地熱能利用技術研究進展綜述

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20240604.01 文章編號：1003-0417（2024）07-109-09

摘 要：地熱能作為5大非碳基清潔能源之一，具有儲量大和分布廣泛等特點。概述了地熱能利用技術分類及發展現狀，并進一步介紹了淺層地源熱泵技術、水熱型供熱系統、中深層地埋管供熱技術以及增強型地熱系統的基本概念及發展應用現狀。對國內外現今地熱能利用技術研究進展及最新研究方向進行綜述，從行業重難點問題攻關、多場景地熱能利用適應性方案開發、地熱儲能技術探索等方向對中國未來地熱能利用技術的研究與發展做出展望，以期為中國地熱領域從業人員提供指導建議與意見參考。

關鍵詞：地熱能；利用技術；地埋管換熱器；建筑供熱制冷；增強型地熱系統

中圖分類號：TK529/TM616 文獻標志碼：A

0" 引言

氣候變化和能源安全一直是全球經濟社會發展過程中需要面對的嚴峻課題。隨著全球對碳排放的重視，尋求能源結構轉型、降低碳排放已成為經濟社會發展和變革的主要推動力。自20世紀以來，多數發達國家已陸續將碳減排納入國家發展議程[1]。開發清潔可再生能源，是低碳社會發展的必由之路[2]。地熱能與太陽能、風能、水能、核能并稱為5大非碳基能源，地熱能因其儲量巨大、分布廣泛、穩定性強等特點，近年來受到了國際社會廣泛關注。

中國是目前世界最大的地熱能資源利用國[3]，推動地熱能利用技術發展對保障國家能源資源安全、構建清潔低碳安全高效能源體系和實現碳中和目標而言意義重大。近年來，中國在國家層面已出臺多項政策從頂層設計角度推動可再生能源技術發展，特別是地熱能利用技術。2020年，中國在第75屆聯合國大會一般性辯論上向全世界鄭重宣布：承諾力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。2022年6月，國家發展改革委員會、國家能源局等9個部門聯合印發《“十四五”可再生能源發展規劃》，明確提出積極推進中深層地熱能供暖制冷及淺層地熱能的開發[4]。國家、省、市等多個層面密集出臺的地熱能供熱利好政策，不僅是地熱能供熱技術進步的強心劑，也是地熱產業發展的壓艙石。

本文對國內外現今地熱能利用技術研究進展及最新研究方向進行綜述，從行業重難點問題攻關、多場景地熱能利用適應性方案開發、地熱儲能技術探索等方向對中國未來地熱能利用技術的研究與發展進行展望。

1" 地熱能利用技術分類及發展現狀

1.1" 地熱能利用技術分類方式

地熱能利用技術的分類方法多樣，主要基于地熱地質條件、資源潛力和開采方法等進行分類。分類依據主要包括：地熱能分布位置及賦存狀態[5]、地熱流體焓值[6-8]、儲層孔隙度和滲透性[9]、地熱系統能量轉移方式[10]等內容。從歷史發展角度看，人類對于地熱能的利用可追溯到約1萬年前[11]。中國是世界上開發利用地熱能資源最早的國家之一，其溫泉利用的歷史可追溯至先秦時期[12]。地熱能利用技術發展史示意圖如圖1所示。

隨著勘探、提取和利用技術進步，地熱能在全球范圍內被廣泛應用于各種領域，包括：傳統地熱能利用技術領域和非傳統地熱能利用技術領域（本文統稱為“地熱能利用新興技術”）[13]。

傳統地熱能利用技術包括水熱型地熱系統和淺層地源熱泵技術。自20世紀70年代以來，隨著鉆井技術和熱儲改造技術等人工干預手段不斷進步，地熱能利用技術領域逐漸涌現出EGS、中深層地埋管閉式換熱等新興技術，使深層干熱巖和低滲透性熱儲地熱資源的開采和利用成為可能。

1.2" 地熱能利用技術發展現狀

地熱能利用技術的發展可以追溯到古代文明時期利用地熱溫泉進行浴療。自19世紀末以來，各類中深層及深層地熱能利用技術不斷涌現，呈現出百花齊放的發展狀態。以下主要針對不同地熱能利用技術在中國和海外的技術發展及應用現狀做詳細介紹。

1.2.1" 淺層地源熱泵技術

回溯淺層地源熱泵技術的發展歷程，可追溯到20世紀初。1912年，瑞士工程師Zoelly首次提出利用淺層地熱能的熱泵供能技術，并申報了相關專利，標志著淺層地源熱泵技術的誕生。

到20世紀中葉，美國俄勒岡州首次試點應用了這一技術，主要用于為單體別墅提供供冷、供熱服務，并逐漸在歐美國家推廣實踐[14]。隨后，美國、瑞士和德國等國家開始探索將淺層地熱應用于小規模工業和家庭的采暖、制冷需求[15]。20世紀70年代的世界石油危機極大地促進了淺層地源熱泵技術在建筑供暖和制冷領域的發展，特別是在北美洲和歐洲，隨著鉆井技術的進步，這一技術的應用范圍迅速擴大[16]。20世紀90年代后，熱交換器設計技術的不斷改進與熱泵制造技術的日益成熟，進一步增強了淺層地源熱泵技術的實用性及環保性，使該技術得到顯著發展，鞏固了其在建筑供暖制冷技術中的地位。

進入21世紀，中國開始在北方地區試點使用淺層地埋管換熱器耦合熱泵機組為建筑供冷供熱，隨后這一技術在中國得到廣泛推廣。得益于龐大的建筑面積及建筑供能需求，中國在淺層地熱能直接利用量、供熱面積、裝機容量等方面均位居世界第一[17]。

1.2.2" 水熱型地熱能利用技術

水熱型地熱系統是一種高效利用地熱能的技術，通常由幾個關鍵部分組成：生產井（直井或定向井）、回注井（直井或定向井）、熱儲層和地面設施。生產井抽取熱水并輸送至地面換熱器，由其提取熱能，然后用于電廠發電或區域供熱。使用后的地熱流體通過回注井重新注入地層，與熱儲層巖土接觸后再次被加熱，形成一個可持續的循環過程，循環往復提取地熱能。熱儲層是水熱型地熱資源開采的關鍵要素[18-19]，其涵蓋地溫、滲透率和地熱流體等概念。水熱型地熱系統的熱儲層通常為基質滲透率較大的孔隙型熱儲或裂隙型熱儲。

水熱型地熱系統因結構簡單、操作便捷及取熱量高的優勢，在國內外地熱能開發領域得到了廣泛應用。美國、冰島和日本等國家利用該系統進行發電已有超過100年的歷史，技術較為成熟。近年來，隨著清潔供暖需求的不斷增加及鉆井和回灌技術的迅速發展，中國水熱型地熱能的直接利用規模不斷增長，直接利用量已連續多年位居世界首位[20]，年增長速度達到10%。

盡管水熱型地熱系統具有諸多優點，其在實際應用中仍面臨挑戰，主要是如何保證地熱儲的可持續利用。其關鍵在于保證地熱儲內部的采灌平衡，防止熱儲溫度衰減、生態平衡破壞、地表水污染及地層下沉[21]等問題。此外，地熱水中含有各種溶解物質，會導致水熱型地熱系統在運行過程中產生腐蝕和結垢[22]，影響系統效率和壽命。上述問題可通過地熱尾水處理、回灌及管道/設備防腐蝕結垢等技術手段解決。

1.2.3" 中深層地埋管供熱技術

中深層地埋管供熱技術的發展歷史可追溯到20世紀末。1995年，蘇黎世聯邦理工學院的Rybach教授和卡爾斯魯厄理工學院的Kohl教授首次提出利用同軸深孔換熱器提取深部巖土熱量的概念[23]，其初衷是將油氣鉆井開發中的廢棄干孔再利用，并在瑞士維吉斯進行了實際項目測試，且在美國夏威夷、德國亞琛等地也有試點工程[24]。然而，由于廢棄井資源有限、鉆新井成本高昂及缺乏運行經驗（大多數運行場景為直供且連續運行）等因素，該技術此后并未得到進一步重視及發展，未出現任何商業化應用案例報道。

2012年，陜西省工程技術人員及科研人員組成的團隊基于淺層地源熱泵概念，探索了使用中深層同軸套管式地埋管換熱器與熱泵機組耦合為建筑供熱的可行性，并成功實現了商業化應用[25]。該技術的熱源側采用封閉式換熱器，通過地埋管換熱裝置提取熱能，無需提取地下水。由于熱源側取熱點較深，系統基本不受當地氣候環境影響，能夠為熱泵機組長期提供高品質的低溫熱源，確保系統穩定高效運行[26]。

在中國北方城鎮地區，由于人口密度大、供熱需求旺盛，中深層地埋管供熱技術展現出了獨特優勢，包括：靈活性強、占地面積小、取熱不取水等。這些特點使其適用于不具有市政或余熱供熱且不具備水熱抽采回灌資源條件或淺層地埋管群布設場地的工程場景，目前全國推廣應用面積已超過2500萬m3，未來有望成為北方城鎮清潔供熱場景中的重要解決方案。

1.2.4" EGS

EGS也稱為增強型地熱系統，其開發利用對象主要為干熱巖。干熱巖是指位于地殼深部（通常在3 km以下）、溫度大于180 ℃且內部無流體或僅存在少量地下流體的高溫巖體[27-28]。作為一種新型的熱能利用方式，EGS技術旨在解決傳統地熱能開發利用過程中存在的系統輸出功率小、應用面窄等局限性。

EGS技術的核心在于通過人為方式在干熱巖中建立熱交換系統，從而將地下熱能提取出來。通過水力壓裂或化學溶蝕等手段在地下高溫巖石中建立人工裂縫系統，使注入的冷水有效地與巖石進行熱交換，然后將加熱后的熱水或水蒸氣回抽至地表用于發電或供熱[29]。EGS 系統由兩部分組成：注水井和生產井。地表冷水經回灌井注入地下，經過高溫巖體加熱后產生200～300 ℃的高壓水或汽水混合物，通過生產井將這部分流體抽回地表，用于將地熱能轉化為電能或熱能。利用后的溫水通過回灌井注到干熱巖中，從而實現循環利用。

盡管EGS技術具有巨大的開發潛力，但目前該技術仍處于發展期，由于其對資源稟賦要求高，大規模商業化應用尚存難度。

2" 技術研究現狀

2.1" 淺層地源熱泵技術

淺層地源熱泵技術指以淺層土壤、淺層地下水或地表水作為低品位熱源，通過淺層地埋管換熱器為核心的地下換熱系統與熱泵設備耦合，付出一定量電能代價將低品位熱能提升至高品位熱能。該技術在冬季為建筑供熱；夏季則通過四通換向閥將系統運行方向調換，將建筑室內熱能排至低品位熱匯，實現制冷。

目前，國內外研究人員將研究重點逐步轉移至系統層面的土壤熱物性參數辨識算法[30]、耦合輔助系統性能分析[31]及技術經濟性評估體系[32]等課題，從而針對淺層地源熱泵開展運行性能優化。

對于淺層地源熱泵系統而言，能夠準確評估其核心部件—— 淺層地埋管換熱器，對于系統性能優化而言至關重要[33]，因此，淺層地埋管換熱器的性能仿真計算方法一直是國內外研究人員的研究重點，相關技術方法涵蓋：解析解[34]、半解析解（即g函數）[35]及數值解[36]等。自學者Kelvin提出線熱源模型[37]后，逐步發展出了無限線熱源模型[38]、有限長線熱源模型[39]和無限長柱熱源模型[40]。在2D傳熱模型[41]基礎上，刁乃仁等[42]提出了鉆孔內豎直U型管地熱換熱器的準3D傳熱模型。

淺層地源熱泵技術在實際工程應用過程中，由于單根淺層地埋管換熱器的換熱量有限，常規規模的項目通常需要布置數百甚至上千根淺層地埋管換熱器[43]。基于此，Hefni等[44]提出了多孔換熱器3D空間解析模型，可準確預測和評估單個或多個地熱鉆孔系統的熱性能。盡管解析解在面對較復雜的邊界條件設置及多管耦合交互問題時較難得到準確數學表達式，但Eskilson[45]提出了g函數方法，通過獲取脈沖熱作用下巖土溫度響應結合杜哈梅爾定理可處理各類淺層地埋管計算需求。相比解析解方法，數值解可較為便捷地處理復雜邊界條件和設置各類運行工況下的參數。近年來，隨著取熱不取水技術的不斷發展，淺層地埋管換熱器的研究與應用逐漸向中深層[46-47]、復雜數值解[48-49]發展。

展望未來，淺層地源熱泵技術將更加側重大規模淺層地埋管群中巖土熱平衡控制的理論研究和工程實踐[50]；其次考慮搭載熱泵單元[51]及大型淺層地埋管群之間的耦合機制[52]，以實現更高效、經濟、環保的能源利用。

2.2" 水熱型地熱系統

水熱型地熱資源是最早被人類開發利用的地熱資源[53]，其應用領域廣泛，包括：取暖、醫療康養、農業種植和工業發電等[54]。中國水熱型地熱資源豐富，可采儲量折合當量標準煤18.65億t[55]。近年來，國內外學者對水熱型地熱開采技術的研究主要圍繞地層參數分析和開采方案優化。

熱儲層儲能量主要受生產井所在熱儲層的各項水文地質參數的影響[56]，基于此，Schout等[57]、Drijver等[58]和Jan等[59]的研究表明：中深層熱儲層儲熱系統具有較高的熱回收效率，系統的儲熱效率最高可達80%。值得注意的是，由于在中低溫（25～150 ℃）地熱資源開發利用過程中，攜帶熱能的地熱流體枯竭速度遠高于熱能消耗速度[59]，因此尾水回灌是開發和保護地熱資源的關鍵措施。河北雄安新區相關實驗測試驗證了，利用動態監測及模型預測等方法規劃水熱型地熱系統開采方案，具有顯著的優越性，研究確定了布井方向、最小采灌井距、最大采灌量及最低回灌溫度[60]，科學地解決了流量和熱量失衡問題，同時盡可能不破壞地下原生態的平衡。

中國科學院地質與地球物理研究所孔彥龍團隊提出了一種綜合考慮產熱量、初投資和運營成本的水熱型多井采灌系統經濟性評價指標，并將其應用于渤海灣盆地曹妃甸廢棄油田的地熱開發[61]。研究發現：考慮鉆井和抽水成本后，經濟優化井距相較于僅考慮產熱量時大幅減少。該方法不僅適用于井距優化，還可用于優化流量等運行參數，為地熱能開采提供了實際策略。哈爾濱工業大學的研究團隊對比了抽、灌同井和單井循環兩種形式，發現抽、灌同井累積負荷不平衡會導致源匯井效率降低，影響取熱效果[62]。

2.3" EGS

EGS概念最早于20世紀70年代由美國提出，并在1977年啟動了全球第1個EGS項目——Fenton Hill項目。該項目位于新墨西哥州，通過多年的研究和試驗，驗證了在滲透率很低的巖層中通過人工壓裂方法建立儲層的可行性[63]。隨后，全球多個國家也開始了EGS技術的研究和開發，比如：英國的Rosemanowes項目、法國的Soultz-sous-Forêts項目、澳大利亞的Cooper Basin項目和德國的Landau項目等，這些項目都是EGS技術領域的重要探索。其中，Soultz-sous-Forêts項目是目前世界上最成功的EGS示范項目，該項目于1987年啟動，其地熱井的最大井深約為5000 m，儲層溫度約為202 ℃，熱儲巖性為花崗巖，熱水產量為30 L/s；項目對儲層壓裂過程中的相關微震開展了監測工作，是該項目的創新點[64]。在2010年，該項目利用1口注入井和2口生產井，建成了世界上第1個EGS示范電站，裝機容量為1.5 MW。目前，Soultz-sous-Forêts地熱能電站已穩定運行，待項目后期規劃部分最終完成后，裝機容量有望達到5～6 MW。

近年來，隨著技術的不斷進步和能源需求的增長，EGS項目在全球范圍內得到了越來越多的關注。美國、歐洲及中國等地區在EGS項目上都取得了積極的進展。美國在EGS技術上的研究較早，FORGE項目位于猶他州，是一個重要的EGS研究平臺，旨在通過公私合作推動EGS技術的發展。歐洲在冰島和匈牙利等地都開展了新的EGS項目。中國雖然在EGS技術的研究和應用起步較晚，但近年來取得了顯著進展。2017年，中國在青海省共和盆地啟動了EGS示范項目，其中，GR1井底溫度達到236 ℃，是中國迄今為止鉆獲的溫度最高的干熱型地熱資源，標志著中國在干熱型地熱資源勘查方面取得了突破[65]。此外，中國于2021年在唐山市馬頭營凸起區首次實現了干熱巖試驗性發電。

盡管EGS技術展現出廣闊的前景，但其發展仍然面臨一些高挑戰，包括成本高、工程技術復雜和環境風險等挑戰。當前，國內外研究重點主要包括提高壓裂效果、優化熱交換效率、降低鉆井和維護成本及環境影響評估等[66]。隨著技術的進步和經驗的積累，EGS技術有望在未來克服這些挑戰，成為可靠的低碳能源解決方案，為全球能源供應提供長期穩定的支持。

2.4" 中深層地埋管供熱技術

上世紀末，國外部分學者探索了使用廢棄井進行深井換熱的可能性，但由于系統未耦合熱泵且長期連續運行，導致系統性能系數（COP）不理想，使相關研究陷入沉寂。自2012年，中國的工程技術人員及科研工作者開始對這項技術進行深入研究及工程實踐探索。

西安交通大學王灃浩團隊及中國科學院廣州能源研究所卜憲標團隊，開展了相關模擬研究，并進行了系統設計和穩定性優化分析[67-68]。中國科學院地質與地球物理研究所孔彥龍團隊與德國亥姆霍茲環境研究中心邵亥冰團隊合作，首次量化評估了中深層地埋管換熱器的熱量提取能力，為實際工程應用提供了重要指導[69]。清華大學魏慶芃團隊則針對中深層地埋管供熱技術進行了大量工程實測，證明了該技術的COP較傳統淺層地源熱泵高出約50%以上[70]。

此外，山東建筑大學方肇洪和崔萍團隊、華中科技大學羅勇強團隊，以及長安大學、中國石油大學、中國科學技術大學、中國建科院、天津大學、香港理工大學等研究團隊也分別從數值模擬[71-74]和解析解模型構建[75-77]等方向開展了相關研究，給出了各設計參數的敏感性分析結果。

當前，國內外研究主要集中在單根中深層地埋管換熱器的長期穩定性研究及其與深部巖土耦合的高效仿真計算模型開發。西安交通大學王灃浩團隊與德國亥姆霍茲環境研究中心邵亥冰團隊合作，首次開發了中深層地埋管群換熱模型，并針對管群熱交互問題進行了研究，相關結論為工程設計提供了直接參考[78]。未來中深層地埋管供熱技術的研究重點將集中在耦合建筑動態負荷設計方法、定向管群換熱性能影響因素分析及針對不同建筑使用場景（礦區[79]、工業園區等）的適應性與多能互補系統優化研究上。此外，將中深層地熱與淺層系統結合，開展多時空尺度取熱-儲熱協同長期性能分析優化[80]也將是未來技術攻關的重要目標。

3" 結論與展望

在“雙碳”目標驅動下，中國地熱能產業迎來了高速發展的黃金時期。隨著國家、省、市、地區相關利好政策不斷出臺，地熱能將成為中國清潔能源利用及能源結構轉型的重要支撐。對于地熱領域科研工作者而言，大力發展地熱能高效利用技術賦能新質生產力是責任也是使命。

然而，當前中國地熱能產業和地熱能利用技術發展仍面臨諸多挑戰，包括：技術應用成本高、全產業鏈上下游聯動不足、產學研結合不夠緊密、缺乏顛覆性領跑性技術及國際地熱行業話語權有待提升等。為應對以上問題，助力中國地熱能利用技術水平進一步躍升，行業發展動能進一步提振，未來可針對以下內容繼續開展科學研究及工程實踐：

1）開展政產學研協同攻關。針對地熱能開發中的重點與難點問題，比如：大型淺層地埋管群耦合熱泵長期巖土熱平衡動態調控、水熱型地熱系統多井聯動抽采回灌、中深層地埋管高效換熱參數優化等問題，進一步探索增強型地熱系統及低成本地熱發電的商業化可行性。

2）多場景適應性分析。面向煤田熱害治理及煤熱共采、油氣田廢棄井改造利用、零碳園區能源系統規劃設計、農業溫室大棚節能改造等具體場景，引入大數據及人工智能結束，開展地熱能高效利用技術的多場景適應性分析及學科交叉研究，提出適配不同場景需求的專屬“地熱+”解決方案。

3）積極開展地熱儲能技術研究及工程示范和綜合能源系統構建。在清潔能源轉型大背景下，中國當前光伏發電及風電占比逐年提升，清潔電力調峰需求迫切。可充分發揮地熱能利用系統穩定性強、輸出功率不受天氣時間等影響的優勢，探索含水層儲能、淺層及中深層地埋管儲能等多種技術形式，實現地熱為核心的綜合能源系統多能耦合協同運行及電網需求側靈活動態響應。

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AN OVERVIEW OF RESEARCH PROGRESS ON GEOTHERMAL ENERGY UTILIZATION TECHNOLOGY

Xia Qing1，Guo Shuai2，Ma Jingchen3，Meng Boyan4，Cai Wanlong1，Kong Yanlong5

（1. School of Human Settlements and Civil Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China；

2. Beijing Institute of Engineering Geology，Beijing 100048，China；

3. Beijing Institute of Geological and Mineral Exploration，Beijing 100032，China；

4. Geothermal Engineering Research Center，CISPDR Corporation，Wuhan 430074，China；

5. Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China）

Abstract：As one of the quintessential non-carbon-based renewable energy sources，geothermal energy boasts substantial reserves and extensive geographical distribution. This paper outlines the classification and development status of geothermal energy utilization technology，and further introduces the basic concepts and application status of shallow ground source heat pump technology，hydrothermal heating system，deep borehole heat exchanger heating technology，and enhanced geothermal system. After reviewing the current research progress and the latest research directions of geothermal energy utilization technology at domestic and abroad，this article looks forward to the future research and development of geothermal energy utilization technology in China from the perspectives of tackling crucial issues in the industry，developing adaptive solutions for geothermal utilization in multiple scenarios，and exploring geothermal energy storage technology. The relevant research results can provide guidance，suggestions，and reference opinions for practitioners in Chinese geothermal community.

Keywords：geothermal energy；utilization technology；borehole heat exchanger；building heating and cooling；enhanced geothermal system

收稿日期：2024-06-04

通信作者：蔡皖龍（1994—），男，博士、助理教授，主要從事地熱能利用及建筑節能技術方面的研究。wanlongcai@mail.xjtu.edu.cn