淺議中國淺層地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀及對策建議

沈 軍， 劉 徽， 余國飛， 尚世超， 張超宇

(湖北省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊,湖北 大冶 435100)

淺層地熱能又稱淺層地溫能,一般是指蘊藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)未受污染的巖土體、地下水和地表水中,具有可開發(fā)利用價值的溫度低于25 ℃的熱能[1-2]。

淺層地熱能具有可循環(huán)再生、清潔環(huán)保、分布廣泛、儲量巨大、埋藏較淺、可就近開發(fā)利用等特點,作為化石能源的替代資源,通過地源熱泵技術(shù)進行開發(fā)利用,能夠有效減少二氧化碳和污染物排放[3]。鑒于淺層地熱能具有眾多優(yōu)勢,特別適合于建筑物的供暖與制冷,對于緩解能源短缺和溫室效應(yīng)等問題具有廣闊的前景[4-6]。

隨著傳統(tǒng)能源的緊缺和人們對清潔能源的重視以及熱泵技術(shù)的日益成熟,加之中國淺層地熱能資源較為豐富,淺層地熱能的開發(fā)利用在中國城市地區(qū)得到了快速發(fā)展,但開發(fā)利用過程中的問題也日益凸顯,將制約淺層地熱資源的可持續(xù)利用。

1 中國淺層地熱能資源概況

據(jù)《中國地熱能發(fā)展報告(2018)》,中國地質(zhì)調(diào)查局“十二五”期間組織完成了中國地熱資源調(diào)查評價工作,評價顯示中國大陸336個主要城市淺層地熱能資源豐富,年可開采量折合標煤可達7×108t,可實現(xiàn)供暖或制冷面積為320×108m2,最適宜開發(fā)利用淺層地熱能的地區(qū)主要集中在長江中下游平原和黃淮海平原。

中國地調(diào)局淺層地溫能研究與推廣中心在“2019(第十五屆)中國分布式能源國際論壇”發(fā)布數(shù)據(jù)顯示,中國中東部143個主要城市淺層地熱能年可開采量折合標煤4.6×108t,可實現(xiàn)供暖或制冷面積210×108m2。其中,長三角26個主要城市年可開采標煤1.4×108t,可實現(xiàn)冬季供暖面積52.1×108m2,夏季制冷面積39.4×108m2;京津冀13個主要城市年可開采量折合標煤0.92×108t,可實現(xiàn)冬季供暖面積29×108m2,夏季制冷面積35×108m2。

2 地熱能資源開發(fā)利用方式

淺層地熱能主要通過地源熱泵技術(shù)進行開發(fā)利用,將賦存在地表水、地下水或巖土體中的低位熱源轉(zhuǎn)化為可以利用的高位熱源,用于供熱(制冷)。地源熱泵系統(tǒng)由建筑物內(nèi)系統(tǒng)、地熱能交換系統(tǒng)、水源熱泵機組三部分組成,根據(jù)交換系統(tǒng)形式的不同,可以分為地表水地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)。目前最主要的利用方式是地埋管地源熱泵系統(tǒng)和地下水地源熱泵系統(tǒng)。

2.1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)

地埋管地源熱泵系統(tǒng)由傳熱介質(zhì)通過水平或豎直的土壤換熱器與巖土體進行熱交換的熱泵系統(tǒng),通過傳熱介質(zhì)在封閉的地下埋管中流動,利用土壤巨大的蓄熱蓄冷能力,將地下土壤中的熱量進行轉(zhuǎn)移,從而實現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。地埋管地源熱泵系統(tǒng)受地下水量的影響較小,基本不會造成地下水破壞或污染,系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性強,能夠達到節(jié)能減排的目的[7]。

2.2 地下水地源熱泵系統(tǒng)

地下水地源熱泵系統(tǒng)將地下水作為低品位熱源,利用少量的電能輸入,實現(xiàn)低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移,從而達到供熱或供冷的一種系統(tǒng)。地下水地源熱泵系統(tǒng)適合于比較豐富、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的地下水資源地區(qū)。它的優(yōu)點是系統(tǒng)的水井占地面積小、綜合造價低、簡便易行,并可以滿足大面積建筑物的供暖制冷的需要。

2.3 地表水地源熱泵系統(tǒng)

地表水地源熱泵系統(tǒng)利用熱泵技術(shù),將池塘、湖泊或河流中的地表水作為低品位熱源,通過少量的高品位電能輸入,實現(xiàn)低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移,從而達到供熱或供冷的一種系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有簡便易行、初投資較低的優(yōu)點,但地表水溫度受氣候的影響較大,影響熱泵的供熱量和性能系數(shù)。

上述三種地源熱泵系統(tǒng)都有著高效、節(jié)能、環(huán)保、無污染的優(yōu)點,運行過程中可以有效減少二氧化碳、無氮氧化物、二氧化硫和煙塵的排放。

3 淺層地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀

中國于20世紀80年代開始對地源熱泵技術(shù)進行研究,并于90年代啟動了北京、寧波、廣州等一批城市的示范工程,近年來開始大量應(yīng)用于淺層地熱能的開發(fā)利用[8]。中國在2000年利用淺層地熱能供暖(制冷)的建筑面積僅為10×104m2,隨著應(yīng)對氣候變化和節(jié)能減排行動,淺層地熱能開發(fā)利用進入高速發(fā)展階段,2004年達767×104m2,2010年以后年均遞增速度達到28%。

目前,中國地源熱泵的發(fā)展速度和淺層地熱能開發(fā)利用量已領(lǐng)跑世界。據(jù)2015年世界地熱大會統(tǒng)計數(shù)據(jù),中國2010年淺層地熱能年利用量位居全球第二,2015年淺層地熱能利用量位居全球第一。中國的淺層地熱能主要用于住宅小區(qū)、商場、企事業(yè)單位辦公樓等建筑物的供暖(供冷)。

截至2017年底,中國地源熱泵裝機容量達2萬兆瓦,位居世界第一,年利用淺層地熱能折合1 900×104t標煤,實現(xiàn)供暖制冷建筑面積超過5×108m2。主要分布在北京、天津、河北、遼寧、山東、湖北、江蘇、上海等省市的城區(qū)。

4 淺層地熱能開發(fā)利用存在的問題

淺層地熱能的開發(fā)利用在中國取得了明顯成效,但由于發(fā)展時間短,且涉及多領(lǐng)域、多行業(yè),部分工程質(zhì)量欠優(yōu),區(qū)域性發(fā)展很不平衡,開發(fā)利用過程中存在一些問題,亟待深入研究和解決,否則將制約淺層地熱資源的科學(xué)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[9]。

4.1 開發(fā)利用與勘查評價脫節(jié)

地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計前,需要按照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366—2005)要求開展工程場地現(xiàn)狀調(diào)查,并進行淺層地熱能資源的場地勘察。但是,部分工程在設(shè)計施工前未開展場地勘察工作和負荷分析工作,僅根據(jù)經(jīng)驗或類比布設(shè)換熱孔,或只是簡單地選擇一個經(jīng)驗數(shù)據(jù),其開發(fā)利用方案的選定缺乏科學(xué)依據(jù),導(dǎo)致開發(fā)規(guī)模與資源條件不匹配,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,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[5,9]。

4.2 開發(fā)利用初始投資成本過高

由于淺層地熱能開發(fā)主要利用地源熱泵技術(shù),熱泵技術(shù)的經(jīng)濟效益與淺層地熱能的開發(fā)前景息息相關(guān)。其經(jīng)濟效益指標主要包括初始投資、運營成本和投資回收期。由于初始投資成本涵蓋范圍較廣,如前期論證費、鉆孔費用、土建工程費用、設(shè)備購置費、安裝費等,其綜合成本較高,嚴重阻礙淺層地熱資源的開發(fā)利用[10]。

4.3 實施標準不健全

目前,中國淺層地熱能開發(fā)利用技術(shù)主要參考的是《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366—2005),該標準內(nèi)容重點針對熱泵工程技術(shù)方面,基本不含巖土體、地下水和地表水有關(guān)內(nèi)容,熱泵換熱技術(shù)與水文工程地質(zhì)技術(shù)融合不足,不足以很好地支撐熱泵工程施工,達到預(yù)期換熱效果。

4.4 開發(fā)利用過程中環(huán)境動態(tài)監(jiān)測缺位

長期開發(fā)利用淺層地熱能,如果地下水徑流條件較差(或為非飽和巖土體),將改變原有地下熱平衡,導(dǎo)致局部“冷堆積”或“熱堆積”,影響供暖(制冷)效果;當使用地下水作為冷熱源時,對回灌地下水的質(zhì)量要求高,且回灌比抽水困難,為降低施工成本,一些供應(yīng)商不遵守工程技術(shù)要求,使用只抽不灌或者多抽少灌的開發(fā)利用模式,導(dǎo)致了地下水資源的浪費或含水層的破壞,甚至可以誘發(fā)地面沉降等地質(zhì)環(huán)境問題,但目前國內(nèi)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中還缺乏針對淺層地熱能開發(fā)的動態(tài)監(jiān)測點。

5 淺層地熱能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展對策建議

淺層地熱能是一種理想的“綠色環(huán)保能源”,熱泵技術(shù)亦是一種“綠色環(huán)保技術(shù)”,為充分發(fā)揮其綠色環(huán)保、節(jié)能降耗的功能,積極推進中國淺層地熱能可持續(xù)的開發(fā)利用,筆者從以下四個方面提出建議。

5.1 系統(tǒng)勘查評價,科學(xué)規(guī)劃建設(shè)

系統(tǒng)的勘查評價是科學(xué)制定淺層地熱能開發(fā)利用方式適宜性區(qū)劃前置條件。地質(zhì)體的導(dǎo)熱性能和富水性等直接影響著淺層地熱能的分布、規(guī)模、運移規(guī)律、品位高低及開發(fā)利用方式,地質(zhì)環(huán)境組成、流體的活動能力、巖土固體顆粒的熱傳導(dǎo)能力與淺層地熱能開發(fā)利用工程中采集和放熱能力、強度也存在直接關(guān)系。因此,考慮一個地區(qū)淺層地熱能開發(fā)利用前景時,首先需要掌握該地區(qū)的地質(zhì)背景條件,從而把握淺層地熱能地質(zhì)條件和地溫場分布,為淺層地熱能開發(fā)利用規(guī)劃和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

5.2 做好引導(dǎo)示范,促進良性發(fā)展

淺層地熱能開發(fā)利用前期投資相對較高,但具有清潔、高效、節(jié)能和運行管理費用低等特點,具有廣闊開發(fā)利用前景。政府應(yīng)出臺相關(guān)政策法規(guī),鼓勵和大力支持其開發(fā)利用。在中央財政層面,可調(diào)撥部分可再生能源發(fā)展專項資金用于示范區(qū)的淺層地熱能的開發(fā)利用,起到引導(dǎo)示范作用;各級地方政府可以借鑒北京市政府的做法,在地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用方面給予大力支持,激發(fā)和調(diào)動各方面開發(fā)利用淺層地熱能的積極性。

5.3 制定實施標準,規(guī)范行業(yè)行為

(1) 通過系統(tǒng)搜集地源熱泵工程運行中監(jiān)測的各類數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)的問題,不斷總結(jié)經(jīng)驗,加強熱泵換熱技術(shù)與水文地質(zhì)技術(shù)融合,建立系統(tǒng)勘查評價、過程實施標準,促進地源熱泵換熱技術(shù)健康發(fā)展;

(2) 落實淺層地熱能勘查評價和地源熱泵項目建設(shè)單位市場準入制,強化從業(yè)人員技術(shù)培訓(xùn)，落實持證上崗等制度,制定地源熱泵技術(shù)檢測認證、設(shè)計、施工、運行認證體系和信息統(tǒng)計系統(tǒng)等實施標準,規(guī)范淺層地熱能勘查評價體系,加強熱泵系統(tǒng)換熱過程對地下環(huán)境影響評價,從而保障淺層地熱能的可持續(xù)開發(fā)利用。

5.4 通過長期監(jiān)測,降低負面影響

加強監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè),為淺層地熱能合理開發(fā)利用提供基礎(chǔ)支撐。大地熱流、地溫和地下水等長期動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅是淺層地熱能資源評價必需的基礎(chǔ)資料,也是不斷優(yōu)化開發(fā)規(guī)劃布局、避免出現(xiàn)資源與環(huán)境問題的重要依據(jù)[11]。建議在淺層地熱能已開發(fā)利用地區(qū),選擇不同開發(fā)利用類型的典型區(qū)域,進行地下?lián)Q熱系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測,通過長期監(jiān)測,及時掌握水土質(zhì)量、地溫及地面變形等動態(tài)變化,并及時采取防治措施,從而預(yù)防地質(zhì)環(huán)境問題的發(fā)生,同時也為評價淺層地熱能、優(yōu)化地下?lián)Q熱系統(tǒng)工程設(shè)計、完善技術(shù)標準和保護資源環(huán)境提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。