中科院院士汪集暘：地熱清潔取暖大有可為

作者：汪集暘

汪集暘

地熱是一種清潔低碳、分布廣泛、資源豐富、安全穩定的優質可再生能源，對於我國能源結構轉型發揮著重要作用。

我國北方地區、高原寒冷地區乃至南嶺以南部分地區冬季氣溫低，建築取暖需求大。近10年來，由於化石燃料使用過多，霧霾頻發。對此，國家大力提倡利用包括地熱能在內的清潔能源取暖，霧霾天數逐年減少，大氣環境呈現向好趨勢。

但隨著地熱能產業的發展，一些新的問題不斷湧現。我國地熱取暖產業潛力有多大？未來應當朝什麼方向發展？如何引導產業高質量可持續地發展？本文基於以上問題進行探討，並針對制定我國地熱取暖產業發展戰略提出建議。

我國地熱資源潛力巨大

地熱資源按深度劃分為淺層、中深層和深層地熱資源。淺層地熱能通過鑽孔熱交換器（BHE）及熱泵得以開發利用，其深度範圍一般為200米以淺，包括土壤層及淺層含水層。中深層地熱資源一般介於 200米和 3000米之間，開採系統還可細分為水熱系統中的對流換熱系統（在含水層中布置開採井和回灌井）和傳導換熱系統（深井換熱系統-DBHE）。深層地熱資源埋深通常超過3000米，可分為乾熱巖、水熱系統。

在板塊構造格局的影響下，我國主要沉積盆地的地熱背景由東至西，依次為熱盆、溫盆和冷盆分布。東部的松遼盆地、渤海灣盆地、蘇北盆地等屬於熱盆，地熱資源相對豐富。在沉積盆地地熱系統中，主要熱儲類型有砂巖孔隙型熱儲和基巖裂隙—巖溶型熱儲。其中，基巖裂隙—巖溶型地熱儲的熱流體循環條件更加優越，開發利用潛力更大。

我國碳酸鹽巖的分布總面積佔陸地面積的1/3，裸露面積約為90萬平方千米，隱伏面積達250萬平方千米以上。基於巖溶發育程度的差異，以雄縣地熱系統和蘇北地熱系統為參照，採用類比法估算了全國巖溶熱儲地熱資源潛力，結果為5000~50000億噸標準煤，可見潛力巨大。雄安新區和北京市副中心均在巖溶型熱儲分布的渤海灣盆地內，實測大地熱流值顯示出了雄安新區極好的構造熱背景。未來，在雄安新區和北京市副中心清潔取暖中，地熱資源均將大有作為。

淺層地熱能的利用始於20世紀60年代，近10年來，地源熱泵系統在建築物空調系統中的應用得到了快速發展，並取得了良好的節能效果。由於淺層地熱能儲量巨大和清潔環保，利用熱泵技術，幾乎適用於任何建築物。長三角淺層地熱能地質條件優越，適宜開發，在國家政策和市場需求的推動下，長三角地區地熱取暖產業必將得到快速發展。

地熱清潔取暖技術發展迅速

北方地區清潔取暖比例較低，特別是部分地區冬季大量使用散燒煤及熱效率低下的小型燃煤鍋爐，大氣汙染物排放量大，迫切需要推進清潔取暖。這與廣大群眾生活水平的提高和生活環境的改善息息相關。

地熱取暖是利用地熱資源，使用換熱系統提取地熱資源中的熱量，向用戶供暖的方式，其技術模式按照所利用地熱資源、賦存介質特徵及換熱技術的不同，可以分為淺層地熱能取暖（製冷）模式、水熱型地熱能取暖模式、中深層地源熱泵取暖模式。

地源熱泵技術是一種利用淺層地熱資源的低品位熱源、既可供熱又可製冷的高效節能的空調技術。它能夠實現對建築物三聯供系統的能源供給，是淺層地熱能最主要的開發利用方式。地源熱泵主要分為地埋管熱泵、地下水熱泵和地表水源熱泵等。

中深層水熱型地熱資源一般深度在3000米以淺，由地下水作為傳熱載體，可以通過抽取熱水或者水汽混合物提取熱量。水熱型地熱取暖技術通過開採井抽取地熱水，通過換熱站將熱量傳遞給供熱管網中的循環水，輸送給用戶，溫度降低後的地熱尾水通過回灌井注入地下，實現循環利用。

中深層地源熱泵技術基於同軸雙套管水循環原理，將地熱井內換熱器加熱循環出來的熱水作為熱源進入高溫熱泵機組，通過高溫熱泵機組的提升，達到建築物供熱所需的供水溫度，實現向建築物穩定供暖。它具有節能環保、應用靈活和穩定可靠等優勢，是實現地熱可持續利用的一種重要途徑。但是，單井每延米取熱能力有限，單一熱源的供熱能力有限。該項技術僅在我國個別地區試驗性應用，未來的研究重點是通過鑽孔與儲層的關聯強化、供熱系統效率的優化來提高單井每延米的取熱能力。

地熱清潔取暖產業發展建議

隨著經濟發展和人民生活水平的不斷提高，我國建築面積預計至2050年達到500億平方米，北方冬季取暖是剛性需求，南方有空調製冷的需求。建築取暖和製冷市場巨大，在數萬億元人民幣規模。隨著人們生活水平的提高，對於清潔取暖的追求與日俱增，強大的內需不斷拉動能源消費市場。

在國家層面，政府把清潔取暖提高到國家生態安全的高度來看待，政策導向勢必不斷推動能源轉型和取暖方式的變革。此外，技術進步也為資源利用市場發展提供動力。清潔取暖技術與新風技術的融合，是現代建築風氣的普遍追求目標，而這兩項技術都比較成熟。新興技術也為今後地下、地上結合形成高效可持續的清潔取暖成套技術體系，創造了支撐條件。未來，技術的不斷發展還將帶動資源類型的不斷擴展。比如，地表水源熱泵的大量採用、海水源熱泵的提升，為淺層地熱能的利用帶來新的巨大發展空間。

我國地熱資源的開發利用在「政、產、學、研、用」的共同努力下進展迅速，成績斐然。但是，在地熱開發熱潮下，也產生了一系列問題，如管理政策不完善、發展方向不明確、人才不足等。

為促進地熱清潔取暖產業發展，筆者建議，首先應加強地熱能開發的頂層設計。地熱只是可再生能源大家庭中的一員，必須放在可再生能源發展的大局中去規劃。要在國家層面上，充分考慮我國各個地區的地熱稟賦與冷熱需求，做好宏觀規劃。同時，還要在管理政策上加以完善，制定地熱管理辦法，明確管理部門，避免多頭管理。出臺優惠措施，鼓勵和保護企業實施地熱取暖；加強監管，對違法違規企業加大處罰力度，規範市場。

其次應明確地熱資源開發思路，「熱」「電」並舉、西「電」東「熱」——在高溫地熱豐富的西部地區優先發展地熱發電，在東部地區則優先發展地熱取暖；「深」「淺」結合、由「淺」及「深」——從淺層地熱資源開發，逐步深入；「幹」「溼」有度、先「溼」後「幹」——現階段不宜不計成本地開發乾熱巖，而應優先用好水熱資源；「天」「地」合一、「動」「靜」結合——充分發揮「地熱+」的模式，與太陽能、風能等可再生能源互補聯動。

最後應全面推進人才隊伍建設。自20世紀70年代以來，我們已經培養了一批專業技術人才，為我國地熱產業發展做出了顯著貢獻。但我國地熱市場規模巨大，相關企業有數千家之多，隨著未來地熱清潔取暖市場的進一步擴大，從科研、管理到技術，人才匱乏現象愈發顯著。因此，高校和企業應當加大地熱專業人才培養力度，打造常態化和可持續化的人才培養體系，為地熱產業提供充足的人才支撐。

（作者系中國科學院院士）

《中國科學報》 (2020-09-02 第3版 能源化工)