我國淺層地溫能開發利用應關注的一些問題及對策建議

閆巖　汪旭　楊銳　閆福貴　張迪

摘要：當今世界，發展“低碳經濟”已經成為世界各國實現社會可持續發展和邁向生態文明的必由之路。“低碳競爭力”也成為提升國家和社會經濟發展能力的核心要素。由于淺層地溫能開發利用在我國處于起步階段，其前景廣闊，但資源勘查評價、熱泵系統設計和施工、地質環境影響監測和市場監管便顯得尤為重要。我國地質環境監測網絡中目前還沒有針對淺層地溫能開發的監測點，專家指出，淺層地溫能開發切忌盲目推進。

關鍵詞：淺層地溫能 熱泵技術 動態監測

1 開發利用前景

當今世界，發展“低碳經濟”已經成為世界各國實現社會可持續發展和邁向生態文明的必由之路。鑒于中國政府在哥本哈根氣候會議上的低碳承諾，如何實現“低碳減排”的目標必將成為我國經濟發展和調整產業結構的熱點議題。“低碳競爭力”也成為提升國家和社會經濟發展能力的核心要素。

淺層地溫能作為一種可再生的綠色能源，在國外早已被開發和利用，我國淺層地溫能開發利用尚處于起步階段。近年來，我國淺層地熱能開發利用迅速發展，成為節能減排大軍中一股不可忽視的力量。北京約有2，000萬平方米的建筑利用淺層地溫能供暖和制冷，沈陽市已超過4，300萬平方米。北京國家大劇院和奧運村、上海世博會等標志性工程都使用了地源熱泵系統。

應對能源資源緊缺，推動節能減排，淺層地溫能的開發利用逐漸受到重視。為了進一步促進我國淺層地溫能的科學開發和利用，2011年中國地質調查局組織開展了我國省會城市的淺層地溫能調查評價工作，掌握了國內淺層地溫能開發利用狀況，進行了淺層地溫能適宜性區劃，評價了淺層地溫能資源量，建立了一批淺層地溫能開發利用示范工程和動態監測點，對指導我國淺層地溫能合理開發利用具有重要作用。

地源熱泵技術的進步是帶動淺層地溫能開發利用的關鍵因素。1912年瑞士人首先提出了地源熱泵技術，1946年第一個地源熱泵系統在美國俄勒岡州誕生。1974年起，瑞士、荷蘭和瑞典等國政府逐步資助建立了示范工程。二十世紀八十年代后期，地源熱泵技術日臻成熟，其節能和減排效果得到了普遍認可。到2005年，全世界共建設地源熱泵機組130萬臺，總裝機超過15，400兆瓦，33個國家裝機超過100兆瓦。在過去的10年里，全世界地源熱泵裝機容量年均增長率達到10%左右。

淺層地溫能開發利用效果最好、市場發展最迅速的是美國、瑞典、瑞士、德國、加拿大、奧地利、法國和荷蘭等歐美發達國家。2005年，一份關于全球地源熱泵市場的報告指出，美國安裝使用的地源熱泵機組數量全球第一，當時約為60萬臺，瑞典、丹麥、瑞士等國家的人均使用率最高；美國、瑞典為地源熱泵裝機容量最大的國家，分別占全世界裝機總容量的2/3和1/5；美國每年新安裝地源熱泵機組約6萬臺，全歐洲約9.2萬臺。

近年來，發達國家把開發利用新能源、可再生能源和提高能源效率作為應對能源危機的重要舉措，紛紛制定相關法律和政策，鼓勵包括淺層地溫能在內的新能源和可再生能源的開發利用。美國2006年通過了“住宅可再生能源應用的稅收抵免”法案，規定利用地源熱泵的住宅可抵免30%的熱泵系統建設費用，最高抵免額達2，000美元。加拿大聯邦政府撥專款支持安裝地源熱泵，各省政府和公共服務部門也對住宅改造時利用地源熱泵給予補貼。為實現2020年溫室氣體減排目標，歐盟委員會提議大力推進包括淺層地溫能在內的可再生能源利用。根據分析，如果2020年地源熱泵能占到歐盟國家建筑供熱的20%、30%或100%，對二氧化碳減排目標的貢獻率將分別達到5%、7%或20%。

2 我國淺層地溫能利用狀況

我國對地源熱泵技術的研究始于二十世紀八十年代，北京、寧波、廣州等城市九十年代啟動了示范工程，近年來開始大量應用于淺層地溫能的開發利用。目前，全國31個省、市、區均有淺層地溫能開發利用工程，應用淺層地溫能供暖制冷的建筑物面積近2億平方米，80%集中在華北和東北南部地區，包括北京、天津、河北、遼寧、河南、山東等省市。

近年來，我國淺層地熱能開發利用迅速發展，成為節能減排大軍中一股不可忽視的力量。統計表明，2008年全國通過開發利用淺層地溫能，實現二氧化碳減排量1，987萬噸。

為促進淺層地溫能開發利用，北京市、沈陽市和國家有關部門先后出臺了有關文件。2006年5月，北京市發改委等九個部門聯合印發了《北京市關于發展熱泵系統的指導意見》，對選用地下（表）水地源熱泵的每平方米補助35元，選用地埋管地源熱泵和再生水地源熱泵的，每平方米補助50元。2007年7月，沈陽市出臺了《地源熱泵系統建設應用管理辦法》，凡符合城市供熱規劃和地源熱泵技術推廣應用規劃要求，并具備應用地源熱泵技術條件的新建、改建、擴建項目，以及耗能大的單位，應當建立地源熱泵系統。

2009年7月，財政部、住房城鄉建設部下發了《關于印發可再生能源建筑應用城市示范實施方案的通知》，對納入示范的城市，中央財政將予以專項補助5，000萬元；對推廣應用面積大，技術類型先進適用，能源替代效果好，能力建設突出，資金運用實現創新，將相應調增補助額度，每個示范城市資金補助最高不超過8，000萬元。《通知》中的“可再生能源”即為太陽能和淺層地溫能。

雖然許多國家開始重視開發利用淺層地溫能，但由于地源熱泵系統基礎設施建設投資較高、且受用地空間限制，加之消費者和管理者的不信任等原因，大規模推廣利用淺層地溫能還受到一定限制。到目前為止，絕大部分民用和商用建筑物的供暖和制冷還是依靠常規空調系統。

地源熱泵系統的運行成效明顯優于其他供暖和制冷方式。

3 經濟效益和社會效益分析

建筑物集中供暖制冷目前主要有四種方式：一是各種類型的鍋爐供暖，二是熱電聯產的集中供暖，三是中央空調系統，四是利用淺層地溫能的地源熱泵系統。后兩種方式既可供暖也可制冷。

根據北京市地勘局等有關單位提供的數據，我們對四種方式的建設運行費用和節能減排效果進行比較，得出了以下結論。

一是建設與運行費用。按照北京地區平均熱負荷標準測算的鍋爐供暖、熱電聯產集中供暖、中央空調、地源熱泵系統建設費用和運行費用比較，地源熱泵系統的建設費用與熱電聯產系統的建設費用大致相當，是中央空調和一般鍋爐系統（燃煤、燃氣、燃油和電鍋爐）的3～4倍，主要原因一是增加了地下換熱系統，二是熱泵機組價格較高。但是地源熱泵系統的運行費用明顯低于其他供暖和制冷方式。

結合其他地區情況，利用地源熱泵系統供暖和制冷，運行費用較中央空調系統低15%～30%；利用地源熱泵系統供暖，運行費用較燃煤和燃氣鍋爐低20%～30%，較燃油鍋爐和電鍋爐低50%以上。因地源熱泵系統建設費用較高，若考慮折舊費，上述數值大體降低5個百分點。

二是節能減排效果。根據燃煤鍋爐、中央空調、地源熱泵三種供暖制冷方式的能效比和消耗1公斤標準煤（發電）產生的熱量或冷量，通過對比，地源熱泵系統的能效明顯高于燃煤鍋爐和中央空調系統。

根據北京市地勘局統計，按2008年年底淺層地溫能實際供暖制冷面積1，300萬平方米計算，與燃煤鍋爐相比，每年節約能耗折合標準煤14.81萬噸，減少煙塵排放量0.06萬噸、二氧化硫0.52萬噸、二氧化碳35.38萬噸、氮氧化合物0.20萬噸；與蓄熱式電鍋爐相比，每年節約能耗折合標準煤54.74萬噸，減少煙塵排放量0.20萬噸、二氧化硫1.92萬噸、二氧化碳130.59萬噸、氮氧化合物0.72萬噸。北京市淺層地溫能可供暖和制冷的總面積約9.6億平方米，若得到有效開發利用，節能減排效果十分顯著。

4 須因地制宜發展

南方地區冬季供暖需求少，開發利用淺層地溫能主要用于夏季制冷，地源熱泵系統夏季輸入地下的熱量遠大于冬季從地下取出的熱量，如果地下水徑流條件較差，地下溫度會逐年升高，造成局部“熱堆積”，大大降低地源熱泵的制冷效率。

東北地區和西部一些地區正好相反，夏季制冷需求少，開發利用淺層地溫能主要用于冬季供暖，地源熱泵系統冬季從地下取出的熱量遠大于夏季輸入地下的熱量，如果地下水徑流條件較差，地下溫度會逐年降低，造成局部“冷堆積”，地源熱泵的供暖效率也會大大降低。

華北、華東以及大致相同緯度帶的中西部地區，冬季供暖和夏季制冷需求都較多，地源熱泵系統從地下取出的熱量和夏季輸入地下的熱量可以基本平衡，不易造成局部“冷堆積”或“熱堆積”。因此，華北、華東和中西部地區淺層地溫能資源利用價值最高，其他地區的開發利用價值取決于水文地質條件和巖土體的熱導性能。

根據地下熱交換形式的不同，淺層地溫能開發利用方式分為地埋管地源熱泵系統和地下水地源熱泵系統兩種，前者以巖土體為低溫熱源，后者以地下水為低溫熱源。采用哪種方式較為科學合理，既取決于巖土體類型和水文地質條件，也要考慮當地地質環境特點和地下水的資源功能。

基巖地層水文地質條件復雜多樣，巖溶地層水量一般較豐富，但動態變化大，分布極不均勻；砂巖地層地下水分布較均勻，但水量取決于巖石結構、構造和補給條件；其他地層水文地質條件一般較差，水量不豐富。因此，基巖地區或第四系松散覆蓋層厚度較小的地區，必須根據建設場地的水文地質條件和巖石類型確定淺層地溫能的開發利用方式。

第四系松散層水文地質條件相對簡單，淺層地溫能開發利用方式需要根據當地地質環境條件和水資源條件確定。例如，沈陽市位于渾河沖洪積扇上，第四系松散層以大厚度砂礫石為主，地下水補給徑流條件好，水資源較豐富，開采地下水不會產生明顯的地面沉降等問題，地下水回灌相對容易且不會造成地下“冷堆積”和“熱堆積”，因而可以大面積利用地下水地源熱泵開發淺層地溫能。北京市的西部和北部平原區，雖然也位于山前沖洪積扇上，水文地質條件與沈陽相似，但地下水是主要供水水源，且長期處于超采狀態，應限制大量利用地下水地源熱泵開發淺層地溫能。北京市東南部平原區和天津、上海等市，深層地下水開采容易誘發地面沉降，且地下水回灌難度大，應主要采用地埋管地源熱泵系統。

可以采用地下水地源熱泵開發利用淺層地溫能的地區，一般都適宜建設地埋管地源熱泵系統，但成本較高，特別是基巖地區一般難以承受。在華北、華東和中西部淺層地溫能開發利用價值最高的地區，地下水既是寶貴的供水水源，也是重要的生態環境要素，雖然一些地區適合建設地下水地源熱泵系統，但從水資源安全和生態環境安全考慮，應鼓勵采用地埋管地源熱泵系統，嚴格限制地下水地源熱泵系統。

5 加強地質環境影響監測和市場監管

（1）巖土體熱物性參數是地下換熱系統設計的基本依據，直接關系到淺層地溫能開發利用的效率和效果。2005年，建設部和國家質檢總局聯合發布了國家標準《地源熱泵系統工程技術規范》；2009年，國土資源部發布了行業標準《淺層地熱能勘查評價技術規范》。由于國內目前尚無國家或行業鑒定認可的巖土體熱物性參數測試儀器，兩個技術標準中都沒有對巖土體熱物性參數的原位測試做出具體規定和要求。在實際工作中，各單位使用不同儀器，現場（原位）測試的巖土體熱物性參數無法對比。大多數單位特別是一些中小型企業，很少進行巖土體熱物性參數的原位測試，僅根據冷熱負荷，簡單借用其他工程經驗來確定鉆孔深度、數量和間距等工程參數，由于缺乏科學依據，經常造成巖土體溫度持續升高或者降低，嚴重影響了工程運行效率。

由于缺少巖土體熱物性參數測試的技術標準，既影響淺層地溫能資源評價和開發利用區劃與規劃，也制約了地源熱泵系統工程的科學設計，在技術層面上缺少了淺層地溫能勘查開發監管的抓手。

（2）開發利用淺層地溫能會改變原來的地下熱平衡，要弄清地下熱平衡問題，需要有長期、系統的監測數據做支撐，但全國地質環境監測網絡中目前還沒有針對淺層地溫能開發的監測點。據調研，只有北京市地質勘察技術院根據自身業務發展需要，對少數幾個淺層地溫能開發利用工程實施了以地溫為主的長期監測。

采用地下水地源熱泵時，要求將完成熱交換的地下水全部回灌到含水層中。由于回灌比抽水困難，且要保證回灌水的質量，為降低成本，一些運營商經常違反要求，多抽少灌或只抽不灌，造成地下水資源的浪費和破壞，甚至出現地面沉降等問題。因此，全國地質環境監測網絡中，也應考慮把大型地下水地源熱泵系統的地下水監測點，作為監督回灌行為的主要手段之一。

隨著我國淺層地溫能開發利用市場的不斷擴大，主管部門分工不明確造成市場監管缺位問題越來越突出。由于工程勘查、設計、施工等沒有準入條件限制，工程驗收缺少完備的標準要求，造成不該上的地方也上，不會于的人也在干，熱泵供應商為追求產品銷售利益成為淺層地溫能開發市場的主導因素，不少工程出現質量問題，有些工程短期內運行效果尚可，幾年之后則失效。這些問題，都亟待解決。

6 加強監測網絡建設才能有效推進

我國淺層地溫能開發利用已經起步并在一些地區取得了初步成效，但也暴露出了一些突出的問題。據統計，我國僅建筑耗能就占整個社會終端耗能的27%左右，所以，推進建筑節能和減排意義重大。實踐證明，利用地源熱泵技術開發利用淺層地溫能是實現建筑節能減排的重要舉措之一。我國每年新增建筑面積約20億平方米，預計到2020年新增城鎮民用建筑面積達100億～150億平方米，淺層地溫能開發利用前景非常廣闊，只是特別注意在開發利用中要科學合理，切忌盲目推進。

一是根據我國氣候特點，合理推進不同地區的淺層地溫能調查評價和開發利用。華北、華東和中西部等“四季分明”的地區，應大力推進淺層地溫能調查評價和開發利用。要以城鎮為重點，根據水文地質條件、地質環境特征和巖土體熱物性參數等，進行開發方式適宜性區劃，并給出地下換熱系統設計的基本參數等，為淺層地溫能開發利用規劃和管理提供科學依據。

南方以制冷為主和東北、西部以供暖為主的地區，應因地制宜，有序推進淺層地溫能的開發利用。水文地質條件較好、地下水補給徑流速度較快的地區，可以在調查評價的基礎上，積極推進淺層地溫能開發利用。水文地質條件較差、地下水補給徑流速度較慢的地區，應進行深入研究和論證，加強不同開發方式和規模的試點與示范，總結經驗和問題，慎重穩妥地推進淺層地溫能開發利用。

二是加強關鍵技術研發，提高淺層地溫能調查評價和開發利用水平。在調查評價方面，巖土體熱物性參數是最重要的基礎數據，國土資源部門應盡快組織制定巖土體熱物性參數原位測試的技術標準，委托（招標）國內有實力的企業研發具有自主知識產權的原位測試儀器，為提高淺層地溫能調查評價能力和水平提供技術保障。

在開發利用方面，地源熱泵機組的質量是節能的關鍵。目前，我國地源熱泵機組研發和生產水平都很低，國外品牌統治著國內市場，成為淺層地溫能開發利用的最大贏家。建議國內有關企業高度關注我國地源熱泵機組市場，在國家有關部門的支持下，積極引進、消化、吸收國外先進技術，加強自主研發，盡快搶占國內市場。

三是建立政府相關部門協調機制，規范淺層地溫能開發利用管理。淺層地溫能開發利用管理涉及國土資源、建設、水利、環保等部門，應按照職責分工建立相互銜接、相互促進的協調機制。建議：國土資源部門負責淺層地溫能的調查（勘查）評價、監測、開發區劃與規劃及其相應資質管理；建設部門負責淺層地溫能利用政策，工程設計、施工、運行標準的制定及其資質管理；水利部門負責取水和回灌許可；環保部門負責環境影響評價。各部門之間建立信息共享平臺，實行定期溝通交流制度。

按照上述職責分工，盡快建立淺層地溫能勘查和工程設計、施工、運行的資質管理制度，明確準入條件，制定監管辦法，促進淺層地溫能開發利用市場的規范管理和良性發展。

四是重視監測網絡建設，為淺層地溫能合理開發利用提供基礎支撐。大地熱流、地溫和地下水等長期動態監測數據不僅是淺層地溫能資源評價必需的基礎資料，也是不斷優化開發規劃布局、避免出現資源與環境問題的重要依據。

我國淺層地溫能監測工作遠滯后于開發利用，亟須加強。具體應該從三個層面考慮：一是依托全國地下水監測網，建設控制性的國家級大地熱流值和地溫監測網點（基準點）。二是對淺層地溫能開發利用規模較大的城市，依托地下水監測網，建設省級區域性地溫監測網。三是對代表性的淺層地溫能開發利用工程，建立地溫和地下水等要素的示范性監測網，作為淺層地溫能合理開發利用研究與監測新技術方法應用的基地。