浅议中国浅层地热能开发利用现状及对策建议

沈 军， 刘 徽， 余国飞， 尚世超， 张超宇

(湖北省地质局 第一地质大队,湖北 大冶 435100)

浅层地热能又称浅层地温能,一般是指蕴藏在地表以下一定深度范围内未受污染的岩土体、地下水和地表水中,具有可开发利用价值的温度低于25 ℃的热能[1-2]。

浅层地热能具有可循环再生、清洁环保、分布广泛、储量巨大、埋藏较浅、可就近开发利用等特点,作为化石能源的替代资源,通过地源热泵技术进行开发利用,能够有效减少二氧化碳和污染物排放[3]。鉴于浅层地热能具有众多优势,特别适合于建筑物的供暖与制冷,对于缓解能源短缺和温室效应等问题具有广阔的前景[4-6]。

随着传统能源的紧缺和人们对清洁能源的重视以及热泵技术的日益成熟,加之中国浅层地热能资源较为丰富,浅层地热能的开发利用在中国城市地区得到了快速发展,但开发利用过程中的问题也日益凸显,将制约浅层地热资源的可持续利用。

1 中国浅层地热能资源概况

据《中国地热能发展报告(2018)》,中国地质调查局“十二五”期间组织完成了中国地热资源调查评价工作,评价显示中国大陆336个主要城市浅层地热能资源丰富,年可开采量折合标煤可达7×108t,可实现供暖或制冷面积为320×108m2,最适宜开发利用浅层地热能的地区主要集中在长江中下游平原和黄淮海平原。

中国地调局浅层地温能研究与推广中心在“2019(第十五届)中国分布式能源国际论坛”发布数据显示,中国中东部143个主要城市浅层地热能年可开采量折合标煤4.6×108t,可实现供暖或制冷面积210×108m2。其中,长三角26个主要城市年可开采标煤1.4×108t,可实现冬季供暖面积52.1×108m2,夏季制冷面积39.4×108m2;京津冀13个主要城市年可开采量折合标煤0.92×108t,可实现冬季供暖面积29×108m2,夏季制冷面积35×108m2。

2 地热能资源开发利用方式

浅层地热能主要通过地源热泵技术进行开发利用,将赋存在地表水、地下水或岩土体中的低位热源转化为可以利用的高位热源,用于供热(制冷)。地源热泵系统由建筑物内系统、地热能交换系统、水源热泵机组三部分组成,根据交换系统形式的不同,可以分为地表水地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。目前最主要的利用方式是地埋管地源热泵系统和地下水地源热泵系统。

2.1 地埋管地源热泵系统

地埋管地源热泵系统由传热介质通过水平或竖直的土壤换热器与岩土体进行热交换的热泵系统,通过传热介质在封闭的地下埋管中流动,利用土壤巨大的蓄热蓄冷能力,将地下土壤中的热量进行转移,从而实现系统与大地之间的传热。地埋管地源热泵系统受地下水量的影响较小,基本不会造成地下水破坏或污染,系统运行稳定性和可靠性强,能够达到节能减排的目的[7]。

2.2 地下水地源热泵系统

地下水地源热泵系统将地下水作为低品位热源,利用少量的电能输入,实现低品位热能向高品位热能转移,从而达到供热或供冷的一种系统。地下水地源热泵系统适合于比较丰富、稳定、优质的地下水资源地区。它的优点是系统的水井占地面积小、综合造价低、简便易行,并可以满足大面积建筑物的供暖制冷的需要。

2.3 地表水地源热泵系统

地表水地源热泵系统利用热泵技术,将池塘、湖泊或河流中的地表水作为低品位热源,通过少量的高品位电能输入,实现低品位热能向高品位热能转移,从而达到供热或供冷的一种系统。该系统具有简便易行、初投资较低的优点,但地表水温度受气候的影响较大,影响热泵的供热量和性能系数。

上述三种地源热泵系统都有着高效、节能、环保、无污染的优点,运行过程中可以有效减少二氧化碳、无氮氧化物、二氧化硫和烟尘的排放。

3 浅层地热能开发利用现状

中国于20世纪80年代开始对地源热泵技术进行研究,并于90年代启动了北京、宁波、广州等一批城市的示范工程,近年来开始大量应用于浅层地热能的开发利用[8]。中国在2000年利用浅层地热能供暖(制冷)的建筑面积仅为10×104m2,随着应对气候变化和节能减排行动,浅层地热能开发利用进入高速发展阶段,2004年达767×104m2,2010年以后年均递增速度达到28%。

目前,中国地源热泵的发展速度和浅层地热能开发利用量已领跑世界。据2015年世界地热大会统计数据,中国2010年浅层地热能年利用量位居全球第二,2015年浅层地热能利用量位居全球第一。中国的浅层地热能主要用于住宅小区、商场、企事业单位办公楼等建筑物的供暖(供冷)。

截至2017年底,中国地源热泵装机容量达2万兆瓦,位居世界第一,年利用浅层地热能折合1 900×104t标煤,实现供暖制冷建筑面积超过5×108m2。主要分布在北京、天津、河北、辽宁、山东、湖北、江苏、上海等省市的城区。

4 浅层地热能开发利用存在的问题

浅层地热能的开发利用在中国取得了明显成效,但由于发展时间短,且涉及多领域、多行业,部分工程质量欠优,区域性发展很不平衡,开发利用过程中存在一些问题,亟待深入研究和解决,否则将制约浅层地热资源的科学开发和产业的可持续发展[9]。

4.1 开发利用与勘查评价脱节

地源热泵系统方案设计前,需要按照《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366—2005)要求开展工程场地现状调查,并进行浅层地热能资源的场地勘察。但是,部分工程在设计施工前未开展场地勘察工作和负荷分析工作,仅根据经验或类比布设换热孔,或只是简单地选择一个经验数据,其开发利用方案的选定缺乏科学依据,导致开发规模与资源条件不匹配,一些系统设计出现“大马拉小车”或者设计负荷不足的现象,造成系统建成后产生耗电量大、系统COP低、运行不稳定、回灌困难,甚至系统报废等问题[5,9]。

4.2 开发利用初始投资成本过高

由于浅层地热能开发主要利用地源热泵技术,热泵技术的经济效益与浅层地热能的开发前景息息相关。其经济效益指标主要包括初始投资、运营成本和投资回收期。由于初始投资成本涵盖范围较广,如前期论证费、钻孔费用、土建工程费用、设备购置费、安装费等,其综合成本较高,严重阻碍浅层地热资源的开发利用[10]。

4.3 实施标准不健全

目前,中国浅层地热能开发利用技术主要参考的是《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366—2005),该标准内容重点针对热泵工程技术方面,基本不含岩土体、地下水和地表水有关内容,热泵换热技术与水文工程地质技术融合不足,不足以很好地支撑热泵工程施工,达到预期换热效果。

4.4 开发利用过程中环境动态监测缺位

长期开发利用浅层地热能,如果地下水径流条件较差(或为非饱和岩土体),将改变原有地下热平衡,导致局部“冷堆积”或“热堆积”,影响供暖(制冷)效果;当使用地下水作为冷热源时,对回灌地下水的质量要求高,且回灌比抽水困难,为降低施工成本,一些供应商不遵守工程技术要求,使用只抽不灌或者多抽少灌的开发利用模式,导致了地下水资源的浪费或含水层的破坏,甚至可以诱发地面沉降等地质环境问题,但目前国内地质环境监测网络中还缺乏针对浅层地热能开发的动态监测点。

5 浅层地热能产业可持续发展对策建议

浅层地热能是一种理想的“绿色环保能源”,热泵技术亦是一种“绿色环保技术”,为充分发挥其绿色环保、节能降耗的功能,积极推进中国浅层地热能可持续的开发利用,笔者从以下四个方面提出建议。

5.1 系统勘查评价,科学规划建设

系统的勘查评价是科学制定浅层地热能开发利用方式适宜性区划前置条件。地质体的导热性能和富水性等直接影响着浅层地热能的分布、规模、运移规律、品位高低及开发利用方式,地质环境组成、流体的活动能力、岩土固体颗粒的热传导能力与浅层地热能开发利用工程中采集和放热能力、强度也存在直接关系。因此,考虑一个地区浅层地热能开发利用前景时,首先需要掌握该地区的地质背景条件,从而把握浅层地热能地质条件和地温场分布,为浅层地热能开发利用规划和建设提供科学依据。

5.2 做好引导示范,促进良性发展

浅层地热能开发利用前期投资相对较高,但具有清洁、高效、节能和运行管理费用低等特点,具有广阔开发利用前景。政府应出台相关政策法规,鼓励和大力支持其开发利用。在中央财政层面,可调拨部分可再生能源发展专项资金用于示范区的浅层地热能的开发利用,起到引导示范作用;各级地方政府可以借鉴北京市政府的做法,在地源热泵技术的推广应用方面给予大力支持,激发和调动各方面开发利用浅层地热能的积极性。

5.3 制定实施标准,规范行业行为

(1) 通过系统搜集地源热泵工程运行中监测的各类数据和发现的问题,不断总结经验,加强热泵换热技术与水文地质技术融合,建立系统勘查评价、过程实施标准,促进地源热泵换热技术健康发展;

(2) 落实浅层地热能勘查评价和地源热泵项目建设单位市场准入制,强化从业人员技术培训，落实持证上岗等制度,制定地源热泵技术检测认证、设计、施工、运行认证体系和信息统计系统等实施标准,规范浅层地热能勘查评价体系,加强热泵系统换热过程对地下环境影响评价,从而保障浅层地热能的可持续开发利用。

5.4 通过长期监测,降低负面影响

加强监测网络建设,为浅层地热能合理开发利用提供基础支撑。大地热流、地温和地下水等长期动态监测数据不仅是浅层地热能资源评价必需的基础资料,也是不断优化开发规划布局、避免出现资源与环境问题的重要依据[11]。建议在浅层地热能已开发利用地区,选择不同开发利用类型的典型区域,进行地下换热系统的动态监测,通过长期监测,及时掌握水土质量、地温及地面变形等动态变化,并及时采取防治措施,从而预防地质环境问题的发生,同时也为评价浅层地热能、优化地下换热系统工程设计、完善技术标准和保护资源环境提供基础数据支撑。