地熱資源綜合開發利用的研討

白志鴻，陳秋橋

（河南省地質礦產勘查開發局第四地質礦產調查院，鄭州 450000）

當前，我國主要采取燃燒化石燃料的方式進行取暖，不僅會造成資源浪費，也導致許多環境污染問題[1]。因此，開發和利用新能源變得尤為重要。作為一種綠色、可再生能源，地熱資源越來越受到人們的關注和重視。

1 地熱資源概述

地熱資源是指能夠為人類所利用的蘊藏在地球內部的一種天然熱能資源。地熱資源是一種可再生的清潔能源，具有清潔環保、用途廣泛、穩定性好、可持續利用等特點，不受季節、氣候、晝夜變化等外界因素干擾，是一種具有競爭力的新能源。當前，人們的環保意識日漸增強，傳統能源卻日趨緊缺，地熱資源的開發利用愈來愈受到青睞。

我國地熱資源儲量十分豐富，根據原國土資源部在“十二五”期間的地質調查，中國地熱資源年可開采量折合26 億t 標準煤。按照埋藏深度，地熱能分為200 m 以內的淺層地溫能、200 ～3 000 m 的水熱型和3 000 ～10 000 m 的干熱巖型三種。全國336個地級以上城市淺層地熱能年可開采資源量折合7 億t 標準煤，可實現建筑物夏季制冷面積326 億m2，冬季供暖面積323 億m2；全國水熱型地熱資源量折合1.25 萬億t 標準煤，年可開采資源量折合18.65 億t標準煤，以中低溫為主，高溫為輔；干熱巖資源量折合856 萬億t 標準煤。

2 地熱資源綜合開發利用的方式

地熱資源的開發利用可分為發電和直接利用兩個方面。高溫地熱資源主要用于發電；中溫和低溫地熱資源則以直接利用為主；對于25℃以下的淺層地熱能，可利用地源熱泵進行供暖和制冷[2]。其中，淺層地熱能開發利用技術已較為成熟，本文主要介紹淺層地熱能的開發利用。

對淺層地熱能的開發利用，主要是借助地源熱泵技術，提取淺層地熱能。地源熱泵系統是以巖土體、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、建筑物內系統組成的供熱制冷系統。根據地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地下水地源熱泵系統、地表水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統。

2.1 地下水地源熱泵系統

地下水地源熱泵系統包括熱源端、熱泵設備以及用戶端三個部分。其中，熱源端大都由抽水水井和回灌水井兩個部分組成，通過抽水泵的作用將水井中的水抽出，而后根據實際需求經過熱泵裝置對溫度進行調整后通過運輸裝置將其輸送到用戶端，在達到預期的供暖或制冷效果的同時將作用后的地下水回灌到井中，確保地下水資源總量不發生明顯改變，保證各儲水層的相對穩定，在保護地下水環境的同時達到預期的供熱制冷效果[3]。在地下水地源熱泵運行環節，通常是通過地下水回轉的方式針對淺表地下水的能源進行采集，但是根據實際經驗，由于地下水的成分比較復雜，容易對管道產生一定的損傷，所以在這一環節應針對地下水的運行模塊添加一定的防腐蝕措施，確保不會對后續的運行造成影響，同時達到預期的資源利用效果。

2.2 地表水地源熱泵系統

地表水地源熱泵系統是將地表水用作熱泵的低溫熱源，通過布置在水底的閉合換熱系統進行冷熱交換。此種系統適合于中小制冷供暖面積、臨近水邊的建筑物。利用池水或湖水下穩定的溫度和顯著的散熱性，不需鉆井挖溝，初期投資最小，但需要建筑物周圍有較深、較大的河流或水域[4]。這一系統可以劃分為打開式的地表水地源熱泵系統和封閉式的地表水地源熱泵系統兩種模式。前者與上述地下水地源熱泵系統相近，而封閉式的地表水熱泵系統則相對更加類似于地埋管式的地源熱泵系統。

2.3 地埋管地源熱泵系統

這種熱泵的結構組成大多數情況下與封閉式的地表水地源熱泵系統類似，區別僅僅體現在水源汲取方式上。地埋管熱泵系統通常都是通過一個相對封閉的系統將水源從地下抽取出來，避免水源與外界的物質相接觸，降低其在傳輸過程中的能源損耗，最大程度上提升其熱交換的比例。相對于打開式的地表水地源熱泵系統，該系統減少了水源與外界環境之間的接觸，具備較好的封閉效果，能夠更加獨立地保障水源系統的運行，降低能源采集環節對外界環境的影響，同時帶來更大的能源效益。這種地源熱泵系統可以分為豎直埋設的地源熱泵系統和水平埋設的地源熱泵系統兩種，人們應根據不同施工現場環境進行選擇，從而獲得更好的效果，提升地表熱源的利用率。值得注意的是，在地埋管操作環節，管線埋設不當會導致地溫異常，對施工區域造成負面影響，引發一系列環境問題。

3 地熱資源綜合開發利用的現狀

我國地熱資源開發利用雖然起步較晚，但發展很快，20世紀90年代引入地源熱泵技術，目前該技術的應用范圍已擴展至31 個省級行政區（不含港澳臺）。截至2017年底，全國地源熱泵裝機容量達2萬MW，年利用淺層地熱能折合1 900 萬t 標準煤，實現供暖制冷面積超過5 億m2[5]。下面將結合我國某省的地熱資源綜合開發利用情況進行分析，以期推動地熱資源的進一步開發和應用。

3.1 我國某省的地熱資源綜合開發利用背景

某省位于我國中部地區，地處淺層地熱資源的綜合開采區域，截至目前，該省已經完成了十個地市的地源熱泵安裝，其運行情況如表1所示。

表1 我國某省地源熱泵系統的運行情況

由表1可以看出，該區域的地源熱泵系統建設規模較大，運行情況總體良好，說明地源熱泵技術是一種可靠的、值得大力推廣的可再生能源利用技術。地下水地源熱泵系統的數量遠遠高于地埋管地源熱泵系統，其原因是地下水地源熱泵系統施工標準比地埋管地源熱泵系統低，同時能夠保證后續運營環節獲得相似的使用效果，具備更加明顯的價格優勢[6]。另外，部分熱泵已經停用，走訪調查得知，主要原因是熱泵運行時出現磨損，部分熱泵維護公司經營不善。例如，在停用區域，地下水的泥沙含量普遍較高，同時水溫、水量不足，嚴重影響地源熱泵系統的正常運轉。

3.2 地熱資源綜合開發利用的問題及前景

目前，我國能源結構中，地熱能占比仍然較小，在發電、供暖等方面還有很大的發展空間。地熱資源的開發利用不僅需要國家政策的支持，還需要專業的地勘隊伍、先進的開發技術等[7]。近年來，我國結合自身實際情況，探索出一系列地熱資源綜合開發利用模式，但是實際開發環節仍舊存在明顯的問題。例如，地熱資源開發利用現階段大都采用復制的方式，將以往成功案例套用于新的施工項目上。這樣雖然能夠基本達到預期的施工效果，但是人們忽視了不同區域的實際地質情況，很容易造成熱能儲量不夠、水溫不達標等問題，影響地源熱泵系統的構建。對此，應盡快梳理相應的設計標準、規范，以更好地滿足后續的建設需求。在地源熱泵系統的使用過程中，人們應重視其與開發總量的適配，使冬季的取熱量與夏季的熱量儲備相近，最大程度上確保熱泵系統能夠循環應用，避免因熱泵系統的建設影響施工區域的生態環境。

地熱資源作為一種儲量大、分布廣的可再生能源，可以為我國未來經濟發展提供能源保障，進而實現可持續發展。近年來，常規能源問題不斷顯現，環境問題也越來越突出，如溫室效應、霧霾頻發等，倡導綠色、低碳、可持續發展的呼聲日趨高漲[8]。我國越來越重視地熱能的開發利用，相繼出臺了很多扶持政策，因此地熱資源的開發利用具有較好的發展前景。

4 結語

隨著我國新型能源開發、研究的不斷深入，地熱資源作為一種清潔能源，將成為未來新能源的重要組成部分。開發利用地熱資源時，人們應格外關注周邊的地質情況，積極推廣應用高新技術，提高地熱開發的科技含量，發展節約型、效益型的開發利用模式，努力提高利用率，減少資源浪費。在當今時代背景下，地熱資源的開發利用已經成為能源行業發展的必然趨勢，是解決目前大氣污染問題、實現碧水藍天的有效手段，是創建綠色、低碳、節約、集約的生態文明社會的有效途徑。