地?zé)崮荛_發(fā)應(yīng)用技術(shù)＊

田斌守

（1.甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院有限責(zé)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?zé)崮芨攀?/h2>

地?zé)崮苁翘N(yùn)藏在地球內(nèi)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(fēng)能之后又一種大力發(fā)展的清潔能源，有望成為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的新方向。近年來地?zé)崮軕?yīng)用在我國發(fā)展很快，特別是雄安新區(qū)地?zé)嵋?guī)劃、西安創(chuàng)新港無干擾地?zé)岽罅繎?yīng)用、西藏高品質(zhì)干熱巖等規(guī)模應(yīng)用和勘探成果更是加速了地?zé)釕?yīng)用的進(jìn)程。但是，也出現(xiàn)了一些問題，如有些地?zé)峁こ探?jīng)過幾年的使用，效率下降，甚至無法持續(xù)，主要是因?yàn)閷Φ責(zé)岵皇煜?，技術(shù)路徑選擇有誤及使用不當(dāng)造成的。因此，需要對地?zé)崮苡幸粋€(gè)全面的認(rèn)識(shí)，以下從儲(chǔ)藏方式、埋藏深度、開采方式、適用條件等幾個(gè)方面進(jìn)行了介紹，供大家參考。

1.1 地?zé)豳Y源分類

按國家標(biāo)準(zhǔn)《地?zé)崮苄g(shù)語》的規(guī)定：賦存于地球內(nèi)部巖土體、流體和巖漿體中，能夠?yàn)槿祟愰_發(fā)和利用的熱能稱之為地?zé)崮?。地?zé)崮芡ǔ８鶕?jù)埋藏深度、儲(chǔ)存介質(zhì)等有幾種不同的分類方法，以深度分為淺層地?zé)崮埽◤牡乇碇恋叵?00m深度范圍內(nèi)）、中深層地?zé)崮埽ǖ叵?00～3000m）、深層地?zé)崮埽ǖ叵律疃却笥?000m）；按賦存介質(zhì)可以分為水熱型地?zé)崮埽ㄙx存于天然地下水及其蒸汽中的地?zé)豳Y源）、巖熱型地?zé)崮埽ㄙx存于固體巖石中的地?zé)豳Y源）等。對于一個(gè)具體的地方，有可能幾種地?zé)豳Y源同時(shí)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(dá)到熱巖層，我們要考慮的只是經(jīng)濟(jì)性因素。

1.2 地?zé)豳Y源儲(chǔ)量

根據(jù)國際能源署（IEA）、中國科學(xué)院和中國工程院等機(jī)構(gòu)的研究報(bào)告顯示，世界地?zé)崮芑A(chǔ)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?zé)崮芑A(chǔ)資源量為1.45×1026J（折合4.95×107億t）。在“十二五”期間，中國地質(zhì)調(diào)查局組織完成全國地?zé)崮苜Y源調(diào)查，中國內(nèi)地336個(gè)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?zé)崮芸刹少Y源量折合18.65億t；埋深3000～10000m干熱巖型地?zé)崮芑A(chǔ)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(chǔ)資源量約為3.1×1024J（折合106萬億t）。又據(jù)中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境研究所的研究成果顯示，我國主要平原盆地內(nèi)的中深層傳導(dǎo)型3km以淺的巖熱資源量為24964.4×1012MJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤8531.9億t（相當(dāng)于2015年我國能源消費(fèi)總量的198倍）[1-4]。從上可以看出地?zé)豳Y源儲(chǔ)量巨大，開發(fā)前景廣闊。

這么大量的地?zé)豳Y源，根據(jù)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(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依次為地殼、地幔、地核，每層有各自不同的深度和特點(diǎn)。同樣地，由于受到地球內(nèi)部放射性物質(zhì)影響、太陽能輻射、氣候變化等因素，地球內(nèi)部溫度也有一定分布規(guī)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?zé)崮芾矛F(xiàn)狀

根據(jù)地?zé)豳Y源品質(zhì)和賦存特點(diǎn)，地?zé)豳Y源的開發(fā)利用分為發(fā)電和直接利用兩個(gè)方面。淺層地?zé)?、中深層地巖熱、水熱—中溫和低溫地?zé)豳Y源直接利用，供暖、生活熱水、洗浴、設(shè)施農(nóng)業(yè)等。干熱巖—高溫地?zé)豳Y源主要用于發(fā)電，目前還處于資源勘探和開采技術(shù)研究階段。

2.1 淺層地?zé)釕?yīng)用技術(shù)

淺層地?zé)釕?yīng)用技術(shù)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(shù)。利用地下常溫土壤溫度相對穩(wěn)定的特性，通過深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)與建筑物內(nèi)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(fā)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(jù)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能環(huán)保，不產(chǎn)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(wǎng)輻射的限制。缺點(diǎn)是換熱孔施工需要較大的空間，在建筑密度高的區(qū)域無法較好的推廣使用。自淺層低品位熱源吸熱，系統(tǒng)效率受限制，供熱成本較高。

前幾年在嚴(yán)寒寒冷地區(qū)建設(shè)了許多使用該技術(shù)的工程，后期陸續(xù)都出現(xiàn)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(yán)寒寒冷地區(qū)夏季很少使用空調(diào)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(jī)組系統(tǒng)效率下降。該技術(shù)適宜的應(yīng)用方式是冬季從土壤中取熱，向建筑物供暖；夏季通過空調(diào)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(wěn)定，從而可基本維持系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件，使得機(jī)組在設(shè)計(jì)條件的工況下運(yùn)行，保證末端負(fù)荷需求。因此，筆者不建議在嚴(yán)寒寒冷地區(qū)推廣使用淺層土壤源熱泵技術(shù)。

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?zé)崮芏纬傻牡推肺粺崮苜Y源，采用熱泵原理，通過少量的電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。地下熱水供熱系統(tǒng)就是利用水熱型地?zé)豳Y源的熱泵供熱系統(tǒng)，熱泵蒸發(fā)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(jù)取熱和回灌路徑分為單井系統(tǒng)和雙井系統(tǒng)，如圖3所示，單井系統(tǒng)抽水管道和回灌管道在一口井內(nèi)布設(shè)，雙井系統(tǒng)管路和回灌管路分開布置在抽水井和回灌井內(nèi)[5-7]。

圖3 利用地下熱水的水源熱泵系統(tǒng)原理

地下水源熱泵技術(shù)可以具有較高的延米換熱量，系統(tǒng)能效比（COP）較高，供熱成本低。但是只能在地?zé)岣患軌虼虺鰺崴模┑貐^(qū)才能推廣使用，同時(shí)存在回灌困難的問題。在抽水過程中，有時(shí)會(huì)導(dǎo)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?zé)崴赡軙?huì)造成環(huán)境污染，需要采取相應(yīng)的技術(shù)措施。由于回灌難度較大，因此在運(yùn)行過程中，存在主觀和客觀原因地?zé)嵛菜换毓嗷蚧毓嗔坎蛔?，?jù)地源熱泵網(wǎng)消息，河北滄州地?zé)衢_采井501眼，回灌井僅53眼。造成熱水使用區(qū)域地面沉降，周邊區(qū)域地下水資源的枯竭，有些應(yīng)用工程已經(jīng)出現(xiàn)了這樣的問題。因此，近期一些地方政府主管部門紛紛出臺(tái)政策治理，據(jù)河北省自然資源廳統(tǒng)計(jì)“2019年河北省面臨關(guān)停的地?zé)峋Ｊ毓烙?jì)達(dá)到1000眼，占比達(dá)80%，所涉及供暖面積高達(dá)5000～6000萬m2”，出臺(tái)限制、禁止水源熱泵技術(shù)的還有山東、江蘇、甘肅等。因此水源熱泵技術(shù)首先要找到可開采的地下熱水資源，其次設(shè)計(jì)好回灌系統(tǒng)，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(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可以利用的巖體，一般溫度大于200℃，埋深數(shù)千米（約3000m以上）。干熱巖是優(yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源，不具有普遍性。例如在我國青海共和盆地發(fā)現(xiàn)的干熱巖為高品質(zhì)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(fā)干熱巖的技術(shù)一般稱之為EGS (Enhanced Geothermal Systems) 系統(tǒng)，是利用液壓或爆破碎裂法把水注入到巖層，產(chǎn)生高溫蒸氣，然后將其抽出地面推動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使發(fā)電機(jī)發(fā)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(jīng)過冷凝器處理還原為水送回地下，這樣循環(huán)往復(fù)[8][11]。其工作原理如圖4所示。

圖4 利用干熱巖發(fā)電系統(tǒng)原理

據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局研究，我國地?zé)豳Y源構(gòu)成中，干熱巖資源占主導(dǎo)地位，其可采資源量是3km以淺的水熱型地?zé)豳Y源量的168倍。目前我國干熱巖的主要任務(wù)是開展全國性深井地?zé)釡y量、干熱巖資源分布與賦存條件、人工壓裂等地?zé)岚l(fā)電開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)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(chǔ)存在土壤、巖石中的地?zé)?，基本沒有水、蒸汽等流體，是傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源。根據(jù)上面論述我們知道，中國內(nèi)地平均地溫梯度約30℃/km，那么3000m處地溫約80℃，這部分地?zé)崮芷毡榇嬖?，可廣泛用于建筑物采暖、生活熱水、游泳池、賓館洗浴、設(shè)施農(nóng)業(yè)等。

中深層地巖熱技術(shù)是指通過鉆機(jī)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(zhì)循環(huán)運(yùn)行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)[11-13]。地下?lián)Q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?lián)Q熱孔構(gòu)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(tǒng)

有別于水熱資源和干熱巖需要地質(zhì)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(shù)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(hù)地下水資源，可以實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿那鍧?、高效、持續(xù)利用。實(shí)現(xiàn)了“取熱不取水”的地?zé)崂眯路绞?。單口換熱孔可滿足總建筑面積1.5～2m2的綠色節(jié)能建筑的供暖需求。

這種技術(shù)最為大眾關(guān)注的是熱影響半徑和地溫恢復(fù)周期，利用數(shù)值模擬分析了地溫在空間和時(shí)間尺度上的分布情況，換熱量的變化規(guī)律等。分析結(jié)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(jié)束后90d內(nèi)地溫基本恢復(fù)，120d全程恢復(fù)。

圖7 換熱影響半徑

圖8 地溫恢復(fù)周期

3 結(jié)論

1）地?zé)豳Y源儲(chǔ)量巨大，是極具開發(fā)潛力的清潔可再生能源。開發(fā)地?zé)豳Y源對于我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、綠色發(fā)展具有重要的作用。

2）根據(jù)地?zé)豳Y源的賦存方式、工程用能特點(diǎn)和地域特征，設(shè)計(jì)相應(yīng)的開采應(yīng)用方式和系統(tǒng)。

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

4）水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)延米換熱量大，系統(tǒng)能效高。但要做好尾水回灌，否則會(huì)引起地基下陷、熱水資源浪費(fèi)、地下水熱污染等。

5）干熱巖是高品位地?zé)崮?，目前處于資源勘探和開采應(yīng)用技術(shù)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(shè)施產(chǎn)業(yè)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。