我國城市地質(zhì)工作中淺層地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
近年來，淺層地熱能開發(fā)利用得到迅速發(fā)展，成為節(jié)能減排大軍中一股不可忽視的力量。北京約有2000萬m2的建筑利用淺層地熱能供暖和制冷，沈陽市已超過4300萬m2。北京國家大劇院和奧運村、上海世博會等標志性工程都使用了地源熱泵系統(tǒng)。作為可再生能源之一，淺層地熱能開發(fā)利用工作將成為城市地質(zhì)工作中的重要部分，做好城市地質(zhì)工作中淺層地熱能開發(fā)利用工作，對生態(tài)城市建設(shè)和節(jié)能環(huán)保發(fā)展具有十分重要的意義。
一、我國淺層地熱能
（一）淺層地熱能資源
地熱能是可再生的清潔能源，按照埋藏深度，200米以淺的稱為淺層地熱能，淺層地熱能的溫度略高于當?shù)仄骄鶜鉁?/span>3～5 ℃，溫度比較穩(wěn)定，分布廣泛，開發(fā)利用方便，具有十分廣闊的開發(fā)利用前景。淺層地熱能的利用，主要是通過熱泵技術(shù)的熱交換方式，將賦存于地層中的低品位熱源轉(zhuǎn)化為可以利用的高品位熱源，既可以供熱，又可以制冷。開發(fā)淺層地熱能，可以改善我國能源消費結(jié)構(gòu)，減少二氧化碳排放。
（二）我國淺層地熱能應用潛力
我國淺層地熱能資源十分豐富。最新數(shù)據(jù)表明，我國287個地級以上城市淺層地熱能資源量為每年2.78×1020J，相當于95億噸標準煤。每年淺層地熱能可利用資源量為2.89×1012kWh，相當于3.56億噸標準煤?？鄢_發(fā)消耗電量，則每年可節(jié)能2.02×1012kWh，相當于標準煤2.48億噸，減少二氧化碳排放6.52億噸。到2015年，我國利用的淺層地熱能資源量將達到4.26×1011kWh，相當于5269萬噸標準煤（占我國淺層地熱能可利用資源總量的14.8%）。
（三）地源熱泵技術(shù)
地源熱泵技術(shù)的進步是帶動淺層地熱能開發(fā)利用的關(guān)鍵因素，實踐證明，利用地源熱泵技術(shù)開發(fā)淺層地熱能是實現(xiàn)節(jié)能減排十分有效的途徑。
1912年瑞士人首先提出了地源熱泵技術(shù)，1946年第一個地源熱泵系統(tǒng)在美國俄勒岡州誕生。1974年起，瑞士、荷蘭和瑞典等國政府逐步資助建立了示范工程。20世紀80年代后期，地源熱泵技術(shù)日臻成熟，其節(jié)能和減排效果得到了普遍認可。2010年世界地熱大會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，地源熱泵的年利用能量達到了214782 TJ（1012焦耳），與2005年世界地熱大會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比，五年內(nèi)增長了2.45倍，平均年增長率達到了19.7%。2010年世界地熱大會的統(tǒng)計的地源熱泵的設(shè)備容量為35236 MWt（兆瓦熱量），其在五年間增長了2.29倍，平均年增長率為18.0%。
二、淺層地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀
我國起步較晚，九十年代才引入地源熱泵技術(shù)。清華大學徐秉業(yè)教授把這項技術(shù)引入中國，從此開啟了地源熱泵技術(shù)在中國的發(fā)展潮流。我國利用地源熱泵技術(shù)開發(fā)淺層地熱能與國外相比，雖然起步晚，但發(fā)展很快，其范圍之廣、規(guī)模之大已遠超國外。據(jù)初步統(tǒng)計，目前在全國范圍內(nèi)，除港澳臺地區(qū)外，31個省、市、直轄市、自治區(qū)均有開發(fā)淺層地熱能的地源熱泵系統(tǒng)工程。應用淺層地熱能供暖制冷的建筑物面積1.4億m2，淺層地熱能供暖、制冷的單位（住宅小區(qū)、學校、工廠等）約3400個，80%集中在華北和東北南部地區(qū)，包括北京、天津、河北、遼寧、河南、山東等省市。北京約有2000萬m2的建筑利用淺層地熱能供暖和制冷，沈陽已超過4300萬m2。據(jù)估算，2010年淺層地熱能的開發(fā)利用，使我國二氧化碳減排約2200萬噸。
（一）政策推廣
為促進淺層地熱能開發(fā)利用，北京市、沈陽市和國家有關(guān)部門先后出臺了有關(guān)文件。2006年5月，北京市發(fā)改委等九個部門聯(lián)合印發(fā)了《北京市關(guān)于發(fā)展熱泵系統(tǒng)的指導意見》，對選用地下（表）水地源熱泵的每平方米補助35元，選用地埋管地源熱泵和再生水地源熱泵的，每平方米補助50元。2007年７月，沈陽市出臺了《地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)應用管理辦法》，凡符合城市供熱規(guī)劃和地源熱泵技術(shù)推廣應用規(guī)劃要求，并具備應用地源熱泵技術(shù)條件的新建、改建、擴建項目，以及耗能大的單位，應當建立地源熱泵系統(tǒng)。
2009年7月，財政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)可再生能源建筑應用城市示范實施方案的通知》，對納入示范的城市，中央財政將予以專項補助5000萬元；對推廣應用面積大，技術(shù)類型先進適用，能源替代效果好，能力建設(shè)突出，資金運用實現(xiàn)創(chuàng)新，將相應調(diào)增補助額度，每個示范城市資金補助最高不超過8000萬元?！锻ㄖ分械?ldquo;可再生能源”即為太陽能和淺層地熱能。
此外，各地方政府也先后出臺了一系列發(fā)展地源熱泵技術(shù)的相關(guān)政策和措施。
（二）淺層地熱能資源調(diào)查評價
淺層地熱能資源調(diào)查評價是淺層地熱能利用的基礎(chǔ)工作，決定淺層地熱能利用的科學性和可持續(xù)性。2008年，國土資源部在全國啟動了淺層地熱能調(diào)查評價試點工作，并于當年印發(fā)了《關(guān)于大力推進淺層地溫能開發(fā)利用的通知》，發(fā)布了《淺層地溫能勘查技術(shù)規(guī)范》，成立了淺層地溫能研究推廣中心。國土資源部在2009年制定的《國土資源系統(tǒng)應對全球氣候變化工作方案》和2010年印發(fā)的《關(guān)于做好“應對全球氣候變化地質(zhì)響應與對策”有關(guān)工作的通知》中，又對淺層地熱能調(diào)查評價與開發(fā)利用工作進行了再部署。
自2008年國土資源部下發(fā)了開展淺層地熱資源調(diào)查工作通知后，全國各省（自治區(qū)、直轄市）市根據(jù)《淺層地溫能勘查技術(shù)規(guī)范》分別對轄區(qū)內(nèi)適宜開發(fā)利用淺層地熱能的主要大中城市，以及經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃區(qū)開展淺層地熱能調(diào)查。
目前，此項工作已經(jīng)在各省、自治區(qū)、直轄市國土資源系統(tǒng)進行?，F(xiàn)已經(jīng)完成的有北京市、河北省和天津市等。
重要成果：天津淺層地熱資源調(diào)查評價工作
2009年至2010年，國土資源部和天津市聯(lián)合開展了“天津市淺層地溫能調(diào)查評價與開發(fā)利用”試點工作。試點工作包括淺層地熱能調(diào)查評價、開發(fā)利用規(guī)劃編制、地熱動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)和淺層地熱能利用示范工程建設(shè)等四項工作，試點工作取得了一系列重要成果。
一是全面完成了天津市淺層地熱能資源調(diào)查，查明了天津市淺層地熱能分布特點和賦存條件，評價了資源量和開發(fā)利用潛力。計算出淺層地熱能的可利用資源量為1748萬億kJ，冬季可供暖面積13.4億m2，夏季可制冷面積12.6億m2。每年淺層地熱能可利用資源量全部開發(fā)可節(jié)約標準煤5974萬噸，扣除開采的電能消耗，可節(jié)約標準煤4480萬噸，減少向大氣排放二氧化碳等1.17億噸，減少環(huán)境治理費用15.32億元。
二是在調(diào)查評價的基礎(chǔ)上，結(jié)合天津市社會經(jīng)濟發(fā)展、城市建設(shè)和土地利用規(guī)劃，編制完成了天津市淺層地溫能資源開發(fā)利用規(guī)劃，劃定了開發(fā)適宜區(qū)，分別圈定了適宜地下水、地埋管開發(fā)方式的地段，提出了合理的開發(fā)利用規(guī)模。
三是實施了梅江會展中心等10個具有代表性的淺層地熱能開發(fā)利用示范工程。通過示范工程建設(shè)，提出了工程建設(shè)與管理的標準和要求，為淺層地熱能開發(fā)利用規(guī)范化建設(shè)提供了依據(jù)。10個示范工程項目總供熱、制冷面積約100萬m2，建成后每年可節(jié)約標準煤4萬噸，減少排放二氧化碳等10萬噸。
四是建立了由12個動態(tài)監(jiān)測站、1個試驗場和1個試驗研究基地組成的淺層地熱能動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，制定了《地埋管地源熱泵動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》。
五是為實現(xiàn)統(tǒng)一管理、科學規(guī)劃、有序開發(fā)、合理利用淺層地熱能資源，全面系統(tǒng)地開展了政策研究工作，完成了《淺層地熱能資源開發(fā)利用相關(guān)政策研究》報告和《關(guān)于推進天津市淺層地溫能開發(fā)利用工作的建議》。
（三）可再生能源建筑應用項目示范及城市示范
住房城鄉(xiāng)建設(shè)部2006年啟動了可再生能源建筑應用示范項目，示范項目具有典型性、代表性，技術(shù)類型上以太陽能和淺層地熱能為主。到現(xiàn)在為止成功實行了四批示范項目。四批示范項目371個，第一批25個，第二批57個，第三批130個，第四批159個，總補貼金額約26億元。
住房城鄉(xiāng)建設(shè)部2009年啟動了可再生能源建筑應用城市示范，對納入示范的城市，中央財政將予以專項補助。目前，納入示范的城市有44個，資金補助基準為每個示范城市5000萬元，具體根據(jù)2年內(nèi)應用面積、推廣技術(shù)類型、能源替代效果、能力建設(shè)情況等因素綜合核定，切塊到省。推廣應用面積大，技術(shù)類型先進適用，能源替代效果好，能力建設(shè)突出，資金運用實現(xiàn)創(chuàng)新，將相應調(diào)增補助額度，每個示范城市資金補助最高不超過8000萬元；相反，將相應調(diào)減補助額度。
（四）存在問題
由于淺層地熱能利用較傳統(tǒng)地熱資源利用發(fā)展晚，且涉及多領(lǐng)域、多行業(yè)，開發(fā)利用過程中也存在一些問題。
1.工程前期未進行淺層地熱能資源勘查評價
《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50366-2005)強制要求地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計前，應進行工程場地現(xiàn)狀調(diào)查，并對淺層地熱能資源進行場地勘察。
然而，很多工程設(shè)計前都沒有進行勘察工作，一方面在地下水地源熱泵不適宜區(qū)采用了此換熱方式，造成系統(tǒng)建成后產(chǎn)生耗電量大、系統(tǒng)COP低、運行不穩(wěn)定、回灌困難，甚至系統(tǒng)報廢等問題；另一方面根據(jù)其經(jīng)驗布設(shè)換熱孔，導致大量浪費。
2.設(shè)計參數(shù)依據(jù)不足
部分地源熱泵工程由熱泵提供方進行設(shè)計，一些商家在設(shè)計時，完全憑借經(jīng)驗，以最簡單的估計模式去設(shè)計系統(tǒng)，不少企業(yè)在設(shè)計時并沒有做負荷分析，只是簡單地選擇一個經(jīng)驗數(shù)據(jù)。由于設(shè)計參數(shù)依據(jù)不足，導致一些系統(tǒng)設(shè)計出現(xiàn)“大馬拉小車”或者設(shè)計負荷不足的現(xiàn)象。
3.缺乏可靠的技術(shù)支撐
第一，地下水回灌技術(shù)不夠完善，成井工藝有待提高。地下水地源熱泵工程的成井口徑、填礫層厚度、濾水管類型及濾料的選用對回灌量均有較大影響，大多數(shù)施工單位未掌握回灌井施工技術(shù)，特別是成井口徑、填礫層厚度、濾水管類型及濾料的選用等，造成許多井不能正常回灌。
第二，部分用戶取水系統(tǒng)的設(shè)計、安裝存在一些問題。部分用戶設(shè)備安裝不配套（無測壓管、多無精濾裝置）。熱泵系統(tǒng)安裝密封性差，回灌困難，大部分單位每年都需洗井。
第三，部分用戶水源井地層層位確定存在較大的問題，特別是選用第1I含水組地層做為采灌井利用層位時，普遍存在水位偏淺，回灌困難的問題。
第四，部分熱泵運行管理不夠完善，導致回灌運行管理不規(guī)范。一些單位缺乏基本的常識，近三分之一工程運行不回揚，多數(shù)工程運行記錄不完整（多無抽水及回灌水水溫、水量、水位），有些工程存在混層采灌水的問題。
4.管理體制不健全
淺層地熱能開發(fā)利用行政監(jiān)督管理主體不明確，監(jiān)督管理所依據(jù)的法律、法規(guī)、政策、標準欠缺，造成淺層地熱能開發(fā)利用秩序混亂。主要表現(xiàn)在項目沒有報批登記手續(xù)，不按地質(zhì)條件開發(fā)，施工隊伍資質(zhì)、施工過程監(jiān)管空白，驗收標準不統(tǒng)一。
5.缺乏對淺層地熱能資源開發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測
近年來，全國各地建成了大量的地源熱泵系統(tǒng)，但尚未建立地源熱泵地下?lián)Q熱系統(tǒng)監(jiān)測體系，缺少對地源熱泵系統(tǒng)中溫度、水位、水質(zhì)等動態(tài)變化的監(jiān)測，無法評價淺層地熱能資源開發(fā)利用對地質(zhì)環(huán)境的影響；大多數(shù)地源熱泵工程系統(tǒng)中都沒有安裝必要的節(jié)能計量裝置，如溫度表、流量計、功率表等，使得項目的節(jié)能計算工作存在一定困難，同時也不便于管理部門的進一步節(jié)能評定工作。
三、淺層地熱能開發(fā)利用發(fā)展趨勢
（一）繼續(xù)推進淺層地熱能資源調(diào)查評價工作
推進淺層地熱能資源調(diào)查評價工作是地源熱泵技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，“十二五”期間，淺層地熱能資源調(diào)查評價與開發(fā)利用工作將繼續(xù)成為城市地質(zhì)工作的重點。工作的主要任務(wù)是查明我國主要城市淺層地熱能分布特點和賦存條件，評價資源量及開發(fā)利用潛力，編制開發(fā)利用規(guī)劃，建立監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，推動淺層地熱開發(fā)利用示范城市建設(shè)。
國土資源部“十二五”工作部署中，2012年前將完成省會級城市調(diào)查評價工作，2015年前完成地級市和部分重點縣級城鎮(zhèn)調(diào)查評價工作。2011年29個省會級城市淺層地熱能調(diào)查評價項目年內(nèi)分兩批實施。第一批實施的城市包括石家莊、呼和浩特、沈陽、長春、杭州、合肥、濟南、鄭州、重慶、西安、蘭州、烏魯木齊等12個城市。第二批實施的城市包括太原、哈爾濱、上海、南京、福州、南昌、武漢、長沙、廣州、南寧、?？凇⒊啥?、貴陽、昆明、拉薩、西寧、銀川等17個城市。
其目標是：
（1）初步查清主要大中城市的淺層地熱能賦存、分布特征及相應的水文地質(zhì)工程地質(zhì)特征，測試巖土體熱物性參數(shù)，估算可利用資源量。
（2）開展淺層地熱能利用工程（地下水、地源熱泵系統(tǒng)）適宜區(qū)劃分。
（3）選擇有代表性的1～2個城市建立監(jiān)測實驗區(qū)。對已運行工程進行地下（巖土、水）溫度場的監(jiān)測（至少1個運行周期）工作，評價地源熱泵工程對地質(zhì)環(huán)境的影響，同時記錄運行工況和能耗，計算換熱能效比，檢驗項目節(jié)能效果。
（4）制定相關(guān)技術(shù)標準，建立淺層地熱能開發(fā)利用適宜區(qū)劃分、評價數(shù)據(jù)庫。為合理開發(fā)利用淺層地熱資源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為政府宏觀規(guī)劃與科學管理提供決策依據(jù)。
（5）在調(diào)查評價的基礎(chǔ)上，結(jié)合當?shù)匦姓^(qū)域可再生能源開發(fā)利用中長期目標，編制完成主要城市（鎮(zhèn)）淺層地熱能開發(fā)利用專項規(guī)劃。
（二）加大科研實力和技術(shù)創(chuàng)新
加強相關(guān)技術(shù)研發(fā)與投入，提高淺層地熱能利用效率。
（1）加強淺層巖土熱物性測試的研究；
（2）建立不同地層熱物性數(shù)據(jù)庫；
（3）開展不同換熱方式地下傳熱模型的模擬試驗；
（4）建立地溫場長期觀測，包括換熱井及周圍地層溫度、水位、水質(zhì)以及換熱（換冷）情況，了解（監(jiān)測）其變化規(guī)律，特別是換熱井回灌能力和溫度恢復情況；
（5）觀測地下?lián)Q熱系統(tǒng)的實際換熱（換冷)效果，測量地層熱流值及熱傳導系數(shù)。
（三）積極參與示范城市建設(shè)，帶動淺層地熱能資源開發(fā)利用
在對當?shù)販\層地熱資源調(diào)查評價的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程的具體地質(zhì)環(huán)境，積極開展地源熱泵技術(shù)的推廣應用，建立符合本地實際需求的示范工程，并摸索方法，總結(jié)經(jīng)驗，逐步推廣。積極申報“可再生能源示范城市”，參與示范城市建設(shè)，用好國家專項資金，穩(wěn)步推進以城市為單位的淺層地熱能開發(fā)利用工作。
利用地源熱泵技術(shù)開發(fā)淺層地熱能資源，為建筑物供暖制冷，是符合國家節(jié)能減排這一歷史進程的。隨著這項技術(shù)的不斷發(fā)展，我們將進一步認識到，不斷加強地熱資源調(diào)查評價工作，加大科研力度和技術(shù)創(chuàng)新，積極參與示范城市建設(shè)將是一項具有重大意義并值得持續(xù)推進的長遠工程。
(注：本文根據(jù)陜西四季春•2011第三屆中國地源熱泵行業(yè)高層論壇講話內(nèi)容整理。)
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