吴刚：以科技创新破解地热回灌难题

近年来，随着我国能源结构的不断调整，清洁能源的开发利用越来越受到重视与鼓励。作为目前成熟的浅层地热利用方式的地源热泵技术，有着独特的低碳环保特征，其能效比其他常规供暖制冷技术可节能50%～60%、运行费用可降低30%～70%，而且不排放任何废弃物，越来越受到关注。

地热能储层像一个巨大的热能调蓄器，利用热泵系统给建筑物供暖、制冷，冬季从地层中取出热量给建筑物供暖，夏季吸收建筑物的热量释放到地层中储存。这样，全年中建筑物冬季采暖所需的热量，总体上可与来自地球深部的传导热量和夏季储存的热量实现平衡，使浅层地热能源能够实现可持续利用，达到取之不尽、用之不竭的效果。

浅层地热能是指地下200米以内土壤和地下水中所蕴藏的地温热能，一年四季温度在16℃～20℃恒定不变，相当于一个丰富的地热矿藏。采用热泵技术进行采集利用后，可供所有城市和乡镇的清洁能源供热。与其他能源相比，浅层地热能具有分布广泛、可循环再生、储量巨大、可就近利用等优点。

据了解，我国287个地市级以上城市浅层地热可利用资源能量相当于每年3.5亿吨标准煤，如全部有效开发利用，每年可以节约标准煤2.5亿吨，减少排放二氧化碳5亿吨，浅层地热的开发利用具有广阔的市场前景。

多年来，我国高度重视新能源，尤其是地热能的开发利用。国务院办公厅下发的《能源发展战略行动计划（2014—2020 年）》中明确指出，要大力发展清洁可再生能源——地热能，优化能源结构，到 2020 年，地热能利用规模达到5000 万吨标准煤；推进能源消费革命，制定城镇综合能源规划，鼓励有条件的地区发展地热能供暖。

今年1月15日，国家能源局发布《可再生能源发展“十三五”规划》，明确提出要加快地热取暖力度。随后，国家发改委、国家能源局及国土资源部联合发布《地热能开发利用“十三五”规划》（以下简称《规划》），这是我国首个地热产业规划，是地热产业发展的里程碑。《规划》 提出，在“十三五”时期，新增地热能供暖（制冷）面积 11亿平方米，新增地热发电装机容量 500MW。

地热能作为一项清洁能源，政策的推动和社会的需求给地源热泵行业带来了很大发展机遇。目前，我国多个城市积极探索地热能的开发和利用，其中，以地热为主的集中供热以代替燃煤的河北省雄县被国家能源局确定为雄县模式，从而建成华北地区首座无烟城。而同样，郑州浅层地热能潜力也是非常巨大。郑州供暖潜力为453.32万/m2/Km，制冷潜力为319.23万/m2/Km。

政策的助推为行业发展带来新的活力，然而当前业内存在的问题亦有不少。虽然地源热泵技术越来越被人们认可，但地下水不能完全回灌，却是地源热泵应用中存在的重要问题之一，也是目前国内外在该领域研究的热点。

自本世纪初，国内曾大力引进地下水源热泵技术，并在北京、山东、河南、辽宁等地相继建成了为数众多的地下水源热泵工程，应用范围尤为广泛。但在两三年以后，这些项目大多出现了严重的问题——井的堵塞造成地下水不能有效回灌，引起地面沉降，能效降低，系统寿命比预期缩短许多，以至于人们一听到“地热能”三个字，就直摇头。

诚然，地热水的大量集中开采会因其埋藏深度大、补偿缓慢、再生速度不快而使地热水水位下降形成地面沉降和人为意义上的资源匮乏，如果能实现地热尾水回注，那就可以让地热资源长久不衰、长期享用。这个最有效的途径就是回灌，也就是将使用过的已降温的热水重新注入到砂岩含水层中。

地下热能资源非常丰富，水只是作为热能载体，要充分利用地热资源，采取一次性开采地热水的方法是极为有限的，弃水回注是目前国际上解决地热水位下降，延长地热使用寿命的最好方法，通过回注形成良性循环状态，在循环过程中，地热水不断将地球深部热能带到地表，从而使地热能得到持续利用。

“单井闭式同层全回灌专利技术”就是在这种情况下研发出来的。该技术利用专业的钻探设备从地层表面往下钻成孔，800～1000mm左右，深度为200m以内，成孔后进行数据测定，根据电测各岩土层部分数据对地下各岩土层进行精确的计算，通过科技创新技术采取自然正压差设计与真空负压相结合，以传导和对流两种方式交换岩土中的能量，能有效解决常规水源热泵系统回灌问题。同时，该技术保证了百分之百全部回灌，设备与地下岩土采用闭式循环回路长期永久循环采集，单井出水量5吨可根据地质情况采用50t～100t水泵循环利用，可适用任何地质和少水地区使用，而且在循环1年后根据地质情况能效还可提高20%～30%以上。

采用浅层地热能单井闭式同层全回灌高效换热系统对建筑物进行供暖制冷，是目前最佳的节能、环保技术，它填补了浅层地热能百分之百闭式同层全回灌的空白，彻底解决了老式单井回灌的所有缺陷，具有绿色低碳、清洁环保、可再生、分布广、高效节能、闭式循环无污染、只取热不取水、钻井数量少、无移砂等优势，而且还具有初装及运行费用低（水泵功率同等流量时可减少电耗达到50%左右）、维护简便、质量可靠、使用寿命长等优点，是解决水源热泵系统回灌问题的最佳配套技术。

在节能节电方面，该技术重新树立了行业新标杆。由于浅层地温略高于当地平均气温，比较恒定，冬季供热时温度比环境温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比提高；夏季供冷时，温度比环境温度低，冷却效果提高，机组效率也提高。地源热泵的制冷制热系数可达5.0以上。与传统的空气源热泵相比，高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50%～60%，与电热锅炉和电热膜供热相比，可节约70%左右的电能。

此外，在系统完工后，每口井只占用地面一个井盖的面积约0.8平方米，可设在道路、花坛、绿化带里，不影响景观和交通。适用地域也是相当广泛，特别适用于各类居民建筑大面积供暖制冷，生活热水及车站、机场、地铁站、医院、学校、酒店、办公楼、工农业生产和各类公用建筑领域，适用供暖制冷面积可从两千平方米至几百万平方米，在任何地质条件下均可建设使用。

浅层地热能“单井闭式全回灌”国家节能升级专利系统的研发成功，响应了政府节能规划，为社会提供了节能服务、系统设计、节能项目改造、节能项目的安装调试、系统维护一体化的解决方案。2014年由河南省暖通空调冷冻节能协会编制出的“单井闭式全回灌系统施工行业标准”和“暖通空调冷冻节能施工验收标准”已于2016年纳入河南省住建厅地方标准，为我省的地热能供热（冷）落实国家“十三五”国策，大力推广应用节能减排和绿色建筑推广彻底解决郑州市热力供热不足等问题，提供坚实可靠的全方位供热（冷）推广应用服务。