吳剛：以科技創(chuàng)新破解地熱回灌難題

近年來，隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，清潔能源的開發(fā)利用越來越受到重視與鼓勵。作為目前成熟的淺層地熱利用方式的地源熱泵技術(shù)，有著獨特的低碳環(huán)保特征，其能效比其他常規(guī)供暖制冷技術(shù)可節(jié)能50%～60%、運行費用可降低30%～70%，而且不排放任何廢棄物，越來越受到關(guān)注。

地熱能儲層像一個巨大的熱能調(diào)蓄器，利用熱泵系統(tǒng)給建筑物供暖、制冷，冬季從地層中取出熱量給建筑物供暖，夏季吸收建筑物的熱量釋放到地層中儲存。這樣，全年中建筑物冬季采暖所需的熱量，總體上可與來自地球深部的傳導(dǎo)熱量和夏季儲存的熱量實現(xiàn)平衡，使淺層地熱能源能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)利用，達到取之不盡、用之不竭的效果。

淺層地熱能是指地下200米以內(nèi)土壤和地下水中所蘊藏的地溫熱能，一年四季溫度在16℃～20℃恒定不變，相當于一個豐富的地熱礦藏。采用熱泵技術(shù)進行采集利用后，可供所有城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的清潔能源供熱。與其他能源相比，淺層地熱能具有分布廣泛、可循環(huán)再生、儲量巨大、可就近利用等優(yōu)點。

據(jù)了解，我國287個地市級以上城市淺層地熱可利用資源能量相當于每年3.5億噸標準煤，如全部有效開發(fā)利用，每年可以節(jié)約標準煤2.5億噸，減少排放二氧化碳5億噸，淺層地熱的開發(fā)利用具有廣闊的市場前景。

多年來，我國高度重視新能源，尤其是地熱能的開發(fā)利用。國務(wù)院辦公廳下發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014—2020 年）》中明確指出，要大力發(fā)展清潔可再生能源——地熱能，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，到 2020 年，地熱能利用規(guī)模達到5000 萬噸標準煤；推進能源消費革命，制定城鎮(zhèn)綜合能源規(guī)劃，鼓勵有條件的地區(qū)發(fā)展地熱能供暖。

今年1月15日，國家能源局發(fā)布《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，明確提出要加快地熱取暖力度。隨后，國家發(fā)改委、國家能源局及國土資源部聯(lián)合發(fā)布《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》），這是我國首個地熱產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，是地熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展的里程碑?！兑?guī)劃》 提出，在“十三五”時期，新增地熱能供暖（制冷）面積 11億平方米，新增地熱發(fā)電裝機容量 500MW。

地熱能作為一項清潔能源，政策的推動和社會的需求給地源熱泵行業(yè)帶來了很大發(fā)展機遇。目前，我國多個城市積極探索地熱能的開發(fā)和利用，其中，以地熱為主的集中供熱以代替燃煤的河北省雄縣被國家能源局確定為雄縣模式，從而建成華北地區(qū)首座無煙城。而同樣，鄭州淺層地熱能潛力也是非常巨大。鄭州供暖潛力為453.32萬/m2/Km，制冷潛力為319.23萬/m2/Km。

政策的助推為行業(yè)發(fā)展帶來新的活力，然而當前業(yè)內(nèi)存在的問題亦有不少。雖然地源熱泵技術(shù)越來越被人們認可，但地下水不能完全回灌，卻是地源熱泵應(yīng)用中存在的重要問題之一，也是目前國內(nèi)外在該領(lǐng)域研究的熱點。

自本世紀初，國內(nèi)曾大力引進地下水源熱泵技術(shù)，并在北京、山東、河南、遼寧等地相繼建成了為數(shù)眾多的地下水源熱泵工程，應(yīng)用范圍尤為廣泛。但在兩三年以后，這些項目大多出現(xiàn)了嚴重的問題——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，系統(tǒng)壽命比預(yù)期縮短許多，以至于人們一聽到“地熱能”三個字，就直搖頭。

誠然，地熱水的大量集中開采會因其埋藏深度大、補償緩慢、再生速度不快而使地熱水水位下降形成地面沉降和人為意義上的資源匱乏，如果能實現(xiàn)地熱尾水回注，那就可以讓地熱資源長久不衰、長期享用。這個最有效的途徑就是回灌，也就是將使用過的已降溫的熱水重新注入到砂巖含水層中。

地下熱能資源非常豐富，水只是作為熱能載體，要充分利用地熱資源，采取一次性開采地熱水的方法是極為有限的，棄水回注是目前國際上解決地熱水位下降，延長地熱使用壽命的最好方法，通過回注形成良性循環(huán)狀態(tài)，在循環(huán)過程中，地熱水不斷將地球深部熱能帶到地表，從而使地熱能得到持續(xù)利用。

“單井閉式同層全回灌專利技術(shù)”就是在這種情況下研發(fā)出來的。該技術(shù)利用專業(yè)的鉆探設(shè)備從地層表面往下鉆成孔，800～1000mm左右，深度為200m以內(nèi)，成孔后進行數(shù)據(jù)測定，根據(jù)電測各巖土層部分數(shù)據(jù)對地下各巖土層進行精確的計算，通過科技創(chuàng)新技術(shù)采取自然正壓差設(shè)計與真空負壓相結(jié)合，以傳導(dǎo)和對流兩種方式交換巖土中的能量，能有效解決常規(guī)水源熱泵系統(tǒng)回灌問題。同時，該技術(shù)保證了百分之百全部回灌，設(shè)備與地下巖土采用閉式循環(huán)回路長期永久循環(huán)采集，單井出水量5噸可根據(jù)地質(zhì)情況采用50t～100t水泵循環(huán)利用，可適用任何地質(zhì)和少水地區(qū)使用，而且在循環(huán)1年后根據(jù)地質(zhì)情況能效還可提高20%～30%以上。

采用淺層地熱能單井閉式同層全回灌高效換熱系統(tǒng)對建筑物進行供暖制冷，是目前最佳的節(jié)能、環(huán)保技術(shù)，它填補了淺層地熱能百分之百閉式同層全回灌的空白，徹底解決了老式單井回灌的所有缺陷，具有綠色低碳、清潔環(huán)保、可再生、分布廣、高效節(jié)能、閉式循環(huán)無污染、只取熱不取水、鉆井數(shù)量少、無移砂等優(yōu)勢，而且還具有初裝及運行費用低（水泵功率同等流量時可減少電耗達到50%左右）、維護簡便、質(zhì)量可靠、使用壽命長等優(yōu)點，是解決水源熱泵系統(tǒng)回灌問題的最佳配套技術(shù)。

在節(jié)能節(jié)電方面，該技術(shù)重新樹立了行業(yè)新標桿。由于淺層地溫略高于當?shù)仄骄鶜鉁兀容^恒定，冬季供熱時溫度比環(huán)境溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比提高；夏季供冷時，溫度比環(huán)境溫度低，冷卻效果提高，機組效率也提高。地源熱泵的制冷制熱系數(shù)可達5.0以上。與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，高出40%左右，其運行費用為普通中央空調(diào)的50%～60%，與電熱鍋爐和電熱膜供熱相比，可節(jié)約70%左右的電能。

此外，在系統(tǒng)完工后，每口井只占用地面一個井蓋的面積約0.8平方米，可設(shè)在道路、花壇、綠化帶里，不影響景觀和交通。適用地域也是相當廣泛，特別適用于各類居民建筑大面積供暖制冷，生活熱水及車站、機場、地鐵站、醫(yī)院、學校、酒店、辦公樓、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和各類公用建筑領(lǐng)域，適用供暖制冷面積可從兩千平方米至幾百萬平方米，在任何地質(zhì)條件下均可建設(shè)使用。

淺層地熱能“單井閉式全回灌”國家節(jié)能升級專利系統(tǒng)的研發(fā)成功，響應(yīng)了政府節(jié)能規(guī)劃，為社會提供了節(jié)能服務(wù)、系統(tǒng)設(shè)計、節(jié)能項目改造、節(jié)能項目的安裝調(diào)試、系統(tǒng)維護一體化的解決方案。2014年由河南省暖通空調(diào)冷凍節(jié)能協(xié)會編制出的“單井閉式全回灌系統(tǒng)施工行業(yè)標準”和“暖通空調(diào)冷凍節(jié)能施工驗收標準”已于2016年納入河南省住建廳地方標準，為我省的地熱能供熱（冷）落實國家“十三五”國策，大力推廣應(yīng)用節(jié)能減排和綠色建筑推廣徹底解決鄭州市熱力供熱不足等問題，提供堅實可靠的全方位供熱（冷）推廣應(yīng)用服務(wù)。