浅层地热能开发利用存在的问题与对策分析

鄂建 朱明君 杨露梅 魏永耀 陈明珠

摘要：我国是能源消耗大国，尤其是近些年，国家经济迅速发展消耗了大量能源，因此，开发可再生清洁能源成了国家研究的重点，浅层地热能就是一种可再生清洁能源，使用过程中不会造成环境污染而且能够循环利用。开发浅层地热能不仅可以改善国家能源紧缺现状，减少资源浪费，保护环境，还可以利用地下水资源与地下浅层低品位热能，但是浅层地热能开发中仍然存在一些问题需要解决。

关键词：浅层地热能;开发利用;问题;对策

中图分类号：X382 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）11-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.11.099

Analysis of problems and countermeasures in the development and utilization of shallow geothermal energy

E Jian，Zhu Mingjun，Yang Lumei，Wei Yongyao，Chen Mingzhu

（Jiangsu Provincial Institute of Geological Survey （Key Laboratory of Ground Fissure Geological Hazard，Ministry of Natural Resources），Nanjing Jiangsu 210018，China）

Abstract：China is a big energy consuming country， especially in recent years， the rapid development of the national economy consumes a lot of energy.Therefore， the development of renewable clean energy has become the focus of national research.Shallow geothermal energy is a kind of renewable clean energy.The process will not cause environmental pollution and can be recycled.The development of shallow geothermal energy can not only improve the current state of the countrys energy shortage，reduce resource waste，and protect the environment， but it can also use groundwater resources and low-grade shallow underground heat.However，there are still some problems that need to be resolved in the development of shallow geothermal energy.

Key words：Shallow geothermal energy;Development and utilization;Problems;Countermeasures

我國浅层地热能开发利用起步于20世纪末，但发展速度快，截至2017年，地源热泵装机容量已经位居世界第一，实现供暖（制冷）建筑面积已经超过了5亿㎡。但由于开发利用时间短，对地源热泵系统运行过程中的地质环境效应认识还不足，存在开发利用效率不高、引发地质环境恶化等问题，一定程度上制约了高效开发利用。针对上述问题，本文进行了对策分析。

1 浅层地热能开发方式

1.1 水源热泵系统

水源热泵系统是开发浅层地热能的常用技术手段之一，这种系统主要通过抽取地下水换热后再回灌的形式进行热量交换，常见的水源热泵系统主要由三个部分组成，（1）地下水热交换系统;（2）机房系统;（3）末端系统。地下水地源热泵的换热方式为开式循环，可能产生地下水水位下降、地面沉降、水质变化和冷热堆积的问题。

1.2 土壤源地源热泵系统

土壤源热泵系统也非常常见，这种系统的主要由3个分系统组成（1）末端系统;（2）机房系统;（3）地埋管传热系统。地埋管地源热泵的换热方式为闭式循环，地埋管会垂直穿越地下岩土层，管内流体与管外岩土体不直接接触，通过管壁进行热量交换。由于地源热泵系统冷热负荷的不平衡，其对地质环境的长期影响主要体现为冷（热）堆积。

2 浅层地热能开发利用的优点

2.1 采用地热能供暖，更加的节能环保

地源热泵供暖技术可以将较低的能源转换为高效的热量，这非常符合节能环保的发展理念，有助于缓解我国目前能源匮乏的局面，所以，对于该技术的研发应给予高度重视。地源热泵供暖技术的发展主要表现在以下几个方面：①对城市地区的供暖，当前主要采取集中供暖的方式。由于集中供暖主要是通过中小型锅炉实现的，所以实际的供暖中往往面临大量的能源消耗和环境污染，不符合绿色发展理念。而地源热泵供暖技术的应用可以有效解决这些问题，所以未来需要用该技术代替传统的锅炉集中供暖。②我国北方地区，由于冬季气温较低，所以对于供热方式的开发更加关键。在北方地区，通常存在很多干枯的地热井，对此加以利用和开发，将有效降低能源的消耗。③地源热泵供暖技术的应用将朝着节能、环保及高效的方向发展，同时，结合信息化技术，提升信息化和自动化水平，以提高供暖的效率和质量。

2.2 采用地热能发电，更加清洁环保

地热资源是清洁的可再生能源，地热发电已有超过百年的发展历史。近年来，由于地热能具有热效率高、稳定性好、用地少、生态效应小等优点，因此，越来越受到各国的重视，世界上地热资源丰富的国家通过各种措施大力发展地热电站。地热能主要来自地壳内部的熔岩和放射性物质衰变，资源十分巨大，是地球上不可多得的一种可再生的清洁能源。与其他可再生能源发电相比，地热能发电的能源利用率高，不受天气和季节气候变化影响，同时发电成本具有竞争性，二氧化碳减排优势明显等特点，因而逐渐被各国政府所认识，针对地热能发电技术的研究热度逐年增加。

3 浅层地热能开发利用的影响因素分析

3.1 气候条件和地质条件差异性较大

我国占地面积高达960万km2，区域跨度大，各区域气候环境不同，浅层地热能开发、利用方式也有所区别。例如：我国南方地区主要是通过利用地热能来进行制冷，但是由于地热泵系统地热输入量比较高，所以，如果出现地源热泵系统和地质环境不匹配的情况，会导致局部蓄热，那么地下温度会增高，浅层地热能制冷效果会降低，所以开发利用浅层地热能时要结合区域环境和地下水资源情况选择合适开发手段进行能源开发。

3.2 地下换热技术的限制

浅层地热能开发会受到地下换热技术的限制，一些地区由于地下换热器热量技术水平有限而无法大面积开发浅层地热能能源，主要原因是这些地区的土壤热物性能比较低，与热泵技术使用要求标准相差较大，近些年，国内多个专家以及科研人员一直在研究高效地下换热技术，虽然也有了部分成果，但是要长期且大幅度的开发地下能源，地下换热技术仍然有技术限制。

3.3 热泵机组质量的影响

热泵机组的质量对开发利用浅层地热能也有一定的影响，尤其是对于系统节能减排效果影响比较大，而且相对于其他传统技术来讲，国内地源热泵技术发展比较落后，这项技术核心基本都被国外掌握，国内技术开发速度较慢，所以，国内的地热泵机组质量偏低，并且安全隐患比较大。另外，能源开发部门还存在一部分素质比较低的工作人员，所以国内热泵机组整体技术水平偏低。

4 浅层地热能开发的策略分析

4.1 依据气候特征，合理开发

由于我国南北方气候差异较大，地下水资源情况区别明显，所以开发利用浅层地热能资源的方式也有所不同，开发人员要根据气候特征选择合适的开发技术手段。例如：北方春、夏、秋、冬四个季节的环境差异较为明显，针对不同环境要选择不同的开发方式。开发浅层地热能之前，要以城镇为重点确定合适开发区域，然后再进行区域环境情况调查，进行合理的开发方案设计。另外，我国北方和西部地区总体环境状况偏冷，所以，开发浅层地热能之后主要用于供暖，开发过程要结合地理环境状况选择合适开发方案，根据对过往开发工作的研究发现，水文地质环境较为优秀的地区，可以进行大规模的浅层地热能开发，而水文地质环境较差的地区，开发时要注意结合过往经验教训，在合适区域内开发浅层地热能。

4.2 提升技术能力，提高浅层地热能水平

提升浅层地热能开发量，首先要提高浅层地热能开发技术水平，而我国地下高效换热技术水平有限，国家发改委以及能源局也提出了相关规划以及技术研发要求，将地下高效换热技术研究作为国家研究重点，但是技术研发不可能一蹴而就，目前我国的地热泵机组仍然需要大量进口外国品牌，以供国内开发利用浅层地热能。为了提高技术水平，国家研究中心以及各个相关企业都应该加强理论知识学习，不断创新发展现有技术，逐步创建国内自主品牌，提高我国浅层地热能开发效率和质量。

4.3 强化浅层地热能开发利用管理

做好浅层地热能开发利用管理工作也能有效提高地热能开发质量和效率，开发浅层地热能不仅需要国家政府支持，也需要相关部门监督管理，例如：国土资源部门、水利部门和环保部门之间相互沟通合作，才能保证浅层地热能的顺利开发。各部门之间要借助网络信息技术构件信息平台，实时共享数据，避免浅层地热能的不规范开发，提升开发效率和质量，另外，建立专业监督管理部门，制定科学管理方案可以保证浅层地热能开发工作的顺利进行。

4.4 强化监测网络建设

21世纪是网络信息时代，开发浅层地热能也要善于利用网络信息技术，实时监测地下水水温、热流情况，另外，获得监测数据之后，数据处理人员要在数据基础上综合分析开发区域的地质环境和水文条件，不断优化浅层地热能开发布局，提升浅层地热能开发效率。

4.5 加强地质环境监测工作

强化地质环境监测工作，能够有效提高浅层地热能开发效率和质量，那么就需要能源开发部门根据能源实际开发情况建立地质环境监测网络。地质环境监测系统不仅需要监测开发区域地温变化情况，还需要检测地质环境实际情况，有些地质环境并不适合用于浅层地热能开发，工作人员要根据地质环境监测系统的检测数据，选择合适开发区域。浅层地热能开发工作除了需要监测地质环境之外，还需实时监测水源热泵系统的地下水水质和水位变化情况，如果监测时发现地下水温度异常或者地下水水位波动较大，要及时解决这些问题，避免使影响范围扩大，导致浅层地热能开发工作无法进行。

4.6 政府支持

开发利用可再生清洁能源是我国发展趋势，国家发展需要用到大量能源资源，但是我国是能源消耗大国，不可再生能源储存量较低，为了向国家提供足够的能源，相关政府部门应该大力支持可再生清洁能源，例如浅层地热能的开发工作。政府部门要建立健全开发政策制度，保证浅层地热能开发工作有所依靠，浅层地热能开发虽然需要大量的一次性资金投入，但是，开发获得的浅层地热能不仅能够循环利用，保護环境，还能带来大量收益，所以建议能源开发部门加大对浅层地热能开发的力度，目前也有几个区域开发浅层地热能政策法规比较完善，例如北京，山东等，其余各个地区应该向这几个地区学习，为浅层地热能开发提供技术支持以及资金支持。

5 结束语

总而言之，开发利用浅层地热能是国家发展趋势，合理利用浅层地热能，不仅可以节能减排，保护环境，而且由于浅层地热能可再生、储存含量多，所以可以为国家经济发展提供长期支持。

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收稿日期：2020-07-28

项目基金：中国地质调查局地质调查工作项目：南京市浅层地温能调查评价，代码：1212011120155、全国主要城市浅层地温能调查评价，代码12120113077200

作者简介：鄂建（1982-），男，汉族，研究生学历，硕士学位，高级工程师，研究方向为水工环地质。