开放与创新结合促进京津冀地热“两能”发展

李宁波，杨俊伟，于 湲，李 翔，柯柏林

（1.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195；2.中国地调局浅层地温能研究与推广中心，北京 100195；3.北京市地热研究院，北京 100012）

开放与创新结合促进京津冀地热“两能”发展

李宁波1、2，杨俊伟1、2，于 湲1、2，李 翔1、2，柯柏林3

（1.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195；2.中国地调局浅层地温能研究与推广中心，北京 100195；3.北京市地热研究院，北京 100012）

地热、浅层地温能（以下简称地热“两能”）是一种新型的可再生能源，具有储量大、清洁、就地取材、可再生等优点，其开发利用对改善空气质量、落实绿色发展理念具有重要作用。京津冀地区是地热“两能”开发利用程度最高、应用规模最大的地区。特别是以北京经验为基础，促成了全国范围内浅层地温能勘查开发工作的大发展。如何使地热“两能”为京津冀协同发展的生态文明建设做出更大的贡献值得思考。本文在北京市地勘局多年浅层地温能研究与推广实践经验总结的基础上，提出应深入落实中央提出的的五大发展理念，开发与创新结合积极推进京津冀地区地热“两能”的高效利用。

开放；创新；浅层地温能

0 引言

浅层地温能在减少大气污染、改善空气质量中可发挥重要作用。京津冀地区浅层地温能资源丰富，利用潜力大，调查评价表明，京津冀13个地级以上城市规划区浅层地温能每年可利用热量折合标准煤9200万t，相当于能源总消耗的20%。若利用热泵系统进行开发利用，可实现冬季供暖面积29亿m2。目前，京津冀地区浅层地温能总服务面积约8500万m2，占全国利用浅层地温能供暖制冷面积的20%，是我国浅层地温能开发利用程度最高、应用规模最大的地区。如何实现京津冀三地浅层地温能更高效科学利用值得思考（中国地质调查局，2015）。建议开发与创新结合，积极推进该清洁能源的利用，有效缓解大气污染，实现绿色发展理念。

1 开放是京津冀新能源发展必然选择

十八届五中全会提出了“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念，集中反映了我们党对经济社会发展规律认识的深化。面对国内国外两个大局的新变化、新特点、新趋势，习近平总书记及时提出开放发展新理念，丰富开放发展新思想，指出：“人类的历史就是在开放中发展的。任何一个民族的发展都不能只靠本民族的力量。只有处于开放交流之中，经常与外界保持经济文化的吐纳关系，才能得到发展，这是历史的规律。”京津冀协同发展需要开放共享，以开放激发京津冀协同发展活力。

地勘单位应适应新形式、新发展，开阔思路，以开放的思想迎接新机遇、新挑战。通过开放交流，我们了解到浅层地温能行业发展需求及存在的问题包括：如何验证浅层地温能的资源属性、资源的可再生性；如何提高浅层地温能的使用效果，提高系统功效？如何实现多能联合利用，提高可再生能源利用率？另外，了解到新技术新方法进展及应用情况，如贵州省利用低成本的物探勘查技术，查明项目区岩溶裂隙发育情况，避开岩溶裂隙发育区，推荐地埋管布孔区，提高成孔率（可保证成孔率98%以上）；选择岩溶裂隙发育区，推荐水源井位（水源热泵成本远低于地源热泵），部分替代地源热泵，降低工程造价。陕西省出现了干热型地热资源供暖技术，即通过钻机向地下一定深度高温岩层钻孔，在钻孔中安装一种密闭的金属换热器，经过换热器传导将地下深处的热能导出，并通过专用设备系统向地面建筑物供热的新技术。还有研究者提出了热泵系统的革命——冰源热泵，冰源热泵可以克服传统热泵的缺点，就是在低温水与蒸发器中间加装一套制冰装置，使水在制冰装置中可控结冰，而不是在蒸发器中结冰（卫万顺等，2010）。

2 创新是适应京津冀新能源发展驱动力

针对需求及存在的问题，北京市地勘局主动作为，创新开展了如下几方面的工作：1998年，敏锐观察到行业发展的动向，找到了地质工作与暖通行业的新的结合点，作为延长地勘单位工作链的一种新方向，率先在勘技院开展了热泵系统的实验。并不断与清华大学、机组设备商进行合作，开展研究与实践；理论研究、监测、现场测试等方面的关键技术研究获得重大突破；建立了多能复合应用系统模式，并成功实践到用友软件园等大型项目；经过多年市场工程实践，中国地调局、北京市财政、科协等单位公益项目的资助，创立了浅层地温能地质学理论体系和浅层地温能资源勘查评价体系。实验研究方面的创新工作如下：

2.1 在张家湾建设了浅层地温能换热机理实验平台

通过建设实验平台，进行地埋管换热系统单季节持续取热试验，分析研究地温场变化特征和浅层地温能可再生性的特性，进一步探讨浅层地温能资源的形成机理。基地建筑面积400.9m2。建成的地源热泵系统：单个换热器深度120m，布置地下换热器的数量为9个，间距为5×5m。地源热泵运行监测系统：热泵机房监测内容包括温度、流量、电力参数和压力监测，分别配置温度传感器、电磁流量计、电表、压力传感器；地温场监测系统设地温监测孔布6个，布设在两个换热器之间；建立2眼常温监测孔（图1）；地埋管换热孔及监测孔中下入温度传感器，实现数据远程监控与传输。经过监测得出基本结论：在取热条件下换热区域内外岩土地温场总体呈下降趋势，过渡季地温场基本恢复，但各点恢复的速度不同。

该平台还有一个重要作用，就是未来与地下水试验平台和地面沉降监测平台的互相融合，从地下全方位研究浅层地温能开发的影响及与地下水和地面沉降相互作用的关联程度，探索其规律性。

图1 张家湾地埋孔及地温监测孔分布位置Fig.1 The distribution curve of geotemperature monitoring well

2.2 地质环境影响监测技术方法的创新

创新提出地质环境监测体系建立的方法，如同间距、不同地层温度传感器的布设，以北京为经验，已推广应用至山东、武汉、重庆地区。另外，传感器长时间埋设在地下一旦损坏无法进行维修或更换，导致地质环境监测点位的缺失。针对这一问题我们对地埋管内安装温度传感器的方法进行了研究，探索该方法实施的可行性，并配合热响应测试、长期监测，与地埋管外安装方法进行对比，检验了管内测温的时效性与准确性，见图2。

图2 地埋管内安装温度传感器的方法Fig.2 The method of installing temperature sensor in PE pipe

2.3 开展新型毛细管技术应用研究

在平谷基地率先开展了浅层地温能应用综合效能及地质环境影响实验平台及研究基地建设，其中一间房间空调末端形式为地板供暖+大温差风机盘管+新风系统+毛细管网辐射系统，研究不同室内末端形式的能耗和舒适度差别研究，为后来工程项目实践中采用毛细管技术打下了良好的基础。

2.4 成功研制了浅层地温能现场热响应测试设备

为了解决浅层地温能开发利用中的关键技术问题，开展了热响应测试方法技术研究。在详细调研国内、外热响应测试方法、先进技术以及理论成果资料的基础上，在现有的浅层地温能测试仪的基础上改进结构及功能，提高测试仪的控制和仪表精度，并提高测试仪使用的安全性和便捷性。研制了一台改进型的浅层地温能测试仪，该测试仪能够进行岩土初始温度测试、稳定热流热响应测试和稳定工况测试，控制精度高、运行稳定，且易于携带运输，使用方便。同时编制了浅层地温能测试仪使用手册，该测试仪取得了国家实用新型专利一项见图3（北京市地质矿产勘查开发局，2013）。

图3 测试仪外观Fig.3 The appearance of tester

2.5 开展奥运村再生水热能综合利用系统关键技术研究

为了给奥运村再生水热能综合利用系统的设计和运行提供技术支撑，开展了奥运村再生水热能综合利用系统关键技术的研究，本研究针对城镇再生水源热泵技术实际应用中提炼的关键问题，主要通过实验手段，围绕以热能回用为目标的二级出水水源特性、污垢热阻时变特性及混合污垢组成特性，研究了二级出水在板式换热器内的成垢规律及其影响因素，为城镇再生水源热泵系统设计提供了必要的基础数据及获取基础数据的研究方法，提出了成套解决方案和二级出水板式换热器污垢对策问题，并编制了大型城镇再生水源热泵系统性能模拟仿真软件，为解决城镇再生水源热泵系统的关键技术问题提供了可行的途径，见图4。

图4 板式换热器性能实验系统外观Fig.4 The appearance of experiment system for performances of plate heat exchangers

我们利用科研成果开展市场化运作，实施北京奥运村再生水源热泵项目，采用附近清河污水处理厂的再生水作为空调系统的冷热源，为43万m2建筑供暖、制冷。该项目从再生水热泵冷热源中获取789万kWh千瓦时的能量，节约标煤3600t，相当于减排二氧化碳8600t，每平方米全年耗能是现行节能建筑能耗量的三分之一。该项目为国内首例大型再生水热泵系统工程，曾获得美国绿色建筑LEED金奖和绿色生态建筑节能金奖（国奥投资发展有限公司等，2008）。

2.6 大型浅层地温能利用工程项目的创新实施

从奥运项目进一步引申到上海世博轴项目，世博轴在国内首次最大规模的应用地源热泵以及江水源热泵技术的空调冷热源集成技术。运用地源+江水源热泵技术设计的世博轴“绿色空调系统”，实现了100%的再生能源运用。这个自主设计、自主开发、自主施工的项目，创造了中国建筑史上的一个新纪录。不仅获得了广泛的社会效益，更获得了客观的经济效益，节能达到30%以上。

另外，实施了首个复合能源系统用友软件园地源热泵项目，首次实现土壤源热泵+冰蓄冷+水蓄能复合能源解决方案，是集热泵技术、变频技术、夏季蓄冰、冬季蓄热技术和地下土壤的换热技术有机合理地结合为一体的复合式能源系统，是暖通空调领域内的一次革命性的技术创新。用友软件园总建筑面积约47.3万m2。冬季采用热泵＋燃气锅炉调峰方式供暖，夏季采用热泵+冰蓄冷技术进行制冷,每年节约运行费用约400万元。同时较比常规供暖方式节能30%左右,每年可节约1400t标准煤。

该项目的创新还包括地埋管的集中大规模优化布孔方案和地质环境影响监测系统的设计。通过研究近10年的运行和监测数据，事实证明集中规模布孔是可行的。经过认真勘查和测算，不会对地下水、地下温度场运行效率产生不可逆的不良影响。

3 开发与创新结合，推动京津冀新能源发展

开放一方面是思想理念的解放，不固步自封，同时也是空间地域上联动。京津冀发展必然是三地的联动往来，北京城市副中心建设必将涉及河北廊坊的北三县，同样，新机场的建设离不开廊坊市，冬奥会建设离不开张家口市。

创新包括理论创新、科技创新等方面。首先地质学理论需要不断创新，特别是要加强城市地质学理论的创新与发展，加强地质工作与经济建设发展需求的衔接跟进。科技创新是提高地质工作服务能力的重要支撑，包括地热“两能”勘查手段、评价体系、钻探技术、综合应用手段方法等方面的创新。

北京开发利用地热“两能”的优势是起步早，资源丰富，技术成熟；管理规范，规章、标准相对健全；政府支持，已发布鼓励政策。不足之处是深层地热供暖方面，北京只有200万m2左右，不足河北和天津的十分之一。为促进深层地热的发展壮大，需要管理体制机制的创新。因此建议各相关部门应理念创新、加强实践、政策管理跟进。

作为从事地热“两能”技术及管理人员应开放思想，广泛收集信息，走出去参与国内、外不同层次的学术、技术交流与考察，多听多看，丰富信息输入，开放交流互鉴。资源为我所用，与时俱进，不断创新，如山东已研究用地板采暖的方式制冷，学习其如何控制湿度等技术要点。开放合作，创新研究思路，拓展研究方向，探索干热型地热资源的利用，开展相关实验研究工作，使地热“两能”的开发利用再上一个新台阶，为节能减排和京津冀协同发展做出更大贡献。

北京市地质矿产勘查开发局，2013. 热响应测试方法技术研究报告[R].

国奥投资发展有限公司，北京市天银地热开发有限责任公司，2008. 奥运村再生水热能综合利用系统关键技术的研究结题报告[R].

卫万顺，李宁波，冉伟彦，等，2010. 中国浅层地温能资源[M]. 北京：中国大地出版社.

中国地质调查局，2015. 支撑服务京津冀协同发展地质调查报告（2015年）[R].

Combination with Development and Innovation for Eff i cient Use of “Two Geothermal” in Beijing-Taijin-Hebei Economic Zones

LI Ningbo1,2, YANG Junwei1,2, YU Yuan1,2, LI Xiang1,2, KE Bolin3

(1. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Shallow Geothermal Energy Promotion Center, China Geological Survey, Beijing 100195; 3. Beijing Geothermal Research Institute, Beijing 100012)

The shallow geothermal, geothermal energy (hereinafter referred to as the "Two Geothermal") is a new type of renewable energy, which is abundant, clean, local energy, etc., its development and utilization plays an important role in improving air quality and implementation of the green development concept. The utilization of“two geothermal” in Beijing-Taijin-Hebei Economic Zones is the most developed and largest in China. Especially, the experience of Beijing greatly promotes the development of shallow geothermal in China. It is worth to think about that how to make “two geothermal” be greater contribution for the ecological civilization construction of Beijing-Taijin-Hebei Economic Zones. Basing on years’ experience and study of Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau in the shallow geothermal, we advocated that it must be further implemented “Five Concepts”for development, combining with development and innovation for eff i cient use of “Two Geothermal” in Beijing-Taijin-Hebei Economic Zones.

Development; Innovation; Shallow geothermal

P314

A

1007-1903（2017）01-0001-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.001

李宁波（1962- ），男，高工，地热、浅层地温能勘查开发研究。E-mail：dkjlnb@163.com