㈠ 淺層地熱能開發利用現狀、發展趨勢與對策
陶慶法 胡傑
（國土資源部地質環境司）
1 概述
地球的內部是一個巨大的熱源庫，蘊藏著無比巨大的熱能。淺層地熱能是地球熱能的重要組成部分，通常是指位於地球表層變溫層之下，蘊藏在地殼淺部岩（土）體中的低溫地熱資源，其熱能主要來自地球深部的熱傳導。淺層地熱能的溫度略高於當地平均氣溫3～5℃，溫度比較穩定，分布廣泛，開發利用方便。具有十分廣闊的開發利用前景。淺層地熱能的利用，主要是通過熱泵技術的熱交換方式，將賦存於地層中的低位熱源轉化為可以利用的高位熱源，既可以供熱，又可以製冷。目前淺層地熱能的可經濟開采利用的深度一般小於200m。
熱泵技術的不斷完善與廣泛應用，為淺層地熱能的開發利用提供了條件。用於淺層地熱能開發利用的熱泵系統，統稱為「地源熱泵系統」，它是以岩土體、地下水（或地表水）為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建築物內系統組成的供熱空調系統，是一種節能環保的空調系統。根據地熱能交換形式的不同，地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。
地源熱泵技術是一種利用淺層地熱能的既可以取熱供暖又可以取冷製冷的高效節能的空調技術。其工作原理是利用地下常溫土壤或地下水溫度相對穩定的特性，通過輸入少量的高品位電能，運用埋藏於建築物周圍的管路系統或地下水與建築物內部進行熱交換，實現低品位熱能向高品位轉移的冷暖兩用空調系統。它由水循環系統、熱交換器、地源熱泵機組和控制系統組成。冬季代替鍋爐從土壤中取熱，以30～40℃左右熱風向建築物供暖，夏季代替普通空調向土壤排熱，以10～17℃左右冷風給建築物製冷。同時，還能供應生活用熱水。
國內外大量實例表明，採用地源熱泵系統開發利用淺層地熱能對建築物進行供暖空調，具有取用方便、無污染、運行費用低等特點。淺層地熱能是理想的「綠色環保能源」，熱泵技術是「綠色環保技術」，其主要特點是：
（1）資源可持續利用。淺部地熱能儲層像一個巨大的熱能調蓄器，利用熱泵系統給建築物供暖、空調，冬季從地層中取出熱量給建築物供暖，夏季吸收建築物的熱量釋放到地層中儲存，這樣，全年中建築物冬季採暖所需的熱量，總體上可與來自地球深部的傳導熱量和夏季儲存的熱量實現平衡，使淺層地熱能源能夠實現可持續利用。
（2）高效節能。由於淺層地溫略高於當地平均氣溫，比較恆定，冬季供熱時溫度比環境溫度高，所以熱泵循環的蒸發溫度提高，能效比提高；夏季供冷時，溫度比環境溫度低，冷卻效果提高，機組效率也提高。地源熱泵的製冷制熱系數可達4.0以上。與傳統的空氣源熱泵相比，高出40%左右，其運行費用僅為普通中央空調的50%～60%，與電熱鍋爐和電熱膜供熱相比，可節約70%左右的電能。
（3）無環境污染。地源熱泵運行時，除了消耗少量的電能外，需要的僅僅是與地下岩土層（含岩石、土層和空隙中的水）進行熱量交換的循環水或其它液體，基本不消耗水、不排泄廢物，不對周圍環境產生任何污染。
（4）運行費用低。維修量少、自動化程度高，運行費一般只相當於普通供暖空調費用的30%～70%。
（5）一機多用。一套地源熱泵就可以實現供熱、供冷和生活熱水供應，可代替原來的鍋爐加空調兩套系統，一次性投資降低。
（6）節省土地資源。地源熱泵除主機和循環水泵外，沒有其它安裝設備。與鍋爐房相比，省去了水處理間、風機間、煙囪、煤場和渣土場，節約了土地資源。
（7）運行靈活、穩定可靠、使用壽命長：每台機組可獨立運行，個別機組發生故障不會影響整個系統的運行。機組運行工況穩定，不受環境溫度變化的影響，冬季不需要除霜。熱泵的運轉部件少，基本上不需要維修，運行穩定可靠，使用壽命可達20年。
（8）自動化程度高：地源熱泵一般是全電腦控制，可根據外部負荷的變化，調整壓縮機的工作數量，並設有壓縮機超溫保護、斷水保護等多種保護措施，可實現無人值守。
（9）用途廣泛：從嚴寒地區至熱帶地區均適用。
（10）易於管理。可實現機組獨立裝表、計費，方便對整個系統的管理。
地源熱泵系統的應用受當地水文地質條件的制約。地區的水文地質條件決定了採用地源熱泵供暖、空調的可能性及其利用的方式。就一般而論，在地下水位埋藏不深，含水層厚度較大、滲透性能較強、易於回灌的地區，適宜採用以地下水源為載體的地源熱泵；在地下水位埋藏淺，鬆散層厚度大、但滲透差、不易回灌的砂、土層分布地區，適宜採用垂直埋管式地源熱泵；地下水位埋藏深，鬆散層厚度小、岩土層滲透性弱、不具備開采地下水的岩石地區，不適宜採用地源熱泵。
2 國際地源熱泵技術與淺層地熱能應用發展趨勢
「熱泵」的概念，1912年由瑞士人提出，1946年第一個熱泵系統在美國俄勒岡州誕生。1974年起，瑞士、荷蘭和瑞典等國家政府逐步資助建立示範工程。20世紀80年代後期，熱泵技術日臻成熟。在過去的10年時間里，大約30個國家的熱泵平均增長速率達到10%，在國際社會中，由於其在減少二氧化碳方面得到普遍認可而受到廣泛重視。
目前，利用熱泵技術開發利用淺層地熱能較好的國家有美國、北歐、瑞典、瑞士和德國，已有大量裝機的國家有加拿大、奧地利、法國和荷蘭，開始重視和推廣應用的國家有中國、日本、俄羅斯、英國、挪威、丹麥、愛爾蘭、澳大利亞、波蘭、羅馬尼亞、土耳其、韓國、義大利、阿根廷、智利、伊朗等國。
熱泵增長較快的主要還是在美國和歐洲。目前全世界裝機容量可能接近10100MWt，年均利用能量約59000TJ（16470GWh），實際安裝的機組量約900000個，據不完全的統計，目前地源熱泵裝機容量居多的國家依次是美國、瑞典、德國、瑞士、加拿大、澳大利亞（見表1）。
表1 利用地源熱泵裝機容量居多的國家
在美國，每年接近安裝5萬～6萬套熱泵機組，超過600個學校安裝了熱泵系統進行供暖和製冷。在瑞士，由於高原氣候條件，冬天日照少，水源熱泵系統已經以每年15%的速度快速增長。目前，瑞士有超過25萬台熱泵系統在運行，成為世界上利用熱泵密度最大的國家。在英國，盡管地質條件非常復雜。但是熱泵技術也從非常小的起步發展到遍及整個英國。涉及領域有：私人建築、房地產開發、公共設施等。目前，瑞典的地源熱泵安裝基本占總需求負荷的60%，尤其是進入到21世紀之後，瑞典的熱泵安裝增長更為迅速，僅2001年熱泵銷售就突破25000台。澳大利亞雖然大部分國土位於熱帶，但是引入熱泵的數量也達到23000多套。
地源熱泵在日、韓、美和中歐、北歐應用較為普遍。據1999年的統計，在住宅供熱裝置中，地源熱泵所佔比例，瑞士96%，奧地利38%，丹麥27%。美國1998年地源熱泵系統在新建築中佔30%，且以10%的速度穩步增長。其中最著名的地源熱泵工程有肯塔基州路易斯威爾的濱水區辦公大樓，服務面積15.8×104m2，每月節省運行費用25000美元。隨著該項技術的應用發展，其組織的研究也迅速發展。據有關資料介紹，日本國研究出的高溫水地源熱泵，出水溫度達到80～150℃，且其制熱系數COP高達8.0。
由於地源熱泵技術的日趨成熟，有力地促進了淺層地熱能的廣泛利用。近幾年來，各國淺層地熱能的開發利用規模和發展速度都在快速增長。從國外發展趨勢看，開發利用淺層地熱能（蘊藏於地球淺部岩土體中的低溫能源），將是地熱資源開發利用的主流和方向。
3 我國淺層地熱能開發利用現狀
我國的熱泵研究始於20世紀50年代，天津大學熱能研究所的呂燦仁教授在1954年開展了我國熱泵的研究，1965年研製成功國內第一台水冷式熱泵機組。但由於多種原因，發展緩慢，直到80年代末90年代初，相關領域開始了新一輪的研究。進入21世紀以來，我國在熱泵模型模擬、試驗裝置、能耗評價以及系統材質研究等方面取得了一批顯著成果。隨著傳統能源的緊缺和人們對開發新能源和再生能源的重視以及熱泵技術的日益成熟，熱泵技術及淺層低品位地熱能的開發利用得到了快速發展。
我國政府十分重視熱泵技術和淺層地熱能的開發利用工作。1994年3月國務院批准了《中國21世紀議程下的可持續能源計劃》。1997年11月原國家科委與美國能源部在北京簽署了《關於地熱能源生產與應用的合作協議書》，中美兩國政府開始了可再生能源領域的技術合作。1998年11月，開始實施《中美兩國政府合作推廣美國土-氣型地源熱泵技術工作計劃書》，確定了北京計科地源熱泵科技有限公司、上海鼎達能源公司、廣州信利達公司為中美兩國政府地源熱泵合作項目的執行單位。按照該計劃，1999年正式啟動了北京嘉和園國際公寓、寧波服裝廠廠房樓、廣州松田學院教學主樓三處示範性工程，建築總面積13．238萬m2，其中北京嘉和園國際公寓面積最大，達8．8萬m2。2000年6月，由中國科學技術部在北京主辦了「美國土-氣型地源熱泵技術交流大會」，進一步推動了熱泵技術的運用。據統計，到2003年底，僅北京計科公司，已建成土-氣$#
北京是我國應用地源熱泵技術開采淺層地熱能對建築物進行供暖空調較早且發展最快的地區之一。近幾年來，採用淺層地熱能為建築物供暖空調的工程數量迅速增加。到2004年底，北京已有200多個單位總計420萬m2的建築面積利用淺層地熱能供暖或供冷。其建築物類型有普通住宅、辦公大樓、高級賓館，也有學校、幼兒園、商場、醫院、敬老院、檔案館、體育場館、廠房、污水場站，景觀水池等。其中，地下水地源熱泵系統最大單項工程建築面積達18萬m2，地埋管地源熱泵系統（又稱土壤源熱泵系統）最大單項工程建築面積也已達13萬m2。目前由華清地熱集團正在實施的地埋管地源熱泵系統單項工程——用友軟體園，供暖空調面積將達到20萬m2。幾處代表性的地源熱泵供暖空調工程項目見表2。
表2 北京代表性的地源熱泵供暖空調工程項目簡介
天津也是我國應用地源熱泵系統供暖空調較早的地區之一。近年來，已先後在天津開發區第十八大街海濱大道發展公司、天津地礦珠寶公司、天津市中心海河商貿區古文化街等地建立了地源熱泵系統供暖空調項目。目前，正在快速發展中。
河南、內蒙古、山東、廣東、安徽等地也都開始了開發利用淺層地熱能的探索和試點。隨著我國能源結構政策的調整，以燃煤和耗電為主的鍋爐採暖、空氣源熱泵供冷的傳統方式，將會被更加高效的以淺層地熱能為熱源（或冷源）的地源熱泵供暖（或供冷）方式所取代。隨著地源熱泵技術的逐步完善，淺層地熱能必將成為我國今後一段時期地熱能開發利用中的最普遍最主要的能源。在我國建築物供暖（或供冷）中，淺層地熱能所佔的比重也將愈來愈高。
4 存在的主要問題
地源熱泵技術及其淺層地熱能的開發利用，雖然在我國取得了明顯成效，但由於發展時間短，總體上還處於起步階段，地區發展很不平衡，存在的一些問題也日益顯現，需要我們認真研究和解決，否則將直接影響著淺層地熱資源的科學開發和持續利用。主要問題是：
（1）社會認知程度低。當前社會對淺層地熱能資源的認知程度還很低，人們對賦存於地殼表層豐富的淺層地熱能資源和特點及其熱泵技術了解不多，甚至相當一部分專業設計單位的人員對此也缺乏了解，直接影響淺層地熱能這一新型能源的廣泛應用。
（2）開發技術水平不高。適合我國特點並滿足不同要求的地源熱泵系列產品尚未形成，有待積極開發；地源熱泵供暖空調項目專業設計人員普遍缺乏，系統設計不匹配和偏保守的問題較突出。土壤埋管換熱計算理論還不成熟，缺乏設計標准，工程質量難以保證，廣泛應用受到限制。
（3）開發利用工程與資源勘查評價工作脫節，存在一定的盲目性。水文地質條件決定了淺層地熱能的開發利用方式和規模。但目前淺層地熱能的開發與勘查評價工作大多存在脫節問題，有的開發利用方案的選定缺乏科學依據，開發規模與資源條件不匹配，存在盲目性，導致工程效益不高，工程成功率偏低。因此，淺層地熱能的開發利用必須建立在水文地質勘查評價工作的基礎上，應對淺層地熱能開發利用的可行性、適宜性及開發利用容量進行評價，因地制宜地制定開發利用方案，選定熱泵系統類型（是地埋管地源熱泵還是地下水型地源熱泵等），確定埋管深度、密度等科學數據。
對已經開發利用淺層地熱能的工程和地區，大多沒有對其影響范圍內環境地質體中的岩土體溫度、地下水溫度及其水質等進行監測，也沒有及時分析地熱能場的變化規律及開展環境影響評價工作，對未來的變化趨勢更是心中無數。
（4）淺層地熱能開發利用的技術標准、規范滯後。目前尚缺乏《淺層地熱能勘查評價》、《淺層地熱能地質環境境影響評價》等技術規范，使勘查評價工作缺乏標准，方法不統一。工程的設計缺乏系統的設計規范，大都處在無標准可依的狀態。對開發單位缺乏資質管理，實施的工程也缺乏必要的論證程序。淺層地熱能供熱（或供冷）是一項系統工程，地上暖通空調系統與地下資源勘查評價及井位、埋管系統的設計、施工等環節，是有機的整體，各專業之間必須統一設計施工，協同作業。否則，淺層地熱能供暖（或供冷）工程將會造成熱泵系統不匹配或匹配程度差，成功率低的不良後果。
（5）相關技術研發滯後。由於淺層地熱能開發利用在我國時間短，一些配套的技術措施和檢測設備還跟不上。如深層岩土熱物性測試技術和儀器研發、不同區域地下傳熱模型模擬試驗研究、地埋管換熱器的傳熱強化、系統設計軟體開發、地源熱泵模擬及最佳匹配參數的研究、高性能回填材料的研究等，亟待開發和研製。
（6）缺少必要的扶持和激勵政策。淺層地熱能資源開發利用潛力很大，資源的可再生、無污染，是任何化石燃料所不能替代的。但初期一次性投入也較大，要取得經濟上的規模效益，需要各級政府在財稅等政策上予以扶持，否則，全面推廣和應用受到一定的限制。就全國而言，目前僅有北京市，出台了鼓勵政策，對用熱泵技術進行供暖（供冷）的，市財政按照其受益的建築物面積給以補助。但有些地區不但沒有鼓勵政策，反而出台了限制政策，如不僅對取出的地下源水收費，而且對回灌到地下的源水還再次收費，增加了企業負擔，使企業利用淺層地熱能的節能、環保效果未能在經濟效益上得到體現，因而大大限制了熱泵技術和淺層地熱能的利用和發展。
5 對策
淺層地熱能的開發利用已逐漸在我國興起，並呈快速增長之勢，近幾年，其在用於供暖（空調）方面的發展速度已超過傳統意義上的地熱資源，隨著人們認識水平的提高和示範工程的引鑒，對其開發利用會引起更多人的關注，也將會有越來越多的建築物供暖空調項目採用淺層地熱能資源。為促進淺層地熱能資源的合理開發利用，必須採取如下對策措施。
（1）積極開展淺層地熱能資源勘查評價，制定開發利用總體發展規劃。淺層地熱能資源普遍存在於地球表部，分布廣泛、取用方便，具有廣闊的利用前景已是不爭的事實，但採用何種方式開發、可能利用的量、長期利用後對環境的影響程度等，則受到當地具體水文地質條件（地下水埋藏條件，地層結構、含水地層的滲透性、地下水水質等）的限制，只有這些條件查清楚，才能對淺層地熱能的利用方式做出正確的選擇。就一個地區而論，也才能對適宜淺層地熱能開發利用的地區、不同利用方式的地段、可能的利用規模、潛在的環境地質問題等做出合理的判斷。
部署開展區域淺層地熱能資源勘查評價工作。當前，應先從平原區的重點城市起步，開展以1∶10萬比例尺精度為主體的勘查評價工作。以原來開展的水文地質勘查成果為基礎，補充必要的獲取岩土體熱傳導率、滲透率等參數的勘查工作。勘查工作深度一般控制在200m以淺。
在勘查評價的基礎上，編制淺層地熱能開發利用規劃，進行合理布局，確定適宜開發利用的地區、圈定不同利用方式（地下水、地埋管）的地段、提出合理的開發利用規模、防治地質災害和環境地質問題的措施等。
（2）推動示範工程的建設，帶動地區淺層地熱能資源的開發利用。我國南北差異大，地質條件復雜，淺層地熱能在一個地區成功應用的經驗受地區具體條件的限制，並不能完全適用於其他地區。不同方式的利用經驗，也有其特性和相應的利用模式。淺層地熱能在一個地區的推廣應用，除了吸收普遍的經驗外，更重要的是應結合地區具體的條件，建立符合本地實際的示範性工程，摸索方法、總結經驗，推廣應用，帶動面上的開發利用。
（3）依靠科技進步和創新，提高淺層地熱能應用技術水平。淺層地熱能利用涉及到資源勘查評價、地下換熱、熱泵、建築物內供熱（供冷）系統、自動控制等諸方面的配套技術，涉及多學科相互聯系、借鑒的應用技術，既需要自身的提高，也需要相互協調配合方面的強化和提高。當前，尤其應加強地下換熱技術，適合我國特點和需要的地源熱泵產品研製及產品的系列化、標准化，系統設計優化和相關儀器的研製等，以推動整體技術水平的提高。
（4）出台相關政策、激勵淺層地熱能資源的開發利用：淺層地熱能開發利用初投資較高，但運行管理費用低並具有清潔、高效、節能的特點，是具有很好的開發前景和可持續利用的清潔能源，政府應出台相關政策、法規，支持、鼓勵淺層地熱能資源的開發利用。各級地方政府可以參照北京市政府的做法，對用地熱能供暖（或供冷）的，可以按照建成的供暖（或供冷）的建築面積，財政上給以補貼，以此支持和鼓勵熱泵技術的推廣應用，推進淺層地熱能的開發和利用。建議中央財政在可再生能源發展專項資金中，安排一部分資金專門支持和鼓勵示範區的淺層地熱能的開發利用。
（5）制定相關的技術標准、規范，規范淺層地熱能資源的開發利用。2005年11月建設部、國家質檢局已聯合發布了GB50366-2005地源熱泵系統工程技術規范，該規范適用於以岩土體、地下水、地表水為低溫熱源，以水或添加防凍劑的水溶液為傳熱介質，採用蒸汽壓縮機熱泵技術進行供熱、空調或加熱生活熱水的系統工程設計、施工及驗收。它的發布與實施，將有利於淺層地熱能開發利用工程設計質量的統一。當前，亟需制定和出台淺層地熱能勘查評價、淺層地熱能地質環境影響評價等技術規范和標准，以規范淺層地熱能資源的勘查評價、地源熱泵埋管設計、地質環境影響評價等行為，提高淺層地熱能的開發利用水平。
（6）開展淺層地熱能開發利用示範工程地下換熱系統動態監測工作。在已開發利用淺層地熱能的地區，選擇不同類型的開發利用典型地區，開展地下換熱系統的動態監測，進行地下場地水、熱均衡動態長期監測和研究，積累數據，為淺層地熱能的評價、地下換熱系統工程的優化設計、完善標准、保護資源環境提供依據。
（7）建立和完善淺層地熱能開發利用資料庫及信息系統：淺層地熱能開發利用的地下換熱系統工程深埋地下，是永久性工程，有的地面建築物消失了，地下換熱系統（地埋管、水源井等）還將長期保存於地下深處，對當地環境和後人的生產、生活等活動有潛在的影響。為加強淺層地熱能開發利用的管理與資源的保護，應及早建立全國及省（區、市）淺層地熱能開發利用地下熱交換工程資料庫及信息系統。