中淺層地熱能清潔供暖新模式探索

——訪中國煤炭地質總局水文地質局黨委書記、局長蔣向明

地熱是一種可再生清潔能源。我國地熱資源豐富，不受氣候、季節、環境的制約，更加穩定可靠。在我國能源轉型的征程中，地熱能也顯示出獨特優勢和巨大潛力，對推動實現“3060”目標具有重要意義。鑒于此，本刊記者就我國地熱能發展的新機遇等有關問題采訪了中國煤炭地質總局水文地質局黨委書記、局長蔣向明。

我國地熱發展將迎來新的黃金期

記者：地熱是一種清潔能源，國家有關部門非常重視。今年9月國家發展改革委、國家能源局等八部門聯合發布了《關于促進地熱能開發利用的若干意見》（以下簡稱《意見》），對地熱能的綜合利用具有里程碑意義。您對我國地熱的發展現狀和應用前景是怎么理解的？

蔣向明：當前，氣候變暖是人類面臨的最嚴峻、最緊迫的全球性問題之一。目前，全球二氧化碳等溫室氣體排放中，80%以上來自于化石能源的使用。我國向國際社會承諾實現碳達峰碳中和目標，首要任務就是促進清潔能源快速發展，減少對化石能源的過度依賴。

我國已經明確將地熱能作為可再生能源供暖的重要方式，正在積極研究促進地熱能開發利用的具體措施，加快營造有利于地熱能開發利用的政策環境。這組數據印證了我國地熱能產業發展取得的突出成績：2020年我國地熱直接利用裝機容量達40.6吉瓦，占全球的38%，連續多年位居世界首位。其中，地熱供暖裝機容量7.0吉瓦，地熱熱泵裝機容量26.5吉瓦，分別比2015年增長138%、125%。截至2020年底，我國地熱能供暖制冷面積累計達到13.9億平方米，繼續保持世界第一。其中，水熱型地熱能供暖5.8億平方米，淺層地熱能供暖制冷8.1億平方米。“十三五”期間，我國地熱能以多種形式替代化石能源的作用逐漸顯現，成為可再生能源非電利用的主要方式。

根據《意見》，到2025年，各地基本建立起完善規范的地熱能開發利用管理流程，全國地熱能開發利用信息統計和監測體系基本完善，全國地熱能供暖（制冷）面積比2020年增加50%，在資源條件好的地區建設一批地熱能發電示范項目，全國地熱能發電裝機容量比2020年翻一番；到2035年，地熱能供暖（制冷）面積及地熱能發電裝機容量力爭比2025年翻一番。另外，生態環境部等十部門和相關七?。ㄊ校┤嗣裾?0月聯合發布的《2021-2022年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅方案》指出，鼓勵各地積極采用生物質能、太陽能、地熱能等可再生能源供暖方式，大力支持新型儲能、儲熱、熱泵、綜合智慧能源系統等技術應用，探索推廣綜合能源服務，提高能源利用效率。因此可以說，我國地熱發展將迎來一個新的黃金發展期。

地源熱泵技術是實現淺層地熱供暖（制冷）的主力

記者：目前，我國地熱能供暖（制冷）面積累計達到近14億平方米，位居世界第一?！兑庖姟诽岢?ldquo;十四五”時期即到2025年，全國地熱能供暖（制冷）面積比2020年增加50%，到2035年力爭比2025年翻一番。您認為主要通過哪些技術可實現國家制定的目標？

蔣向明：淺層地熱能一般是指深度小于200米、溫度小于25攝氏度，中淺層地熱能一般是深度200～1500米、溫度25～40攝氏度，主要利用地緣熱泵技術，實現供暖（制冷）。我國淺層地熱能分布廣泛、應用前景廣闊。我國中東部共143個地級以上城市，是最適宜開發利用淺層地熱能的地區，年可開采量折合標準煤4.6億噸，可實現建筑物供暖制冷面積210億平方米，可基本滿足地區供暖制冷需要。

淺層地熱能利用方式主要是通過地源熱泵技術。這是一種利用淺層地熱能源的低品位熱源，既可供熱又可制冷的高效節能的空調技術，實現對建筑物供暖、制冷、熱水三聯供系統的能源供給，是目前淺層地熱能最主要的開發利用方式。地源熱泵主要分為地埋管熱泵、地下水熱泵和地表水源熱泵。

實踐中我們在河北邯鄲建設的河北工程大學4號能源站，夏季設計日峰值冷負荷為19979千瓦，冬季設計日峰值熱負荷為15834千瓦，供暖面積為21萬平方米。單能源站制冷量達到近20000千瓦的地源熱泵項目在華北地區比較少見，為華北地區大規模使用地源熱泵技術提供了技術支撐。

還有我們在河北定州農村煤改地源熱泵技術，利用“一拖二拖三”或“二拖四”，實現規?；茝V應用。“一拖二”即一個室外機帶動兩個室內機運轉的機型，室外埋設1個地埋換熱管，可滿足60平方米制冷供熱面積；“一拖三”滿足90平方米制冷供暖面積，室外埋設2個地埋換熱管；“二拖四”滿足100平方米以上制冷供暖面積，室外埋設2個地埋換熱管。

另外，我們在西部的寧夏和內蒙古地區利用“地源熱泵+太陽能聯合系統”開展淺層地熱供暖示范工程，由于單供暖地區建筑熱負荷較大，容易破壞地下溫度場平衡，加入太陽能后，地源熱泵在供暖季運行時土壤溫度的波動相對較小，可保證聯合系統的高效、平穩運行，開創了高寒地區“地熱+太陽能”供暖模式，實踐效果非常好。

在江浙和西南地區，水源熱泵的推廣應用也很成功。比如，四川營山醫院供暖面積約12萬平方米，空調總冷負荷約為9649千瓦，空調總熱負荷約為4983千瓦，應用污水源熱泵，冬、夏季應用污水處理廠的中水作為冷熱源，為整個建筑群冬季供熱、夏季空調制冷，實現該區域的恒溫。

中深層地熱“取熱不取水”引領技術變革

記者：地源熱泵技術有獨特的優勢，但也有占地面積大、易形成冷堆積、地源熱泵系統在密度高規模大的城區建筑或者溫度較低的寒帶地區應用受到限制等弱點；而中深層地熱又存在鉆孔水量不足、干孔、砂巖回灌困難、區域水位下降套管腐蝕等問題，有什么新的思路和技術為中深層地熱能的開發利用創造新的路徑？

蔣向明：中深層地熱能一般指深度1500～4000米、溫度40～100攝氏度，屬于水熱型地熱能，可用以滿足溫泉洗浴、供暖或一般工業需求。針對中深層地熱能鉆孔水量不足、干孔、砂巖回灌困難、區域水位下降、套管腐蝕等系列問題，我們轉變思想，改進中深層地熱采熱技術，研發出“取熱不取水”技術，為地熱資源可持續發展探索出新方向。

實踐中，我們在河北工程大學建設的“U型井”，垂直深度2500米，水平距離684米，就是“取熱不取水”技術的典型案例。

其特點是：供暖初期和后期的中溫天氣，采用地熱能供暖。供暖中期的寒冷低溫天氣采用地熱能+燃氣補充，該對U型井能夠為7萬～8萬平方米的節能建筑物提供熱源，每年可節約標準煤1040噸，可減排二氧化碳2725噸、二氧化硫8.8噸、氮氧化物7.8噸、粉塵70.7噸。而且，地熱井不需要維護，不需要更換設備，使用壽命長，運行成本低，社會效益、環境效益、經濟效益顯著。通過技術創新，解決了砂巖回灌、鉆孔水量不足等難題。

經過專家組鑒定，該項目取得三項成果：一是首次成功鉆探了我國第一眼大口徑長距離換熱U型對接井，在我國中深層地熱能“取熱不取水”開發利用技術上取得重大突破；二是在不擾動地下熱水系統實現保護性開采、提高地熱供暖換熱量方面取得系列科研成果，達到國內及國際先進水平；三是引領了我國北方地區地熱供暖方式的變革，可作為中深層地熱“取熱不取水”技術重要的示范基地，值得在全國范圍內廣泛推廣應用。

地熱+多能互補是未來發展的技術創新新方向

記者：前不久發布的《2021-2022年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅方案》鼓勵各地積極采用生物質能、太陽能、地熱能等可再生能源供暖方式，大力支持新型儲能、儲熱、熱泵、綜合智慧能源系統等技術應用，探索推廣綜合能源服務，提高能源利用效率。您認為如何推進地熱+綜合能源系統技術體系創新？

蔣向明：關于綜合能源服務，我們有自己地熱方面的優勢，多年前已經在推進，我們把它稱為地熱+多能互補技術。簡單地說，就是根據地方能源整體規劃，建設多種能源有機整合、集成互補的綜合能源體系。

比如，我們的河北工程大學新校區項目，全校師生3萬余人，除圖書館為一星綠色建筑外，其他均屬于“三步節能”建筑。該項目總占地面積4098畝，一期建筑供熱面積約78.2萬平方米，空調面積為22.6萬平方米，包括3個能源站、4個洗浴熱水系統，日設計最高用水量490立方米，總投資約1.2億，項目運營20年，采用PPP項目形式規劃運營。

首先我們確定了規劃原則：即總體規劃、分布式實施，依靠技術先進、環境友好、經濟可行原則，全面促進清潔能源有效利用；然后根據能源規劃和地質條件確定能源方式：即淺層地熱能、中深層地熱能、燃氣、生活污水和太陽能等五種能源。2018年初開始建設，2019年9月全部投入運行，實現了很好的經濟、社會和生態效益，被評為綠色無煙校區和河北省重點示范工程。

此外，我們還在深入研究探索深層儲能技術，就是將不穩定的太陽能等轉化為穩定連續的地熱能，彌補能源供需在時間/空間分布的不平衡；以及物聯網供熱技術，即構建物聯網智慧能源系統，實現節能優化運行；還有高溫地熱發電技術，針對我國“十三五”地熱發電僅完成既定規劃目標的3.6%這一困局，積極研究地熱發電技術，降低成本，加快地熱發電的發展步伐，特殊地區還可以研究采用“取熱不取水”技術發電。

總之，“十四五”是實現國家碳達峰、碳中和戰略目標的關鍵時期。地熱能是一種儲量豐富、分布較廣、穩定可靠的可再生能源，我們要大力推進地熱+多能技術，減少對化石能源的依賴，為實現“雙碳”目標作出自己的貢獻。