如何實現“淺層地溫能+”的模式

李寧波，李 翔，楊俊偉，于 湲

（1. 北京市地質礦產勘查開發局，北京 100195；2. 中國地調局淺層地溫能研究與推廣中心，北京 100195）

如何實現“淺層地溫能+”的模式

李寧波1、2，李 翔1、2，楊俊偉1、2，于 湲1、2

（1. 北京市地質礦產勘查開發局，北京 100195；2. 中國地調局淺層地溫能研究與推廣中心，北京 100195）

目前，為了貫徹落實綠色發展理念，淺層地溫能已經得到了越來越廣泛的關注。從國家到地方出臺了很多政策、法規支持著這種新型可再生能源的開發利用，其發展前景十分廣闊。但各地因地理環境、淺層地溫能資源稟賦條件和開發利用方式不同，而呈現較大的差異發展。如何能更好地利用淺層地溫能，最大限度地做到資源的高效、節約利用，是我們當前需要解決的重點問題。為此，本文在多年淺層地溫能研究與實踐工作的基礎上，總結經驗，創新思路，開創可持續發展道路，提出因地制宜、多能并舉的發展模式，以淺層地溫能為主，充分結合其他可再生能源的開發利用方式，歸納為“四個結合”，并給出淺層地溫能未來發展的幾點建議，以供參考和借鑒。

淺層地溫能；因地制宜；多能并舉

0 引言

淺層地溫能的開發利用，主要依托熱泵技術得以實現。近年來隨著大型建筑體（群）量不斷增長產生的供能需求增加、我國能源結構的調整、減排治霾壓力的加大以及政策法規的支持，使地源熱泵技術（土壤源和水源）的應用得到了迅猛發展，淺層地溫能的開發利用受到越來越多的重視，并首次寫入國家“十三五”地熱專項規劃。按照《地熱能開發利用“十三五”規劃》，至2020年我國淺層地溫能的建筑物應用面積將比“十二五”末期增加7.26億m2，達到11.2億m2（國家發展改革委等，2017）。我國淺層地溫能的開發利用將迎來發展黃金時代（表1）。

表1 我國淺層地溫能開發利用狀況Tab.1 Development and utilization of shallow geothermal energy in China

在看到淺層地溫能發展前景廣闊的同時，我們也應對其有正確的認識和定位。如何能更好地利用淺層地溫能，最大限度地做到資源的節約利用，是我們當前需要解決的重點問題，即從前期的粗獷式發展，逐漸轉變為精細化的科學研究、設計與管理。而在物質、經濟條件允許的情況下，淺層地溫能開發利用的科學、合理性主要體現在其滿足性和節約性兩方面：滿足性即所開采的淺層地溫能對建筑供能需求的滿足程度，這取決于區域資源條件和開發技術水平；節約性則是在滿足建筑需求的前提下，對能源、土地、物質、經濟等資源消耗程度的判別，并間接表達其環保屬性。在當前社會經濟和技術發展狀況下，滿足建筑的供冷/熱需求已不再是難題，淺層地溫能的高效開發利用將重點體現在“節約性”上。因此，在未來推進淺層地溫能利用的發展過程中，我們應當開拓思路，因地制宜、多能并舉，開創一條切實有效地可持續發展道路。

1 淺層地溫能的屬性及特征

1.1 淺層地溫能的屬性

淺層地溫能是指蘊藏在地表以下一定深度（一般小于200m）范圍內巖土體、地下水和地表水中具有開發利用價值的熱能，其具有就近利用、儲量大、無環境污染、使用方便、基本不受地域限制等優點，是理想的“綠色環保的可再生能源”。從淺層地溫能成因角度來看，其具有自身獨特的三種屬性：

（1）太陽能屬性

在地表以下約15m、20m的范圍內，由于受太陽輻射影響，其地下溫度隨時間的周期性變化，越接近地表，溫度與環境氣溫越接近，稱為“變溫帶”，因此，淺層地溫能包含太陽能的屬性。變溫帶以下，太陽能對地溫的影響基本消失，此時太陽輻射和地球內熱之間的影響達到一定的平衡狀態，溫度的年變化幅度接近于零，稱之為“恒溫帶”，恒溫帶很薄，其厚度一般為10～20m，且與當地年平均氣溫接近。

（2）地熱能屬性

地球內部蘊含著巨大的地熱能，通過火山爆發、溫泉、噴泉及巖石的熱傳導等方式，源源不斷地向地表傳達。其中，通過巖石的熱傳導作用散熱，是地球內部熱能向地表散失的主要方式，通常用大地熱流和地溫梯度來描述該過程。在特定的地質構造及水文地質條件下，地球內熱在地殼淺部富集和儲存起來，形成了具有開發利用價值的地熱能。淺層地溫能便在此基礎上形成。在恒溫帶以下，地溫場則完全由地球內熱所控制，地溫隨深度增加而增高，稱為“增溫帶”，因此，淺層地溫能主要是地熱能的屬性。

（3）蓄能屬性

不同巖土體在非穩態導熱過程中都有一定的蓄熱能力，物體在溫度周期性變化過程中的蓄熱能力可以用蓄熱系數來表征，瞬態過程中的蓄熱能力應按其比熱容計算。含水量對巖土體的熱擴散率、蓄熱系數等熱物性參數的影響很大。地下水的流動對巖土中溫度分布有顯著的“拖動效應”，同時也使巖土的蓄熱量增大（劉伊江，2017）。

淺層地溫能即是熱源也是熱匯，即利用熱泵技術向地下巖土體中提取或釋放熱量。在一定的地質條件和氣候環境共同作用下，在一定的時間內，地下巖土體在原有溫度場的基礎上存在一定程度上的蓄冷或蓄熱現象，也就是熱泵系統向地下的排熱速度大于地層向四周熱擴散的速度或周圍的熱補充小于熱泵系統從地下的取熱，出現了暫時的熱(冷)堆積。但地下是個開放的地質體，隨著時間的推移，堆積的熱(冷)量逐漸向四周擴散，如果地下水徑流條件好，則地下溫度很快恢復到原始狀態。如熱泵系統是冬夏兩用，如在下一使用季時還沒有恢復到原始地溫，此部分堆積的熱量可通過熱泵系統運行將儲蓄的冷、熱量進行提取，有助于提高淺層地溫能利用的效率。地溫場的恢復時間與不同地質構造及氣象條件有關。因此可以說淺層地溫能，也具備一定的蓄存能量屬性。

由此可見，淺層地溫能賦存在地殼淺部空間的巖土體中，向下接受地球內熱的不斷供給，向上既接受太陽、大氣循環蓄熱的補給，又向大氣中釋放過剩的熱量。因此，從宏觀地質角度上講，地球天然溫度場分布、水圈、大氣圈、太陽等對它都有影響，表現在地溫的高低與板塊構造的活動性、緯度、水循環、大氣循環等密切相關，是多因素耦合作用下的復雜變化過程，這些現象可以稱為“淺層地溫能的呼吸”（衛萬順等,2008）。

1.2 不同氣候帶淺層地溫能的特征

我國幅員遼闊，從南到北有熱帶、亞熱帶、溫帶、寒溫帶幾種不同的氣候帶，南北方緯度差異較大，年平均氣溫（及地下恒溫帶溫度）隨著緯度的增加而降低，如從?？诘?4℃變化到哈爾濱的4.5℃；冬、夏季溫差也從南向北增加，從?？诘?1℃到武漢的25℃，再到哈爾濱的42.6℃（圖1）。說明南方全年氣溫高，且冬、夏溫差小；北方平均氣溫低而且冬、夏溫差大。不同緯度地區氣候溫度呈現較大差異。

圖1 不同緯度地區年平均氣溫曲線圖Fig.1 The annual average temperature curve in different latitudes

根據圖1數據結合我國居民供暖、制冷需求（一月份平均氣溫低于5℃有供暖需求，七月份平均氣溫高于24℃有制冷需求）可以分析出，我國中部地區城市（北緯30 ～42）冬冷夏熱需要暖/冷雙供，并且地表以下200m范圍內巖土體溫度適中，是淺層地溫能資源能夠發揮最大作用的地區；南方地區（北緯18～30）以夏天制冷需求為主，冬季供暖需求很??；北方地區（北緯42～50）則以冬天供暖需求為主，夏季制冷量不大（衛萬順等，2010）。又由于淺層地溫常年穩定在當地年平均氣溫之上，并接近，因此，不同地區淺層地溫能賦存條件不同，且冬、夏用能情況差異大，尤其是我國北方寒冷地區受太陽輻射少，變溫帶深度大，約深至30米；地表下200米以淺恒溫層溫度低，冬季暖需求量大且時間長，夏季制冷需求量很小，多采取單向（只取熱或冷）利用方式；所以，在此類地區淺層地溫能開采過程中，地下熱平衡問題便成為首要考慮因素。

2 實現“淺層地溫能+”的方式

采用熱泵技術實現淺層地溫能的開發利用，由于其節能、環保、運行安全可靠等諸多優點，在全世界范圍內得到了廣泛的應用。但是往往單一的地源熱泵系統承擔所有的空調負荷，可能會造成其從地下巖土體中的取/排熱量的不平衡，尤其是北方嚴寒和南方濕熱地區，系統周期運行后巖土體溫度出現下降或者上升的現象，長期運行系統效率降低，節能性降低。除此之外，地源熱泵較常規空調還存在初投資較高，占地面積較大等問題。

如果既能利用地源熱泵本身的優勢又能克服其缺陷，那將對推動淺層地溫能的發展是非常有利的。因此，在總結以往經驗的基礎上，我們要因地制宜、創新思路，提出以淺層地溫能為基礎，采用多種能源相結合的供能形式，即復合式熱泵系統，優勢互補，以更好體現其“節約性”。復合式地源熱泵系統利用輔助供熱或輔助供冷裝置來滿足高峰負荷，在維持地下巖土體熱平衡的同時降低了系統的初投資，也提高了系統的經濟性和運行的可靠性。這樣的結合方式具體歸納為4個方面：

2.1 深淺結合

目前，供暖上應用較多的地熱能種類有淺層地溫能、干熱型地熱資源和深層水熱型地熱資源。其中，地表以下由淺及深分別為：淺層地溫能，賦存于地表以下200m以淺范圍內巖土體和水中；干熱型地熱資源，賦存于更深層的中低溫巖土體中，并且伴隨地層深度加大，溫度高于同地區淺層地溫；水熱型地熱資源，賦存于深層大于25℃的地下水中。

淺層地溫能由于人為定義了其地表以下的深度范圍，并且因各地區地質條件以及氣候環境不同，表現出可開采資源量的不同，南北地區在用途上也有較大差異。以北方嚴寒地區為例，地表下淺層巖土平均溫度較低，利用當前熱泵技術，單位體積巖土體可開采熱量相對較少，而建筑供暖需求度高，單一地源熱泵系統往往難以滿足供能需求，因此，可以考慮當地的地質條件，適當結合深層地熱資源的開采，彌補淺部地層能量不足的情況。

(1)淺層地溫能與干熱型地熱資源的結合

以哈爾濱地區為例，年平均氣溫約5.3℃，一月平均溫度為-18.3℃，建筑全年供暖達6個月，而該地區淺層（地表下200米以淺）地溫平均溫度僅為7.7℃，若只采用淺層地溫能供暖，效果可能不佳；但哈爾濱地處松遼盆地王府凹陷，地表下200以深地溫梯度較高，可達4～4.5℃/100m，將深度延伸至地表下400～500m，地層溫度可達20～30℃，可開采地熱資源量也頗為可觀(中國地質調查局,2015)。因此，以淺層地溫能為主，中層干熱型地熱資源為輔的開采供暖模式，對于該地區來講，既節能環保，又經濟實惠。

（2）淺層地溫能與深層水熱型地熱資源的結合

根據溫度的不同，通常將水熱型地熱資源劃分為高溫、中溫和低溫三類。深層地熱資源的開采也主要是水熱型地熱資源，開發用途有發電、建筑物采暖、農業溫室采暖、溫水育種、灌溉等多方面。與淺層地溫能不同，水熱型地熱資源蘊藏于特殊的地質單元中，我們稱之為“熱儲”。可利用的水熱型地熱資源必須滿足一定的地質構造、有流體、儲量大并且便于開采等條件，并且開采時還要考慮成本、回灌等問題，使其開發利用存在一定的限制。但如果當地該資源賦存條件較好，妥善加以利用，也實為良策。

目前，淺層地溫能加水熱型地熱資源的供暖模式也有不少成功案例，如北京市北苑家園供暖項目，該項目是集住宅、商業、辦公于一體的綜合性建筑群，供暖面積40.6萬m2。實現了地熱水的梯級利用，同時結合水源熱泵系統，滿足了小區內的冬季供暖和夏季供冷需求，這也是北京地區最大的地熱+熱泵項目。

2.2 天地結合

氣候資源包括太陽輻射、熱量、水分、空氣，風能等，它既是一種寶貴的自然資源，也是一種可利用的可再生資源。氣候資源存在區域特點，不同地區資源稟賦條件有差異，如：西藏地區太陽能資源豐富，最高達2333kWh/m2（日輻射量6.4kWh/m2），居世界第二位；內蒙古、東南沿海及島嶼風能資源豐富，年風功率密度在200W/m2以上，甚至達500W/m2。在類似這樣的地區合理使用氣候資源，將對經濟、社會和環境效益產生顯著增益。

近20年，我國出臺不少節能及可再生能源方面相關的重大政策：1998年，《中華人民共和國節能法》提出，因地制宜、多能互補、綜合利用、講求效益的能源發展原則。2006年，我國頒布并實施《中華人民共和國可再生能源法》，將可再生能源的開發利用列為能源發展的優先領域。同年，我國“十一五”規劃提出，加強風能、太陽能的開發利用。十年期間，風能開發增長了一百倍，而太陽能開發更是增長了六百倍，增長數量十分可觀。

然而，數量上的增長并不代表效益上的跟進，近幾年，由于風力發電裝機大規模集中式增長過多，導致風電在當地消納不及和跨區域輸送能力不足等問題，“棄風限電”現象嚴重，三北地區風電更是重災區。如何給出相應解決措施，還應當從管理及技術兩方面著手。因此，我們提出因地制宜，以淺層地溫能為主，結合風能、太陽能的技術手段可以使可再生能源發揮更大作用。例如，遼寧阜新市研發出一種全新高效的太陽能-地源熱泵系統，將太陽能集熱能量儲存在地下，冬季供暖時，將儲存的熱量進行提取，達到很好的節能效果；或太陽能與熱泵直接結合，北京相關高校也在研究太陽能與地源熱泵結合為一體的模式；而淺層地溫能與風能的結合，將會在規模化利用上有更大的發揮空間。

另外，值得指出的是，淺層地溫能與這些新能源的結合，必須要有政府的區域規劃來支撐。淺層地溫能資源分布跟地理區域有關，如果沒有相應地方規劃、政策，以及規模發展，發揮的作用就十分有限。

2.3 調蓄結合

調蓄結合指的是，多源復合系統方式綜合應用，以淺層地溫能為主，深層地熱作為補充，其他能源（燃氣、油）做調峰，加上蓄能系統，既降低初投資，又保障了系統的穩定運行。如在加拿大亞伯達省，2006年首次安裝了一種土壤鉆孔熱能存儲系統，為當地52處住宅提供冬季供暖，根據近年來的監測數據統計，該系統的熱量采收率約為25%。這說明蓄能系統是有作用的，但不是說地下完全就是一個封閉的蓄能系統，同時還具有地熱能和太陽能的屬性。

在熱泵系統中，冬季正常供暖，而夏季將空調末端與地下換熱系統直接對接，熱泵機組不工作，這樣的調節方式，在寒區也是十分有效的，補充熱量更直接，能對熱平衡起到調節作用。長春理工大學光電信息學院淺層地溫能開發利用工程，2015竣工投入使用，面積15萬m2，以往每年供暖運行成本573萬元，而現在采用的地源熱泵系統冬季運行成本約175萬元。該項目在多項技術上取得突破，夏季制冷不啟動熱泵機組，直接將末端換的熱經過地下換熱系統排入地下，很好地解決了冷熱平衡問題，對嚴寒地區淺層地溫能的開發應用起到了示范作用。

這里還可列舉一個大型復合熱泵系統，優化運行管理，提高能源效率的案例——北京用友軟件園土壤源熱泵+冰蓄冷+水蓄能復合熱泵系統。該項目總建筑面積約47.3萬m2。利用熱泵、冰蓄冷和變頻等技術有機結合的復合式熱泵系統解決軟件園區內建筑的冷暖和生活熱水負荷。節約運行費用約400萬元/年。較常規供暖方式節能30%左右, 節約1400噸/年標準煤。該項目的亮點在于蓄能系統，夜間是用電谷期，電價便宜，利用谷電價進行制冷/熱，并進行儲存，白天峰電時提取儲存能量，極大地節約了運行成本。系統運行超過十年，十分穩定。該項目還獲國家能源局科技進步獎。

2.4 表里結合

水源熱泵系統可分為地下水和地表水源，其中地表水源熱泵即指江、河、湖、海及污水源熱泵。在我國很多地區，地表水資源豐富，其中蘊含的可利用的能量巨大。地表水既容易獲取，又免去回灌問題，使用起來十分方便。因此，以淺層地溫能為“里”，地表水為“表”，“表里結合”的復合熱泵系統，其適用地區更加廣闊，系統運行穩定性也更好。如今在北京、上海、南京等地也有很多應用案例。

以上海世博軸復合熱泵系統為例。世博軸在國內首次最大規模的應用地源熱泵以及江水源熱泵技術的空調冷熱源集成技術，也是世博園區內唯一全部使用該技術的項目。運用地源+江水源熱泵技術設計的世博軸“綠色空調系統”，實現了100﹪的再生能源運用。不僅獲得了廣泛的社會效益，更獲得了可觀的經濟效益，節能達到30﹪以上。這個自主設計、自主開發、自主施工的項目，創造了中國建筑史上的一個新紀錄，并獲得“亞洲國際地產投資與開發博覽會”（Cityscape Asia）的重要獎項——最佳城市綜合體獎。

另外，人工干預地下流場的方式也可以提高淺層地溫能的利用效率。如在地埋管埋設周邊的臨近區域，通過人工抽灌地下水的方式，人為影響了地埋管埋設區地下水流場的持續變化，可以顯著改善地埋管換熱效果，這一點也在實際應用中得到了證實。因此，在地埋管地源熱泵項目前期勘察時，除了收集水文、氣象、地質、包括地熱相關資料，尤其要注意相關的地下水環境，應充分調查周邊臨近地區地下水抽灌情況，并在系統設計充分予以考慮。

以上所說的四種結合方式不是孤立的，而是可以相互結合的?？傊褪且鶕煌貐^的資源條件，最大程度地利用好各種資源，提高資源的利用效率。這四個方面做好了，也就從根本上實現了“淺層地溫能+”的模式。

3 結論及建議

3.1 政府重視

隨著“十三五”的到來，國家及各省市紛紛出臺規劃政策，地熱、淺層地溫能無疑成為未來五年內發展的一大新亮點。政府部門將繼續通過科學合理地決策，制訂推動行業發展的頂層設計。

（1）統籌規劃。以“一帶一路”建設以及京津冀協同發展為契機，明確以政府為主導，在重點功能區、新城鎮、重大工程建設等方面，以剛性的計劃、指標，從規劃環節予以明確。重視熱點區域、重點項目的地熱、淺層地溫能開發潛能。如在北京地區的冬奧會、新機場、世園會等重點項目、優先采用地熱供暖，充分發揮地熱、淺層地溫能作為清潔能源為區域能源規劃建設的積極的作用。

（2）加大政府投入。做好基礎勘查評價工作，加大技術研發和推廣力度，為釋放市場需求提供支持。系統的資源普查和資源潛力評價是資源優勢得以充分發揮的基本條件。在現有地熱、淺層地溫能規劃分區的基礎上進一步提高工作精度和廣度，開展系統的區域調查評價工作，進一步查明地熱、淺層地溫能資源賦存條件，尤其在資源潛力區和空白區，制定可持續的開發利用方案。

（3）制訂優惠政策。通過制訂地熱、淺層地溫能供暖的優惠政策，加大補貼力度。如北京市已有的相關補貼政策，采用切實有效的方法，給予資金支持。選取一定比例的示范城市、示范區進行試點，按一定比例給予資金補貼。對地熱開發企業給予一定資助，對地熱、淺層地溫能供暖企業給予統一優惠電價。對利用地熱、淺層地溫能為建筑物供暖的新建及改建項目統一執行居民電價標準或給予相應差價補貼，進一步提升地熱、淺層地溫能等清潔能源在支撐能源安全國家戰略中的作用，實現資源的可持續利用。

3.2 規模化利用

當前，我國大氣環境污染問題突出。國家及各地方政府都在出臺相關政策以期解決該問題。多地通過“煤改”等方式，減少燃煤使用量，降低碳、氮氧化物及硫等排放，實現供暖清潔化。淺層地溫能作為一種清潔化的能源，必將在當前形勢下發揮更加重要的作用。

然而，在推動煤改清潔能源過程中，在一些農村地區推廣淺層地溫能利用并不順利。除去地質條件等先天因素，另一個重要原因就是經濟性問題。農村地區逐門逐戶的單一戶型使用淺層地溫能供暖方式會因為建筑面積過小，開發單價成本會過高，而產生不利的推廣影響，這也是不經濟的。因此，針對這樣的問題，必須采取淺層地溫能規?；瘧玫哪Ｊ?，以區域（村或成片建筑）建立供暖組團，來降低開發和運營成本，達到最佳節能性和經濟性。

另外，在新建區域推廣淺層地溫能，尤其是秦嶺-淮河一線以南有冬季供暖需求的地區,應當優先發展熱泵系統，引導新建建筑優先使用熱泵系統，鼓勵既有供熱系統熱泵改造，支持熱泵系統配套建設儲能設施。

3.3 創新機制

今年以來，各地方“十三五”規劃相繼出臺，在可再生能源發展方面，各地也在繼續推進相關鼓勵政策的實施或研究制訂新政策，并且也在研究新的投資建設模式；在繼續推行合同能源管理模式的同時，也大力倡導ppp發展模式，以政府較少的投入，吸引更多社會資本參與到可再生能源基礎設施建設中。如給予建設方特許經營，增加資金回流途徑；設立初裝費，有初投資方面的收益。企業建設方和用戶也因新的政策和投資模式，降低了投資成本，提高了建設積極性。

3.4 共同發展

淺層地溫能的利用主要通過地源熱泵技術得以實現，涉及到地質、暖通、自控等多個專業。目前，行業發展已經形成一條較為完整的產業鏈，其中也包括不同行業及產業上、下游的各個環節，如技術研發、設備制造、安裝、設計、施工、售后服務等。各環節的高度契合是產業鏈牢固發展所必不可少的。因此，要做到以“我”為主，兼收并蓄，各展所長，相互扶持，即從業人員在自身的專業領域發揮所長，相互借鑒，綜合考慮，才能使地源熱泵技術在實際應用中更加成功，進而共同推動著淺層地溫能事業的發展。

國家發展改革委，國家能源局，國土資源部，2017. 地熱能開發利用“十三五”規劃[R].

劉伊江，2017. 圍巖水文地質條件對地鐵隧道熱沉積的影響[J].暖通空調，47(5)：30-35.

衛萬順，鄭桂森，冉偉彥，等，2008. 北京淺層地溫能資源[M].北京：中國大地出版社.

衛萬順，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.

中國地質調查局，2015. 全國省會城市淺層地溫能調查評價綜合研究報告[R].

How to Implement “Shallow Geothermal Energy+” Model

LI Ningbo1,2,LI Xiang1,2, YANG Junwei, YU Yuan1,2

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

At present, in order to implement the concept of green development, shallow geothermal energy has been paid more and more attention to. Many policies and regulations have been formulated by national and local authorities to support the development and utilization of this renewable energy for its broad and potential development prospects. However, the development of shallow geothermal energy has great changes in different areas because of the geographical environment, natural occurrence conditions and utilization. How to effectively utilize this kind of resources is an important problem to be solved. Based on many-year research and practice of shallow geothermal energy, we have created a way of sustainable development, and presented that the development should be in accordance with local conditions, combined with other renewable energy, summarized as “Four Combinations”.

shallow geothermal; suit locally; combining multiple energy

A

1007-1903（2017）03-0007-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.002

李寧波（1962- ），男，碩士，教高，從事多年淺層地溫能研究與推廣工作。Email：dkjlnb@163.com