水地源热泵,我国城市浅层地热能开发利用现状与趋势

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关于浅层地热能

近年来，浅层地热能开发利用得到迅速发展，成为节能减排大军中一股不可忽视的力量。北京约有2000万m2的建筑利用浅层地热能供暖和制冷，沈阳市已超过4300万m2。

近年来，浅层地热能开发利用得到迅速发展，成为节能减排大军中一股不可忽视的力量。北京约有2000万m2的建筑利用浅层地热能供暖和制冷，沈阳市已超过4300万m2。北京国家大剧院和奥运村、上海世博会等标志性工程都使用了地源热泵系统。作为可再生能源之一，浅层地热能开发利用工作将成为城市地质工作中的重要部分，做好城市地质工作中浅层地热能开发利用工作，对生态城市建设和节能环保发展具有十分重要的意义。

一、我国浅层地热能

（一） 浅层地热能资源

地热能是可再生的清洁能源，按照埋藏深度，200米以浅的称为浅层地热能，浅层地热能的温度略高于当地平均气温3～5 ℃，温度比较稳定，分布广泛，开发利用方便，具有十分广阔的开发利用前景。浅层地热能的利用，主要是通过热泵技术的热交换方式，将赋存于地层中的低品位热源转化为可以利用的高品位热源，既可以供热，又可以制冷。开发浅层地热能，可以改善我国能源消费结构，减少二氧化碳排放。

（二）我国浅层地热能应用潜力

我国浅层地热能资源十分丰富。最新数据表明，我国287个地级以上城市浅层地热能资源量为每年2.78×1020J，相当于95亿吨标准煤。每年浅层地热能可利用资源量为2.89×1012kWh，相当于3.56亿吨标准煤。扣除开发消耗电量，则每年可节能2.02×1012kWh，相当于标准煤2.48亿吨，减少二氧化碳排放6.52亿吨。到2015年，我国利用的浅层地热能资源量将达到4.26×1011kWh，相当于5269万吨标准煤（占我国浅层地热能可利用资源总量的14.8%）。

（三）地源热泵技术

地源热泵技术的进步是带动浅层地热能开发利用的关键因素，实践证明，利用地源热泵技术开发浅层地热能是实现节能减排十分有效的途径。

1912年瑞士人首先提出了地源热泵技术，1946年第一个地源热泵系统在美国俄勒冈州诞生。1974年起，瑞士、荷兰和瑞典等国政府逐步资助建立了示范工程。20世纪80年代后期，地源热泵技术日臻成熟，其节能和减排效果得到了普遍认可。2010年世界地热大会的统计数据，地源热泵的年利用能量达到了214782 TJ（1012焦耳），与2005年世界地热大会的统计数据相比，五年内增长了2.45倍，平均年增长率达到了19.7%。2010年世界地热大会的统计的地源热泵的设备容量为35236 MWt（兆瓦热量），其在五年间增长了2.29倍，平均年增长率为18.0%。

二、浅层地热能开发利用现状

我国起步较晚，九十年代才引入地源热泵技术。清华大学徐秉业教授把这项技术引入中国，从此开启了地源热泵技术在中国的发展潮流。我国利用地源热泵技术开发浅层地热能与国外相比，虽然起步晚，但发展很快，其范围之广、规模之大已远超国外。据初步统计，目前在全国范围内，除港澳台地区外，31个省、市、直辖市、自治区均有开发浅层地热能的地源热泵系统工程。应用浅层地热能供暖制冷的建筑物面积1.4亿m2，浅层地热能供暖、制冷的单位（住宅小区、学校、工厂等）约3400个，80%集中在华北和东北南部地区，包括北京、天津、河北、辽宁、河南、山东等省市。北京约有2000万m2的建筑利用浅层地热能供暖和制冷，沈阳已超过4300万m2。据估算，2010年浅层地热能的开发利用，使我国二氧化碳减排约2200万吨。

（一） 政策推广

为促进浅层地热能开发利用，北京市、沈阳市和国家有关部门先后出台了有关文件。2006年5月，北京市发改委等九个部门联合印发了《北京市关于发展热泵系统的指导意见》，对选用地下（表）水地源热泵的每平方米补助35元，选用地埋管地源热泵和再生水地源热泵的，每平方米补助50元。2007年７月，沈阳市出台了《地源热泵系统建设应用管理办法》，凡符合城市供热规划和地源热泵技术推广应用规划要求，并具备应用地源热泵技术条件的新建、改建、扩建项目，以及耗能大的单位，应当建立地源热泵系统。

2009年7月，财政部、住房城乡建设部下发了《关于印发可再生能源建筑应用城市示范实施方案的通知》，对纳入示范的城市，中央财政将予以专项补助5000万元；对推广应用面积大，技术类型先进适用，能源替代效果好，能力建设突出，资金运用实现创新，将相应调增补助额度，每个示范城市资金补助最高不超过8000万元。《通知》中的“可再生能源”即为太阳能和浅层地热能。

此外，各地方政府也先后出台了一系列发展地源热泵技术的相关政策和措施。

（二）浅层地热能资源调查评价

浅层地热能资源调查评价是浅层地热能利用的基础工作，决定浅层地热能利用的科学性和可持续性。2008年，国土资源部在全国启动了浅层地热能调查评价试点工作，并于当年印发了《关于大力推进浅层地温能开发利用的通知》，发布了《浅层地温能勘查技术规范》，成立了浅层地温能研究推广中心。国土资源部在2009年制定的《国土资源系统应对全球气候变化工作方案》和2010年印发的《关于做好“应对全球气候变化地质响应与对策”有关工作的通知》中，又对浅层地热能调查评价与开发利用工作进行了再部署。

自2008年国土资源部下发了开展浅层地热资源调查工作通知后，全国各省（自治区、直辖市）市根据《浅层地温能勘查技术规范》分别对辖区内适宜开发利用浅层地热能的主要大中城市，以及经济发展规划区开展浅层地热能调查。

目前，此项工作已经在各省、自治区、直辖市国土资源系统进行。现已经完成的有北京市、河北省和天津市等。

重要成果：天津浅层地热资源调查评价工作

2009年至2010年，国土资源部和天津市联合开展了“天津市浅层地温能调查评价与开发利用”试点工作。试点工作包括浅层地热能调查评价、开发利用规划编制、地热动态监测网建设和浅层地热能利用示范工程建设等四项工作，试点工作取得了一系列重要成果。

一是全面完成了天津市浅层地热能资源调查，查明了天津市浅层地热能分布特点和赋存条件，评价了资源量和开发利用潜力。计算出浅层地热能的可利用资源量为1748万亿kJ，冬季可供暖面积13.4亿m2，夏季可制冷面积12.6亿m2。每年浅层地热能可利用资源量全部开发可节约标准煤5974万吨，扣除开采的电能消耗，可节约标准煤4480万吨，减少向大气排放二氧化碳等1.17亿吨，减少环境治理费用15.32亿元。

二是在调查评价的基础上，结合天津市社会经济发展、城市建设和土地利用规划，编制完成了天津市浅层地温能资源开发利用规划，划定了开发适宜区，分别圈定了适宜地下水、地埋管开发方式的地段，提出了合理的开发利用规模。

三是实施了梅江会展中心等10个具有代表性的浅层地热能开发利用示范工程。通过示范工程建设，提出了工程建设与管理的标准和要求，为浅层地热能开发利用规范化建设提供了依据。10个示范工程项目总供热、制冷面积约100万m2，建成后每年可节约标准煤4万吨，减少排放二氧化碳等10万吨。

四是建立了由12个动态监测站、1个试验场和1个试验研究基地组成的浅层地热能动态监测网，制定了《地埋管地源热泵动态监测技术规程》。

五是为实现统一管理、科学规划、有序开发、合理利用浅层地热能资源，全面系统地开展了政策研究工作，完成了《浅层地热能资源开发利用相关政策研究》报告和《关于推进天津市浅层地温能开发利用工作的建议》。

（三）可再生能源建筑应用项目示范及城市示范

住房城乡建设部2006年启动了可再生能源建筑应用示范项目，示范项目具有典型性、代表性，技术类型上以太阳能和浅层地热能为主。到现在为止成功实行了四批示范项目。四批示范项目371个，第一批25个，第二批57个，第三批130个，第四批159个，总补贴金额约26亿元。

住房城乡建设部2009年启动了可再生能源建筑应用城市示范，对纳入示范的城市，中央财政将予以专项补助。目前，纳入示范的城市有44个，资金补助基准为每个示范城市5000万元，具体根据2年内应用面积、推广技术类型、能源替代效果、能力建设情况等因素综合核定，切块到省。推广应用面积大，技术类型先进适用，能源替代效果好，能力建设突出，资金运用实现创新，将相应调增补助额度，每个示范城市资金补助最高不超过8000万元；相反，将相应调减补助额度。

（四）存在问题

由于浅层地热能利用较传统地热资源利用发展晚，且涉及多领域、多行业，开发利用过程中也存在一些问题。

1.工程前期未进行浅层地热能资源勘查评价

《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366-2005)强制要求地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地现状调查，并对浅层地热能资源进行场地勘察。

然而，很多工程设计前都没有进行勘察工作，一方面在地下水地源热泵不适宜区采用了此换热方式，造成系统建成后产生耗电量大、系统COP低、运行不稳定、回灌困难，甚至系统报废等问题；另一方面根据其经验布设换热孔，导致大量浪费。

2.设计参数依据不足

部分地源热泵工程由热泵提供方进行设计，一些商家在设计时，完全凭借经验，以最简单的估计模式去设计系统，不少企业在设计时并没有做负荷分析，只是简单地选择一个经验数据。由于设计参数依据不足，导致一些系统设计出现“大马拉小车”或者设计负荷不足的现象。

3.缺乏可靠的技术支撑

第一，地下水回灌技术不够完善，成井工艺有待提高。地下水地源热泵工程的成井口径、填砾层厚度、滤水管类型及滤料的选用对回灌量均有较大影响，大多数施工单位未掌握回灌井施工技术，特别是成井口径、填砾层厚度、滤水管类型及滤料的选用等，造成许多井不能正常回灌。

第二，部分用户取水系统的设计、安装存在一些问题。部分用户设备安装不配套（无测压管、多无精滤装置）。热泵系统安装密封性差，回灌困难，大部分单位每年都需洗井。

第三，部分用户水源井地层层位确定存在较大的问题，特别是选用第1I含水组地层做为采灌井利用层位时，普遍存在水位偏浅，回灌困难的问题。

第四，部分热泵运行管理不够完善，导致回灌运行管理不规范。一些单位缺乏基本的常识，近三分之一工程运行不回扬，多数工程运行记录不完整（多无抽水及回灌水水温、水量、水位），有些工程存在混层采灌水的问题。

4.管理体制不健全

浅层地热能开发利用行政监督管理主体不明确，监督管理所依据的法律、法规、政策、标准欠缺，造成浅层地热能开发利用秩序混乱。主要表现在项目没有报批登记手续，不按地质条件开发，施工队伍资质、施工过程监管空白，验收标准不统一。

5.缺乏对浅层地热能资源开发利用动态监测

近年来，全国各地建成了大量的地源热泵系统，但尚未建立地源热泵地下换热系统监测体系，缺少对地源热泵系统中温度、水位、水质等动态变化的监测，无法评价浅层地热能资源开发利用对地质环境的影响；大多数地源热泵工程系统中都没有安装必要的节能计量装置，如温度表、流量计、功率表等，使得项目的节能计算工作存在一定困难，同时也不便于管理部门的进一步节能评定工作。

三、浅层地热能开发利用发展趋势

（一） 继续推进浅层地热能资源调查评价工作

推进浅层地热能资源调查评价工作是地源热泵技术发展的基础，“十二五”期间，浅层地热能资源调查评价与开发利用工作将继续成为城市地质工作的重点。工作的主要任务是查明我国主要城市浅层地热能分布特点和赋存条件，评价资源量及开发利用潜力，编制开发利用规划，建立监测网络，推动浅层地热开发利用示范城市建设。

国土资源部“十二五”工作部署中，2012年前将完成省会级城市调查评价工作，2015年前完成地级市和部分重点县级城镇调查评价工作。2011年29个省会级城市浅层地热能调查评价项目年内分两批实施。第一批实施的城市包括石家庄、呼和浩特、沈阳、长春、杭州、合肥、济南、郑州、重庆、西安、兰州、乌鲁木齐等12个城市。第二批实施的城市包括太原、哈尔滨、上海、南京、福州、南昌、武汉、长沙、广州、南宁、海口、成都、贵阳、昆明、拉萨、西宁、银川等17个城市。

其目标是：

（1）初步查清主要大中城市的浅层地热能赋存、分布特征及相应的水文地质工程地质特征，测试岩土体热物性参数，估算可利用资源量。

（2）开展浅层地热能利用工程（地下水、地源热泵系统）适宜区划分。

（3）选择有代表性的1～2个城市建立监测实验区。对已运行工程进行地下（岩土、水）温度场的监测（至少1个运行周期）工作，评价地源热泵工程对地质环境的影响，同时记录运行工况和能耗，计算换热能效比，检验项目节能效果。

（4）制定相关技术标准，建立浅层地热能开发利用适宜区划分、评价数据库。为合理开发利用浅层地热资源提供基础数据，为政府宏观规划与科学管理提供决策依据。

（5）在调查评价的基础上，结合当地行政区域可再生能源开发利用中长期目标，编制完成主要城市（镇）浅层地热能开发利用专项规划。

（二） 加大科研实力和技术创新

加强相关技术研发与投入，提高浅层地热能利用效率。

（1）加强浅层岩土热物性测试的研究；

（2）建立不同地层热物性数据库；

（3）开展不同换热方式地下传热模型的模拟试验；

（4）建立地温场长期观测，包括换热井及周围地层温度、水位、水质以及换热（换冷）情况，了解（监测）其变化规律，特别是换热井回灌能力和温度恢复情况；

（5）观测地下换热系统的实际换热（换冷)效果，测量地层热流值及热传导系数。

（三）积极参与示范城市建设，带动浅层地热能资源开发利用

在对当地浅层地热资源调查评价的基础上，结合工程的具体地质环境，积极开展地源热泵技术的推广应用，建立符合本地实际需求的示范工程，并摸索方法，总结经验，逐步推广。积极申报“可再生能源示范城市”，参与示范城市建设，用好国家专项资金，稳步推进以城市为单位的浅层地热能开发利用工作。

利用地源热泵技术开发浅层地热能资源，为建筑物供暖制冷，是符合国家节能减排这一历史进程的。随着这项技术的不断发展，我们将进一步认识到，不断加强地热资源调查评价工作，加大科研力度和技术创新，积极参与示范城市建设将是一项具有重大意义并值得持续推进的长远工程。

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