吳剛：以科技創新破解地熱回灌難題

近年來，隨著我國能源結構的不斷調整，清潔能源的開發利用越來越受到重視與鼓勵。作為目前成熟的淺層地熱利用方式的地源熱泵技術，有著獨特的低碳環保特征，其能效比其他常規供暖制冷技術可節能50%～60%、運行費用可降低30%～70%，而且不排放任何廢棄物，越來越受到關注。

地熱能儲層像一個巨大的熱能調蓄器，利用熱泵系統給建筑物供暖、制冷，冬季從地層中取出熱量給建筑物供暖，夏季吸收建筑物的熱量釋放到地層中儲存。這樣，全年中建筑物冬季采暖所需的熱量，總體上可與來自地球深部的傳導熱量和夏季儲存的熱量實現平衡，使淺層地熱能源能夠實現可持續利用，達到取之不盡、用之不竭的效果。

淺層地熱能是指地下200米以內土壤和地下水中所蘊藏的地溫熱能，一年四季溫度在16℃～20℃恒定不變，相當于一個豐富的地熱礦藏。采用熱泵技術進行采集利用后，可供所有城市和鄉鎮的清潔能源供熱。與其他能源相比，淺層地熱能具有分布廣泛、可循環再生、儲量巨大、可就近利用等優點。

據了解，我國287個地市級以上城市淺層地熱可利用資源能量相當于每年3.5億噸標準煤，如全部有效開發利用，每年可以節約標準煤2.5億噸，減少排放二氧化碳5億噸，淺層地熱的開發利用具有廣闊的市場前景。

多年來，我國高度重視新能源，尤其是地熱能的開發利用。國務院辦公廳下發的《能源發展戰略行動計劃（2014—2020 年）》中明確指出，要大力發展清潔可再生能源——地熱能，優化能源結構，到 2020 年，地熱能利用規模達到5000 萬噸標準煤；推進能源消費革命，制定城鎮綜合能源規劃，鼓勵有條件的地區發展地熱能供暖。

今年1月15日，國家能源局發布《可再生能源發展“十三五”規劃》，明確提出要加快地熱取暖力度。隨后，國家發改委、國家能源局及國土資源部聯合發布《地熱能開發利用“十三五”規劃》（以下簡稱《規劃》），這是我國首個地熱產業規劃，是地熱產業發展的里程碑。《規劃》 提出，在“十三五”時期，新增地熱能供暖（制冷）面積 11億平方米，新增地熱發電裝機容量 500MW。

地熱能作為一項清潔能源，政策的推動和社會的需求給地源熱泵行業帶來了很大發展機遇。目前，我國多個城市積極探索地熱能的開發和利用，其中，以地熱為主的集中供熱以代替燃煤的河北省雄縣被國家能源局確定為雄縣模式，從而建成華北地區首座無煙城。而同樣，鄭州淺層地熱能潛力也是非常巨大。鄭州供暖潛力為453.32萬/m2/Km，制冷潛力為319.23萬/m2/Km。

政策的助推為行業發展帶來新的活力，然而當前業內存在的問題亦有不少。雖然地源熱泵技術越來越被人們認可，但地下水不能完全回灌，卻是地源熱泵應用中存在的重要問題之一，也是目前國內外在該領域研究的熱點。

自本世紀初，國內曾大力引進地下水源熱泵技術，并在北京、山東、河南、遼寧等地相繼建成了為數眾多的地下水源熱泵工程，應用范圍尤為廣泛。但在兩三年以后，這些項目大多出現了嚴重的問題——井的堵塞造成地下水不能有效回灌，引起地面沉降，能效降低，系統壽命比預期縮短許多，以至于人們一聽到“地熱能”三個字，就直搖頭。

誠然，地熱水的大量集中開采會因其埋藏深度大、補償緩慢、再生速度不快而使地熱水水位下降形成地面沉降和人為意義上的資源匱乏，如果能實現地熱尾水回注，那就可以讓地熱資源長久不衰、長期享用。這個最有效的途徑就是回灌，也就是將使用過的已降溫的熱水重新注入到砂巖含水層中。

地下熱能資源非常豐富，水只是作為熱能載體，要充分利用地熱資源，采取一次性開采地熱水的方法是極為有限的，棄水回注是目前國際上解決地熱水位下降，延長地熱使用壽命的最好方法，通過回注形成良性循環狀態，在循環過程中，地熱水不斷將地球深部熱能帶到地表，從而使地熱能得到持續利用。

“單井閉式同層全回灌專利技術”就是在這種情況下研發出來的。該技術利用專業的鉆探設備從地層表面往下鉆成孔，800～1000mm左右，深度為200m以內，成孔后進行數據測定，根據電測各巖土層部分數據對地下各巖土層進行精確的計算，通過科技創新技術采取自然正壓差設計與真空負壓相結合，以傳導和對流兩種方式交換巖土中的能量，能有效解決常規水源熱泵系統回灌問題。同時，該技術保證了百分之百全部回灌，設備與地下巖土采用閉式循環回路長期永久循環采集，單井出水量5噸可根據地質情況采用50t～100t水泵循環利用，可適用任何地質和少水地區使用，而且在循環1年后根據地質情況能效還可提高20%～30%以上。

采用淺層地熱能單井閉式同層全回灌高效換熱系統對建筑物進行供暖制冷，是目前最佳的節能、環保技術，它填補了淺層地熱能百分之百閉式同層全回灌的空白，徹底解決了老式單井回灌的所有缺陷，具有綠色低碳、清潔環保、可再生、分布廣、高效節能、閉式循環無污染、只取熱不取水、鉆井數量少、無移砂等優勢，而且還具有初裝及運行費用低（水泵功率同等流量時可減少電耗達到50%左右）、維護簡便、質量可靠、使用壽命長等優點，是解決水源熱泵系統回灌問題的最佳配套技術。

在節能節電方面，該技術重新樹立了行業新標桿。由于淺層地溫略高于當地平均氣溫，比較恒定，冬季供熱時溫度比環境溫度高，所以熱泵循環的蒸發溫度提高，能效比提高；夏季供冷時，溫度比環境溫度低，冷卻效果提高，機組效率也提高。地源熱泵的制冷制熱系數可達5.0以上。與傳統的空氣源熱泵相比，高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50%～60%，與電熱鍋爐和電熱膜供熱相比，可節約70%左右的電能。

此外，在系統完工后，每口井只占用地面一個井蓋的面積約0.8平方米，可設在道路、花壇、綠化帶里，不影響景觀和交通。適用地域也是相當廣泛，特別適用于各類居民建筑大面積供暖制冷，生活熱水及車站、機場、地鐵站、醫院、學校、酒店、辦公樓、工農業生產和各類公用建筑領域，適用供暖制冷面積可從兩千平方米至幾百萬平方米，在任何地質條件下均可建設使用。

淺層地熱能“單井閉式全回灌”國家節能升級專利系統的研發成功，響應了政府節能規劃，為社會提供了節能服務、系統設計、節能項目改造、節能項目的安裝調試、系統維護一體化的解決方案。2014年由河南省暖通空調冷凍節能協會編制出的“單井閉式全回灌系統施工行業標準”和“暖通空調冷凍節能施工驗收標準”已于2016年納入河南省住建廳地方標準，為我省的地熱能供熱（冷）落實國家“十三五”國策，大力推廣應用節能減排和綠色建筑推廣徹底解決鄭州市熱力供熱不足等問題，提供堅實可靠的全方位供熱（冷）推廣應用服務。