淺層地溫能開發利用中的關鍵問題研究

衛萬順，李寧波，冉偉彥，楊俊偉，王澤龍

（1.北京市地質礦產勘查開發局，北京 100195; 2.北京市地質調查研究院，北京102206）

淺層地溫能開發利用中的關鍵問題研究

衛萬順1，李寧波1，冉偉彥1，楊俊偉1，王澤龍2

（1.北京市地質礦產勘查開發局，北京 100195; 2.北京市地質調查研究院，北京102206）

淺層地溫能是一種可再生的新型環保能源，開發利用前景廣闊。為了更好地滿足我國淺層地溫能開發利用快速發展的需要，有必要研究淺層地溫能資源科學開發利用中的關鍵問題。研究表明：開展淺層地溫能勘查評價工作十分必要、十分緊迫；應超前關注淺層地溫能開發利用對地質環境的影響；淺層地溫能開發利用的積極性明顯受經濟成本與效益制約；需要通過政策支持推動淺層地溫能開發利用快速發展；需要提高全社會對淺層地溫能資源的認知程度。

淺層地溫能；開發利用；關鍵問題

淺層地溫能又稱淺層地熱能，是一種可再生的新型清潔環保能源，也是一種特殊礦產資源。據專家測算，我國地下近百米深度內的土壤每年可采集的低溫能量是我國目前發電裝機容量4億千瓦的3750倍，而地下百米內地下水每年可采集的低溫能量也有2億千瓦。開發利用淺層地溫能，對構建資源節約型和環境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現有能源結構、促進國家節能減排戰略目標的實現，具有非常重要的意義。

近年來，我國利用淺層地熱能為建筑供暖、制冷的工程項目數量及服務面積迅速增加。據不完全統計，目前全國淺層地熱能服務面積超過6000萬m2。僅北京市就已完成熱泵項目超過500個，1300多萬m2的建筑利用地源熱泵系統供暖、制冷，其中既有普通住宅、公共建筑，也有工業廠房、賓館、商場，顯示了淺層地熱能開發利用具有廣闊的發展前景。

為了引導淺層地熱能的科學合理開發利用，國土資源部下發了《關于大力推進淺層地熱能開發利用的通知》(國土資發［2008］249號)，從調查評價、編制規劃、加強監測3個方面，對大力推進我國淺層地熱能資源的開發利用進行了部署。國土資源部這一部署是非常及時和必要的，表明我國的淺層地熱能資源開發利用將步入科學化、規范化軌道。

為了更好地滿足我國淺層地熱能開發利用快速發展的需要，有必要研究淺層地溫能資源科學開發利用中的關鍵問題。

1 淺層地溫能勘查評價的必要性和緊迫性[1]

（1）淺層地溫能開發利用發展迅速

隨著國民經濟的快速增長，我國的能源形勢日趨嚴峻，特別是2004年以來，國際能源供求關系失衡，石油價格飛漲，加劇了我國能源的緊張局面。加之我國能源生產的增長速度，遠低于國民經濟發展的增長速度，能源的增長遠遠不能滿足國民經濟發展的需要。淺層地溫能恰恰是一種清潔、價廉、豐富的新興能源，能夠彌補能源的不足。淺層地溫能開發利用在上世紀90年代后期得到發展，為北京、沈陽等大城市節能減排工作作出了貢獻。目前，北京已有1300萬m2的建筑利用淺層地溫能供暖、制冷，沈陽已超過2000萬m2。據不完全統計，全國淺層地溫能服務面積超過了6000萬m2。在北京、沈陽的帶動下，全國范圍內的淺層地溫能資源開發利用的熱潮即將到來。從地理條件看，淺層地溫能供暖既可以用于海拔4000m以上的青藏高原，也可以用于氣候嚴寒的黑龍江，在我國各個地區都可以發揮節能環保的作用。從建筑類型看，淺層地溫能供暖現已廣泛應用于辦公、賓館、學校、醫院、營房、住宅、工廠等。隨著社會對這一供暖方式的接受，預計今后淺層地溫能供暖、制冷的年使用面積還會進一步增長。

（2）勘查評價滯后成為制約其發展的瓶頸

我國近年來淺層地溫能開發迅速，市場化推動為主，由于淺層地溫能資源調查、評價滯后，技術標準和開發利用相關技術研究的薄弱，仍存在開發利用地區發展不平衡等問題。開發利用超前，資源調查評價滯后，家底不清，給城市的專項規劃和管理工作造成被動；缺乏淺層地溫能資源勘查評價的技術標準和測試技術；缺乏淺層地溫能資源開發利用后地質環境變化的長期監測數據。由于以上原因造成有的城市的個別工程設計不合理、施工不規范，地下水回灌情況不好，水資源浪費和不同水質層間的污染擴散，地面沉降，熱污染等問題。有的甚至導致工程失敗或效能低下，達不到預期的節能目標。我國淺層地溫能資源的分布、資源量家底不清，使淺層地溫能開發利用受到很大限制并存在很大風險，目前淺層地溫能勘查評價滯后已成為淺層地溫能資源可持續開發利用的阻礙。因此，開展淺層地溫能勘查評價是政府部門做好淺層地溫能開發利用規劃和管理的基礎性工作。

（3）勘查評價是科學開發利用淺層地溫能的需要

淺層地溫能是蘊藏在地表以下一定深度內的低品位的地熱資源，其分布狀態、運移規律、品位高低、開發利用方式及規模等均受到地質體富水性及導熱性能等的制約，認識、了解淺層地溫能存在的地質條件十分重要，特別是淺層地溫能開發利用工程中采集和釋放熱的能力和強度與當地地質環境組成、地質環境中流體部分的活動能力和巖土固體顆粒部分的熱傳導能力有直接關系。因此，在談到一個地區淺層地溫能潛力及其開發利用前景時，首先需要掌握該地區的區域地質背景，從宏觀上把握淺層地溫能地質條件和地溫場分布，以便為開發利用奠定基礎。我國地域遼闊，從南到北地溫和氣溫的分布不同，即使同一緯度，高程不同則年平均氣溫相差較大，如重慶與拉薩緯度相近，但年平均氣溫相差10度，所以供暖和制冷的需求有很大不同。再者我國各省市的地質情況千差萬別。有的城市處于平原，有的處于山區，如同樣位于沿海的青島和大連屬于濱海山地型，而上海和天津則屬于濱海平原型。由于覆蓋層厚度的不同，所采取的換熱方式和經濟性都有很大的差別。即使在同一地區，如山前沖洪積扇類型地區，由于地層顆粒度及含水層厚度、滲透系數等的差別，不同地段也分別適合不同的開發利用方式。開發的適宜性由地質條件、經濟條件和施工條件等因素決定。淺層地溫能存在的本質是冬、夏兩季地層中比較恒定的溫度與外界空氣存在較大的反向溫差。在合理布局、科學開采的情況下淺層地溫能是一種取之不盡、用之不竭的自然資源，熱泵技術使淺層地溫能的開發利用成為可能，可供人類長期使用。任何資源都有開采強度的限制，特別是大多數可再生能源都具有分散、低品位的特性，有些還受季節或再生周期的限制，因此資源的勘查評價是合理的開發利用的基礎。淺層地溫能是存在于地下隱蔽地質體中的一種無形自然資源，地質條件對開發利用起著舉足輕重的作用，所以有必要采取專門的勘查方法對其進行資源量的估算和開發適宜性的評估。

（4）淺層地溫能開發利用將步入科學化、規范化軌道

2008年12月，國土資源部下發了《關于大力推進淺層地熱能開發利用的通知》，從調查評價、編制規劃、加強監測三個方面，對大力推進我國淺層地熱能資源的開發利用進行了部署。國土資源部這一部署是非常及時和必要的，表明我國的淺層地溫能資源開發利用將步入科學化、規范化軌道。因此，各地區都應及時開展淺層地溫能的調查評價工作，查清淺層地溫能資源分布特點等，為今后科學開發利用淺層地溫能、編制專項規劃提供依據。

2 應超前關注淺層地溫能開發利用對地質環境的影響[1]

淺層地溫能開發利用主要有2種方式，即地下水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統。隨著使用淺層地溫能項目的增多、規模的擴大，不同利用方式在其發展過程中出現了一些問題，如地下水源熱泵系統地下水回灌難，造成水位下降，地面沉降；系統整體不節能；水質污染；地溫場的變化等問題。目前，由于缺乏必要的地質環境影響監測系統，淺層地溫能開發對地質環境的影響沒有定論。

地下水熱泵系統是通過抽取地下水，利用地下水全年溫度恒定的特點，與水源熱泵的冷凝器或蒸發器進行熱交換，或通過板式換熱器與冷凝器產生的高溫熱水（夏季工作時）或蒸發器產生的低溫冷水（冬季運行時）進行熱交換，然后將置換冷量或熱量的地下水全部回入同一含水層中。目前地下水回灌技術尚不成熟，多為自然回灌，造成回灌量降低的原因主要是回灌井的堵塞現象。造成堵塞的原因包括物理、化學等原因。如果成井工藝不當，可能造成水中含沙量較多，造成井的堵塞影響回灌。另外，抽灌水溫度的不同和壓力的變化，使水中一些物質析出沉淀也是造成井堵塞的原因之一。在大多數情況下，回灌井的堵塞不可避免。回灌不利又可造成水資源浪費，并且是造成地面沉降的隱患。

淺層地溫能開發利用可能造成水質污染是因為不同水質的含水層水混抽、混灌引起的。對于直接進入機組的地下水，工質、潤滑油的泄漏也是水質污染潛在的危險。因此需要對地下水位、水質、水溫進行長期監測，以便及時發現問題。

地埋管地源熱泵系統由于采用埋管的閉式循環進行換熱，對地下水影響不大，但需要較大的換熱溫差和較高的埋設密度，對局部地溫場的干擾比較大。因此有必要在土壤換熱孔內不同深度和周圍土壤中布置測溫元件，采集其溫度場，測得土壤層內溫度變化動態，更好地為優化設計、計算資源量和評價環境影響，提供可靠的實驗依據。如果換熱管內的傳熱介質含水防凍劑時，如果泄漏，也可能造成對地下水的污染。施工中如果換熱孔穿透不同水質的含水層，也有可能造成地下水水質的改變。因此，有必要對地下水采取一定的監測措施。

各地在開發利用淺層地溫能的同時，應建立淺層地溫能地質環境影響監測網。對不同深度的地溫、地下水水位和水質、地面標高等項目實施長期監測，及時掌握地溫變化動態、水土質量和地面變形情況，一旦發現地溫長期持續單向變化，或水土污染、地面沉降，應立即采取有效措施加以解決，防止產生地質環境問題。為了對淺層地熱能開發利用方法、技術等方面加強示范引導，各省(區、市)應選擇有代表性的城市建立若干監測實驗區。

3 淺層地溫能開發利用的積極性明顯受經濟成本與效益制約

淺層地溫能資源開發利用的主要方式是地源熱泵技術。因此，地源熱泵項目的經濟效益分析和研究對于淺層地溫能開發利用具有十分重要的意義。地源熱泵系統經濟效益的主要費用構成是項目初投資、運行成本和投資回收周期。

（1）工程初投資

工程初投資包括熱泵機房、室外換熱系統和室內末端系統3個部分。影響地源熱泵空調系統初投資的因素很多，如氣候條件、地質條件、建筑類型、建筑密度、價格水平等。從初投資上看，全國不同類型的項目，從南到北，氣候不同，使用功能不同，會有較大的差距。根據現有實際工程測算，如采用地下水的地源熱泵系統，系統初期投資大致約為250420元/m2。其中冷熱源部分的投資大概在150220元/m2，與采用國產的冷水機組加鍋爐式的中央空調系統初投資大致相同。如采用土壤源地源熱泵系統，其初投資大多數在300480元/m2，其中冷源部分的投資大概是在200 270元/m2。

（2）運行成本

熱泵系統運行成本包括年消耗能源費用、熱泵系統管理維護人員工資和熱泵系統維修費3部分。熱泵的年運行成本與常規供熱、制冷系統相比，具有以下特點：熱泵裝置不需要燃料輸送費用和保管費、排渣運輸費等；常規供熱、制冷系統檢修周期較長，因鍋爐設備與高溫煙氣接觸，構件極易受損,而熱泵系統只有2個部件運動，磨損少，平時無需任何檢修；管理人員與勞動強度均可減少，節省工資開支；熱泵系統消耗的是電能，因此主要開支是電費。

影響運行成本的因素主要有：地下換熱器的影響；土壤特性對地源熱泵的運行特性有重要的影響；熱泵機組性能、容量和循環泵的類型；地下換熱器設計不當的影響；運行管理策略、運行方式和日常維護的合理性。

根據實際工程運行統計，在地質條件適宜，系統配置合理的情況下，地源熱泵與傳統的中央空調系統相比，冬季采暖運行成本可以節約30%以上，夏季可以節約10%以上。

（3）投資回收周期

初投資和運行費用這兩個指標只能反映出經濟性的一個方面，而在決策時,還需要把靜態投資回收期作為另一個評價指標。投資回收周期是工程增量成本與年節約運行費用的比值，它是評估能源利用是否合理的主要指標之一。

地源熱泵系統靜態投資增量回收期大概在410年不等[4]，伴隨著地源熱泵技術逐步推廣應用，政府補貼的逐步完善，產業化規模不斷加大，生產廠家和集成商逐漸增多，市場競爭逐漸加劇，地源熱泵系統初投資將會進一步降低，地源熱泵系統成本應有50100元/m2降價空間，這將有利于費用年值降低和投資回收期的縮短，更有利于地源熱泵技術在全國的推廣應用。

4 需要通過政策支持推動淺層地溫能開發利用快速發展[2]

近年來，雖然一些地方政府以極大的熱情和力度來推廣淺層地溫能，但仍存在市場不規范、地區發展不平衡等問題，亟待政府相關部門制定一系列優惠政策，進一步鼓勵、引導和規范行業的有序發展，促進我國淺層地溫能的科學、有序地開發利用。

政策支持對開發利用影響重大。為應對經濟發展與能源短缺的矛盾，一些國家自20世紀80年代開始，在大力開展替代能源技術研究與創新的同時，大力開展制度創新，運用各種經濟手段鼓勵和促進可再生能源的發展。國外的做法主要包括政府直接投資，設立專門機構負責推廣可再生能源；另外，政府出資開展資源調查與評價同時為商業化發展提供免費的信息服務；政府也會給予適當的補貼扶持可再生能源的發展；通過稅收、價費優惠措施也是激勵可再生能源發展的手段之一。通過收集我國及各省（市、區)從2004年至2008年的各類實施意見、管理辦法、指導意見、規劃、標準。從中不難看出，淺層地溫能開發利用的快速發展與政府政策扶持力度的逐步加大息息相關。

已出臺政策的特點。已出臺政策的省份(城市)以北方為主。說明開發利用主要集中在北方地區，地源熱泵系統用在供暖解決能源及大氣污染問題需求更迫切。政策及規范的制定以建設主管部門為主。另外，已有政策較分散，對地下資源的合理利用關注不足，對地下水源熱泵管理嚴格。為保護地下水資源安全，如北京、天津、武漢對地下水源熱泵發展有管理規定，審批較嚴格。一方面保護了水資源，但在一定程度也限制了水源熱泵系統的開發利用，大多數城市趨于對地下水資源的保護，采取謹慎態度。

建議出臺優惠政策。在地質條件適宜、環保要求高的地區，建議國家相關部門給予占系統投資一定比例的補貼，盡量減輕使用者的初投資負擔；國家相關部門從增值稅、企業所得稅等方面支持投資方優先利用淺層地溫能為建筑物供暖、制冷，即所謂的“綠色稅收”；從地質勘查到土地使用應引導相關部門全線“綠燈”，簡化相關報批手續，全力支持。地埋管熱泵系統的限制主要是巖土體導熱系數，埋地換熱器占地面積大，受到工程場地及室外地質條件的限制。在條件允許的情況下，對采用熱泵系統的單位可適當放寬土地使用政策，如放寬土地使用年限和增加綠地面積等；系統運行過程中的電價、水費的優惠。目前國家有關部門強調用水的審批制收費，有些地方的水源抽取和排放兩次收費，增加了地下水源熱泵系統的運行費。所以地下水熱泵推廣需要政府從可持續發展的角度，綜合各個方面考慮，建議有關部門調整地下水地源熱泵系統水源使用的政策，重新確定地下換熱系統中循環利用地下水的管理和收費。對地源熱泵系統運行電價給予優惠，如淺層地熱能供暖可采用民用電價，或免增容費等，增大峰谷電價差，鼓勵在系統中應用蓄能技術削峰填谷，科學用電；簡化換熱井的審批手續。對于換熱井的審批應與供水井審批手續相區別，不再由水主管部門審批。由國土資源管理部門加強開采方案的審查，水主管部門重點應加強運行期的管理及監測。

5 需要提高全社會對淺層地溫能資源的認知程度

淺層地溫能開發利用在國外發展了幾十年。在我國該項技術起步較晚，只有十多年的歷史，盡管目前淺層地溫能供暖在我國已經有了大量的應用實例，在我國也有多家研究機構和企業對淺層地熱能開發利用技術進行性能研究和工程實踐,但由于社會各界包括開發商及相關部門管理者對這一技術相關知識了解不夠，對技術的經濟性和穩定性還不了解，認知程度還遠遠不夠；一些設計單位由于認知不足，缺乏經驗，還沒有接受這項技術，采取敬而遠之的態度。這些都嚴重制約了淺層地熱能開發利用的推進。

因此，各地應提高全社會對淺層地溫能開發利用的認知程度。有關部門應加強淺層地溫能開發利用的宣傳工作，普及淺層地溫能知識，推進學科間的溝通互動，促進這一新能源的開發利用。在這一點上，國土資源管理部門責無旁貸，大有可為。我們應該抓緊時機，利用媒體，組織專題報道和科普宣傳，尤其是把一些開發利用較好的項目作為示范向全國推介，大力宣傳其節能減排的實際效果，使這一綠色環保新型能源真正深入民心。各地應進一步提高認識，積極行動起來，營造一種大力推進淺層地溫能開發利用的良好社會氛圍。

此外，為更好地開發利用這項技術，各大專院校、科研單位、專業協會及相關單位應發揮各自專業優勢，組織開展淺層地溫能調查評價及開發利用相關技術培訓和技術交流。針對技術難題，進行科技攻關，不斷提高淺層地溫能開發利用的科學技術水平。

大力推進淺層地溫能開發利用，在城市建筑節能中意義重大，全面推進勢在必行。這需要全社會各界的共同努力，行動起來，并且在行動中注意加強資源的勘查評價，保護環境，加強科學研究和技術攻關，掌握規律，科學利用，讓淺層地溫能為構建資源節約型和環境友好型社會發揮更大作用。

總之，淺層地溫能是一種可再生的新型環保能源，要緊緊抓住淺層地溫能資源科學開發利用中的關鍵問題，大力推進淺層地溫能開發利用的快速發展。要盡快開展淺層地溫能勘查評價工作；超前關注淺層地溫能開發利用對地質環境的影響；積極降低經濟成本，提高開發利用淺層地溫能的積極性；制定優惠政策，推動淺層地溫能開發利用快速發展；加大宣傳培訓，提高全社會對淺層地溫能資源的認知程度。

[1] 衛萬順，李寧波，冉偉彥，楊俊偉.淺層地熱能開發利用若干問題的思考，中國國土資源報， 2009.4.3.

[2] 衛萬順.關于推進淺層地熱能開發利用的建議，中國國土資源報，2009.4.3.

Study on the Key Problems of Development and Utilization of Shallow Geothermal Energy

WEI Wanshun1, LI Ningbo1, RAN Weiyan1, YANG Junwei1, WANG Zelong2
（1.Beijing Geology Prospecting and Developing Bureau, Beijing 100195; 2.Beijing Geological Survey Beijing 102206）

The shallow geothermal energy is a new-kind of renewable, green, clean energy, which has a wide developing prospect. To satisfy the needs of rapid development of the shallow geothermal energy, it is necessary to study the key problems during its development. The study shows that—It is necessary and urgent to survey and evaluate the shallow geothermal energy; We should forecast and pay attention to the infuence of shallow geothermal energy’s exploration on the geological environment; The positivity to exploit the shallow geothermal energy is obviously restricted by the fnal economical benefts; It needs related government policy to enhance the rapid development and utilization of the shallow geothermal energy. As a result, it needs improving the whole society’s cognition to the shallow geothermal energy.

shallow geothermal energy; development and utilization; key problem

TK529

A

1007-1903(2009)03-0001-05

衛萬順（1964－ ），男，博士后，教授級高工，主要從事地質工作管理及地質戰略研究工作。