我国地热供暖的现状及展望

郭森，马致远，李劲彬，裴蓓，郑磊，李修成，张雪莲

(长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安　710054)

我国地热供暖的现状及展望

郭森，马致远，李劲彬，裴蓓，郑磊，李修成，张雪莲

(长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安710054)

地热资源作为一种重要的清洁能源，在治污降霾、改变能源结构、提倡生态文明的今天的作用日益凸显。我国大部分地区主要利用化石燃料供暖，污染较严重，供暖形势严峻。而利用地热能供暖是地热资源最直接的利用方式。我国利用地热供暖已有30多年的历史，在天津、咸阳等地利用地热供暖已经初具规模。但是受限于技术、成本等条件制约，地热供暖在我国总供暖面积中占的比例依然很小，而且在利用过程中浪费比较严重，利用地热供暖在我国还有很大的发展空间。目前，北方地区地热供暖以地热流体供暖为主，地源热泵供暖发展迅速，干热岩供暖虽然还处于实验阶段但是前景广阔。笔者在对地热流体、地源热泵、干热岩供暖的历史、现状及前景分析的基础上，提出了我国未来利用地热供暖思考及建议。

地热能；供暖；水热型地热；地源热泵；干热岩

由于雾霾加重，化石能源枯竭,使清洁可再生能源的应用出现了一个新的高潮。党的十八大报告中已将生态环境建设纳入五位一体的国家战略层面。地热一个非常重要的清洁能源,却一度被忽视(石岩等，2011)。地热能分为浅热(地源热泵)、水热和干热(干热岩)3种主要类型(庞忠和等，2012)。中国是地热资源最丰富的国家，中国地热资源占世界的六分之一，但是目前开发利用地热资源程度较低，开发潜力巨大，发展地热刻不容缓。利用地热资源进行供暖，是对地热资源最直接的利用方式。利用地热采暖、供热，不仅能优化产业结构，而且能大量减少有害物质的排放，对减轻雾霾污染有着非常重要的作用(朱佳玲，2010)。鉴于此，笔者将归纳总结迄今为止我国地热供暖的现状及问题，为将来地热能的可持续开发提供一些建议。

1　我国水热型地热供暖的现状、问题和前景

1.1我国水热型地热供暖现状

水热型地热供暖是指利用开采井抽取地下水，通过换热站将热量传递给供热管网循环水，输送至用户。我国开发利用水热型地热供暖已有上千年的历史，改革开放后尤其是近年来，水热型地热供暖的开发利用在规模、深度和广度上都有很大发展，目前我国水热型地热采暖的利用总量已位居世界首位。天津和咸阳是利用水热型地热进行供暖的典型城市。目前，天津是我国利用地热供暖规模最大的城市，全市140个地热站，天津每年地热水开采量为2 600万t,地热供暖面积达到1 200万m2，约占全市集中供暖总面积的10%，占全国地热供暖总面积的50%(赵苏民等，2013)。咸阳市孔隙热储处于陕西关中断陷型沉积盆地北部，开采1 600～4 000m深度新近系蓝田灞河组地下热水，曾被命名为全国首家“中国地热城”及“国家级地热资源开发利用示范区”。截至目前，已开凿深层孔隙型地热井45眼，地热水年开采量400万m3，地热供暖面积达到260万m2(南小康，2010；李婷等，2012)。在技术层面上，以前设备陈旧，腐蚀严重，操作为简单的直接利用；如今梯级利用配套专用设备、完善的回灌系统、先进的测试手段、网络化自动管理信息系统，以及资源保证和评价体系的建立，使得我国地热资源开发利用水平不断的与世界水平靠近。

1.2水热型地热供暖的优势

(1)水热型地热供暖供热量稳定，供热面积大，单井供暖面积在20万m2左右。

(2)初始费用与运营费用要远低于集中供暖和燃气锅炉供暖。其初始投资在100元/m2，运营成本在12元/m2。

(3)环境效益巨大，尤其是在污染严重的今天，利用地热供暖可以有效地减少CO2的排放,降低雾霾污染。以咸阳为例，每年减少煤燃烧30万t，减少排放废气18 000t。

1.3我国水热型地热供暖的问题及解决方法

由于地热水的过量开采，造成地下热水水位、水温、水压下降甚至部分开采井变成干井。地热水利用不充分。例如，咸阳部分地热井的尾水排放温度在60℃以上，不仅造成了资源的巨大浪费，同时会造成环境污染。地热水开发利用规范较少，部分地区盲目打井，破坏了地下热水赋存环境，严重干扰地下热水的自然更新。

解决这些问题的关键措施就是进行地热尾水回灌，地热尾水回灌不仅能够避免地热尾水排放污染，还能够提高地下热水水位，实现地下热水可持续开采，形成地下热水开发的良性循环(李婷等，2012；YU J,et al.,2009；马致远等，2013)。中国目前的地热尾水回灌可分为2种：一种为基岩裂隙型热储回灌，主要为灰岩和白云岩；另一种为孔隙型砂岩热储，为新近纪和古近纪时(侯晨等，2012)。基岩裂隙型热储地热尾水回灌效果普遍较好，以天津为例，其主要开采层雾迷山组热回灌率为33.4%，而奥陶系热储层由于有异层采灌致使年度回灌量大于开采量，2006～2008年的回灌率分别为122.5%、147.9%、138.8%,在回灌井附近热储层水位埋深明显高于其他区域，且水位年降幅呈逐年减小之势。较之基岩裂隙型地热尾水回灌，孔隙型砂岩地下热水的回灌面临地压增大、堵塞严重、回灌率低的重重困难(HERMAN B,et al.,1991；MA J,et al.,2012；HUANG D,et al,1993)。2014年咸阳在WH2砂岩回灌井的回灌研究中取得了重大突破。回灌历时127d，自然回灌量达到100m3/h,最大瞬时回灌量为148m3/h，回灌率达100%，总回灌量达到10万m3。应对物理、化学、微生物堵塞方面在咸阳取得了丰硕的成果，为以后大面积推广积累了成功的经验。

1.4水热型地热供暖的前景分析

我国中-低温水热型地热资源丰富，广泛分在中—新生代沉积盆地中。据统计，我国的沉积盆地面积巨大，中、新生代沉积盆地总面积达417×104km2，占我国陆地面积的42%,分布范围遍及各省、市、自治区，可见利用水热型地热供暖在我国有巨大的发展空间(张振国,2009)。但是深层孔隙型砂岩回灌堵塞问题一直是阻碍地热流体开发的瓶颈问题，应大力加强沉积盆地深层孔隙型砂岩回灌技术研究，将深层孔隙型砂岩的研究完成从点到面的成功突破，进而在全国推广。

2　我国地源热泵供暖的现状、问题和前景

2.1地源热泵供暖的发展和现状

地源热泵(ground source heat pump)是利用地下浅层地热资源既能在夏天供冷又能在冬天供热的一种新型空调系统。“地源热泵”最早是由英国专家提出，1946年美国科学家建立了第一个地源热泵系统，但是因为技术粗燥，并没有得到广泛认同。直到20世纪70年代，世界出现第一次能源危机，地源热泵技术得到充足发展(陈华等，2013)。在美国，地源热泵系统每年以20%的增长速度发展，而且未来还将以两位数的良好增长势头继续发展。据美国能源信息管理局预测，到2030年，地源热泵将为供暖、散热和水加热提供高达68Mt油当量的能量(李新国等，2001)。我国的地源热泵技术从2000年开始，截至目前，现有地源热泵工程数量已经达到5 000多个，总利用面积达2.4亿m2。80%的项目集中在我国华北和东北南部地区，其是主要集中在供冷方面。在利用地源热泵供暖进行了很多尝试，虽取得了一定的成果，但是都是商业开发摸索，并没有对其进行系统化、规范化的科学研究(高扬等，2013)。

2.2利用地源热泵供暖的优势和问题

我国利用地源热泵供暖的优点主要体现在以下几个方面：①绿色环保。平均每推广1 000万m2的地源热泵技术及其系统，可以节省56万t标准煤，对治污降霾有重要影响(陈焕新等,2002)。②运行、维护费用低。运营费用只有集中供暖的一半(王永镖等，2002)。③一机两用。利用地源热泵技术在冬天可以制热，还可以提供生活热水，夏天可以制冷。④安全可靠。地下部分使用寿命在50年以上，地上部分在30年以上(将益强，2007)。

我国利用地源热泵供暖的缺点体现在以下几个方面：①施工空间大。换热孔施工需要较大的空间,在我国建筑密度高的区域无法大面积实施(关锌，2010)。②初始投资高。地下钻孔埋管和打井都需要较大的工程建设费(黄敏，2010)。③单孔出热量小。地源热泵由浅层土壤热源吸热，单孔出热量小。以西安为例，供暖面积5 000m2的小区需打10多口200m深的换热孔。

2.3利用地源热泵供暖的前景分析

地源热泵供热系统通过消耗少量高品位能源，把低品位热量上升为高品位热量，在提倡节能环保的今天，其发展前景主要体现在以下几个方面。

(1)我国集中供暖管网建设不健全，城市边缘地区主要利用中小型锅炉供暖，在冬季造成了比较严重的大气环境污(陈华等，2013)。地源热泵供暖可以作为集中供暖一种补充，在农村和城市边缘地区具有很大的发展前景。

(2)我国东北、华北地区有大量干枯的石油和地热水井,可以对其进行改造，节省开发资金。

(3)经济转型，国家对节能环保新技术大力扶持。地源热泵供暖系统低碳、清洁、环保一定会受到国家的重视(徐伟等，2013)。

3　我国利用干热岩供暖的展望及思考

3.1干热岩发展历史和应用潜力

干热岩(HDR)也称增强型地热系统(EGS)，或称工程型地热系统，是指地层深处(埋深超过2 000m)普遍存在的没有水或蒸汽的、致密不渗透的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩体。干热岩本身具有很高的温度，呈干热状态，一般干热岩上覆盖有沉积岩或土等隔热层，温度在150～650℃，可以作为热能资源加以利用(杨方，2012)。干热岩的开发利用始于美国，1990年美国就开始工业尺度方面的干热岩地热能源的开发利用研究。日本紧随美国之后，系统的研究干热岩发电技术，并在1995年进行了一个月的水循环测试(赵阳升，2004)，但是截至目前对干热岩的都是在发电层面，利用干热岩进行供暖还没有研究。我国干热岩开发尚处在起步阶段，2014年在青海共和—贵德盆地地下2 230m处钻获温度153℃的优质干热岩，为我国系统的研究开发干热岩打下一个良好的基础(陈惠娟，2010)。

3.2利用干热岩供暖存在的问题

(1)干热岩开发的选址问题。干热岩选址问题仍然是研究的一个前沿性课题。就我国目前情况来看，利用干热岩进行供暖的实验区可以选择板块构造带或者构造活动带。例如，滇藏、东南沿海、京津冀、环渤海等地区分布有范围较大的火山岩体，具备干热岩地热资源形成的区域构造条件。或者选择一些沉积盆地。例如，2013年在我国青海共和盆地发现了高品质的干热岩，地底部广泛分布，仅钻孔控制干热岩面积已达150km2，潜力巨大(杨吉龙等，2001；蔺文静等，2012)。

(2)利用干热岩供暖的技术问题。现有的干热岩开发模式都是通过在地下岩层中进行射孔、爆炸、压裂、酸化等人工形成一个可以进行热交换的场所(称之为“人工热储”)，通过井循环将热量带出来。但是开发干热岩进行供暖，用现有的开发模式成本较高，技术过于复杂不利于大范围推广，并且有可能会引发地震等地质问题(曾梅香等，2007)。

3.3利用干热岩供暖前景分析

汪集旸等通过评估，中国大陆(3～10km深度)中干热岩地热资源为21.0×106EJ，折合标煤7为15万亿t。其可开采量(2%)是传统水热型地热资源量的168倍(陈墨香等，1996；朱守义，2001)。干热岩是潜力巨大的本土化资源，理论上只要深度达到处处都有干热岩，不像现在开发的地热流体资源那样受地域限制。只要技术能够达到要求，就可以在全国大范围推广(汪集旸等，2013)。我国目前油气资源已经进入快速减产期，庞大的油田队伍面临生产转型危机，发展干热岩既能解决能源短缺问题，又能够促进经济稳定发展。

4　结论及建议

地热资源是一种非常宝贵的能源，在利用地热能供暖的实践中，必须遵循在保护中进行开发的原则，以使地热资源能够可持续利用。要加强清洁可再生的地热资源的研究，使其尽快能为社会服务，成为人类发展中的重要能源。综合分析我国地热供暖的现状、问题，笔者就我国地热供暖可持续发展问题提供以下建议。

4.1水热型地热供暖

(1)加强水热地热资源开发的法律、法规建设。目前我国没有专门指导水热型地热资源开发利用法规，导致水热型地热资源乱采、超采问题一直得不到解决。

(2)改进和完善水热型地热资源开发技术、方法。如梯级利用技术、低温地板辐射供暖技术和“一深一浅一回灌”开发模式在水热型地热供暖中的应用。

(3)加大基岩裂隙型热储地热尾水回灌量，延长地热井的使用寿命。加强砂岩孔隙型热储地热尾水回灌的新技术新方法研究，使困扰地热供暖(砂岩孔隙型热储)可持续利用的回灌衰减问题得到解决。

4.2地源热泵供暖

(1)加强地源热泵供暖的科学性研究。虽然我国进行了很多地源热泵供暖研究，但大都是商业性项目支持，研究结果比较粗糙。

(2)加快地源热泵供暖规范的制定。现行的《地源热泵系统工程技术规范》不能够满足我国地源热泵技术的不断发展的需要。

(3)加速地源热泵供暖系统新方法、新技术研究。例如，西安在地源热泵的应用开发中，尝试性地利用在超层(2 000～3 000m深)地源热泵进行供暖，并且取得巨大成功，单井可供热面积达到13 000m2，商业价值大大提高。

(4)增强国际间合作，通过不断吸取国际领先新技术，促使我国地源热泵供暖健康发展。

4.3干热岩供暖

(1)以京津冀、环渤海等热盆为优选实验区，部署干热岩供暖选址评价和技术适用性评价研究。

(2)开展研究干热岩开采中构造人工造储诱发地震及环境污染问题的评价。

(3)开发模式上要进行新的探索和实验。采用无须压裂的开采技术及与现有的水热型地热开采相结合技术来开采干热岩地热能。例如，部分地区利用垂直井和斜井相连通的办法进行干热岩实验性采暖，且已取得非常好的成果。

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Status and Prospects of Geothermal Heating in China

GUO Sen,MA Zhiyuan,LI Jinbin,PEI Bei,ZHENG Lei,LI Xiucheng,ZHANG Xuelian

(College of Environmental Science and Engineering, Chang'an University, Xi’an 710054,Shaanxi, China)

As an important kind of clean energy, the application of geothermal resources is becoming more and more widely in China, especially in the case of heating. Using geothermal resources to heating can reduce the pollution and help to change the energy structure. Most areas in China mainly use of fossil fuels for heating, but the pollution is serious and the heating situation is grim. But, the geothermal heating is the most direct using ways of geothermal resources.The history of using geothermal heating is more than 30 years in China, and the using of geothermal heating has begun to take shape in Tianjin and Xianyang. But it is limited by technical and cost constraints, the geothermal heating accounts for China's total heating area is still small. And the waste is serious in the process of using, so there is big development space for the using of geothermal heating in ourcountry. At present, the geothermal fluid heating (hot water heating) is the main heating way in China, the heating method of using ground-source heat pump is becoming popular. Although the hot dry rock heating is still in experimental stage, but it has a great spread future. After analyzing the history, current situation and prospects of geothermal fluid heating, ground-source heat pump method and hot dry rock heating, the suggestions for the future using of geothermal heating is proposed.

geothermal energy;heating;geothermal fluid;ground source heat pump; hot dryrock

2015-04-20；

2015-07-01

国家自然基金项目“沉积盆地深层孔隙型地下热水回灌堵塞机理研究”(41472221)

郭森(1990-)，男，山东菏泽人，硕士，主要从事地热、同位素水文地球化学研究。E-mail：1101941239@qq.com

P641.12

A

1009-6248(2015)04-0204-06