北京平原区地温降低1℃时，3米～150米深度内静态资源量为每年1.94×1015千焦，折合标准煤0.662亿吨；冬季可利用资源量为每年4.48×1014千焦，折合标准煤0.153亿吨，可供暖面积约9.6亿平方米；夏季可利用资源量为每年8.95×1014千焦，可供冷面积约16.0亿平方米。据北京市总体规划目标，到2020年北京市供暖总面积才达到10亿平方米。若大力发展浅层地温能可优化能源结构，有效缓解化石燃料紧张局面。
　　大力发展浅层地温能资源可有效地缓解我国环境的巨大压力。如按北京市2008年底已实现供暖/制冷面积1300万平方米计算，与燃煤+冷水机组相比，每年可减少烟尘排放量0.055万吨，二氧化硫0.52万吨，二氧化碳35.4万吨，氮氧化合物0.2万吨；与蓄热式电锅炉+冷水机组相比，每年可减少烟尘排放量0.2万吨，二氧化硫1.9万吨，二氧化碳130.6万吨，氮氧化合物0.7万吨。同样利用浅层地温能供暖/制冷，如按可供暖面积9.6亿平方米计，与燃煤+冷水机组相比，每年可减少烟尘排放量4.09万吨，二氧化硫38.33万吨，二氧化碳2610.13万吨，氮氧化合物14.43万吨。
　　大力发展浅层地温能资源可明显提高我国节能效果。如按北京市2008年底已实现供暖/制冷面积1300万平方米计算，与燃煤+冷水机组相比，每年可节约能耗折合标准煤14.8万吨；与蓄热式电锅炉+冷水机组相比，每年可节约能耗折合标准煤54.7万吨。同样利用浅层地温能供暖/制冷，如按可供暖面积9.6亿平方米计算，与燃煤+冷水机组相比，每年可节约能耗折合标准煤1090万吨。
　　浅层地温能勘查滞后的难题亟待破解
    勘查评价是浅层地温能科学开发利用的基础。浅层地温能是蕴藏在地表以下一定深度内的低品位的地热资源，其分布状态、运移规律、品位高低、开发利用方式及规模等均受到地质体富水性及导热性能等的制约，认识、了解浅层地温能存在的地质条件十分重要，特别是浅层地温能开发利用工程中采集和释放热的能力和强度与当地地质环境组成、地质环境中流体部分的活动能力和岩土固体颗粒部分的热传导能力有直接关系。因此，在谈到一个地区浅层地温能潜力及其开发利用前景时，首先需要掌握该地区的区域地质背景，从宏观上把握浅层地温能地质条件和地温场分布，以便为开发利用奠定基础。
　　浅层地温能存在的本质是冬、夏两季地层中比较恒定的温度与外界空气存在较大的反向温差。在合理布局、科学开采的情况下，浅层地温能是一种取之不尽、用之不竭的自然资源。热泵技术使浅层地温能的开发利用成为可能，可供人类长期使用。任何资源都有可采资源量和开采强度的限度，特别是大多数可再生能源都具有分散、低品位的特性，有些还受季节或再生周期的限制，因此资源的勘查评价是科学开发利用的基础。浅层地温能是存在于地下隐蔽地质体中的一种无形自然资源，地质条件对开发利用起着举足轻重的作用。所以有必要采取专门的勘查方法对其进行资源量的估算和开发适宜性的评估。
　　据介绍，我国近年来浅层地温能开发迅速，市场化推动为主，由于浅层地温能资源调查、评价滞后，技术标准和开发利用相关技术研究的薄弱，仍存在开发利用地区发展不平衡等问题。因此开展浅层地温能勘查评价是政府部门做好浅层地温能开发利用规划和管理的基础性工作。

第三节  
摸清主要城市浅层地温能资源家底

    充分发挥“北京平原区浅层地温能资源地质勘查”成果的示范作用
    2006年4月，北京市地勘局向北京市政府提交了《北京市浅层地温能开发利用现状、问题与对策战略研究》成果的报告。报告得到北京市政府的高度重视，北京市财政局同意开展浅层地温能资源地质勘查工作。该成果明确提出浅层地温能属于资源范畴，科学厘定了浅层地温能概念及其资源特点；首次建立了浅层地温能调查评价体系，为国内其他城市开展同类工作具有重要的示范指导作用；首次计算了北京平原区3米～150米深度范围内的浅层地温能资源量，初步分析了北京平原区浅层地温能资源潜力；首次采用GPRS无线远程传输系统和网络化管理的方法，初步建立了浅层地温能资源开发利用对地质环境影响监测系统框架；首次对浅层地温能资源量计算方法进行系统分析研究，确定了浅层地温能资源量计算方法；首次对浅层地温能资源量评价的相关参数进行了系统研究；利用ARCGIS技术建立了北京平原区浅层地温能资源专项地质勘查数据库；初步查明北京地区浅层地温能资源开发利用工程现状；详细分析了浅层地温能资源开发利用的能耗，浅层地温能开发利用与传统供暖、制冷相比节能明显。这一成果意义重大，对北京市新能源的开发利用提供了强有力的科学支撑。
继续完善浅层地温能勘查—评价—开发—监测方法理论体系
    “北京平原区浅层地温能资源地质勘查”项目已获得一系列成果：查明了北京平原区6400平方公里范围内陆表下3米～150米的浅层地温能资源特征和分布规律，研究评价了浅层地温能的资源量，并进行了开发利用方式适宜性区划，为确保应用的可持续性，初步建立了从资源赋存地质条件调查、适宜性区划、资源量计算、潜力评价、效益分析和环境监测等全方位的资源勘查—评价—开发—监测方法理论体系。成果内容居世界科学前沿，总体达到国际领先水平。为全面开展浅层地温能资源勘查—评价—开发—监测提供了理论基础和方法保障。
尽快摸清我国主要城市浅层地温能资源家底
    2008年12月，国土资源部下发了《关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》，从调查评价、编制规划、加强监测三个方面，对大力推进我国浅层地温能资源的开发利用进行了部署。国土资源部这一部署是非常及时和必要的，表明我国的浅层地温能资源开发利用将驶入科学化、规范化轨道。面对全国的发展形势和需求，国土资源部地质环境司、中国地质调查局借助中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心这个平台，连续三年成功举办了四期全国性的浅层地温能资源勘查评价和开发利用高级研修班暨学术交流会，为在全国范围推广利用浅层地温能工作储备了人才。因此，各地区都应积极利用这些优势，及时开展浅层地温能的调查评价工作，查清浅层地温能资源分布特点等，为今后科学开发利用浅层地温能、编制专项规划提供依据。

第四节
关注地温能开发利用对地质环境的影响

    浅层地温能开发利用主要有两种方式，即地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。随着使用浅层地温能项目的增多、规模的扩大，不同利用方式在其发展过程中出现了一些问题，如地下水源热泵系统地下水回灌难，造成水位下降，地面沉降；系统整体不节能；水质污染；地温场的变化等问题。
　　地下水热泵系统是通过抽取地下水，利用地下水全年温度恒定的特点，与水源热泵的冷凝器或蒸发器进行热交换，或通过板式换热器与冷凝器产生的高温热水（夏季工作时）或蒸发器产生的低温冷水（冬季运行时）进行热交换。然后将置换冷量或热量后的地下水全部回入同一含水层中。目前地下水连续、实时回灌的技术尚不成熟，多为自然回灌，造成回灌量降低的原因主要是回灌井的堵塞现象。造成堵塞的原因包括物理、化学等原因。如果成井工艺不当，可能造成水中含沙量较多，造成井的物理堵塞而影响回灌。另外，抽/灌水温度的不同和压力的变化，使水中一些物质析出、沉淀也是造成井堵塞的原因之一。在大多数情况下，回灌井的堵塞不可避免。回灌不利又可造成水资源浪费，并且是造成地面沉降的隐患。浅层地温能开发利用可能造成水质污染是因为不同水质的含水层水混抽混灌引起的。对于直接进入机组的地下水工质、润滑油的泄漏也是水质污染潜在的危险。目前，由于缺乏必要的地质环境影响监测系统，浅层地温能开发对地质环境的影响没有定论。所以需要对地下水位、水质、水温进行长期监测，以便及时发现问题。
　　地埋管地源热泵系统由于采用埋管的闭式循环进行换热，对地下水影响不大，但需要较大的换热温差和较高的埋设密度，对局部地温场的干扰比较大。因此有必要在土壤换热孔内不同深度和周围土壤中布置测温元件，采集其温度场，测得土壤层内温度变化动态，更好地为优化设计、计算换热量和评价环境影响提供可靠的实验依据。当换热管内的传热介质含有防冻剂时，如果泄漏，也可能造成对地下水的污染。施工中如果换热孔穿透不同水质的含水层，也有可能造成地下水水质的改变。因此，有必要对地下水、地温场采取一定的监测措施。
　　《北京平原区浅层地温能资源地质勘查》成果首次采用GPRS无线远程传输系统和网络化管理的方法，建立了地下水式地源热泵系统监测站1处、地埋管式地源热泵系统监测站1处以及20个地源热泵系统监测点，实现了现场数据的远程传输，系统运行各项数据的实时监控，取得了部分监测数据。利用ARCGIS技术建立了北京平原区浅层地温能资源专项地质勘查数据库。在实施《北京市平原区浅层地温能资源地质勘查》项目的过程中，北京市地勘局在平谷建立了一个关于浅层温能开发利用的实验平台。
　　各地在开发利用浅层地温能的同时应建立浅层地温能地质环境影响监测网。对不同深度的地温场、地下水水位和水质、地面标高等项目实施长期监测，及时掌握地温变化动态、水土质量和地面变形情况，一旦发现地温长期持续单向变化，或水土污染、地面沉降，应立即采取有效措施加以解决，防止产生地质环境问题。为了对浅层地温能开发利用方法、技术等方面加强示范引导，各省(区、市)应选择有代表性的城市建立若干监测实验区。

第五节  
推进浅层地温能开发利用的快速发展

    浅层地温能开发利用需要优惠政策支持
　　浅层地温能开发利用明显受经济成本与效益制约。浅层地温能资源开发利用的主要方式是地源热泵技术。因此，地源热泵项目的经济效益分析和研究对于浅层地温能开发利用具有十分重要的意义。地源热泵系统经济分析的主要费用构成是项目初投资、运行成本和投资回收周期。
　　工程初投资：工程初投资包括热泵机房、室外换热系统和室内末端系统三个部分。影响地源热泵空调系统初投资的因素很多，如气候条件、地质条件、建筑类型、建筑密度、材料和劳动力价格水平等。从初投资上看，全国不同类型的项目，从南到北，气候不同，使用功能不同，会有较大的差距。
　　运行成本：热泵系统运行成本包括年消耗能源费用、热泵系统管理维护人员工资和热泵系统维修费三部分。
　　影响运行成本的因素主要有，地下换热器的影响；土壤特性对地源热泵的运行特性有重要的影响；热泵机组性能、容量和循环泵的类型；地下换热器设计不当的影响；运行管理策略、运行方式和日常维护的合理性。
　　根据实际工程运行统计，在地质条件适宜，系统配置合理的情况下，地源热泵与传统的中央空调系统相比，冬季采暖运行成本可以节约30%以上，夏季可以节约10%以上。
　　投资回收周期：投资回收周期是工程增量成本与年节约运行费用的比值，它是评估能源利用是否合理的主要指标之一。地源热泵系统静态投资增量回收期大概在4～10年不等，伴随着地源热泵技术逐步推广应用，政府补贴的逐步完善，产业化规模不断加大，生产厂家和集成商逐渐增多，市场竞争逐渐加剧，地源热泵系统初投资将会进一步降低，这将有利于费用年值降低和投资回收期的缩短，更有利于地源热泵技术在全国的推广应用。
　　为应对经济发展与能源短缺的矛盾，一些国家自20世纪80年代开始，在大力开展替代能源技术研究与创新的同时，大力开展制度创新，运用各种经济手段鼓励和促进可再生能源的发展。国外的做法主要包括政府直接投资，设立专门机构负责推广可再生能源，另外，政府出资开展资源调查与评价，同时为商业化发展提供免费的信息服务；政府也会给予适当的补贴扶持可再生能源的发展；通过税收、价费优惠措施也是激励可再生能源发展的手段之一。通过收集我国及各省（区、市）从2004年至2008年的各类实施意见、管理办法、指导意见、规划、标准。已出台政策的省份(城市)以北方为主，说明开发利用主要集中在北方地区。地源热泵系统用在供暖解决能源及大气污染问题需求更迫切。政策及规范的制定以建设主管部门为主，另外，已有政策较分散，对地下资源的合理利用关注不足。对地下水源热泵管理严格，为保护地下水资源安全，如北京、天津、武汉对地下水源热泵发展有管理规定，审批较严格。一方面保护了水资源，但在一定程度也限制了水源热泵系统的开发利用，大多数城市趋于对地下水资源的保护，采取谨慎态度。从中不难看出，浅层地温能开发利用的快速发展与政府政策扶持力度的逐步加大息息相关。
　　根据北京市能源规划和地热规划的要求，“十一五”期间，北京市利用浅层地温能面积将达到3500多万平方米。为进一步优化北京能源结构，提高能源利用效率，加强和规范热泵系统的管理，促进城市的可持续发展，2006年5月，北京市政府印发《关于发展热泵系统的指导意见》，对选用地下（表）水源热泵，每平方米补助35元，选用地源热泵和再生水源热泵的，每平方米补助50元。
　　2009年财政部、住房和城乡建设部下发了《关于印发可再生能源建筑应用城市示范实施方案的通知》。《通知》指出，为贯彻国务院关于节能减排战略部署，深入做好建筑节能工作，加快可再生能源在城市建筑领域应用，对纳入示范的城市，中央财政将予以专项补助5000万元，具体根据2年内应用面积、推广技术类型、能源替代效果、能力建设情况等因素综合核定，切块到省。推广应用面积大，技术类型先进适用，能源替代效果好，能力建设突出，资金运用实现创新，将相应调增补助额度，每个示范城市资金补助最高不超过8000万元。《通知》中的“可再生能源在建筑中的应用”主要指太阳能和地源热泵技术，其中地源热泵包括土壤源热泵、淡水源热泵、海水源热泵、污水源热泵等技术。
　　近年来，虽然一些地方政府以极大的热情和力度来推广浅层地温能，但仍存在市场不规范、地区发展不平衡等问题，亟待政府相关部门制定一系列优惠政策，进一步鼓励、引导和规范行业的有序发展，促进我国浅层地温能的科学、有序的开发利用。
    浅层地温能资源的社会认知程度亟须提高
　　浅层地温能开发利用在国外发展了几十年。在我国该项技术起步较晚，只有十多年的历史，尽管目前浅层地温能供暖在我国已经有了大量的应用实例，在我国也有多家研究机构和企业对浅层地温能开发利用技术进行性能研究和工程实践,但由于社会各界包括开发商及相关部门管理者对这一技术相关知识了解不够，对技术的经济性和稳定性还不了解，认知程度还远远不够；一些设计单位由于认知不足，缺乏经验，还没有接受这项技术，采取敬而远之的态度。这些都严重制约了浅层地温能开发利用的推进。
　　因此，各地应提高全社会对浅层地温能开发利用的认知程度。有关部门应加强浅层地温能开发利用的宣传工作，普及浅层地温能知识，推进学科间的沟通互动，促进这一新能源的开发利用。在这一点上，国土资源管理部门责无旁贷，大有可为。我们应该抓紧时机，利用媒体，组织专题报道和科普宣传，尤其是把一些开发利用较好的项目作为示范向全国推介，大力宣传其节能减排的实际效果，使这一绿色环保新型能源真正深入民心。各地应进一步提高认识，积极行动起来，营造一种大力推进浅层地温能开发利用的良好社会氛围。
　　此外，为更好地开发利用这项技术，各大专院校、科研单位、专业协会及相关单位应发挥各自专业优势，组织开展浅层地温能调查评价及开发利用相关技术培训和技术交流。针对技术难题，进行科技攻关，不断提高浅层地温能开发利用的科学技术水平。
　　大力推进浅层地温能开⒗茫诔鞘薪ㄖ谀苤幸庖逯卮螅嫱平圃诒匦小Ｕ庑枰缁岣鹘绲墓餐Γ卸鹄矗⑶以谛卸凶⒁饧忧孔试吹目辈槠兰郏；せ肪常忧靠蒲а芯亢图际豕ス兀莆展媛煽蒲Ю茫们巢愕匚履芪菇ㄗ试唇谠夹秃突肪秤押眯蜕缁岱⒒痈笞饔谩?
　　总之，浅层地温能是一种可再生的新型环保能源，瞄准浅层地温能资源是大势所趋，要紧紧盯住关键问题，大力推进浅层地温能开发利用的快速发展。必须破解浅层地温能资源勘查滞后的瓶颈问题，尽快摸清我国主要城市浅层地温能资源家底；超前关注浅层地温能开发利用对地质环境的影响；积极降低经济成本，制定优惠政策，提高开发利用浅层地温能的积极性；加大宣传培训，提高全社会对浅层地温能资源的认知程度。