淺層地熱能開發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，國家經濟迅速發展消耗了大量能源，因此，開發可再生清潔能源成了國家研究的重點，淺層地熱能就是一種可再生清潔能源，使用過程中不會造成環境污染而且能夠循環利用。開發淺層地熱能不僅可以改善國家能源緊缺現狀，減少資源浪費，保護環境，還可以利用地下水資源與地下淺層低品位熱能，但是淺層地熱能開發中仍然存在一些問題需要解決。

關鍵詞：淺層地熱能;開發利用;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

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

1 淺層地熱能開發方式

1.1 水源熱泵系統

水源熱泵系統是開發淺層地熱能的常用技術手段之一，這種系統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主要由三個部分組成，（1）地下水熱交換系統;（2）機房系統;（3）末端系統。地下水地源熱泵的換熱方式為開式循環，可能產生地下水水位下降、地面沉降、水質變化和冷熱堆積的問題。

1.2 土壤源地源熱泵系統

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

2 淺層地熱能開發利用的優點

2.1 采用地熱能供暖，更加的節能環保

地源熱泵供暖技術可以將較低的能源轉換為高效的熱量，這非常符合節能環保的發展理念，有助于緩解我國目前能源匱乏的局面，所以，對于該技術的研發應給予高度重視。地源熱泵供暖技術的發展主要表現在以下幾個方面：①對城市地區的供暖，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的，所以實際的供暖中往往面臨大量的能源消耗和環境污染，不符合綠色發展理念。而地源熱泵供暖技術的應用可以有效解決這些問題，所以未來需要用該技術代替傳統的鍋爐集中供暖。②我國北方地區，由于冬季氣溫較低，所以對于供熱方式的開發更加關鍵。在北方地區，通常存在很多干枯的地熱井，對此加以利用和開發，將有效降低能源的消耗。③地源熱泵供暖技術的應用將朝著節能、環保及高效的方向發展，同時，結合信息化技術，提升信息化和自動化水平，以提高供暖的效率和質量。

2.2 采用地熱能發電，更加清潔環保

地熱資源是清潔的可再生能源，地熱發電已有超過百年的發展歷史。近年來，由于地熱能具有熱效率高、穩定性好、用地少、生態效應小等優點，因此，越來越受到各國的重視，世界上地熱資源豐富的國家通過各種措施大力發展地熱電站。地熱能主要來自地殼內部的熔巖和放射性物質衰變，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電相比，地熱能發電的能源利用率高，不受天氣和季節氣候變化影響，同時發電成本具有競爭性，二氧化碳減排優勢明顯等特點，因而逐漸被各國政府所認識，針對地熱能發電技術的研究熱度逐年增加。

3 淺層地熱能開發利用的影響因素分析

3.1 氣候條件和地質條件差異性較大

我國占地面積高達960萬km2，區域跨度大，各區域氣候環境不同，淺層地熱能開發、利用方式也有所區別。例如：我國南方地區主要是通過利用地熱能來進行制冷，但是由于地熱泵系統地熱輸入量比較高，所以，如果出現地源熱泵系統和地質環境不匹配的情況，會導致局部蓄熱，那么地下溫度會增高，淺層地熱能制冷效果會降低，所以開發利用淺層地熱能時要結合區域環境和地下水資源情況選擇合適開發手段進行能源開發。

3.2 地下換熱技術的限制

淺層地熱能開發會受到地下換熱技術的限制，一些地區由于地下換熱器熱量技術水平有限而無法大面積開發淺層地熱能能源，主要原因是這些地區的土壤熱物性能比較低，與熱泵技術使用要求標準相差較大，近些年，國內多個專家以及科研人員一直在研究高效地下換熱技術，雖然也有了部分成果，但是要長期且大幅度的開發地下能源，地下換熱技術仍然有技術限制。

3.3 熱泵機組質量的影響

熱泵機組的質量對開發利用淺層地熱能也有一定的影響，尤其是對于系統節能減排效果影響比較大，而且相對于其他傳統技術來講，國內地源熱泵技術發展比較落后，這項技術核心基本都被國外掌握，國內技術開發速度較慢，所以，國內的地熱泵機組質量偏低，并且安全隱患比較大。另外，能源開發部門還存在一部分素質比較低的工作人員，所以國內熱泵機組整體技術水平偏低。

4 淺層地熱能開發的策略分析

4.1 依據氣候特征，合理開發

由于我國南北方氣候差異較大，地下水資源情況區別明顯，所以開發利用淺層地熱能資源的方式也有所不同，開發人員要根據氣候特征選擇合適的開發技術手段。例如：北方春、夏、秋、冬四個季節的環境差異較為明顯，針對不同環境要選擇不同的開發方式。開發淺層地熱能之前，要以城鎮為重點確定合適開發區域，然后再進行區域環境情況調查，進行合理的開發方案設計。另外，我國北方和西部地區總體環境狀況偏冷，所以，開發淺層地熱能之后主要用于供暖，開發過程要結合地理環境狀況選擇合適開發方案，根據對過往開發工作的研究發現，水文地質環境較為優秀的地區，可以進行大規模的淺層地熱能開發，而水文地質環境較差的地區，開發時要注意結合過往經驗教訓，在合適區域內開發淺層地熱能。

4.2 提升技術能力，提高淺層地熱能水平

提升淺層地熱能開發量，首先要提高淺層地熱能開發技術水平，而我國地下高效換熱技術水平有限，國家發改委以及能源局也提出了相關規劃以及技術研發要求，將地下高效換熱技術研究作為國家研究重點，但是技術研發不可能一蹴而就，目前我國的地熱泵機組仍然需要大量進口外國品牌，以供國內開發利用淺層地熱能。為了提高技術水平，國家研究中心以及各個相關企業都應該加強理論知識學習，不斷創新發展現有技術，逐步創建國內自主品牌，提高我國淺層地熱能開發效率和質量。

4.3 強化淺層地熱能開發利用管理

做好淺層地熱能開發利用管理工作也能有效提高地熱能開發質量和效率，開發淺層地熱能不僅需要國家政府支持，也需要相關部門監督管理，例如：國土資源部門、水利部門和環保部門之間相互溝通合作，才能保證淺層地熱能的順利開發。各部門之間要借助網絡信息技術構件信息平臺，實時共享數據，避免淺層地熱能的不規范開發，提升開發效率和質量，另外，建立專業監督管理部門，制定科學管理方案可以保證淺層地熱能開發工作的順利進行。

4.4 強化監測網絡建設

21世紀是網絡信息時代，開發淺層地熱能也要善于利用網絡信息技術，實時監測地下水水溫、熱流情況，另外，獲得監測數據之后，數據處理人員要在數據基礎上綜合分析開發區域的地質環境和水文條件，不斷優化淺層地熱能開發布局，提升淺層地熱能開發效率。

4.5 加強地質環境監測工作

強化地質環境監測工作，能夠有效提高淺層地熱能開發效率和質量，那么就需要能源開發部門根據能源實際開發情況建立地質環境監測網絡。地質環境監測系統不僅需要監測開發區域地溫變化情況，還需要檢測地質環境實際情況，有些地質環境并不適合用于淺層地熱能開發，工作人員要根據地質環境監測系統的檢測數據，選擇合適開發區域。淺層地熱能開發工作除了需要監測地質環境之外，還需實時監測水源熱泵系統的地下水水質和水位變化情況，如果監測時發現地下水溫度異常或者地下水水位波動較大，要及時解決這些問題，避免使影響范圍擴大，導致淺層地熱能開發工作無法進行。

4.6 政府支持

開發利用可再生清潔能源是我國發展趨勢，國家發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，相關政府部門應該大力支持可再生清潔能源，例如淺層地熱能的開發工作。政府部門要建立健全開發政策制度，保證淺層地熱能開發工作有所依靠，淺層地熱能開發雖然需要大量的一次性資金投入，但是，開發獲得的淺層地熱能不僅能夠循環利用，保護環境，還能帶來大量收益，所以建議能源開發部門加大對淺層地熱能開發的力度，目前也有幾個區域開發淺層地熱能政策法規比較完善，例如北京，山東等，其余各個地區應該向這幾個地區學習，為淺層地熱能開發提供技術支持以及資金支持。

5 結束語

總而言之，開發利用淺層地熱能是國家發展趨勢，合理利用淺層地熱能，不僅可以節能減排，保護環境，而且由于淺層地熱能可再生、儲存含量多，所以可以為國家經濟發展提供長期支持。

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收稿日期：2020-07-28

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

作者簡介：鄂建（1982-），男，漢族，研究生學歷，碩士學位，高級工程師，研究方向為水工環地質。