地热能在区域能源领域中的应用和发展

李宁波 李翔 杨俊伟 于湲王立志

摘 要：当前，地热能的开发已步入了规模化、区域化发展的新时代，技术和管理水平日臻成熟。新形势下，行业从业者应对地热能的区域化发展有充分的认识。带着大规模应用地热能是否可行、怎样可行、如何能融入区域能源体系等问题，本文将从地热能开发角度出发，从3个方面提出地热能如何在区域能源发挥作用：一、解读区域能源相关概念;二、地热能在区域能源中的应用及环保作用;三、地热能应用的普遍性原则。从产业链及资源方面，阐述如何提高效率、优化利用地热能资源。分享相关成果，共学共勉。

关键词：区域能源;地热能;普遍性原则;优化利用

Application and Development of Geothermal Energy in the Regional

Energy Utilization

LI Ningbo1，2， LI Xiang1，2， YANG Junwei1，2， YU Yuan1，2， WANGLizhi1，2

（1. Beijing Institute of Geology， Beijing 100195;

2.Shallow Geothermal Energy Promotion Center， China Geological Survey， Beijing 100195）

Abstract： At present the development of geothermal energy has entered the new era of large-scale and regional development， meanwhile， the technology management level is getting mature. The industrial practitioners should fully understand the regional development of geothermal energy in such new situation. However， whether large-scale application of geothermal energy is feasible or not？ Why is it feasible？ How can it be merged into the regional energy system？ This article starts from the perspective of geothermal energy development， and then proposes how geothermal energy can play a role in regional energy from three aspects： （1） interpretation of regional energy related concepts; （2） the application of geothermal energy in regional energy and its environmental protection function; （3） the general principles of geothermal energy application， which explains how to improve efficiency and optimize the utilization of geothermal energy resources from the industrial chain and resources. We share the relevant results for mutual encouragement with expert and colleagues.

Keywords： Regional energy; Geothermal energy; Principle of universality; Optimal utilization

0 前言

當前，中央对推进生态文明建设、推动绿色发展十分重视。各级、各地方也有较大比重的考核指标，其中一项重要工作就是能源结构调整。如何调整？主要还是从两个方面来讲：一是能源消费端，减少能源的使用，如绿色建筑以超低能耗、近零碳排放实现指标控制。二是能源供给端，也就是提供怎样的能源。十九大报告为我们指明了方向：“构建清洁低碳、安全高效的能源体系。”

作为可再生能源利用的典范——地热能的开发利用已受到广泛的关注和认可。而今，我国很多地方已开发利用地热能为建筑供暖和制冷，解决了很大比例的建筑用能需求，促进了区域一次能源消耗量减少、污染物指标下降、能源供给质量和水平提升，契合了中央的指示精神。因此，为确保打赢蓝天保卫战，近一段时期，中共中央、国务院在多次重要会议上强调清洁取暖要以“宜电则电、宜气则气、宜煤则煤、宜热则热”为原则，因地制宜地把城市区域的发展和能源结构的调整优化结合起来考虑和部署。地热能又迎来了一次重大发展机遇。

我国地热资源特点是以浅层地热能和中低温地热为主、高温为辅，适宜为建筑供暖和制冷，少数地区的优质地热资源可以用来发电。截至2017年底，我国利用地热供暖建筑总面积超过7亿m2。且随着城镇化建设步伐加快，地热开发利用规模在不断扩大，百万平米级建筑群的地热应用项目层出不穷。一方面说明我国地热开发利用技术发展迅猛;另一方面，与过去相比，地热区域化发展已成趋势，呈现出更多新的特点，这也给我们带来了新的挑战。未来，如何使地热能更好地服务并融入区域能源发展，使之成为一条人口、资源、环境相协调的可持续发展道路，作为行业从业者的使命，还应在扎实做好基础工作的前提下，充分发挥创新能动作用，促进地热产业发展壮大。

1 对“区域能源”的认识

1.1 “区域能源”的出现

19世纪末，随着人类进入工业革命时期，能源的使用和消耗呈现猛增态势。化石燃料和电力的产能已不能满足规模急剧扩张的工业生产和居民生活需求。為促进能源效率和环境质量的提高，欧美一些国家将用能的“小而分散”转变为“大而集中”，通过区域供冷、供热与热电联产等先进技术，实现高效满足区域内所有用能需求，即“区域能源”。

区域能源最早就是从区域供暖项目诞生的。100多年来，“区域能源”的内涵在不断进化。现今定义为：一切用于生产和生活的能源，在一个特指的区域内得到科学的、合理的、综合的、集成的应用，完成能源生产、供应、输配、使用和排放过程，称之为“区域能源”。“区域”：可以是一个城市、一个工业区或大型居住区，也可以是一个小区或建筑群，涵盖从热电联产，到集中供暖、区域供冷、供电等各种技术措施。“能源”：燃煤、油、气，可再生能源（包括地热能），生物质能等;可以是一种，也可以是多种能源互补应用（许文发，2016;伍小亭等，2019）。

区域能源的出现，在很大程度上减少了二氧化碳的排放，并且节省开销、经济实惠。因此，一直以来反响良好（供热制冷，2010）。

1.2 地热能服务区域能源

20世纪70年代，世界石油危机出现，新能源在区域能源中的发展迎来了转机，地热能的开发利用得到了全世界的重视。在时任地质部部长李四光教授的带领下，我国也掀起了地热开发的第一次高潮（北京市国土资源局，2008）。中国成为世界第8个地热发电国家。北京成为世界6个具有地热田的首都之一。同时，全国许多地方也开展了地热供暖、水产养殖、温室种植、温泉洗浴（医疗）、工业利用和农产烘干等地热直接利用（郑克，2019）。

地热能作为可再生能源融入区域能源应用，为区域能源的发展开辟了一条崭新的道路。在已探明的地热田地区，结合区域规划建设及用能需求，优先利用地热资源，可以解决或部分解决区域供电、供暖（冷）等问题。其优势在于：1）环保性强，地热资源可再生，其应用减少了化石燃料的使用，降低了污染物排放，同时，缓解了地区能源供给紧张;2）经济性和保障性高，地热能来源稳定，能源品质较高，无论是单一供给还是成为其它能源形式的补充，都能有效提升区域能源供给的经济和稳定性。因此，在当前我国城镇化以及低碳城市建设步伐加快形势下，地热能已成为发挥区域能源节能、经济作用的重要支撑。

如今，地热产业在我国已发展壮大，尤其是地热直接利用量已跃居世界首位。并且，地热经济规模还在持续增长。但就全国层面来讲，我国地热能的开发利用方式较发达国家相比，还显得比较粗放。滥采滥排、无序开发现象时有发生，有些地方造成负面大于正面的环境影响，有违“初心”。纵然有多方面因素共同使然，但在一定程度上阻碍了产业健康发展。为此，我国多地已出现十分严格的地热开采管理法规。新形势下，地热开发更应精细化运作，从技术、经济和管理等方面创新思路，提出解决问题的办法。

地热能供应和应用的科学合理会带来更好的经济和环境效益。笔者曾于2004年就提出“地热水厂”的概念：在地热资源较优质地区，在地区政府主导下，由一至两家单位对区内地热资源进行统一勘查、规划、开发、供给、管理等，实现地热资源的统筹利用。“地热水厂”可以较少的地热资源消耗发挥较大的优势：一、对于地热资源富集区域，如北京小汤山地区地热资源条件很好，可解决旅游度假、休闲养生和农业种养殖。二、解决区域一定范围内集中供热问题，这是一个集约节约利用地热资源的方案。这种理念已在江西宜春、山东临沂、河北雄县等地实施。

以北京某地热田为例，2017年，该地区地热水开采共计309万m3，其中用于供暖183万m3，温泉洗浴126万m3。总地热井数118眼。区域内供暖单位10家，供暖总面积仅为25万m2。

根据上述情况分析，若采用“地热水厂”热水统一供给模式，按照单井出水量及温度测算，在满足该地区供暖、洗浴需求前提下，地热开采井需要数量小于10眼。按1∶1.5配置回灌井的情况下，总计最多25眼井可满足该区域全部地热使用。单从经济性上看，集约节约利用主要体现在：（1）统一勘查，区域布局更加合理，减少勘探成本;（2）统一开发，减少地热井钻探及建造成本;（3）统一建设，优化设计及系统，减少管网和设备建设成本;（4）统一利用，充分利用地热资源，如梯级利用等，单位水量供能量增加，减少输送成本;（5）统一管理，减少人员及维护成本。有效地减少经济和自然资源浪费。

因此，针对地热能融入区域能源的利用形式，为更好地优化利用资源，我们提出：在一定区域内，在目前工艺条件下，通过合理的开发技术和手段，能够获取的经济实用的、能够满足或部分满足区域内有效使用的地热能，或者可以有机地融入区域能源综合利用系统的地热能，称为“区域地热能”。

需要强调的是，区域地热能不等同于大规模开发利用地热资源，更讲究资源利用的科学性、合理性。是从能源供给端到使用端，实现高度的环节统一与智慧管理，在一定范围内形成资源节约、经济性好、持续和保障性高的能源供给链，满足区内不同的用能需求。

2 地热能在区域能源中的应用及环保作用

2.1 在国际上的应用

冰岛是世界上少数几个拥有十分丰富地热资源的国家之一。20世纪70年代以来，大力发展了本国地热能的开发与利用。至2018年，全国90%的采暖是由地热能供应的，90%的游泳池由地热能加热，地热发电装机容量755兆瓦。其中，首都雷克雅未克全部利用地热采暖，该地区50多个地热井，主要由该市能源公司运营，也是世界上最大最成熟的地热供暖系统。另外，冰岛还利用地热资源养鱼、除雪、温室种植、工业生产等，已形成了资源开发与环境保护相协调的发展模式。

另一个地热能利用示范案例的国家则是土耳其。截至2019年，全国11.6万所住宅供暖，450万m2温室，4.64万所酒店、康养设施，以及部分工业烘干、制冷等采用地热能供给，地热直接利用总量达3500兆瓦，成为地热非电利用世界前四的国家。但其最受瞩目的还是近些年在地热发电领域的突飞猛进。土耳其地热发电装机容量经十几年的发展，已从2005年的20兆瓦、世界第16位，飞跃至2019年的1595兆瓦、世界第4位，增长近80倍，成功进入世界地热发电强国行列。不但环境清洁了，而且还使企业、居民用上了价格低廉的能源。其主要原因之一就是政府立法，凡投资地热发电的均给予政策优惠。如基本激励电价为10.5美分/千瓦时，额外激励为2美分/千瓦时。极大地推动了社会资本参与地热基础设施建设。未来，该国还将继续在干热岩领域发展突破。

还有一些地热开发强国，如美国、菲律宾、德国、瑞士等，都能很好地利用地热为区域能源供给服务。在一些欧洲城市，几乎所有需要的供暖和制冷都是通过地区热、冷网提供的。而当前，全球碳排放问题也给世界地热发展带来了新的机遇，为地热区域供能开辟了一条快速通道。

2.2 在我国的应用

区域能源在我国发展由来已久，只是人们更习惯称之为“集中供暖”。2015年，中国就已建成世界最大的区域供暖系统，覆盖建筑面积达85亿m2。而地热能则是在近几年才在区域能源领域发力、发挥作用，但发展形势良好。一些典型案例也值得借鉴和参考。

（1）地热发电案例

西藏地区中高温地热资源丰富。1977年，我国最大地热发电站——西藏羊八井高温地热发电成功。截至2014年底，羊八井地热电站装机容量24兆瓦，累计发电30.6亿千瓦时，折合标准煤约95万吨，减排二氧化碳260万吨。还一度占到拉萨整个供电的60%，解决了区域供电问题（蒋勇，2014）。这是典型的地热发电在区域能源中的应用。

（2）中深层地热（水热型）供暖案例

雄安新区是我国中东部地热资源开发利用条件最好的地区，是自然资源部“打造地热资源利用的全球样板”的示范区。目前，其地热资源利用已形成统一政策、统一管理、统一规划、统一开发的“雄县模式”（王少勇等，2017）。截至2018年底，雄安新区的雄县和容城地热供暖面积达700万m2，基本实现了雄县、容城城区地热集中供暖全覆盖。这是典型的地热供暖在区域能源中的应用。

（3）浅层地热能的开发与利用案例

北京城市副中心行政办公区一期建设面积236.5万m2，实现以浅层地热能为主，中深层地热为辅，其他清洁能源补充的方式，为建筑供暖和制冷。目前，该浅层地热能复合系统已投入运营，效果良好。这是典型的地热供暖/制冷在区域能源中的应用。

（4）旅、养产业发展案例

山东临沂成立汤泉旅游度假区管委会，统一规划、建设、管理区内地热资源的开发利用。近年来招商引资200亿元，建设规模300万m2，利用地热开发的温泉、旅游、疗养、种养殖等产业发展壮大。特色学校、联合办学培养地热开发利用专业人才，带动就业，推动区域经济发展。这是典型的地热旅、养产业在区域能源中的应用（临沂市人民政府，2018）。

这些实际案例都证明：只要地热能应用科学合理，是可以支撑区域能源系统运转、解决区域供能问题，甚至能够成为系统的主力军。

2.3 服务生态文明建设

近些年，地热能在我国着力的大气污染防治方面发挥重要作用。一份由清华大学学者完成的《2013—2017年间中国PM2.5空气质量改善的驱动力》报告指出，中国范围内所有城市空气污染水平在2013—2017年间从61.8μg/m3降至42μg/m3，下降了32%。其中，燃煤锅炉整治和民用燃料清洁化分別使PM2.5浓度下降了4.4μg/m3和2.2μg/m3（Zhang et al.， 2019）。而地热能在其中发挥很大作用。

如北京市，2017年地热及热泵利用总量约67.6万吨标准煤，减少46万吨碳粉尘、168.5万吨二氧化碳、5万吨二氧化硫、2.5万吨氮氧化物的排放，为北京地区降低PM2.5做出显著贡献。从图1可以看出，近些年，北京市空气质量在不断提升，空气污染细颗粒物指数在逐年下降。而北京市地热能开发利用量也在不断增长，并在其中发挥重要作用。地热清洁取暖真正服务了生态文明建设。

3 地热能应用的普遍性原则

《地热能开发利用“十三五”规划》提出“坚持因地制宜、有序发展”的原则。其中包含了自然条件和社会条件两方面，即要充分掌握区域资源禀赋条件及特性，结合地方经济、技术发展成熟度以及用能需求，统筹区域能源发展，科学合理地开发地热能资源，实现资源集约节约利用。避免“一刀切”式的盲目开发，造成资源的浪费和环境的破坏。

因此，为使地热能在区域能源应用中科学、合理，我们提出“地热能应用的普遍性原则”，即在地热能应用领域具有共识性的、普通适用的并应共同遵守的原则。地热能的开发利用应在此原则指导下进行，忌采用盲从、激进的方式开发。如不遵守该原则，则可能会不同程度地造成损失或负面影响。同时，地热管理也不可一刀切，而应在科学合理地论证下，充分发挥地热能的保障作用：“宜发电则发电，宜供暖则供暖，宜冷暖则冷暖，宜温泉则温泉”。从产业链及资源的角度来讲，发展地热能需坚持“三个制宜”——因地制宜、因时制宜、因事制宜。

3.1 因地制宜

（1）地质勘查准确

不同区域地质条件呈现多样性，甚至同一区域地下状况也存在多变复杂性。因此，地热能的开发利用对地质勘查工作要求很高，要尽可能提高其准确性。

例如北京延庆某村委会地源热泵项目，拟在625m2范围内布设25眼100m深地埋管换热孔。在施工过程中发现，有换热孔在地下80m处见承压水，地下水径流条件很好。通过热响应测试结果发现，该类孔夏季工况换热量达104W/m，换热效果明显优于前期未见承压水的勘查测试孔。该区域地下15m即见基岩，因此准确勘查可有效减少室外建设成本。

再如干热型地热资源的应用，其地温梯度是一项重要的参考指标。由于岩石的导热性、地壳运动和水文地质条件不同，各地的地温梯度有很大差异，华北地区为2.5℃/100m ～3℃/100m，大庆是4℃/100m～5℃/100m，北京房山是2℃/100m，更有一些结晶岩区温度梯度更小（北京市地质矿产勘查开发局等，2008;吴爱民等，2018），这对于干热型地热资源应用效果也是有很大差异的。

由此可见，地下地质条件是十分复杂的，地热勘查做到十分精确是很困难的，但可以尽可能地提高其准确性。因此，在区域经济、技术条件成熟情况下，重点发挥地质勘查工作在地热开发利用中的基础性、先行性作用，加大资金投入，提高覆盖面及勘查数据精度，支撑地热科学规划，有效引导市场，降低风险。

（2）区域资源优化利用

多能互补的复合式应用是实现“因地制宜”的一种有效手段。未来区域能源的发展已不是单一能源品种就可以满足的，而是多种能源互相补充、相互融合的利用方式。本地能源资源优先使用，充分发挥区域资源禀赋条件优势。笔者也曾就如何实现地热能创新模式而提出过“四个结合”，既能够扩展供能的量和面积，系统的稳定性和经济性也得到了提升（李宁波等，2017）。例如，北京大兴国际机场地源热泵项目，浅层地热能提供了60%的基础负荷，利用燃气和冷却塔调峰以及建设蓄能设施，实现257万m2建筑的供暖和制冷，区域可再生能源利用率达10%。目前系统运行良好。

3.2 因时制宜

解放初期，人民温饱尚未解决，集中供暖普及存在困难。改革开放初期，在寒区能够满足小范围的供暖。在当时经济社会发展状况下，过高的环保要求是不现实的。随着国力的上升、国民财富的增加、技术条件的进步，使国家有能力在环保和生态文明建设上下大力气、办大事，为世界做示范。

地热的发展随着国家经济、社会发展水平的提升而提高。经济基础决定着上层建筑，也决定着人民对美好生活品质的需求程度。社会不同发展时期的发展重点和工作重心会有变化。当前，我国成为世界第二大经济体、国家能源战略调整、首轮全国地热地质调查成果形成、地热开发利用技术进步及社会认可等因素，共同促进我国地热产业不断发展壮大。从图2对比可以看出，北京市地源热泵项目随着社会经济发展而增长。未来，在经济、技术条件适宜时期，可以着力扩大干热岩、中低温发电等技术推广。

3.3 因事制宜

（1）用途不同

我国绝大多数地热资源属于中低温地热资源，以直接利用为主，用途包括建筑供暖/制冷、农业种养殖、温泉旅游养生等。不同的用途对地热利用的要求也不同。因此，还要“因事而异”，除了地热水资源的物理因素，水温、水量等，还要考虑化学成分是否适宜，结垢、微量元素指标等。要以地热资源条件为基础，选择科学合理的应用方式，实现多种功能。

而一些品质优良的地热水资源温度较高，采用梯级利用的方式可以同时满足发电、供热（冷）等多种用途。一方面，提高了地热资源的利用率，单位水量供能量增大，系统效率提升;另一方面，使地热水用途更加广泛，多种温度需求可以同时满足。因此，地热梯级利用是要大力推广的一种好方式。

（2）技术不同

在区域资源、经济条件和用能需求均满足的前提下，从技术层面来讲，地热开采过程中需考虑地上、地下两方面问题：

第一，地下水、热的动态平衡最重要。对于不抽取地下水的地热能开发，如地埋管地源热泵系统、中深层套管换热等，需要考虑地下热平衡问题，即全年运行以及运行季中地下净取热量和自然补给热之间的关系，地层温变应控制在合理的范围内，避免系统能效下降严重;同时，地下水流动对地埋管换热影响问题也需考虑。对于抽取地下水的地热能开发除了热量补给问题，还需考虑水量补给问题，回灌补给和自然补给能否满足开采需要;控制水位下降速率，才能确保持续开采。以上两种开采方式还应在开采区域面积和换热影响半径基础上，考虑换热孔的地下空间布局问题。

第二，关于地上设备选配问题。“马”与“车”要匹配，在机组供能量、水泵扬程、管路流量、换热器换热量等满足前提下的最集约、节约配置才是设备選配的最佳方案。系统初投资降低，运行能效提升。例如，业内提出的热泵“小流量大温差”供能方式，可以节约初投资，但关于能效问题，在供、取两端是否都适宜，也因不同项目而异。

3.4 科学管控提供保障

科学的管控手段才是地热产业续航的有效保障。技术支撑管理进步，管理促进技术发展，才是良好的互动关系。具体要做好3个方面的工作：

第一，做好智能控制。优化系统运行，运行工况与末端需求、热源侧热交换相匹配，降低运行成本及能耗，实现自动智能管理。

第二，做好监测系统。完善地上运行和地质环境监测，能够在运行过程中随时发现问题。以长期监测数据为支撑，为科学管理提供服务。

第三，做好政府管理。明确地热资源的归口管理部门，做到管理统一化;政策、规划出台以数据为支撑，做到决策科学化;行政审批减少环节，做到项目落地便捷化。

4 结论

（1）通过实践证明，地热能的电、热、冷等多种供能形式，是可以作为区域能源的主力的，或某一方面的主力;同时，也可以作为其他能源形式（如分布式能源系统）的有效补充。

（2）发展区域能源的“初心”是提升用能的经济和环境效益，应充分利用区域可再生能源禀赋条件，与区域地热能有机结合，统筹能源规划与利用，提高可再生能源的利用率。

（3）我国地热开发利用规模居世界领先，但技术和管理上还存在一定差距。作为区域能源利用的地热能的开发需遵循普遍性原则，扎实做好基础性工作，科学合理利用地热资源。

参考文献：

北京市国土资源局， 2008.北京地热[M].北京：中国旅游出版社.

北京市地质矿产勘查开发局，北京市地质勘察技术院， 2008.北京浅层地温能资源[M].北京：中国大地出版社.

蒋勇， 2014. 世界屋脊的明珠：记西藏羊八井地热发电[J].中国电业（发电版）（4）：27-29.

临沂市人民政府， 2018.山东临沂“中国温泉之城”中评估自评报告[R].

欧美区域能源使用现状[J].供热制冷， 2010（8）：20-22.

吴爱民，马峰，王贵玲，等， 2018.雄安新区深部岩溶热储探测与高产能地热井参数研究[J].地球学报，39（5）：523-532.

伍小亭，王砚，宋晨，等， 2019.基于暖通专业视角的区域能源系统思考：概念、规划、设计[J].暖通空调， 49（1）：2-14， 24.

王少勇，范建勇，暴寒婷， 2017.雄安新区有望打造地热能开发利用全球样板[N].中国国土资源报， 2017-11-02（1）.

许文发， 2016.区域能源推动能源革命[C]//南京：2016供热工程建设与高效运行研讨会论文集：416-451.

郑克， 2019.见证中国地热走向世界[M].北京：地质出版社.

Zhang Qiang， Zheng Yixuan，Tong Dan，et al.， 2019. Drivers of improved PM2.5 air quality in China from 2013 to 2017[R]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2019， 116（49）： 24463-24469.