開放與創(chuàng)新結(jié)合促進(jìn)京津冀地?zé)帷皟赡堋卑l(fā)展

李寧波，楊俊偉，于 湲，李 翔，柯柏林

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2.中國地調(diào)局淺層地溫能研究與推廣中心，北京 100195；3.北京市地?zé)嵫芯吭海本?100012）

開放與創(chuàng)新結(jié)合促進(jìn)京津冀地?zé)帷皟赡堋卑l(fā)展

李寧波1、2，楊俊偉1、2，于 湲1、2，李 翔1、2，柯柏林3

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2.中國地調(diào)局淺層地溫能研究與推廣中心，北京 100195；3.北京市地?zé)嵫芯吭海本?100012）

地?zé)帷\層地溫能（以下簡稱地?zé)帷皟赡堋保┦且环N新型的可再生能源，具有儲(chǔ)量大、清潔、就地取材、可再生等優(yōu)點(diǎn)，其開發(fā)利用對改善空氣質(zhì)量、落實(shí)綠色發(fā)展理念具有重要作用。京津冀地區(qū)是地?zé)帷皟赡堋遍_發(fā)利用程度最高、應(yīng)用規(guī)模最大的地區(qū)。特別是以北京經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，促成了全國范圍內(nèi)淺層地溫能勘查開發(fā)工作的大發(fā)展。如何使地?zé)帷皟赡堋睘榫┙蚣絽f(xié)同發(fā)展的生態(tài)文明建設(shè)做出更大的貢獻(xiàn)值得思考。本文在北京市地勘局多年淺層地溫能研究與推廣實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出應(yīng)深入落實(shí)中央提出的的五大發(fā)展理念，開發(fā)與創(chuàng)新結(jié)合積極推進(jìn)京津冀地區(qū)地?zé)帷皟赡堋钡母咝Ю谩?/p>

開放；創(chuàng)新；淺層地溫能

0 引言

淺層地溫能在減少大氣污染、改善空氣質(zhì)量中可發(fā)揮重要作用。京津冀地區(qū)淺層地溫能資源豐富，利用潛力大，調(diào)查評價(jià)表明，京津冀13個(gè)地級以上城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能每年可利用熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤9200萬t，相當(dāng)于能源總消耗的20%。若利用熱泵系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)利用，可實(shí)現(xiàn)冬季供暖面積29億m2。目前，京津冀地區(qū)淺層地溫能總服務(wù)面積約8500萬m2，占全國利用淺層地溫能供暖制冷面積的20%，是我國淺層地溫能開發(fā)利用程度最高、應(yīng)用規(guī)模最大的地區(qū)。如何實(shí)現(xiàn)京津冀三地淺層地溫能更高效科學(xué)利用值得思考（中國地質(zhì)調(diào)查局，2015）。建議開發(fā)與創(chuàng)新結(jié)合，積極推進(jìn)該清潔能源的利用，有效緩解大氣污染，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展理念。

1 開放是京津冀新能源發(fā)展必然選擇

十八屆五中全會(huì)提出了“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的五大發(fā)展理念，集中反映了我們黨對經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)律認(rèn)識的深化。面對國內(nèi)國外兩個(gè)大局的新變化、新特點(diǎn)、新趨勢，習(xí)近平總書記及時(shí)提出開放發(fā)展新理念，豐富開放發(fā)展新思想，指出：“人類的歷史就是在開放中發(fā)展的。任何一個(gè)民族的發(fā)展都不能只靠本民族的力量。只有處于開放交流之中，經(jīng)常與外界保持經(jīng)濟(jì)文化的吐納關(guān)系，才能得到發(fā)展，這是歷史的規(guī)律。”京津冀協(xié)同發(fā)展需要開放共享，以開放激發(fā)京津冀協(xié)同發(fā)展活力。

地勘單位應(yīng)適應(yīng)新形式、新發(fā)展，開闊思路，以開放的思想迎接新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)。通過開放交流，我們了解到淺層地溫能行業(yè)發(fā)展需求及存在的問題包括：如何驗(yàn)證淺層地溫能的資源屬性、資源的可再生性；如何提高淺層地溫能的使用效果，提高系統(tǒng)功效？如何實(shí)現(xiàn)多能聯(lián)合利用，提高可再生能源利用率？另外，了解到新技術(shù)新方法進(jìn)展及應(yīng)用情況，如貴州省利用低成本的物探勘查技術(shù)，查明項(xiàng)目區(qū)巖溶裂隙發(fā)育情況，避開巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，推薦地埋管布孔區(qū)，提高成孔率（可保證成孔率98%以上）；選擇巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，推薦水源井位（水源熱泵成本遠(yuǎn)低于地源熱泵），部分替代地源熱泵，降低工程造價(jià)。陜西省出現(xiàn)了干熱型地?zé)豳Y源供暖技術(shù)，即通過鉆機(jī)向地下一定深度高溫巖層鉆孔，在鉆孔中安裝一種密閉的金屬換熱器，經(jīng)過換熱器傳導(dǎo)將地下深處的熱能導(dǎo)出，并通過專用設(shè)備系統(tǒng)向地面建筑物供熱的新技術(shù)。還有研究者提出了熱泵系統(tǒng)的革命——冰源熱泵，冰源熱泵可以克服傳統(tǒng)熱泵的缺點(diǎn)，就是在低溫水與蒸發(fā)器中間加裝一套制冰裝置，使水在制冰裝置中可控結(jié)冰，而不是在蒸發(fā)器中結(jié)冰（衛(wèi)萬順等，2010）。

2 創(chuàng)新是適應(yīng)京津冀新能源發(fā)展驅(qū)動(dòng)力

針對需求及存在的問題，北京市地勘局主動(dòng)作為，創(chuàng)新開展了如下幾方面的工作：1998年，敏銳觀察到行業(yè)發(fā)展的動(dòng)向，找到了地質(zhì)工作與暖通行業(yè)的新的結(jié)合點(diǎn)，作為延長地勘單位工作鏈的一種新方向，率先在勘技院開展了熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。并不斷與清華大學(xué)、機(jī)組設(shè)備商進(jìn)行合作，開展研究與實(shí)踐；理論研究、監(jiān)測、現(xiàn)場測試等方面的關(guān)鍵技術(shù)研究獲得重大突破；建立了多能復(fù)合應(yīng)用系統(tǒng)模式，并成功實(shí)踐到用友軟件園等大型項(xiàng)目；經(jīng)過多年市場工程實(shí)踐，中國地調(diào)局、北京市財(cái)政、科協(xié)等單位公益項(xiàng)目的資助，創(chuàng)立了淺層地溫能地質(zhì)學(xué)理論體系和淺層地溫能資源勘查評價(jià)體系。實(shí)驗(yàn)研究方面的創(chuàng)新工作如下：

2.1 在張家灣建設(shè)了淺層地溫能換熱機(jī)理實(shí)驗(yàn)平臺

通過建設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行地埋管換熱系統(tǒng)單季節(jié)持續(xù)取熱試驗(yàn)，分析研究地溫場變化特征和淺層地溫能可再生性的特性，進(jìn)一步探討淺層地溫能資源的形成機(jī)理。基地建筑面積400.9m2。建成的地源熱泵系統(tǒng)：單個(gè)換熱器深度120m，布置地下?lián)Q熱器的數(shù)量為9個(gè)，間距為5×5m。地源熱泵運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)：熱泵機(jī)房監(jiān)測內(nèi)容包括溫度、流量、電力參數(shù)和壓力監(jiān)測，分別配置溫度傳感器、電磁流量計(jì)、電表、壓力傳感器；地溫場監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)地溫監(jiān)測孔布6個(gè)，布設(shè)在兩個(gè)換熱器之間；建立2眼常溫監(jiān)測孔（圖1）；地埋管換熱孔及監(jiān)測孔中下入溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控與傳輸。經(jīng)過監(jiān)測得出基本結(jié)論：在取熱條件下?lián)Q熱區(qū)域內(nèi)外巖土地溫場總體呈下降趨勢，過渡季地溫場基本恢復(fù)，但各點(diǎn)恢復(fù)的速度不同。

該平臺還有一個(gè)重要作用，就是未來與地下水試驗(yàn)平臺和地面沉降監(jiān)測平臺的互相融合，從地下全方位研究淺層地溫能開發(fā)的影響及與地下水和地面沉降相互作用的關(guān)聯(lián)程度，探索其規(guī)律性。

圖1 張家灣地埋孔及地溫監(jiān)測孔分布位置Fig.1 The distribution curve of geotemperature monitoring well

2.2 地質(zhì)環(huán)境影響監(jiān)測技術(shù)方法的創(chuàng)新

創(chuàng)新提出地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測體系建立的方法，如同間距、不同地層溫度傳感器的布設(shè)，以北京為經(jīng)驗(yàn)，已推廣應(yīng)用至山東、武漢、重慶地區(qū)。另外，傳感器長時(shí)間埋設(shè)在地下一旦損壞無法進(jìn)行維修或更換，導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位的缺失。針對這一問題我們對地埋管內(nèi)安裝溫度傳感器的方法進(jìn)行了研究，探索該方法實(shí)施的可行性，并配合熱響應(yīng)測試、長期監(jiān)測，與地埋管外安裝方法進(jìn)行對比，檢驗(yàn)了管內(nèi)測溫的時(shí)效性與準(zhǔn)確性，見圖2。

圖2 地埋管內(nèi)安裝溫度傳感器的方法Fig.2 The method of installing temperature sensor in PE pipe

2.3 開展新型毛細(xì)管技術(shù)應(yīng)用研究

在平谷基地率先開展了淺層地溫能應(yīng)用綜合效能及地質(zhì)環(huán)境影響實(shí)驗(yàn)平臺及研究基地建設(shè)，其中一間房間空調(diào)末端形式為地板供暖+大溫差風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)+毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)，研究不同室內(nèi)末端形式的能耗和舒適度差別研究，為后來工程項(xiàng)目實(shí)踐中采用毛細(xì)管技術(shù)打下了良好的基礎(chǔ)。

2.4 成功研制了淺層地溫能現(xiàn)場熱響應(yīng)測試設(shè)備

為了解決淺層地溫能開發(fā)利用中的關(guān)鍵技術(shù)問題，開展了熱響應(yīng)測試方法技術(shù)研究。在詳細(xì)調(diào)研國內(nèi)、外熱響應(yīng)測試方法、先進(jìn)技術(shù)以及理論成果資料的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有的淺層地溫能測試儀的基礎(chǔ)上改進(jìn)結(jié)構(gòu)及功能，提高測試儀的控制和儀表精度，并提高測試儀使用的安全性和便捷性。研制了一臺改進(jìn)型的淺層地溫能測試儀，該測試儀能夠進(jìn)行巖土初始溫度測試、穩(wěn)定熱流熱響應(yīng)測試和穩(wěn)定工況測試，控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定，且易于攜帶運(yùn)輸，使用方便。同時(shí)編制了淺層地溫能測試儀使用手冊，該測試儀取得了國家實(shí)用新型專利一項(xiàng)見圖3（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，2013）。

圖3 測試儀外觀Fig.3 The appearance of tester

2.5 開展奧運(yùn)村再生水熱能綜合利用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

為了給奧運(yùn)村再生水熱能綜合利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供技術(shù)支撐，開展了奧運(yùn)村再生水熱能綜合利用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，本研究針對城鎮(zhèn)再生水源熱泵技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中提煉的關(guān)鍵問題，主要通過實(shí)驗(yàn)手段，圍繞以熱能回用為目標(biāo)的二級出水水源特性、污垢熱阻時(shí)變特性及混合污垢組成特性，研究了二級出水在板式換熱器內(nèi)的成垢規(guī)律及其影響因素，為城鎮(zhèn)再生水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究方法，提出了成套解決方案和二級出水板式換熱器污垢對策問題，并編制了大型城鎮(zhèn)再生水源熱泵系統(tǒng)性能模擬仿真軟件，為解決城鎮(zhèn)再生水源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題提供了可行的途徑，見圖4。

圖4 板式換熱器性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外觀Fig.4 The appearance of experiment system for performances of plate heat exchangers

我們利用科研成果開展市場化運(yùn)作，實(shí)施北京奧運(yùn)村再生水源熱泵項(xiàng)目，采用附近清河污水處理廠的再生水作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，為43萬m2建筑供暖、制冷。該項(xiàng)目從再生水熱泵冷熱源中獲取789萬kWh千瓦時(shí)的能量，節(jié)約標(biāo)煤3600t，相當(dāng)于減排二氧化碳8600t，每平方米全年耗能是現(xiàn)行節(jié)能建筑能耗量的三分之一。該項(xiàng)目為國內(nèi)首例大型再生水熱泵系統(tǒng)工程，曾獲得美國綠色建筑LEED金獎(jiǎng)和綠色生態(tài)建筑節(jié)能金獎(jiǎng)（國奧投資發(fā)展有限公司等，2008）。

2.6 大型淺層地溫能利用工程項(xiàng)目的創(chuàng)新實(shí)施

從奧運(yùn)項(xiàng)目進(jìn)一步引申到上海世博軸項(xiàng)目，世博軸在國內(nèi)首次最大規(guī)模的應(yīng)用地源熱泵以及江水源熱泵技術(shù)的空調(diào)冷熱源集成技術(shù)。運(yùn)用地源+江水源熱泵技術(shù)設(shè)計(jì)的世博軸“綠色空調(diào)系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了100%的再生能源運(yùn)用。這個(gè)自主設(shè)計(jì)、自主開發(fā)、自主施工的項(xiàng)目，創(chuàng)造了中國建筑史上的一個(gè)新紀(jì)錄。不僅獲得了廣泛的社會(huì)效益，更獲得了客觀的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能達(dá)到30%以上。

另外，實(shí)施了首個(gè)復(fù)合能源系統(tǒng)用友軟件園地源熱泵項(xiàng)目，首次實(shí)現(xiàn)土壤源熱泵+冰蓄冷+水蓄能復(fù)合能源解決方案，是集熱泵技術(shù)、變頻技術(shù)、夏季蓄冰、冬季蓄熱技術(shù)和地下土壤的換熱技術(shù)有機(jī)合理地結(jié)合為一體的復(fù)合式能源系統(tǒng)，是暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)的一次革命性的技術(shù)創(chuàng)新。用友軟件園總建筑面積約47.3萬m2。冬季采用熱泵＋燃?xì)忮仩t調(diào)峰方式供暖，夏季采用熱泵+冰蓄冷技術(shù)進(jìn)行制冷,每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約400萬元。同時(shí)較比常規(guī)供暖方式節(jié)能30%左右,每年可節(jié)約1400t標(biāo)準(zhǔn)煤。

該項(xiàng)目的創(chuàng)新還包括地埋管的集中大規(guī)模優(yōu)化布孔方案和地質(zhì)環(huán)境影響監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過研究近10年的運(yùn)行和監(jiān)測數(shù)據(jù)，事實(shí)證明集中規(guī)模布孔是可行的。經(jīng)過認(rèn)真勘查和測算，不會(huì)對地下水、地下溫度場運(yùn)行效率產(chǎn)生不可逆的不良影響。

3 開發(fā)與創(chuàng)新結(jié)合，推動(dòng)京津冀新能源發(fā)展

開放一方面是思想理念的解放，不固步自封，同時(shí)也是空間地域上聯(lián)動(dòng)。京津冀發(fā)展必然是三地的聯(lián)動(dòng)往來，北京城市副中心建設(shè)必將涉及河北廊坊的北三縣，同樣，新機(jī)場的建設(shè)離不開廊坊市，冬奧會(huì)建設(shè)離不開張家口市。

創(chuàng)新包括理論創(chuàng)新、科技創(chuàng)新等方面。首先地質(zhì)學(xué)理論需要不斷創(chuàng)新，特別是要加強(qiáng)城市地質(zhì)學(xué)理論的創(chuàng)新與發(fā)展，加強(qiáng)地質(zhì)工作與經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展需求的銜接跟進(jìn)。科技創(chuàng)新是提高地質(zhì)工作服務(wù)能力的重要支撐，包括地?zé)帷皟赡堋笨辈槭侄巍⒃u價(jià)體系、鉆探技術(shù)、綜合應(yīng)用手段方法等方面的創(chuàng)新。

北京開發(fā)利用地?zé)帷皟赡堋钡膬?yōu)勢是起步早，資源豐富，技術(shù)成熟；管理規(guī)范，規(guī)章、標(biāo)準(zhǔn)相對健全；政府支持，已發(fā)布鼓勵(lì)政策。不足之處是深層地?zé)峁┡矫妫本┲挥?00萬m2左右，不足河北和天津的十分之一。為促進(jìn)深層地?zé)岬陌l(fā)展壯大，需要管理體制機(jī)制的創(chuàng)新。因此建議各相關(guān)部門應(yīng)理念創(chuàng)新、加強(qiáng)實(shí)踐、政策管理跟進(jìn)。

作為從事地?zé)帷皟赡堋奔夹g(shù)及管理人員應(yīng)開放思想，廣泛收集信息，走出去參與國內(nèi)、外不同層次的學(xué)術(shù)、技術(shù)交流與考察，多聽多看，豐富信息輸入，開放交流互鑒。資源為我所用，與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新，如山東已研究用地板采暖的方式制冷，學(xué)習(xí)其如何控制濕度等技術(shù)要點(diǎn)。開放合作，創(chuàng)新研究思路，拓展研究方向，探索干熱型地?zé)豳Y源的利用，開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作，使地?zé)帷皟赡堋钡拈_發(fā)利用再上一個(gè)新臺階，為節(jié)能減排和京津冀協(xié)同發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，2013. 熱響應(yīng)測試方法技術(shù)研究報(bào)告[R].

國奧投資發(fā)展有限公司，北京市天銀地?zé)衢_發(fā)有限責(zé)任公司，2008. 奧運(yùn)村再生水熱能綜合利用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究結(jié)題報(bào)告[R].

衛(wèi)萬順，李寧波，冉偉彥，等，2010. 中國淺層地溫能資源[M]. 北京：中國大地出版社.

中國地質(zhì)調(diào)查局，2015. 支撐服務(wù)京津冀協(xié)同發(fā)展地質(zhì)調(diào)查報(bào)告（2015年）[R].

Combination with Development and Innovation for Eff i cient Use of “Two Geothermal” in Beijing-Taijin-Hebei Economic Zones

LI Ningbo1,2, YANG Junwei1,2, YU Yuan1,2, LI Xiang1,2, KE Bolin3

(1. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Shallow Geothermal Energy Promotion Center, China Geological Survey, Beijing 100195; 3. Beijing Geothermal Research Institute, Beijing 100012)

The shallow geothermal, geothermal energy (hereinafter referred to as the "Two Geothermal") is a new type of renewable energy, which is abundant, clean, local energy, etc., its development and utilization plays an important role in improving air quality and implementation of the green development concept. The utilization of“two geothermal” in Beijing-Taijin-Hebei Economic Zones is the most developed and largest in China. Especially, the experience of Beijing greatly promotes the development of shallow geothermal in China. It is worth to think about that how to make “two geothermal” be greater contribution for the ecological civilization construction of Beijing-Taijin-Hebei Economic Zones. Basing on years’ experience and study of Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau in the shallow geothermal, we advocated that it must be further implemented “Five Concepts”for development, combining with development and innovation for eff i cient use of “Two Geothermal” in Beijing-Taijin-Hebei Economic Zones.

Development; Innovation; Shallow geothermal

P314

A

1007-1903（2017）01-0001-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.001

李寧波（1962- ），男，高工，地?zé)帷\層地溫能勘查開發(fā)研究。E-mail：dkjlnb@163.com