實現(xiàn)地溫資源開發(fā)利用的可持續(xù)發(fā)展

——訪中國資源綜合利用協(xié)會地溫資源綜合利用專業(yè)委員會秘書長趙繼昌

    地溫資源的開發(fā)和利用從本世紀初的“星星之火”發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了燎原之勢。在如今中國的大江南北、長城內外，到處可見地源熱泵的蓬勃發(fā)展和廣泛應用。然而，在這一片欣欣向榮的大好形勢下，不可否認的是，行業(yè)內也出現(xiàn)了不少問題和質疑之聲。越來越多的業(yè)內人士開始關注和思考如何科學、合理地應用地溫資源，怎樣才能達到開發(fā)和保護的平衡。近日，記者采訪了中國資源綜合利用協(xié)會地溫資源綜合利用專業(yè)委員會秘書長趙繼昌。作為一名行業(yè)內的資深專家，他對如何實現(xiàn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展進行了全面的解答。

記者：國土資源部提出，開發(fā)淺層地溫要“在開發(fā)中保護，在保護中開發(fā)”,那么在具體的工作中如何實現(xiàn)開發(fā)與保護的平衡？

趙繼昌：開發(fā)利用淺層地溫資源，首先要搞清淺層地溫（熱）能資源是什么。淺層地溫（熱）是分布在整個地殼淺部的常溫能量。只是利用地源熱泵技術以來，人們根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器通常設置的深度，人為設定為地下200m以淺的巖土層、地下水中所存在的能量，在自然界不存在這個界線。目前，“地溫”與“地熱”詞匯在大部分場合互用。在地源熱泵技術應用方面，利用淺部巖土層能量時，大部分人應用“地溫能”一詞，也有的稱為“地能”。2008年國土資源部在開展淺部地下能量調查中，將該地段定義為“淺層地熱能”，這兩個詞具有同等意義。

    其實，在沒有利用地源熱泵技術之前，通常只提及地熱，即深部地熱，而沒有“淺層地熱”這一概念。因為，在常溫條件下（<25℃），人們沒有把這種常溫作為一種可利用能量進行大面積開發(fā)。人們在開發(fā)利用地下空間時，更多地是考慮節(jié)省地面空間。例如，地下軌道交通、供（污）水管道、燃氣管道、電力管道、通訊管道以及防空道等，都設置在50m以淺的地下空間。由于地下工程大部分是放熱體，隨著地下工程的不斷增多，地下環(huán)境受到了巨大影響。但由于這些管線都是線性分布，其散熱效果較好，不產(chǎn)生熱量的過度積累，但對該深度的正常地下溫度產(chǎn)生季節(jié)性影響。

    而地源熱泵的地下?lián)Q熱系統(tǒng)是在較小的面積內大量蓄熱或釋熱，這就對地下環(huán)境正常溫度產(chǎn)生較大影響。雖然每個單體工程涉及的面積與整個城市面積相比較小，呈點狀分布。但對大規(guī)模建設地源熱泵系統(tǒng)工程，就有可能使多個點狀影響，變成面狀影響區(qū)。尤其是超過幾萬平方米直至幾十萬平方米建筑群的地源熱泵工程影響地下空間范圍更為顯著。如果不注意工程的冷熱負荷平衡問題，將會產(chǎn)生地下能（冷或熱）量過剩現(xiàn)象。其結果，不但影響熱泵系統(tǒng)的功效，而且也影響地下天然溫度場。

   “在開發(fā)中保護，在保護中開發(fā)”是既要利用淺層地熱能具有可再生能源特性與地源熱泵技術結合，為建筑物提供清潔能源，又要注意對地質環(huán)境的保護。即地源熱泵工程盡可能地保持冷熱負荷的平衡，地下水源熱泵工程保證百分之百回灌。保護好地質環(huán)境是為了更好地利用地下空間，使更多的地源熱泵工程能夠正常運轉，真正達到高效、經(jīng)濟、節(jié)能減排、保護環(huán)境的目的。

    國土部門為支持開發(fā)利用淺層地熱能，為開發(fā)部門提供相關地質背景數(shù)據(jù)，即巖土體的水文地質工程地質特征數(shù)據(jù)、熱物性參數(shù)以及地質體的物理化學特性，指導企業(yè)科學利用地下(巖土或水)的能量。近兩年來在全國大中城市和經(jīng)濟發(fā)達區(qū)開展了淺層地熱能調查工作。另外，國土部門已經(jīng)對大型地源熱泵工程進行長期監(jiān)測工作，了解工程對地下環(huán)境影響的變化趨勢，及時提出問題，避免出現(xiàn)更大的問題。目前，由國土部門施工的一些大型地源熱泵示范工程已經(jīng)建立地下環(huán)境（巖土或水）溫度場監(jiān)測系統(tǒng)，如用友軟件科技園、地質大廈，友誼賓館等十多處。監(jiān)測時間以及超過3年，其結果表明，地下溫度沒有突出的變化。

記者：要實現(xiàn)對地溫資源的保護是否必須要滿足冬夏平衡，行業(yè)內對大地是否具有自我修復和補給能力頗有爭論，您如何認為？

趙繼昌：關于大地是否具有自我修復和補給能力，首先要從地球的結構談起。地球表層，我們稱為地殼。它的厚度約33km，與我們人類活動密切相關的，目前人類活動能所涉及到的深度只有10km。而涉及地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器的深度不超過深200m，此深度的正常溫度北京地區(qū)為22~24℃。哈爾濱為10~11℃，廣州為27~29℃。當?shù)叵滤虻芈窆軗Q熱器蓄熱或取熱后，地層的溫度發(fā)生明顯變化，當蓄熱（夏季制冷）時，地下積聚大量熱，與此同時，也在不斷地向四周擴散。當進入秋季地源熱泵系統(tǒng)停止工作時，所釋放到地下的熱量開始明顯地擴散、降溫。當冬季取熱時，地層溫度下降，同時，周圍較高的溫度開始向較低的地方（地埋管區(qū)）擴散，補充熱量。到春季地源熱泵系統(tǒng)停止工作時，熱量補充明顯，地埋管區(qū)地溫上升。這一現(xiàn)象是由巖土的物理性質所決定的，但作為巖土體，與其他人造（或水泥、鋼鐵等）材料相比，其密度小，導熱率低，而且，由地層深部補充淺部的大地熱流值低（通常為40~60mW/m²，毫瓦/平方米），使得地下熱量的補充速度較慢。這一特點與地源熱泵地下?lián)Q熱器在較長的時間（3~5個月）內換取大量的熱能是不相匹配的，其結果必將在運行期間，換熱區(qū)的巖土體溫度發(fā)生明顯地（過冷或過熱）變化。國內外的工程實踐表明，在較大工程中，地埋管較集中的換熱區(qū)容易形成（冷熱）能量積累，長期積累的結果，不但對地質環(huán)境（地下水質、孔隙度、微生物）產(chǎn)生影響，而且，對熱泵系統(tǒng)運行效率也將產(chǎn)生影響。而分散式地埋管或較小工程（5000m²以下的建筑物，尤其是別墅區(qū)）換熱區(qū)較容易將地下的熱量擴散，并逐步恢復正常溫度。

    有人稱地下溫度的恢復很緩慢，需要近百年的時間，其實這是一種誤導，這只是理論計算時間，沒有考慮地質條件的特征。我們都知道，根據(jù)熱傳導方程，當溫差大時，溫度擴散速度快，隨著溫差逐漸變小時，溫度擴散速度也逐漸變慢。同時，不論是季節(jié)間，還是年度間，地下溫度的變化是有一定范圍的。當溫差變到其范圍之內時，再追求完全恢復原始溫度是沒有實際意義的。

    還有人說，巖土體只是一個“蓄熱體”它本身沒有能量。其實不盡然，如果不用人工建筑對地下巖土體進行適當?shù)奶幚?，即對巖土體進行隔熱保溫處理，那么，所向地下儲存的（冷熱）能量，只能保存較短的時間。隨著時間的推移，人工儲蓄下的能量要逐漸擴散，溫度逐漸恢復。偌大的巖土體始終在調整本身的能量，以保持與周圍環(huán)境的能量平衡。但還要注意，在單位地質體、單位時間內所提供的能量有限，能量發(fā)生變化時，其恢復速度較慢的特殊性。

    北歐的挪威、瑞典等國家都是利用地源熱泵技術只為建筑物供熱的典型。他們充分考慮到巖土層的熱物性特征，采取了加深地埋管（300-400m），加大地埋管間距（>40m），利用太陽能夏季蓄熱，為冬季補充能量。更重要的方面是供熱建筑物規(guī)模不大（<5000m²,大部分在1000m²以下），建筑物保溫良好，并在生活中盡可能降低能源消耗，減少從大地吸取更多的能量。如果我們在“開源”與“節(jié)流”兩個方面也能做到這樣周密嚴謹，在我國北方（東北、西北、內蒙）地區(qū)也可以實現(xiàn)地源熱泵技術與其他熱源綜合利用，為建筑物供熱。

    記者：近幾年來地源熱泵市場發(fā)展迅速，你認為目前市場的規(guī)范程度如何？還存在哪些問題？怎樣才能保持市場健康快速的發(fā)展？

趙繼昌：目前，國家已經(jīng)出臺了“可再生能源法”，“節(jié)約能源法”，“中華人民共和國水法”，“可再生能源發(fā)展的專項資金管理辦法”，以及地方性政策，如北京市、沈陽、河北省、河南省、山東省、陜西省、內蒙古自治區(qū)、江蘇省以及重慶市等省、自治區(qū)、直轄市分別出臺了關于利用地源熱泵技術開發(fā)深淺層地熱能，為建筑物供熱制冷?？梢娬苿拥責岜眉夹g應用比前幾年有了很大改善。北京市9局委的聯(lián)合文件看出，北京市政府對地源熱泵技術的推廣應用十分重視，市國土資源局還專門下發(fā)了建設地源熱泵工程的審批制度文件，為規(guī)范地源熱泵市場、科學開發(fā)利用淺層地熱能資源提供了保障。同時，為全國提供了監(jiān)管示范。

    但是，大部分省市還沒有建立相關的規(guī)程規(guī)范，在對企業(yè)的管理、市場準入以及工程質量監(jiān)督驗收機制等方面仍存在不健全的問題。在全國層面上尚無統(tǒng)一的法規(guī)性的管理文件，不同程度上影響了地源熱泵技術的科學發(fā)展。

    此外，我國在鼓勵發(fā)展可再生能源方面只有鼓勵政策，而缺乏監(jiān)管機制與相關政策法規(guī)。缺乏市場準入制，地源熱泵市場出現(xiàn)了一哄而起的現(xiàn)象。目前，受經(jīng)濟利益驅動，有些沒有地源熱泵技術的公司也改頭換面，變成地源熱泵工程公司，這些公司技術隊伍良莠不齊，從事地源熱泵工程設計、安裝與施工隊伍中的一些人員，對這項技術處于不清楚的狀態(tài)。其結果直接影響了地源熱泵工程質量，有的已經(jīng)造成工程失敗。

    由于地源熱泵技術屬多專業(yè)的結合，又是新興的行業(yè)，需要多專業(yè)的技術人員密切配合工作，并開展技術攻關，對一些基礎問題開展科學研究，才能達到良好的效果。但目前基礎研究遠落后于工程建設，使地源熱泵工程出現(xiàn)不同程度的質量問題。如缺乏巖土（壤）熱物性特征的了解，缺乏必要的地下監(jiān)測工作；地源熱泵系統(tǒng)設計的冷熱負荷平衡問題；地源熱泵工程的經(jīng)濟合理以及地源熱泵工程的優(yōu)化運行與科學管理等問題。

    為此我建議：一是要逐步建立和健全地源熱泵工程建設的技術審批和工程運行的監(jiān)督管理制度。結合不同地區(qū)的環(huán)境特征，制定地方能源使用種類和區(qū)域布局的專門規(guī)劃，在整體規(guī)劃中加強新型可再生能源的使用力度。二是要逐步開展結合我國特征的、較詳細的相關規(guī)程規(guī)范編制工作。根據(jù)地熱泵技術的多專業(yè)性（如，暖通空調、水文地質、系統(tǒng)控制等），編制綜合性的技術規(guī)程規(guī)范。如編制與地熱泵系統(tǒng)相關的水文地質、工程地質勘察、設計、施工與監(jiān)測規(guī)范，各類工程的系統(tǒng)控制規(guī)范等。三是要建立國家專項基金，大力支持地熱泵技術的研發(fā)力度，不斷研發(fā)新型熱泵產(chǎn)品；開展地下水抽灌動力學及能量平衡研究；深入研究地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱系統(tǒng)對巖土的熱、含水量以及地下水遷移對熱泵系統(tǒng)運行的影響；淺層地溫能的綜合評價方法等。四是要成立國家級多學科專家組，對預建大型地熱泵系統(tǒng)工程，應有計劃地組織開展經(jīng)濟、技術、地質環(huán)境綜合評價。五是對地源熱泵從業(yè)單位，實行市場準入制。對施工和管理人員開展技術培訓。

記者：實現(xiàn)深淺層地熱資源的綜合利用是地源熱泵發(fā)展的趨勢，目前國內的推廣情況如何？這一技術對地質水文條件的要求有什么特殊之處？如何實現(xiàn)進一步的開發(fā)和應用？

    深淺層地熱資源的綜合利用是地源熱泵發(fā)展的深入。深淺層地熱資源的綜合利用就是利用深層地熱為建筑物供熱，經(jīng)過梯級利用后的低溫尾水回灌到淺層，利用地源熱泵技術為夏季制冷的提供能源。因此，這一技術只能在特定的水文地質條件下應用，即在深部（>1000m）擁有較豐富地地下熱水資源，淺部（<200m）以松散砂礫石層為主。如天津地區(qū)就是典型的應用深淺層地熱資源綜合利用的地區(qū)。近年來，天津地區(qū)已經(jīng)建成多個深淺層地熱資源的綜合利用工程，其效果良好。從全國范圍來看，東北地區(qū)的三大油田區(qū)（大慶、扶余和盤錦油田）、黃淮海平原的地熱田區(qū)、西北的祁連山前的構造盆地，以及準格爾盆地油田區(qū)，西南的四川盆地，以及長江中下游平原的地熱田區(qū)等都具有開展深淺層地熱資源綜合利用技術。

    由于這項技術要求從事水文地質專業(yè)的技術人員對該地區(qū)的深淺層地熱資源有充分的了解，并結合地源熱泵技術開展綜合利用。再者，此項技術初投資較大，需要國家在政策方面給以扶持，并給以財政補貼，支持開發(fā)深層地熱資源。由于上述原因，目前，這項技術還不能廣泛推廣應用。但隨著科技的發(fā)展，這項技術更新改造，成本下降，以及人們對它的認知度逐漸提高，在近十年里會有較大的發(fā)展。

    記者：中國資源綜合利用協(xié)會地溫資源綜合利用專業(yè)委員會在促進行業(yè)健康發(fā)展方面做了哪些卓有成效的工作？以后的工作重點在哪些方面？

    我們專委會自2006年以來，每年至少召開2次有關地熱資源與地源熱泵技術結合的論壇、研討會，以及國外地源熱泵技術介紹會。在會議上，政府部門對國家出臺的有關淺層地溫能開發(fā)利用與地源熱泵技術應用的政策法規(guī)以及規(guī)程規(guī)范給以解讀。各企業(yè)、大專院校、科研院所、設計與勘察施工單位重點介紹在實際工程中所遇到的問題及其解決辦法。每次會議我們都注意地質專業(yè)與暖通空調兩大專業(yè)的結合，使得他們在會議上能充分互相了解，有助于對地源熱泵技術的科學應用。同時，配合會議內容，每次會議都正式出版了“地溫資源與地源熱泵技術應用論文集”。使得這些技術在行業(yè)內得到普及與推廣。我們不但著手于國內的可再生能源的開發(fā)利用推廣應用，還要放眼于國際同行，努力引進國外的先進技術，組織有關大專院校，科研院所和生產(chǎn)企業(yè)學習、消化和改進先進技術，盡快提高我國應用地源熱泵技術的科技水平。目前，我們已經(jīng)組織了20多家大專院校、科研院所翻譯了100多篇國際會議的節(jié)能蓄能優(yōu)秀文章（正在出版中），為同行提供先進技術參考。

    今后，我們仍然遵循兩大專業(yè)的結合，有計劃地協(xié)助有關部門開展淺層地熱資源科學利用的規(guī)程規(guī)范的建設，深入開展科學普及與提高的工作。其次，我們將支持多種能源的綜合利用，以及開展能源節(jié)約與管理等方面試點與推廣工作，努力開展國際合作，提高國內地源熱泵技術研究與應用水平。為國家實施節(jié)能減排、保護環(huán)境、發(fā)展低碳經(jīng)濟的策略做一點貢獻。

趙繼昌簡介：

1979-1982年中國地質大學研究生部碩士；

1982-2000年中國地質環(huán)境監(jiān)測院研究員；

1996年-1998年赴法國巴黎第七大學地球物理研究所、圖盧茲（Toulouse）第三大學（Paul Sabatier）地球化學實驗室工作和學習（高級訪問學者）；

2000-2005年《水文地質工程地質》雜志主編、研究員；

2005年-現(xiàn)在中國資源綜合利用協(xié)會地溫資源綜合利用專業(yè)委員會秘書長；

2008-現(xiàn)在擔任《地源熱泵》雜志編委會委員；

公開發(fā)表文章56篇；參與并負責省部級科技攻關課題15項；負責國際合作與國家自然科學基金項目2項2000-2009年。

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