未來10~15年中國淺層地熱能發(fā)展方向戰(zhàn)略分析

衛(wèi)萬順 李翔

摘 要：過去15年（2005—2020年），我國淺層地熱能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。在理論和技術(shù)等方面取得了重大突破，主要成就包括：創(chuàng)立了淺層地熱能地質(zhì)學理論體系，開展了一系列關(guān)鍵技術(shù)及淺層地熱能成因機理的研究，創(chuàng)新了淺層地熱能規(guī)模化開發(fā)理念，建成了一批具有重大影響的示范項目，創(chuàng)建了淺層地熱能研究和創(chuàng)新體系，推廣工作取得了顯著成效，促進了我國淺層地熱能事業(yè)快速發(fā)展。當前，我國淺層地熱能開發(fā)利用項目區(qū)域規(guī)模化趨勢愈加明顯，由此帶來的科學、技術(shù)、資源、環(huán)境等問題愈發(fā)突出?！澳ν辛_拉”“水源熱泵”“淺層地熱能誰都行”三大現(xiàn)象的出現(xiàn)警醒行業(yè)從業(yè)者：解決好淺層地熱能開發(fā)的科學問題，才能實現(xiàn)淺層地熱能的高質(zhì)量發(fā)展。因此，提出推進淺層地熱能的“四化”發(fā)展路線：成因機理研究“定量化”、勘探評價“精細化”、系統(tǒng)管控“智慧化”、多源耦合“科學化”，科學支撐淺層地熱能高效、可持續(xù)、大規(guī)模開發(fā)利用。

關(guān)鍵詞：淺層地熱能;成就;規(guī)?；l(fā)展;成因機理;中國;發(fā)展趨勢

Abstract：? In the past 15 years （2005_2020）， the industry of shallow geothermal energy has developed rapidly in China. Major breakthroughs have been made in theory and technology such as： creating the system of shallow geothermal geology theory， completing a series of key technology and formation mechanism researches， introducing new large-scale development philosophies of shallow geothermal energy， completing a number of influential demonstration projects， creating the system of shallow geothermal geology research and innovation. Remarkable progresses have also been made in the promotion and development of the shallow geothermal energy industry in China. At present， the regional scale trend of shallow geothermal energy development and utilization projects in China is obviously increasing， which also results in prominent problems on science， technology， resources and environment. Emergence of the three major phenomena — “MOTO”， “WSHP”， and “arbitrary development of shallow geothermal energy by anyone” —reminds industry insiders that high-quality development of shallow geothermal energy cannot be achieved without first solving the scientific problems. Therefore， the following “four-modernization-development” is proposed for promoting shallow geothermal energy： “quantization” of formation mechanism research， “refinement” of exploration and evaluation， “intelligentization” of system management and control， and “scientization” of multi-source coupling，? in order to facilitate science-based support for efficient， sustainable and large-scale exploitation and utilization of shallow geothermal energy.

Keywords： shallow geothermal energy; achievement; scale development; formation mechanism; China; development trend

黨的十九屆五中全會提出，要加快推動綠色低碳發(fā)展，持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量，提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性，全面提高資源利用效率。同時也提出了“十四五”時期經(jīng)濟社會發(fā)展主要目標：能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，主要污染物排放總量持續(xù)減少，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善（新華社，2020）。未來，我國的能源變革要摒棄粗獷式發(fā)展，走高質(zhì)量發(fā)展路線，提高能源利用效率，重點倡導提高能源利用的科學性。

當前，我國淺層地熱能開發(fā)利用規(guī)模位居世界首位，尤其是近年來呈飛速增長態(tài)勢。開發(fā)利用技術(shù)日臻成熟，替代化石燃料，實現(xiàn)低碳建筑供能，為推進當前我國生態(tài)文明建設(shè)做出了巨大貢獻。未來10～15年，大規(guī)模、可持續(xù)、高效開發(fā)利用是淺層地熱能利用發(fā)展的必然趨勢。創(chuàng)新方法手段，突破現(xiàn)有技術(shù)屏障，從理論研究入手，科學回答：熱從哪兒來？熱到哪兒去？如何恢復？如何傳遞？才能實現(xiàn)淺層地熱能的高質(zhì)量發(fā)展。

1 過去15年（2005—2020年）淺層地熱能主要進展

由制冷空調(diào)技術(shù)發(fā)展而來的地源熱泵技術(shù)是淺層地熱能開發(fā)利用的關(guān)鍵依托技術(shù)。過去15年（2005—2020年），隨著熱泵技術(shù)日臻成熟，淺層地熱能的地下科學研究也不斷取得新成果，主要進展集中表現(xiàn)在淺層地熱能“資源化”方面，圍繞“提出概念”→“創(chuàng)建理論體系”→“關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”→“示范工程建設(shè)”→“成因機理研究”→“創(chuàng)建研究和創(chuàng)新體系” →“成果推廣應(yīng)用”這條主線發(fā)展。

1.1 創(chuàng)立了淺層地熱能理論體系

淺層地熱能理論研究始于2006年（北京市地方志編纂委員會，2019），淺層地熱（溫）能概念首次提出，創(chuàng)立了淺層地熱能地質(zhì)學理論體系和勘查評價體系，15年間出版并發(fā)布了一系列專著、論文及規(guī)范標準。

（1）2006年4月完成了國內(nèi)第一份淺層地熱能戰(zhàn)略研究報告——《北京市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀、問題與對策戰(zhàn)略研究報告》（京地〔2006〕18號），首次提出了淺層地熱（溫）能概念，明確指出淺層地熱能屬于資源范疇，是一種新型的可再生清潔能源，拓寬了新能源領(lǐng)域。該報告得到北京市政府的高度重視，同意立項開展北京淺層地熱能資源地質(zhì)勘查工作。

（2）2006年9月開始，歷時3年，完成了國際上首次開展的淺層地熱能調(diào)查評價工作——“北京平原區(qū)淺層地溫能資源地質(zhì)勘查”項目，摸清了北京市平原區(qū)淺層地熱能資源家底?？辈榧夹g(shù)和評價方法居世界科學前沿領(lǐng)域，總體達到國際領(lǐng)先水平。

（3）創(chuàng)立了淺層地熱能地質(zhì)學理論體系，編著了國際上首部淺層地熱能資源研究專著——《北京淺層地溫能資源》（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2008）;開展了全國淺層地熱能分布規(guī)律、開發(fā)利用條件和相關(guān)支持政策研究，編著了《中國淺層地溫能資源》（衛(wèi)萬順等，2010a）。為我國大力發(fā)展淺層地熱能提供了重要的理論基礎(chǔ)支撐。

（4）首次開展了區(qū)域淺層地熱能資源量計算方法研究，確定了評價計算資源量所需的參數(shù)及其測試方法和技術(shù)要求;編著了《淺層地溫能資源評價》（衛(wèi)萬順等，2010b），創(chuàng)立了淺層地熱能資源勘查評價理論體系。為我國淺層地熱能資源勘查評價工作提供了有力的方法體系支撐。

（5）編制了DZ/T 0225-2009《淺層地熱能勘查評價規(guī)范》、GB 50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》、DB11/T 1253-2015《地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》、DB11/T 1254-2015《再生水熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》和《省級淺層地溫能調(diào)查評價工作方案編寫要求》等相關(guān)規(guī)范和技術(shù)要求，建立了我國淺層地熱能勘查開發(fā)標準體系。為全國開展淺層地熱能資源調(diào)查評價工作提供了重要的標準支撐。

（6）形成的相關(guān)研究成果包括“淺層地溫能開發(fā)利用中的關(guān)鍵問題研究”（衛(wèi)萬順等，2009）和“北京平原區(qū)淺層地溫場特征及其影響因素研究”（衛(wèi)萬順等，2010c）等50余篇理論與技術(shù)研究論文也不斷完善、豐富了淺層地熱能的理論體系，有效指導了工程實踐與應(yīng)用。

1.2 開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)研究取得重大突破

自2005年開始，由原國土資源部及北京市財政支持，先后組織了系列關(guān)鍵技術(shù)的科技攻關(guān)，完成了“北京淺層地溫能勘查開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究及其工程應(yīng)用”等一批項目，研究內(nèi)容涉及發(fā)展戰(zhàn)略及規(guī)劃研究、資源勘查評價、開發(fā)利用、相關(guān)參數(shù)測試、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究、重大工程實施、科技成果轉(zhuǎn)化和人才培養(yǎng)等8個方面20余個研究子項目。研制出淺層地熱能熱冷響應(yīng)測試儀及測試車等技術(shù)裝備，取得專利30余項。

（1）淺層地熱能開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)研究取得重大突破：獲得了淺層地熱能熱冷響應(yīng)測試儀以及測試車、非潔凈水板式換熱器現(xiàn)場實驗系統(tǒng)和再生水板式換熱器的在位清洗方法等多項專利;污水源熱能二次利用技術(shù)、熱管蓄能、自然蓄冰等技術(shù)在北京奧運村、用友軟件園和上海世博軸等一系列有重大影響的工程中得到應(yīng)用。其中，污水熱能二次利用技術(shù)被列入北京奧運遺產(chǎn)記錄，淺層地熱能熱冷響應(yīng)測試車填補了國內(nèi)空白。

（2）首次基于區(qū)域新構(gòu)造、地形地貌、氣候條件、地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件，采用關(guān)鍵因子法，對全國淺層地熱能資源進行了區(qū)劃。對北京市平原區(qū)淺層地熱能開發(fā)利用方式進行了適宜性分區(qū)，編制了北京市淺層地熱能開發(fā)利用規(guī)劃。

（3）提出了淺層地熱能開發(fā)環(huán)境監(jiān)測方法和標準，首次采用GPRS無線遠程傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化管理方法。截至2020年，在北京已建成了包含80個監(jiān)測站點的監(jiān)測網(wǎng)。

（4）建成了國內(nèi)首個淺層地熱能綜合效能實驗平臺，實現(xiàn)了室外地埋管換熱影響因素實驗、室內(nèi)空調(diào)末端選擇對比實驗和地下巖土體地溫場變化監(jiān)測實驗3大功能。

1.3 淺層地熱能成因機理研究獲得重大進展

首次開展了我國淺層地熱能成因類型劃分，將我國淺層地熱能成因類型按常溫層巖土體原始溫度TH劃分為TH≧15℃、TH=15～10℃、TH=10～5℃和TH≦5℃等4種類型（衛(wèi)萬順等，2020）;首次提出換熱貢獻率理論，開展了“淺層地熱能成因機理研究”工作。

從區(qū)域上看，常溫層巖土體原始溫度表現(xiàn)出隨年均氣溫和大地熱流密度升高而升高的趨勢，而巖土體熱導率、地溫梯度和降雨量與常溫層巖土體原始溫度關(guān)系不明顯。表明常溫層巖土體原始溫度與年均氣溫和大地熱流密度密切相關(guān)，即常溫層巖土體原始溫度與太陽能和地球內(nèi)熱能有關(guān)。淺層地熱能成因機理為在太陽能照射和地心熱產(chǎn)生的大地熱流的綜合作用下，存在于地下近表層數(shù)百米內(nèi)（一般小于200 m）的常溫層中的巖土體和地下水里的低溫地熱能，再生迅速、取之不竭、用之不盡、清潔環(huán)保。

從開采區(qū)看，巖土體原始地溫分布具有差異性。首次提出了換熱貢獻率理論，改變了部分淺層地熱能資源分布規(guī)律的傳統(tǒng)認知，提出勘探工作應(yīng)重點探明淺層地熱能資源開發(fā)貢獻率較高的地質(zhì)體，并可以非等間距、非等深度的方式合理布置地埋管系統(tǒng)，為地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和淺層地熱能規(guī)模化利用的可持續(xù)性提供了指導。

1.4 創(chuàng)新了淺層地熱能規(guī)模化開發(fā)理念

開展了淺層地熱能規(guī)?；_發(fā)關(guān)鍵技術(shù)及重大熱泵工程優(yōu)化研究，提出了“以淺為主、多源復合，適度調(diào)峰、集約優(yōu)化”的開發(fā)設(shè)計理念（衛(wèi)萬順等，2009，2010a;欒英波等，2013;周鑄，2017;GB 50366-2005）。

“以淺為主、多源復合”是指以淺層地熱能為主，其他能源補充。“適度調(diào)峰、集約優(yōu)化”是指供熱制冷總負荷的50%～60%由淺層地熱能提供，不足部分由其他能源通過調(diào)峰解決，這樣既能滿足供熱制冷需求，又能最大程度減少初投資;同時將一些節(jié)能技術(shù)、蓄能技術(shù)、峰谷電等因素作為重要指標，優(yōu)化熱泵系統(tǒng)設(shè)計。

1.5 實施了一系列有重大影響的淺層地熱能開發(fā)利用示范工程

（1）代表性示范工程有北京奧運村、用友軟件園、北京當代萬國城、上海世博軸、北京城市副中心“近零碳排放區(qū)”示范工程、北京大興國際機場、北京世園會等。如北京奧運村再生水源熱泵系統(tǒng)為國內(nèi)首例大型再生水熱泵系統(tǒng)工程，獲得美國綠色建筑LEED金獎和綠色生態(tài)建筑節(jié)能金獎，建筑應(yīng)用面積41萬m2。北京用友軟件園復合源熱泵系統(tǒng)首次實現(xiàn)了土壤源熱泵+冰蓄冷+水蓄能+燃氣鍋爐調(diào)峰的復合能源解決方案，獲住建部“可再生能源建筑示范項目”和國家能源局科技進步獎，建筑應(yīng)用面積47.3萬m2。北京當代萬國城地源熱泵系統(tǒng)采用了建筑底板下埋置土壤換熱器的方法，在國內(nèi)尚屬首例，開創(chuàng)了“節(jié)能省地”地源熱泵系統(tǒng)的先河;成功解決了土壤換熱器穿底板的防水問題，換熱孔對建筑基底的擾動等諸多技術(shù)難題，實現(xiàn)了地源熱泵與建筑的無縫對接;項目獲得技術(shù)創(chuàng)新成果特等獎和中國土木工程詹天佑獎，美國《大眾科學》等多家媒體進行了報道;被美國《時代》周刊評選為2007年度全球十大奇跡建筑之一，建筑應(yīng)用面積22萬m2。上海世博軸江水源+地源熱泵系統(tǒng)是國內(nèi)首次大規(guī)模的應(yīng)用江水源熱泵和土壤源熱泵復合型的空調(diào)冷熱源集成技術(shù)，世博軸整體設(shè)計獲得“亞洲國際地產(chǎn)投資與開發(fā)博覽會”（Cityscape Asia）的重要獎項——最佳城市綜合體獎，建筑應(yīng)用面積22.7萬m2。

（2）推動了北京和全國淺層地熱能規(guī)?；_發(fā)的快速發(fā)展，市場前景廣闊。北京市2013—2020年新增淺層地熱能利用面積約3700萬m2，按建設(shè)投資費用230元/m2均價計算，實現(xiàn)市場規(guī)模約85億元;截至2019年底，全國淺層地熱能建筑應(yīng)用面積達8.41億m2，應(yīng)用規(guī)模位居世界第一（中國水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，2020）;減去2013年3億m2，實增5.41億m2，按建設(shè)投資費用230元/m2均價計算，實現(xiàn)市場規(guī)模1244億元以上;全國336個地級以上城市淺層地熱能的年可開采資源量可實現(xiàn)供暖（制冷）建筑面積320億m2（王貴玲等，2017），按建設(shè)投資費用230元/m2均價計算，潛在市場規(guī)模為73600億元。

1.6 創(chuàng)建了我國淺層地熱能研究和創(chuàng)新體系，傳播了淺層地熱能知識

自2007年中國地質(zhì)調(diào)查局淺層地溫能研究與推廣中心成立以來，已形成了60余人組成的淺層地熱能核心研究團隊;以“中心”為核心輻射全國不同區(qū)域，先后建立了山東、重慶、貴州、黑龍江、陜西等5個分中心，武漢、山東、廊坊3個實驗中心，上海1個發(fā)展研究中心，總研究人員達200余人。創(chuàng)建了“北京淺層地熱能實驗室”，建成了淺層地熱能開發(fā)利用對環(huán)境影響監(jiān)測系統(tǒng)。舉辦了14期全國淺層地熱能高研班，培養(yǎng)了全國技術(shù)骨干3000余人次;2期學術(shù)交流會，參會人員300余人;6屆地源熱泵技術(shù)應(yīng)用論壇，參會人員600余人。形成的“北京經(jīng)驗”成功復制到全國其他地區(qū)，推動了我國淺層地熱能事業(yè)快速、高質(zhì)量發(fā)展。

2 當前淺層地熱能發(fā)展態(tài)勢和存在問題分析

綜觀當前我國淺層地熱能發(fā)展形勢，可謂“喜憂參半”：“喜”的是國家重視、社會認同和技術(shù)進步等原因，促進了快速、大規(guī)模開發(fā)利用淺層地熱能;“憂”的是快速、粗獷式的開發(fā)也帶來了一系列的問題。其中最值得關(guān)注的就是“摩托羅拉”“水源熱泵”和“淺層地熱能誰都行”三大現(xiàn)象的出現(xiàn)。這三大現(xiàn)象嚴重制約著淺層地熱能大規(guī)模、可持續(xù)、科學高效開發(fā)利用，需引起高度重視。

2.1 淺層地熱能發(fā)展勢頭持續(xù)強勁

十八大以來，環(huán)境保護成為各地的“硬任務(wù)”。尤其是大氣污染防治，成為推進生態(tài)文明建設(shè)的重要工作。2016年12月，在中央財經(jīng)領(lǐng)導小組第十四次會議上（新華社，2016），習近平總書記強調(diào)：“推進北方地區(qū)冬季清潔取暖等6個問題，都是大事，關(guān)系廣大人民群眾生活，是重大的民生工程、民心工程。推進北方地區(qū)冬季清潔取暖，關(guān)系北方地區(qū)廣大群眾溫暖過冬，關(guān)系霧霾天能不能減少，是能源生產(chǎn)和消費革命、農(nóng)村生活方式革命的重要內(nèi)容。要按照企業(yè)為主、政府推動、居民可承受的方針，宜氣則氣，宜電則電，盡可能利用清潔能源，加快提高清潔供暖比重。”

由于地熱能在清潔供暖中的顯著作用，使得其在新能源發(fā)展戰(zhàn)略中的地位不斷提升。為落實中央指示精神，國家有關(guān)部委紛紛出臺相關(guān)規(guī)劃與政策，支持節(jié)能低碳產(chǎn)業(yè)和新能源、可再生能源發(fā)展（表1）。通過建立地區(qū)地熱能應(yīng)用發(fā)展目標等方式，指導和鼓勵地方地熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展，尤其是首個地熱方面國家專項規(guī)劃——《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》的出臺對我國地熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的促進作用。

各省市也根據(jù)地方實際情況，研究制定了促進地熱能發(fā)展的相關(guān)規(guī)劃與配套政策，提供資金補貼、財稅減免等支持措施，加快推動地熱和熱泵系統(tǒng)應(yīng)用。如《北京市“十三五”時期能源發(fā)展規(guī)劃》提出，到2020年，北京市全市新增地熱和熱泵系統(tǒng)供熱面積2000萬m2;《北京市發(fā)展和改革委員會等關(guān)于印發(fā)進一步加快熱泵系統(tǒng)應(yīng)用推動清潔供暖的實施意見的通知》提出，對于采用地熱及熱泵供暖的項目給予工程建設(shè)投資的30%～50%的資金支持。

在政府大力扶持和相關(guān)機構(gòu)積極推廣下，各地淺層地熱能的社會認知度和接受度在不斷提升，開發(fā)利用項目和企業(yè)如雨后春筍般應(yīng)運而生。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國地源熱泵企業(yè)已超過4000家，并有多家上市公司（地熱能在線，2020）。形成了從勘查、開發(fā)到運營、管理等各環(huán)節(jié)較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈，推動了地方經(jīng)濟社會發(fā)展。同時，淺層地熱能建筑應(yīng)用規(guī)模在不斷擴大，規(guī)?；_發(fā)的趨勢已成為我國特有的淺層地熱能發(fā)展盛況：如北京城市副中心行政辦公區(qū)237萬m2，北京大興國際機場257萬m2、重慶江北城江水源熱泵項目400萬m2、中石化江漢油田燃煤替代項目570萬m2，南京江北新區(qū)地源熱泵項目1600萬m2等。形成開發(fā)熱情高漲，形勢一片大好的局面。

2.2 影響淺層地熱能發(fā)展的“隱患”日漸凸顯

在全國淺層地熱能開發(fā)利用突飛猛進發(fā)展的同時，也要適當放慢發(fā)展腳步——“進中思?！?。行業(yè)發(fā)展如火如荼，但快速、粗獷式的開發(fā)也帶來了一系列的問題，其中最值得關(guān)注的就是三大現(xiàn)象的出現(xiàn)：

（1）對于從事淺層地熱能開發(fā)利用企業(yè)來講，“摩托羅拉手機現(xiàn)象”日漸顯現(xiàn)！具體表現(xiàn)是：淺層地熱能行業(yè)“熱”了，企業(yè)“涼”了。目前從事淺層地熱能開發(fā)利用企業(yè)主要有熱泵廠商、建筑安裝企業(yè)和地勘企業(yè)三大類，這些企業(yè)大多關(guān)注熱泵設(shè)備和安裝施工兩個環(huán)節(jié)，沒有重視地下淺層地熱能資源的稟賦特征。而在我國較早從事淺層地熱能開發(fā)利用的部分企業(yè)，曾是行業(yè)的先行者和領(lǐng)軍者，也在市場不斷發(fā)展的浪潮中面臨著被“淘汰”的局面。如何避免“摩托羅拉手機現(xiàn)象”發(fā)生？屬行業(yè)與企業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展問題，關(guān)鍵是找出單位自身的獨特優(yōu)勢，提升企業(yè)科技創(chuàng)新能力。

（2）對于政府管理部門來講，“水源熱泵現(xiàn)象”的陰影越來越大！具體表現(xiàn)是：環(huán)境排放“少”了，資源問題“多”了。政府管理部門充分考慮了淺層地熱能在環(huán)保方面的有利性，但沒有考慮淺層地熱能資源條件的約束性。單個水源熱泵項目運行效果良好，但大范圍乃至整個城市都用水源熱泵供暖，就會出現(xiàn)沒有“那么多的資源可采”的現(xiàn)象，造成供暖效果差，實際上是淺層地熱能資源承載力不足。如何降低“水源熱泵現(xiàn)象”發(fā)生概率？要解決“木”到“林”的問題，屬資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展問題，是去“資源化”行為，必須明確控制淺層地熱能資源特征的最大因素是地質(zhì)條件。

（3）對于技術(shù)人員來講“淺層地熱能行業(yè)誰都行現(xiàn)象”呈蔓延之勢！具體表現(xiàn)是：技術(shù)“有”了，專業(yè)“沒”了。雖然從事淺層地熱能開發(fā)利用的技術(shù)人員主要有地質(zhì)勘查、暖通、設(shè)備制造等專業(yè)，但技術(shù)人員主要關(guān)注的是安裝施工因素和熱泵設(shè)備因素，沒有重視淺層地熱能資源的地質(zhì)條件，造成沒有“專業(yè)”。如何阻擊“淺層地熱能誰都行現(xiàn)象”蔓延之勢？屬科學與技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展問題，關(guān)鍵是淺層地熱能開采機理這個“科學問題”不清，導致技術(shù)含量不高。

2.3 制約淺層地熱能可持續(xù)發(fā)展的科學問題亟待研究

發(fā)生三大現(xiàn)象的主要原因是淺層地熱能成因機理這個“科學問題”沒有搞清。解決大規(guī)模、可持續(xù)、高效開發(fā)利用是未來淺層地熱能發(fā)展的關(guān)鍵因素。研究淺層地熱能地質(zhì)條件、成因機理、開采機理、恢復機理等科學問題，是解決淺層地熱能可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的根本。

淺層地熱能可再生，其開采機理有別于其他固體能源和氣、液體能源等，需要一種全新的思路！通過對北京某地源熱泵項目十余年監(jiān)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)：

（1）原始狀態(tài)：地埋管埋設(shè)區(qū)域地下巖土體并非“均質(zhì)體”，其淺層地熱能分布明顯受地質(zhì)條件制約;不同深度巖土體溫度存在差異，且并非是地層越深溫度越高。變溫層、常溫層和增溫層的分層性不明顯，是一個相對的“開放系統(tǒng)”。

（2）開采過程：通過分析開采過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，淺層地熱能在開采過程中，地下巖土體各點對系統(tǒng)地源側(cè)水溫變化的響應(yīng)程度不同，不同換熱孔、不同地層換熱（冷）貢獻率高低不均;對比不同項目監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，上述現(xiàn)象是普遍存在的，改變了一些對淺層地熱能傳統(tǒng)上的認知。因而，未來淺層地熱能的開發(fā)需要更加精細化的勘探評價。

（3）停止開采后，不同換熱孔、不同地層地溫恢復率明顯不同。

3 未來10～15年淺層地熱能發(fā)展趨勢展望

推進成因機理定量研究、淺層地熱能精細化勘探評價、開采過程中的智能化管控、可再生能源之間以及可再生能源與傳統(tǒng)能源的耦合應(yīng)用，是未來實現(xiàn)淺層地熱能高效利用的重要途徑。因此，要采取“四化”發(fā)展路線。

3.1 成因機理研究“定量化”

地質(zhì)條件是決定淺層地熱能資源條件的主要因素，不同地區(qū)的差異性很大。簡單化的現(xiàn)場試驗及室內(nèi)模擬已不能滿足未來的工程建設(shè)需求。因而，有必要建設(shè)淺層地熱能重點實驗室，結(jié)合工程實踐，系統(tǒng)地定量化研究淺層地熱能成因機理問題，并推動成果快速轉(zhuǎn)化。實驗室需具有理論研究、現(xiàn)場模擬、測試實驗、優(yōu)化設(shè)計、監(jiān)測預警、政策研究等功能，且以室內(nèi)實驗室為核心，借助全國不同地質(zhì)條件下的實驗基地及已有的監(jiān)測網(wǎng)，達到室內(nèi)實驗研究和室外監(jiān)測預警聯(lián)動，互相促進的目的（圖1）。

3.2 勘探評價“精細化”

通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，淺層地熱能在開采過程中，地下巖土體溫度場非勻質(zhì)體、各點對系統(tǒng)地源側(cè)水溫變化的響應(yīng)程度不同，進而分析得到其換熱貢獻程度不同。通過對不同的項目監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn)，上述現(xiàn)象是普遍存在的，改變了一些對淺層地熱能傳統(tǒng)上的認知。因此，需要建立“淺層地熱能勘探評價體系和標準”，按淺層地熱能建筑應(yīng)用面積劃分規(guī)模等級，大型規(guī)模以上的建筑應(yīng)用項目需要先進行更加精細化的勘探評價工作，而不僅是依靠目前的區(qū)域資源潛力評價成果或簡單的勘查工作。勘探工作重點是探明淺層地熱能資源開發(fā)利用換熱貢獻率較高的地質(zhì)體，合理布設(shè)地下?lián)Q熱系統(tǒng)，例如地埋管布設(shè)可以是非等間距、非等深度的方式。

3.3 系統(tǒng)管控“智慧化”

據(jù)統(tǒng)計，目前大多數(shù)中央空調(diào)系統(tǒng)整體能源利用率仍然很低，只有60%～70%，通過增加智控管理系統(tǒng)，匹配運行策略、管理功能、控制要求等，可實現(xiàn)運營能耗下降10%～30%（張浩等，2020）。尤其是地埋管地源熱泵系統(tǒng)，地源側(cè)的能耗及換熱效率管控尤為重要。因此，需要建立并利用完善的監(jiān)測系統(tǒng)，對淺層地熱能資源開采與地上熱泵系統(tǒng)運行施行聯(lián)動智慧管控，提高地下?lián)Q熱效率，合理調(diào)配淺層地熱能資源開發(fā)。例如依據(jù)不同的地埋管換熱表現(xiàn)情況不同，分區(qū)或分孔控制，使換熱效果更好的地埋管使用率更高，減少系統(tǒng)地源側(cè)能耗。

3.4 多源耦合“科學化”

2020年12月，國務(wù)院新聞辦發(fā)布《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書提出，建設(shè)多源清潔的能源供應(yīng)體系。創(chuàng)新地熱能開發(fā)利用模式，開展地熱能城鎮(zhèn)集中供暖，建設(shè)地熱能高效開發(fā)利用示范區(qū)（國務(wù)院新聞辦，2020）。

未來規(guī)?；椖咳找嬖龆?，單一能源無法滿足建筑需求，多種能源復合應(yīng)用、能源區(qū)域化發(fā)展趨勢明顯，集約集成的綜合能源系統(tǒng)對資源（包括自然資源和經(jīng)濟資源）利用科學性、生態(tài)環(huán)境保護性要求更高。淺層地熱能的開發(fā)利用要科學地融入?yún)^(qū)域能源系統(tǒng)，與其它能源形式共同構(gòu)建能源供給體系，以提升能源供應(yīng)的質(zhì)量和安全保障能力（武強，2019）。例如城市地下空間或淺層地熱能不足時，可以適度加深地埋管深度或聯(lián)合中深層地熱資源，從更深部地層取熱，也可以其他能源形式調(diào)峰耦合應(yīng)用，以及成為城市供熱管網(wǎng)的有效補充等。

作為行業(yè)從業(yè)者，要明確扎實的基礎(chǔ)性工作是創(chuàng)新、向前發(fā)展的主要支撐，解決好淺層地熱能開發(fā)的科學問題是實現(xiàn)未來規(guī)?；?、可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的唯一出路。進而為盡快實現(xiàn)我國的“碳達峰”“碳中和”目標做出積極、應(yīng)有的貢獻。

參考文獻：

北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，2006. 北京市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀、問題與對策戰(zhàn)略研究報告（京地〔2006〕18號）[R].

北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，2008. 北京淺層地溫能資源[M]. 北京：中國大地出版社.

北京市地方志編纂委員會，2019. 北京志國土資源志：1991—2010[M].北京出版社：214.

地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范：GB50366-2005[S].

地熱能在線，2020. 中國地熱能產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍皮書（2020）[R].

國務(wù)院新聞辦公室，2020. 新時代的中國能源發(fā)展[R].

欒英波，鄭桂森，衛(wèi)萬順，2013. 淺層地溫能資源開發(fā)利用發(fā)展綜述[J]. 地質(zhì)與勘探，49（2）：379-383.

衛(wèi)萬順，李寧波，冉偉彥，等，2009. 淺層地溫能開發(fā)利用中的關(guān)鍵問題研究[J]. 城市地質(zhì)，4（3）：1-5.

衛(wèi)萬順，李寧波，冉偉彥，等，2010a. 中國淺層地溫能資源[M]. 北京：中國大地出版社：121-125.

衛(wèi)萬順，鄭桂森，冉偉彥，等，2010b. 淺層地溫能資源評價[M]. 北京：中國大地出版社.

衛(wèi)萬順，鄭桂森，欒英波，2010c. 北京平原區(qū)淺層地溫場特征及其影響因素研究[J]. 中國地質(zhì)，37（6）：1733-1739.

衛(wèi)萬順，李寧波，鄭桂森，等，2020. 中國淺層地熱能成因機理及其控制條件研究[J]. 城市地質(zhì)，15（7）：1-8.

王貴玲，張薇，梁繼運，等，2017. 中國地熱資源潛力評價[J]. 地球?qū)W報，38（4）：449-459.

武強，2019. 簡述我國能源形勢與可持續(xù)發(fā)展對策：地質(zhì)資源與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展高峰論壇報告[J]. 城市地質(zhì)，14（4）：1-4.

新華社，2016. 中央財經(jīng)領(lǐng)導小組第十四次會議召開[EB/OL].中國政府網(wǎng)，（2016-12-21） [2021-01-06]. http：//www.gov.cn/xinwen/2016-12/21/content_5151201.htm

新華社，2020. 中國共產(chǎn)黨第十九屆中央委員會第五次全體會議公報[N]. 人民日報，2020-10-30（1）.

中國水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，2020. 中國可再生能源發(fā)展報告2019[R].

張浩，羅登云，鄧裔麒瑞，2020. 淺談地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)智能化控制技術(shù)[J]. 中國設(shè)備工程，24（2）：24-25.

周鑄，2017. 京津冀地熱發(fā)展迎來黃金期[N]. 中國礦業(yè)報，2017-11-03（1）[2021-02-03].