地熱能開發應用技術＊

田斌守

（1.甘肅省建材科研設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州宏方新型建材科技有限公司，甘肅 蘭州 730020）

1 地熱能概述

地熱能是蘊藏在地球內部的熱能，是一種清潔的可再生能源。分布廣泛，資源豐富，成為繼太陽能、風能之后又一種大力發展的清潔能源，有望成為能源結構轉型的新方向。近年來地熱能應用在我國發展很快，特別是雄安新區地熱規劃、西安創新港無干擾地熱大量應用、西藏高品質干熱巖等規模應用和勘探成果更是加速了地熱應用的進程。但是，也出現了一些問題，如有些地熱工程經過幾年的使用，效率下降，甚至無法持續，主要是因為對地熱不熟悉，技術路徑選擇有誤及使用不當造成的。因此，需要對地熱能有一個全面的認識，以下從儲藏方式、埋藏深度、開采方式、適用條件等幾個方面進行了介紹，供大家參考。

1.1 地熱資源分類

按國家標準《地熱能術語》的規定：賦存于地球內部巖土體、流體和巖漿體中，能夠為人類開發和利用的熱能稱之為地熱能。地熱能通常根據埋藏深度、儲存介質等有幾種不同的分類方法，以深度分為淺層地熱能（從地表至地下200m深度范圍內）、中深層地熱能（地下200～3000m）、深層地熱能（地下深度大于3000m）；按賦存介質可以分為水熱型地熱能（賦存于天然地下水及其蒸汽中的地熱資源）、巖熱型地熱能（賦存于固體巖石中的地熱資源）等。對于一個具體的地方，有可能幾種地熱資源同時存在，既有水熱也有巖熱，埋藏在不同深度處。相比較而言，巖熱型資源更普遍，任何地方只要向地下鉆井，總能夠達到熱巖層，我們要考慮的只是經濟性因素。

1.2 地熱資源儲量

根據國際能源署（IEA）、中國科學院和中國工程院等機構的研究報告顯示，世界地熱能基礎資源總量為1.25×1027J（折合4.27×108億t），其中埋深在5000m以淺的地熱能基礎資源量為1.45×1026J（折合4.95×107億t）。在“十二五”期間，中國地質調查局組織完成全國地熱能資源調查，中國內地336個城市可采資源量折合7億，可供320億m2建筑供暖制冷；水熱型地熱能可采資源量折合18.65億t；埋深3000～10000m干熱巖型地熱能基礎資源量約為2.5×1025J（折合856萬億t）淺層，其中埋深在5500m以淺的基礎資源量約為3.1×1024J（折合106萬億t）。又據中國地質科學院水文地質環境研究所的研究成果顯示，我國主要平原盆地內的中深層傳導型3km以淺的巖熱資源量為24964.4×1012MJ，折合標準煤8531.9億t（相當于2015年我國能源消費總量的198倍）[1-4]。從上可以看出地熱資源儲量巨大，開發前景廣闊。

這么大量的地熱資源，根據埋深和賦存方式，有不同的開采利用方式。眾所周知，地球的物理結構從外到內依次為地殼、地幔、地核，每層有各自不同的深度和特點。同樣地，由于受到地球內部放射性物質影響、太陽能輻射、氣候變化等因素，地球內部溫度也有一定分布規律，從地面向下可以分為變溫層（也稱為外熱層）、恒溫層、增溫層。變溫層在地下約10m以淺，受太陽能輻射的影響，巖土溫度一年四季都處于變化中；其下是恒溫層，約地表下200m左右處，巖土溫度年度基本維持恒定；恒溫層下面是增溫層，越往下巖土溫度越高，直至地核深處。溫度增高的幅度用地溫梯度表示，即地溫隨深度變化的速率，單位為℃/hm或℃/km。我國大陸平均地溫梯度約3℃/hm[2]。

2 地熱能利用現狀

根據地熱資源品質和賦存特點，地熱資源的開發利用分為發電和直接利用兩個方面。淺層地熱、中深層地巖熱、水熱—中溫和低溫地熱資源直接利用，供暖、生活熱水、洗浴、設施農業等。干熱巖—高溫地熱資源主要用于發電，目前還處于資源勘探和開采技術研究階段。

2.1 淺層地熱應用技術

淺層地熱應用技術通常是利用土壤源熱泵提取200m以淺土壤中的熱量，向末端用戶供熱的工藝技術。利用地下常溫土壤溫度相對穩定的特性，通過深埋于建筑物周圍的管路系統與建筑物內部完成熱量交換[5]，其基本工作原理如圖1所示。

圖1 淺層土壤源熱泵工作原理示意圖

從圖中可以看出，熱泵蒸發端通過地埋管從土壤中吸熱，然后從冷凝端釋放出熱量供給末端。根據換熱管路的布置方式有水平排管和豎直排管兩種方式。如圖2所示。

圖2 地源熱泵地埋管方式

這種技術的優點是節能環保，不產生廢氣、廢渣、飛灰等污染物，安裝使用相對靈活，不受市政供熱管網輻射的限制。缺點是換熱孔施工需要較大的空間，在建筑密度高的區域無法較好的推廣使用。自淺層低品位熱源吸熱，系統效率受限制，供熱成本較高。

前幾年在嚴寒寒冷地區建設了許多使用該技術的工程，后期陸續都出現了一些問題，主要是能效降低，供熱成本大幅上升。其原因是地下取熱的埋管位置位于地層的恒溫帶，其原始溫度基本恒定，嚴寒寒冷地區夏季很少使用空調制冷，只是采暖季單一地從地下取熱，這樣就形成了“冷堆積”[9-10]，破壞了地層熱匯平衡，致使地層溫度一直降低，使得機組系統效率下降。該技術適宜的應用方式是冬季從土壤中取熱，向建筑物供暖；夏季通過空調為建筑物制冷，并向土壤排熱。這樣可以保持地層溫度相對穩定，從而可基本維持系統設計條件，使得機組在設計條件的工況下運行，保證末端負荷需求。因此，筆者不建議在嚴寒寒冷地區推廣使用淺層土壤源熱泵技術。

2.2 地下熱水供熱—水源熱泵供熱

水源熱泵是利用地球表面淺層的水源，如地下水、河流和湖泊中吸收的太陽能和地熱能而形成的低品位熱能資源，采用熱泵原理，通過少量的電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。地下熱水供熱系統就是利用水熱型地熱資源的熱泵供熱系統，熱泵蒸發端從地下熱水中吸熱，冷凝后供給末端，地下熱水換熱后回灌到地層。根據取熱和回灌路徑分為單井系統和雙井系統，如圖3所示，單井系統抽水管道和回灌管道在一口井內布設，雙井系統管路和回灌管路分開布置在抽水井和回灌井內[5-7]。

圖3 利用地下熱水的水源熱泵系統原理

地下水源熱泵技術可以具有較高的延米換熱量，系統能效比（COP）較高，供熱成本低。但是只能在地熱富集（能夠打出熱水的）地區才能推廣使用，同時存在回灌困難的問題。在抽水過程中，有時會導通地下潛水和承壓水，使承壓水污染加重，影響飲用水源，使用后排放的大量地熱水可能會造成環境污染，需要采取相應的技術措施。由于回灌難度較大，因此在運行過程中，存在主觀和客觀原因地熱尾水不回灌或回灌量不足，據地源熱泵網消息，河北滄州地熱開采井501眼，回灌井僅53眼。造成熱水使用區域地面沉降，周邊區域地下水資源的枯竭，有些應用工程已經出現了這樣的問題。因此，近期一些地方政府主管部門紛紛出臺政策治理，據河北省自然資源廳統計“2019年河北省面臨關停的地熱井保守估計達到1000眼，占比達80%，所涉及供暖面積高達5000～6000萬m2”，出臺限制、禁止水源熱泵技術的還有山東、江蘇、甘肅等。因此水源熱泵技術首先要找到可開采的地下熱水資源，其次設計好回灌系統，做到開采回灌平衡。

2.3 干熱巖

干熱巖是指不含或僅含少量流體，溫度高于180℃，其熱能在當前技術經濟條件下可以利用的巖體，一般溫度大于200℃，埋深數千米（約3000m以上）。干熱巖是優質地熱資源，不具有普遍性。例如在我國青海共和盆地發現的干熱巖為高品質干熱巖，地表向下3705m處井底溫度為236℃，2800～3705m井段地溫梯度大于80℃/km。開發干熱巖的技術一般稱之為EGS (Enhanced Geothermal Systems) 系統，是利用液壓或爆破碎裂法把水注入到巖層，產生高溫蒸氣，然后將其抽出地面推動渦輪機轉動使發電機發出電能，在這過程中，將一部分沒有利用到的水蒸氣或者廢氣，經過冷凝器處理還原為水送回地下，這樣循環往復[8][11]。其工作原理如圖4所示。

圖4 利用干熱巖發電系統原理

據中國地質調查局研究，我國地熱資源構成中，干熱巖資源占主導地位，其可采資源量是3km以淺的水熱型地熱資源量的168倍。目前我國干熱巖的主要任務是開展全國性深井地熱測量、干熱巖資源分布與賦存條件、人工壓裂等地熱發電開發利用關鍵技術研究[2]。

2.4 中深層地巖熱供熱

中深層地巖熱是地表下200～3000m處儲存在土壤、巖石中的地熱，基本沒有水、蒸汽等流體，是傳導型地熱資源。根據上面論述我們知道，中國內地平均地溫梯度約30℃/km，那么3000m處地溫約80℃，這部分地熱能普遍存在，可廣泛用于建筑物采暖、生活熱水、游泳池、賓館洗浴、設施農業等。

中深層地巖熱技術是指通過鉆機向地下一定深處（約2500m）巖層鉆孔，在鉆孔中安裝一種密閉的金屬換熱器，通過換熱器利用換熱介質循環運行將地下深處的熱能導出，并通過專用設備系統向地面建筑物供熱的新技術[11-13]。地下換熱孔有同軸套管和U型管兩種方式，目前用得較多的是同軸套管，其工作原理和地下換熱孔構造示意圖如圖5、圖6所示。

圖5 中深層地巖熱供熱原理

圖6 同軸套管式換熱系統

有別于水熱資源和干熱巖需要地質探查確定，中深層地巖熱基于地溫梯度原理，由于資源量取決于地溫梯度，資源普遍可得。該技術使用過程無污染，不受地面氣候等條件的影響，能夠有效保護地下水資源，可以實現地熱能的清潔、高效、持續利用。實現了“取熱不取水”的地熱利用新方式。單口換熱孔可滿足總建筑面積1.5～2m2的綠色節能建筑的供暖需求。

這種技術最為大眾關注的是熱影響半徑和地溫恢復周期，利用數值模擬分析了地溫在空間和時間尺度上的分布情況，換熱量的變化規律等。分析結果如圖7、圖8所示，換熱井不同深度熱影響半徑不同，最低處熱影響半徑為8m。采暖季結束后90d內地溫基本恢復，120d全程恢復。

圖7 換熱影響半徑

圖8 地溫恢復周期

3 結論

1）地熱資源儲量巨大，是極具開發潛力的清潔可再生能源。開發地熱資源對于我國能源結構轉型、綠色發展具有重要的作用。

2）根據地熱資源的賦存方式、工程用能特點和地域特征，設計相應的開采應用方式和系統。

3）嚴寒寒冷地區不宜采用單一用途淺層土壤源熱泵系統，如果要采用該系統，就要做好地下熱匯平衡。

4）水熱型地熱系統延米換熱量大，系統能效高。但要做好尾水回灌，否則會引起地基下陷、熱水資源浪費、地下水熱污染等。

5）干熱巖是高品位地熱能，目前處于資源勘探和開采應用技術研究階段。

6）中深層地巖熱資源普遍可得，在建筑供暖、生活熱水、設施產業等方面有廣泛的應用前景。