淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用存在的問題與對策分析

鄂建 朱明君 楊露梅 魏永耀 陳明珠

摘要：我國是能源消耗大國，尤其是近些年，國家經(jīng)濟迅速發(fā)展消耗了大量能源，因此，開發(fā)可再生清潔能源成了國家研究的重點，淺層地?zé)崮芫褪且环N可再生清潔能源，使用過程中不會造成環(huán)境污染而且能夠循環(huán)利用。開發(fā)淺層地?zé)崮懿粌H可以改善國家能源緊缺現(xiàn)狀，減少資源浪費，保護環(huán)境，還可以利用地下水資源與地下淺層低品位熱能，但是淺層地?zé)崮荛_發(fā)中仍然存在一些問題需要解決。

關(guān)鍵詞：淺層地?zé)崮?開發(fā)利用;問題;對策

中圖分類號：X382 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）11-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.099

Analysis of problems and countermeasures in the development and utilization of shallow geothermal energy

E Jian，Zhu Mingjun，Yang Lumei，Wei Yongyao，Chen Mingzhu

（Jiangsu Provincial Institute of Geological Survey （Key Laboratory of Ground Fissure Geological Hazard，Ministry of Natural Resources），Nanjing Jiangsu 210018，China）

Abstract：China is a big energy consuming country， especially in recent years， the rapid development of the national economy consumes a lot of energy.Therefore， the development of renewable clean energy has become the focus of national research.Shallow geothermal energy is a kind of renewable clean energy.The process will not cause environmental pollution and can be recycled.The development of shallow geothermal energy can not only improve the current state of the countrys energy shortage，reduce resource waste，and protect the environment， but it can also use groundwater resources and low-grade shallow underground heat.However，there are still some problems that need to be resolved in the development of shallow geothermal energy.

Key words：Shallow geothermal energy;Development and utilization;Problems;Countermeasures

我國淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用起步于20世紀末，但發(fā)展速度快，截至2017年，地源熱泵裝機容量已經(jīng)位居世界第一，實現(xiàn)供暖（制冷）建筑面積已經(jīng)超過了5億㎡。但由于開發(fā)利用時間短，對地源熱泵系統(tǒng)運行過程中的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)認識還不足，存在開發(fā)利用效率不高、引發(fā)地質(zhì)環(huán)境惡化等問題，一定程度上制約了高效開發(fā)利用。針對上述問題，本文進行了對策分析。

1 淺層地?zé)崮荛_發(fā)方式

1.1 水源熱泵系統(tǒng)

水源熱泵系統(tǒng)是開發(fā)淺層地?zé)崮艿某Ｓ眉夹g(shù)手段之一，這種系統(tǒng)主要通過抽取地下水換熱后再回灌的形式進行熱量交換，常見的水源熱泵系統(tǒng)主要由三個部分組成，（1）地下水熱交換系統(tǒng);（2）機房系統(tǒng);（3）末端系統(tǒng)。地下水地源熱泵的換熱方式為開式循環(huán)，可能產(chǎn)生地下水水位下降、地面沉降、水質(zhì)變化和冷熱堆積的問題。

1.2 土壤源地源熱泵系統(tǒng)

土壤源熱泵系統(tǒng)也非常常見，這種系統(tǒng)的主要由3個分系統(tǒng)組成（1）末端系統(tǒng);（2）機房系統(tǒng);（3）地埋管傳熱系統(tǒng)。地埋管地源熱泵的換熱方式為閉式循環(huán)，地埋管會垂直穿越地下巖土層，管內(nèi)流體與管外巖土體不直接接觸，通過管壁進行熱量交換。由于地源熱泵系統(tǒng)冷熱負荷的不平衡，其對地質(zhì)環(huán)境的長期影響主要體現(xiàn)為冷（熱）堆積。

2 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的優(yōu)點

2.1 采用地?zé)崮芄┡?，更加的?jié)能環(huán)保

地源熱泵供暖技術(shù)可以將較低的能源轉(zhuǎn)換為高效的熱量，這非常符合節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念，有助于緩解我國目前能源匱乏的局面，所以，對于該技術(shù)的研發(fā)應(yīng)給予高度重視。地源熱泵供暖技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①對城市地區(qū)的供暖，當前主要采取集中供暖的方式。由于集中供暖主要是通過中小型鍋爐實現(xiàn)的，所以實際的供暖中往往面臨大量的能源消耗和環(huán)境污染，不符合綠色發(fā)展理念。而地源熱泵供暖技術(shù)的應(yīng)用可以有效解決這些問題，所以未來需要用該技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍋爐集中供暖。②我國北方地區(qū)，由于冬季氣溫較低，所以對于供熱方式的開發(fā)更加關(guān)鍵。在北方地區(qū)，通常存在很多干枯的地?zé)峋?，對此加以利用和開發(fā)，將有效降低能源的消耗。③地源熱泵供暖技術(shù)的應(yīng)用將朝著節(jié)能、環(huán)保及高效的方向發(fā)展，同時，結(jié)合信息化技術(shù)，提升信息化和自動化水平，以提高供暖的效率和質(zhì)量。

2.2 采用地?zé)崮馨l(fā)電，更加清潔環(huán)保

地?zé)豳Y源是清潔的可再生能源，地?zé)岚l(fā)電已有超過百年的發(fā)展歷史。近年來，由于地?zé)崮芫哂袩嵝矢?、穩(wěn)定性好、用地少、生態(tài)效應(yīng)小等優(yōu)點，因此，越來越受到各國的重視，世界上地?zé)豳Y源豐富的國家通過各種措施大力發(fā)展地?zé)犭娬尽５責(zé)崮苤饕獊碜缘貧?nèi)部的熔巖和放射性物質(zhì)衰變，資源十分巨大，是地球上不可多得的一種可再生的清潔能源。與其他可再生能源發(fā)電相比，地?zé)崮馨l(fā)電的能源利用率高，不受天氣和季節(jié)氣候變化影響，同時發(fā)電成本具有競爭性，二氧化碳減排優(yōu)勢明顯等特點，因而逐漸被各國政府所認識，針對地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)的研究熱度逐年增加。

3 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的影響因素分析

3.1 氣候條件和地質(zhì)條件差異性較大

我國占地面積高達960萬km2，區(qū)域跨度大，各區(qū)域氣候環(huán)境不同，淺層地?zé)崮荛_發(fā)、利用方式也有所區(qū)別。例如：我國南方地區(qū)主要是通過利用地?zé)崮軄磉M行制冷，但是由于地?zé)岜孟到y(tǒng)地?zé)彷斎肓勘容^高，所以，如果出現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)和地質(zhì)環(huán)境不匹配的情況，會導(dǎo)致局部蓄熱，那么地下溫度會增高，淺層地?zé)崮苤评湫Ч麜档停蚤_發(fā)利用淺層地?zé)崮軙r要結(jié)合區(qū)域環(huán)境和地下水資源情況選擇合適開發(fā)手段進行能源開發(fā)。

3.2 地下?lián)Q熱技術(shù)的限制

淺層地?zé)崮荛_發(fā)會受到地下?lián)Q熱技術(shù)的限制，一些地區(qū)由于地下?lián)Q熱器熱量技術(shù)水平有限而無法大面積開發(fā)淺層地?zé)崮苣茉?，主要原因是這些地區(qū)的土壤熱物性能比較低，與熱泵技術(shù)使用要求標準相差較大，近些年，國內(nèi)多個專家以及科研人員一直在研究高效地下?lián)Q熱技術(shù)，雖然也有了部分成果，但是要長期且大幅度的開發(fā)地下能源，地下?lián)Q熱技術(shù)仍然有技術(shù)限制。

3.3 熱泵機組質(zhì)量的影響

熱泵機組的質(zhì)量對開發(fā)利用淺層地?zé)崮芤灿幸欢ǖ挠绊?，尤其是對于系統(tǒng)節(jié)能減排效果影響比較大，而且相對于其他傳統(tǒng)技術(shù)來講，國內(nèi)地源熱泵技術(shù)發(fā)展比較落后，這項技術(shù)核心基本都被國外掌握，國內(nèi)技術(shù)開發(fā)速度較慢，所以，國內(nèi)的地?zé)岜脵C組質(zhì)量偏低，并且安全隱患比較大。另外，能源開發(fā)部門還存在一部分素質(zhì)比較低的工作人員，所以國內(nèi)熱泵機組整體技術(shù)水平偏低。

4 淺層地?zé)崮荛_發(fā)的策略分析

4.1 依據(jù)氣候特征，合理開發(fā)

由于我國南北方氣候差異較大，地下水資源情況區(qū)別明顯，所以開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源的方式也有所不同，開發(fā)人員要根據(jù)氣候特征選擇合適的開發(fā)技術(shù)手段。例如：北方春、夏、秋、冬四個季節(jié)的環(huán)境差異較為明顯，針對不同環(huán)境要選擇不同的開發(fā)方式。開發(fā)淺層地?zé)崮苤埃猿擎?zhèn)為重點確定合適開發(fā)區(qū)域，然后再進行區(qū)域環(huán)境情況調(diào)查，進行合理的開發(fā)方案設(shè)計。另外，我國北方和西部地區(qū)總體環(huán)境狀況偏冷，所以，開發(fā)淺層地?zé)崮苤笾饕糜诠┡?，開發(fā)過程要結(jié)合地理環(huán)境狀況選擇合適開發(fā)方案，根據(jù)對過往開發(fā)工作的研究發(fā)現(xiàn)，水文地質(zhì)環(huán)境較為優(yōu)秀的地區(qū)，可以進行大規(guī)模的淺層地?zé)崮荛_發(fā)，而水文地質(zhì)環(huán)境較差的地區(qū)，開發(fā)時要注意結(jié)合過往經(jīng)驗教訓(xùn)，在合適區(qū)域內(nèi)開發(fā)淺層地?zé)崮堋?/p>

4.2 提升技術(shù)能力，提高淺層地?zé)崮芩?/p>

提升淺層地?zé)崮荛_發(fā)量，首先要提高淺層地?zé)崮荛_發(fā)技術(shù)水平，而我國地下高效換熱技術(shù)水平有限，國家發(fā)改委以及能源局也提出了相關(guān)規(guī)劃以及技術(shù)研發(fā)要求，將地下高效換熱技術(shù)研究作為國家研究重點，但是技術(shù)研發(fā)不可能一蹴而就，目前我國的地?zé)岜脵C組仍然需要大量進口外國品牌，以供國內(nèi)開發(fā)利用淺層地?zé)崮?。為了提高技術(shù)水平，國家研究中心以及各個相關(guān)企業(yè)都應(yīng)該加強理論知識學(xué)習(xí)，不斷創(chuàng)新發(fā)展現(xiàn)有技術(shù)，逐步創(chuàng)建國內(nèi)自主品牌，提高我國淺層地?zé)崮荛_發(fā)效率和質(zhì)量。

4.3 強化淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用管理

做好淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用管理工作也能有效提高地?zé)崮荛_發(fā)質(zhì)量和效率，開發(fā)淺層地?zé)崮懿粌H需要國家政府支持，也需要相關(guān)部門監(jiān)督管理，例如：國土資源部門、水利部門和環(huán)保部門之間相互溝通合作，才能保證淺層地?zé)崮艿捻樌_發(fā)。各部門之間要借助網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)構(gòu)件信息平臺，實時共享數(shù)據(jù)，避免淺層地?zé)崮艿牟灰?guī)范開發(fā)，提升開發(fā)效率和質(zhì)量，另外，建立專業(yè)監(jiān)督管理部門，制定科學(xué)管理方案可以保證淺層地?zé)崮荛_發(fā)工作的順利進行。

4.4 強化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

21世紀是網(wǎng)絡(luò)信息時代，開發(fā)淺層地?zé)崮芤惨朴诶镁W(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，實時監(jiān)測地下水水溫、熱流情況，另外，獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)處理人員要在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上綜合分析開發(fā)區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境和水文條件，不斷優(yōu)化淺層地?zé)崮荛_發(fā)布局，提升淺層地?zé)崮荛_發(fā)效率。

4.5 加強地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作

強化地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作，能夠有效提高淺層地?zé)崮荛_發(fā)效率和質(zhì)量，那么就需要能源開發(fā)部門根據(jù)能源實際開發(fā)情況建立地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)不僅需要監(jiān)測開發(fā)區(qū)域地溫變化情況，還需要檢測地質(zhì)環(huán)境實際情況，有些地質(zhì)環(huán)境并不適合用于淺層地?zé)崮荛_發(fā)，工作人員要根據(jù)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)，選擇合適開發(fā)區(qū)域。淺層地?zé)崮荛_發(fā)工作除了需要監(jiān)測地質(zhì)環(huán)境之外，還需實時監(jiān)測水源熱泵系統(tǒng)的地下水水質(zhì)和水位變化情況，如果監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)地下水溫度異?；蛘叩叵滤徊▌虞^大，要及時解決這些問題，避免使影響范圍擴大，導(dǎo)致淺層地?zé)崮荛_發(fā)工作無法進行。

4.6 政府支持

開發(fā)利用可再生清潔能源是我國發(fā)展趨勢，國家發(fā)展需要用到大量能源資源，但是我國是能源消耗大國，不可再生能源儲存量較低，為了向國家提供足夠的能源，相關(guān)政府部門應(yīng)該大力支持可再生清潔能源，例如淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)工作。政府部門要建立健全開發(fā)政策制度，保證淺層地?zé)崮荛_發(fā)工作有所依靠，淺層地?zé)崮荛_發(fā)雖然需要大量的一次性資金投入，但是，開發(fā)獲得的淺層地?zé)崮懿粌H能夠循環(huán)利用，保護環(huán)境，還能帶來大量收益，所以建議能源開發(fā)部門加大對淺層地?zé)崮荛_發(fā)的力度，目前也有幾個區(qū)域開發(fā)淺層地?zé)崮苷叻ㄒ?guī)比較完善，例如北京，山東等，其余各個地區(qū)應(yīng)該向這幾個地區(qū)學(xué)習(xí)，為淺層地?zé)崮荛_發(fā)提供技術(shù)支持以及資金支持。

5 結(jié)束語

總而言之，開發(fā)利用淺層地?zé)崮苁菄野l(fā)展趨勢，合理利用淺層地?zé)崮?，不僅可以節(jié)能減排，保護環(huán)境，而且由于淺層地?zé)崮芸稍偕Υ婧慷?，所以可以為國家?jīng)濟發(fā)展提供長期支持。

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收稿日期：2020-07-28

項目基金：中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項目：南京市淺層地溫能調(diào)查評價，代碼：1212011120155、全國主要城市淺層地溫能調(diào)查評價，代碼12120113077200

作者簡介：鄂建（1982-），男，漢族，研究生學(xué)歷，碩士學(xué)位，高級工程師，研究方向為水工環(huán)地質(zhì)。