地?zé)豳Y源綜合開發(fā)利用的研討

白志鴻，陳秋橋

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，鄭州 450000）

當(dāng)前，我國主要采取燃燒化石燃料的方式進(jìn)行取暖，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，也導(dǎo)致許多環(huán)境污染問題[1]。因此，開發(fā)和利用新能源變得尤為重要。作為一種綠色、可再生能源，地?zé)豳Y源越來越受到人們的關(guān)注和重視。

1 地?zé)豳Y源概述

地?zé)豳Y源是指能夠?yàn)槿祟愃玫奶N(yùn)藏在地球內(nèi)部的一種天然熱能資源。地?zé)豳Y源是一種可再生的清潔能源，具有清潔環(huán)保、用途廣泛、穩(wěn)定性好、可持續(xù)利用等特點(diǎn)，不受季節(jié)、氣候、晝夜變化等外界因素干擾，是一種具有競爭力的新能源。當(dāng)前，人們的環(huán)保意識(shí)日漸增強(qiáng)，傳統(tǒng)能源卻日趨緊缺，地?zé)豳Y源的開發(fā)利用愈來愈受到青睞。

我國地?zé)豳Y源儲(chǔ)量十分豐富，根據(jù)原國土資源部在“十二五”期間的地質(zhì)調(diào)查，中國地?zé)豳Y源年可開采量折合26 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤。按照埋藏深度，地?zé)崮芊譃?00 m 以內(nèi)的淺層地溫能、200 ～3 000 m 的水熱型和3 000 ～10 000 m 的干熱巖型三種。全國336個(gè)地級(jí)以上城市淺層地?zé)崮苣昕砷_采資源量折合7 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，可實(shí)現(xiàn)建筑物夏季制冷面積326 億m2，冬季供暖面積323 億m2；全國水熱型地?zé)豳Y源量折合1.25 萬億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，年可開采資源量折合18.65 億t標(biāo)準(zhǔn)煤，以中低溫為主，高溫為輔；干熱巖資源量折合856 萬億t 標(biāo)準(zhǔn)煤。

2 地?zé)豳Y源綜合開發(fā)利用的方式

地?zé)豳Y源的開發(fā)利用可分為發(fā)電和直接利用兩個(gè)方面。高溫地?zé)豳Y源主要用于發(fā)電；中溫和低溫地?zé)豳Y源則以直接利用為主；對于25℃以下的淺層地?zé)崮?，可利用地源熱泵進(jìn)行供暖和制冷[2]。其中，淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用技術(shù)已較為成熟，本文主要介紹淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。

對淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，主要是借助地源熱泵技術(shù)，提取淺層地?zé)崮?。地源熱泵系統(tǒng)是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱制冷系統(tǒng)。根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地下水地源熱泵系統(tǒng)、地表水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

2.1 地下水地源熱泵系統(tǒng)

地下水地源熱泵系統(tǒng)包括熱源端、熱泵設(shè)備以及用戶端三個(gè)部分。其中，熱源端大都由抽水水井和回灌水井兩個(gè)部分組成，通過抽水泵的作用將水井中的水抽出，而后根據(jù)實(shí)際需求經(jīng)過熱泵裝置對溫度進(jìn)行調(diào)整后通過運(yùn)輸裝置將其輸送到用戶端，在達(dá)到預(yù)期的供暖或制冷效果的同時(shí)將作用后的地下水回灌到井中，確保地下水資源總量不發(fā)生明顯改變，保證各儲(chǔ)水層的相對穩(wěn)定，在保護(hù)地下水環(huán)境的同時(shí)達(dá)到預(yù)期的供熱制冷效果[3]。在地下水地源熱泵運(yùn)行環(huán)節(jié)，通常是通過地下水回轉(zhuǎn)的方式針對淺表地下水的能源進(jìn)行采集，但是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，由于地下水的成分比較復(fù)雜，容易對管道產(chǎn)生一定的損傷，所以在這一環(huán)節(jié)應(yīng)針對地下水的運(yùn)行模塊添加一定的防腐蝕措施，確保不會(huì)對后續(xù)的運(yùn)行造成影響，同時(shí)達(dá)到預(yù)期的資源利用效果。

2.2 地表水地源熱泵系統(tǒng)

地表水地源熱泵系統(tǒng)是將地表水用作熱泵的低溫?zé)嵩?，通過布置在水底的閉合換熱系統(tǒng)進(jìn)行冷熱交換。此種系統(tǒng)適合于中小制冷供暖面積、臨近水邊的建筑物。利用池水或湖水下穩(wěn)定的溫度和顯著的散熱性，不需鉆井挖溝，初期投資最小，但需要建筑物周圍有較深、較大的河流或水域[4]。這一系統(tǒng)可以劃分為打開式的地表水地源熱泵系統(tǒng)和封閉式的地表水地源熱泵系統(tǒng)兩種模式。前者與上述地下水地源熱泵系統(tǒng)相近，而封閉式的地表水熱泵系統(tǒng)則相對更加類似于地埋管式的地源熱泵系統(tǒng)。

2.3 地埋管地源熱泵系統(tǒng)

這種熱泵的結(jié)構(gòu)組成大多數(shù)情況下與封閉式的地表水地源熱泵系統(tǒng)類似，區(qū)別僅僅體現(xiàn)在水源汲取方式上。地埋管熱泵系統(tǒng)通常都是通過一個(gè)相對封閉的系統(tǒng)將水源從地下抽取出來，避免水源與外界的物質(zhì)相接觸，降低其在傳輸過程中的能源損耗，最大程度上提升其熱交換的比例。相對于打開式的地表水地源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)減少了水源與外界環(huán)境之間的接觸，具備較好的封閉效果，能夠更加獨(dú)立地保障水源系統(tǒng)的運(yùn)行，降低能源采集環(huán)節(jié)對外界環(huán)境的影響，同時(shí)帶來更大的能源效益。這種地源熱泵系統(tǒng)可以分為豎直埋設(shè)的地源熱泵系統(tǒng)和水平埋設(shè)的地源熱泵系統(tǒng)兩種，人們應(yīng)根據(jù)不同施工現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行選擇，從而獲得更好的效果，提升地表熱源的利用率。值得注意的是，在地埋管操作環(huán)節(jié)，管線埋設(shè)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致地溫異常，對施工區(qū)域造成負(fù)面影響，引發(fā)一系列環(huán)境問題。

3 地?zé)豳Y源綜合開發(fā)利用的現(xiàn)狀

我國地?zé)豳Y源開發(fā)利用雖然起步較晚，但發(fā)展很快，20世紀(jì)90年代引入地源熱泵技術(shù)，目前該技術(shù)的應(yīng)用范圍已擴(kuò)展至31 個(gè)省級(jí)行政區(qū)（不含港澳臺(tái)）。截至2017年底，全國地源熱泵裝機(jī)容量達(dá)2萬MW，年利用淺層地?zé)崮苷酆? 900 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤，實(shí)現(xiàn)供暖制冷面積超過5 億m2[5]。下面將結(jié)合我國某省的地?zé)豳Y源綜合開發(fā)利用情況進(jìn)行分析，以期推動(dòng)地?zé)豳Y源的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用。

3.1 我國某省的地?zé)豳Y源綜合開發(fā)利用背景

某省位于我國中部地區(qū)，地處淺層地?zé)豳Y源的綜合開采區(qū)域，截至目前，該省已經(jīng)完成了十個(gè)地市的地源熱泵安裝，其運(yùn)行情況如表1所示。

表1 我國某省地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行情況

由表1可以看出，該區(qū)域的地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模較大，運(yùn)行情況總體良好，說明地源熱泵技術(shù)是一種可靠的、值得大力推廣的可再生能源利用技術(shù)。地下水地源熱泵系統(tǒng)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地埋管地源熱泵系統(tǒng)，其原因是地下水地源熱泵系統(tǒng)施工標(biāo)準(zhǔn)比地埋管地源熱泵系統(tǒng)低，同時(shí)能夠保證后續(xù)運(yùn)營環(huán)節(jié)獲得相似的使用效果，具備更加明顯的價(jià)格優(yōu)勢[6]。另外，部分熱泵已經(jīng)停用，走訪調(diào)查得知，主要原因是熱泵運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)磨損，部分熱泵維護(hù)公司經(jīng)營不善。例如，在停用區(qū)域，地下水的泥沙含量普遍較高，同時(shí)水溫、水量不足，嚴(yán)重影響地源熱泵系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 地?zé)豳Y源綜合開發(fā)利用的問題及前景

目前，我國能源結(jié)構(gòu)中，地?zé)崮苷急热匀惠^小，在發(fā)電、供暖等方面還有很大的發(fā)展空間。地?zé)豳Y源的開發(fā)利用不僅需要國家政策的支持，還需要專業(yè)的地勘隊(duì)伍、先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)等[7]。近年來，我國結(jié)合自身實(shí)際情況，探索出一系列地?zé)豳Y源綜合開發(fā)利用模式，但是實(shí)際開發(fā)環(huán)節(jié)仍舊存在明顯的問題。例如，地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)階段大都采用復(fù)制的方式，將以往成功案例套用于新的施工項(xiàng)目上。這樣雖然能夠基本達(dá)到預(yù)期的施工效果，但是人們忽視了不同區(qū)域的實(shí)際地質(zhì)情況，很容易造成熱能儲(chǔ)量不夠、水溫不達(dá)標(biāo)等問題，影響地源熱泵系統(tǒng)的構(gòu)建。對此，應(yīng)盡快梳理相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，以更好地滿足后續(xù)的建設(shè)需求。在地源熱泵系統(tǒng)的使用過程中，人們應(yīng)重視其與開發(fā)總量的適配，使冬季的取熱量與夏季的熱量儲(chǔ)備相近，最大程度上確保熱泵系統(tǒng)能夠循環(huán)應(yīng)用，避免因熱泵系統(tǒng)的建設(shè)影響施工區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。

地?zé)豳Y源作為一種儲(chǔ)量大、分布廣的可再生能源，可以為我國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供能源保障，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。近年來，常規(guī)能源問題不斷顯現(xiàn)，環(huán)境問題也越來越突出，如溫室效應(yīng)、霧霾頻發(fā)等，倡導(dǎo)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展的呼聲日趨高漲[8]。我國越來越重視地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，相繼出臺(tái)了很多扶持政策，因此地?zé)豳Y源的開發(fā)利用具有較好的發(fā)展前景。

4 結(jié)語

隨著我國新型能源開發(fā)、研究的不斷深入，地?zé)豳Y源作為一種清潔能源，將成為未來新能源的重要組成部分。開發(fā)利用地?zé)豳Y源時(shí)，人們應(yīng)格外關(guān)注周邊的地質(zhì)情況，積極推廣應(yīng)用高新技術(shù)，提高地?zé)衢_發(fā)的科技含量，發(fā)展節(jié)約型、效益型的開發(fā)利用模式，努力提高利用率，減少資源浪費(fèi)。在當(dāng)今時(shí)代背景下，地?zé)豳Y源的開發(fā)利用已經(jīng)成為能源行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是解決目前大氣污染問題、實(shí)現(xiàn)碧水藍(lán)天的有效手段，是創(chuàng)建綠色、低碳、節(jié)約、集約的生態(tài)文明社會(huì)的有效途徑。