地熱能開發利用現狀、機遇與挑戰
刁乃仁 方肇洪
（山東建築大學）
地熱能具有分布面廣、儲集量大、可再生性、清潔低碳、安全可靠等優勢。合理開發利用地熱能，實現清潔供暖，是緩解當前過度依賴化石能源供熱對資源環境造成壓力的有效解決方案。
地熱能從熱能品位高低來分主要分為可直接利用的地熱資源和能夠間接利用的淺、中深層地熱能。這裡主要討論以間接利用為主的淺層與中深層地熱能，不涉及以直接利用為主的水熱型和乾熱巖型的地熱資源。地源熱泵系統作為一種利用地熱能為冷熱源的高效節能系統，二十年來得到了快速推廣與應用。
（一）淺層地熱能開發利用
淺層地熱能屬於可再生的清潔能源，一般是指地表以下200米範圍內。雖然淺層地熱能具有埋藏深度淺、儲藏量大、易於開發等優點，但是由於其品位較低，不能直接被利用，因此往往需要與地源熱泵技術相結合來實現對淺層地熱能的利用。地源熱泵技術的實質是熱泵技術與地下蓄能技術的結合，通常分為地下水源熱泵系統、地表水源熱泵系統以及地埋管地源熱泵系統三種1。
地下水源熱泵系統是以地下水為冷熱源，通常有閉式循環系統以及開式循環系統兩種2。使用該系統的前提條件為該地區具有豐富的地下水資源。但是，如何保證地下水不受汙染以及將地下水完全同層回灌是一個難以解決的問題，因此，隨著地下水資源的保護越來越嚴，其推廣應用受到了較大的限制。
我國江河湖海等水資源十分豐富，地表水源熱泵技術在我國應用較為普遍，尤其是南方地區，應用更廣泛。該系統分為閉式以及開式兩種系統3。這種系統易受地理位置的限制。對於開式的水源熱泵系統來說，如何保證水源的溫度、水量以及清潔度也是系統成功運行的關鍵。而且淺層水體的溫度受氣候的影響較大，在冬季，尤其是我國北方寒冷地區，室外空氣溫度有時會低於冰點，此時淺層水體的溫度較低，使得整個熱泵系統供熱量較少，降低了熱泵系統的COP。
地埋管地源熱泵系統通常為閉式循環系統，通過在地下敷設地埋管，利用介質在埋管內循環流動實現熱泵系統與土壤之間的熱量交換，從而達到為建築物供冷或供暖的目的。地源熱泵系統中地埋管換熱器的形式通常有水平和豎直兩種形式，豎直埋管又分為單U型、雙U型和套管式換熱器等4。
《中國地熱能發展報告2018》報告顯示，截至2017年底，中國地源熱泵裝機容量達2萬兆瓦，年利用淺層地熱能折合1900萬噸標準煤，實現供暖（製冷）建築面積超過5億平方米。
（二）中深層地熱能開發利用
中深層地熱能是指地表以下200米~3000米範圍內，由於地球內部深處放射性物質的衰變從而產生的熱能資源。與淺層地熱能相比，中深層地熱能具有溫度高、熱流密度大的特點，是一種綠色可再生的清潔能源，具有極大開發價值5。由於中深層地熱能溫度較高（可以達到90℃甚至更高），因此，在利用中深層地熱能時僅考慮為建築物供熱。中深層地熱能既可以將地下水提取上來直接利用，又可以通過與熱泵技術相結合實現為建築物供熱的目的。
目前，對於中深層地熱能利用的方式，通常以直接粗略利用和梯級利用居多6。直接粗略利用是將地下水提取上來直接供熱或經過地源熱泵提升熱媒溫度後為用戶供熱。但是由於一次直接供熱所供給的熱量較少，對中深層地熱能的直接利用極其有限，因此對中深層地熱能的利用增設熱泵也是必要的7。與目前應用較為廣泛的淺層地熱能利用方式不同，深孔套管式地埋管換熱器具有佔地面積較少、季節性蓄熱性能以及冬季換熱性能良好等優勢8，適用於北方寒冷地區的冬季供熱，近年來引起了廣泛關注，已進入研究與應用發展階段。陝西省《中深層地熱地埋管供熱系統應用技術規程》自2020年5月10日正式頒布實施。但目前現有相對成熟的理論大多是研究淺孔地埋管換熱器，深孔地埋管換熱器的理論與研究則相對滯後9。
我國與歐美國家相比，基於地源熱泵的淺層地熱能利用技術起步較晚，但發展速度快，日臻成熟。在短短二十年時間內，在理論研究深度、技術開發廣度與工程應用單體規模、總體數量等方面，已達到國際領先水平。2019年啟用的北京大興國際機場地源熱泵工程，為機場250萬平方米辦公場地提供冷熱源。據測算，這一工程每年可節省標準煤21078噸，減少碳排放1.58萬噸。在超大型工程中，地源熱泵淺層地熱能利用技術展現出了良好的社會效益、環保效益和經濟效益。經過二十多年地源熱泵空調系統研究與應用，地源熱泵技術成熟度高；政策法規支持，標準體系規範完善，設計專業化，施工產業化，運維智能化，工程應用量大面廣，系統可靠性高，經濟效益好。地源熱泵技術業已成為「煤改電」清潔供暖的主要方式之一。
中深層地埋管地源熱泵地熱能利用技術是淺層地埋管地源熱泵系統的一種技術創新10，具有佔地少和可利用地溫高的獨特優點，特別適合在寒冷地區應用。這種技術數年前首先在我國進行了探索性的應用嘗試。在此基礎上，近年來在局部區域進行了較大規模的工程應用。已運行的系統總體達到了預期效果。與淺層地熱能利用技術相比，由於鑽孔深度成20~30倍的增加，鑽孔初投資增加的幅度更大，同時理論研究與技術開發尚處於深化完善階段，再加之實際工程運行時間較短，因此，其技術和經濟方面的可行性還有待於更多項目長期運行的驗證和檢驗，對於中深層地埋管換熱器傳熱傳質過程關鍵科學與技術問題的研究有待深化，中深層地埋管換熱器深度、鑽孔間距等主要參數的合理設計及其熱泵供暖系統的科學運行也需要深入研究。
（一）發展機遇
目前，我國地熱能的開發利用已經受到社會多層次多方面的高度關注，從淺層地熱能的地源熱泵技術應用到中深層地熱能供暖，有眾多研究單位、生產企業、工程公司及社會資金積極介入。近二十年地源熱泵空調的推廣應用，大大提高了全社會和普通百姓對該項技術的認知度和認可度；供暖區域南擴，南方更適宜地源熱泵供暖，擴大了地源熱泵供暖的適用範圍；綠色節能建築的大力推廣與普及，大大降低了建築單位面積耗熱量。這為地熱能地源熱泵利用系統，減少峰值負荷、用地空間及初投資奠定了先決條件。城市熱電聯產、太陽能、生物質能與風力發電等可再生能源與常規清潔能源複合能源系統優勢互補，進一步擴大了地源熱泵技術應用範圍，提高了系統能效比。政策法規倡導，國家層面支持，地熱能利用開發已進入新的快速發展階段。
（二）問題與挑戰
地熱能地源熱泵利用技術，在我國應用日益廣泛，由淺層到中深層，由城市到鄉村，單個項目覆蓋的建築面積由幾百平方米到幾百萬平方米，積累了豐富的實踐經驗和大量的成功案例。但另一方面，無論是應用技術，還是基礎研究等方面，還有提升的空間。
1.中深層地熱能利用技術。中深層地埋管換熱器地下傳熱分析涉及固體和流體間耦合的瞬態多維傳熱問題，空間和時間的跨度大，中深層地下蓄熱體熱物性參數複雜，尤其是中深層地埋管群的傳熱分析及其長期運行條件下地埋管間距對換熱量的影響等科技關鍵問題，還需要深入研究，以科學合理確定中深層地埋管長期（十年以上）運行的換熱能力、中深層地埋管群的地埋管間距等重要設計參數。
2.巖土體勘察及其熱物性測定。地下地質構造千差萬別，對現有換熱系統的認識還不足以直接指導地熱能利用技術的改進完善和提升。
3.既有建成地熱能地源熱泵項目，缺乏系統完整的實際應用檢測數據、故障診斷、維修及其結果分析，系統運維的專業化水平有待提升。
4.地熱能利用系統設計、施工、安裝及運維的優質化、精細化、科學化水平有待進一步提高。
5.對地熱能開發利用的資源性條件關注度較高，對需求側建築物系統性條件分析研究不足，二者應統籌考慮。
鑑於以上不足和問題，對我國加大地熱能開發利用的建議：
加大科研支持力度，重點解決地熱能資源開發利用中，尤其是中深層地熱能地源熱泵系統應用中的主要技術問題，為系統精準設計、科學施工、高效運維奠定理論基礎。
提升巖土體尤其是中深巖土層地質結構、大地熱流、地下水滲流以及熱物性的勘查與測試水平，因地制宜科學評價地熱能開發利用的可行性與經濟性，為系統方案設計提供科學依據。
加快健全系統體系化建設和行業標準完善。強化地熱能集成商精準設計、精心施工、精良設備應用的指導與監察。支持設備生產企業技術創新，研發適合地熱能用於村鎮建築供暖的節能效果好、初投資省、智能化水平高的主機與末端設備。
適度給予地熱開發利用項目優惠政策與稅收支持。
地熱能清潔供暖資源豐富，前景廣闊。以低品位能量為主的地熱能最主要利用方式是供熱，供暖又是其中的主要部分。在北方城市，中深層地熱能地源熱泵系統，只供暖，不製冷，採用深度鑽孔埋管，可減少城市用地空間；在鄉鎮，熱用戶密度低，可利用地熱能地域廣，空間大，而且以冬季供暖為主，「溫度對口」，供需匹配。因地制宜推廣地熱能地源熱泵清潔供暖技術，具有廣闊的發展空間。
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原文首發於《電力決策與輿情參考》2020年7月17日第27、28期
審核：齊正平
編輯：李丹丹
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