未来10~15年中国浅层地热能发展方向战略分析

2021-04-06卫万顺李翔

城市地质 2021年1期

卫万顺李翔

摘要：过去15年（2005—2020年），我国浅层地热能产业发展迅猛。在理论和技术等方面取得了重大突破，主要成就包括：创立了浅层地热能地质学理论体系，开展了一系列关键技术及浅层地热能成因机理的研究，创新了浅层地热能规模化开发理念，建成了一批具有重大影响的示范项目，创建了浅层地热能研究和创新体系，推广工作取得了显著成效，促进了我国浅层地热能事业快速发展。当前，我国浅层地热能开发利用项目区域规模化趋势愈加明显，由此带来的科学、技术、资源、环境等问题愈发突出。“摩托罗拉”“水源热泵”“浅层地热能谁都行”三大现象的出现警醒行业从业者：解决好浅层地热能开发的科学问题，才能实现浅层地热能的高质量发展。因此，提出推进浅层地热能的“四化”发展路线：成因机理研究“定量化”、勘探评价“精细化”、系统管控“智慧化”、多源耦合“科学化”，科学支撑浅层地热能高效、可持续、大规模开发利用。

关键词：浅层地热能;成就;规模化发展;成因机理;中国;发展趋势

Abstract： In the past 15 years （2005_2020）， the industry of shallow geothermal energy has developed rapidly in China. Major breakthroughs have been made in theory and technology such as： creating the system of shallow geothermal geology theory， completing a series of key technology and formation mechanism researches， introducing new large-scale development philosophies of shallow geothermal energy， completing a number of influential demonstration projects， creating the system of shallow geothermal geology research and innovation. Remarkable progresses have also been made in the promotion and development of the shallow geothermal energy industry in China. At present， the regional scale trend of shallow geothermal energy development and utilization projects in China is obviously increasing， which also results in prominent problems on science， technology， resources and environment. Emergence of the three major phenomena — “MOTO”， “WSHP”， and “arbitrary development of shallow geothermal energy by anyone” —reminds industry insiders that high-quality development of shallow geothermal energy cannot be achieved without first solving the scientific problems. Therefore， the following “four-modernization-development” is proposed for promoting shallow geothermal energy： “quantization” of formation mechanism research， “refinement” of exploration and evaluation， “intelligentization” of system management and control， and “scientization” of multi-source coupling， in order to facilitate science-based support for efficient， sustainable and large-scale exploitation and utilization of shallow geothermal energy.

Keywords： shallow geothermal energy; achievement; scale development; formation mechanism; China; development trend

黨的十九届五中全会提出，要加快推动绿色低碳发展，持续改善环境质量，提升生态系统质量和稳定性，全面提高资源利用效率。同时也提出了“十四五”时期经济社会发展主要目标：能源资源配置更加合理、利用效率大幅提高，主要污染物排放总量持续减少，生态环境持续改善（新华社，2020）。未来，我国的能源变革要摒弃粗犷式发展，走高质量发展路线，提高能源利用效率，重点倡导提高能源利用的科学性。

当前，我国浅层地热能开发利用规模位居世界首位，尤其是近年来呈飞速增长态势。开发利用技术日臻成熟，替代化石燃料，实现低碳建筑供能，为推进当前我国生态文明建设做出了巨大贡献。未来10～15年，大规模、可持续、高效开发利用是浅层地热能利用发展的必然趋势。创新方法手段，突破现有技术屏障，从理论研究入手，科学回答：热从哪儿来？热到哪儿去？如何恢复？如何传递？才能实现浅层地热能的高质量发展。

1 过去15年（2005—2020年）浅层地热能主要进展

由制冷空调技术发展而来的地源热泵技术是浅层地热能开发利用的关键依托技术。过去15年（2005—2020年），随着热泵技术日臻成熟，浅层地热能的地下科学研究也不断取得新成果，主要进展集中表现在浅层地热能“资源化”方面，围绕“提出概念”→“创建理论体系”→“关键技术攻关”→“示范工程建设”→“成因机理研究”→“创建研究和创新体系” →“成果推广应用”这条主线发展。

1.1 创立了浅层地热能理论体系

浅层地热能理论研究始于2006年（北京市地方志编纂委员会，2019），浅层地热（温）能概念首次提出，创立了浅层地热能地质学理论体系和勘查评价体系，15年间出版并发布了一系列专著、论文及规范标准。

（1）2006年4月完成了国内第一份浅层地热能战略研究报告——《北京市浅层地温能开发利用现状、问题与对策战略研究报告》（京地〔2006〕18号），首次提出了浅层地热（温）能概念，明确指出浅层地热能属于资源范畴，是一种新型的可再生清洁能源，拓宽了新能源领域。该报告得到北京市政府的高度重视，同意立项开展北京浅层地热能资源地质勘查工作。

（2）2006年9月开始，历时3年，完成了国际上首次开展的浅层地热能调查评价工作——“北京平原区浅层地温能资源地质勘查”项目，摸清了北京市平原区浅层地热能资源家底。勘查技术和评价方法居世界科学前沿领域，总体达到国际领先水平。

（3）创立了浅层地热能地质学理论体系，编著了国际上首部浅层地热能资源研究专著——《北京浅层地温能资源》（北京市地質矿产勘查开发局等，2008）;开展了全国浅层地热能分布规律、开发利用条件和相关支持政策研究，编著了《中国浅层地温能资源》（卫万顺等，2010a）。为我国大力发展浅层地热能提供了重要的理论基础支撑。

（4）首次开展了区域浅层地热能资源量计算方法研究，确定了评价计算资源量所需的参数及其测试方法和技术要求;编著了《浅层地温能资源评价》（卫万顺等，2010b），创立了浅层地热能资源勘查评价理论体系。为我国浅层地热能资源勘查评价工作提供了有力的方法体系支撑。

（5）编制了DZ/T 0225-2009《浅层地热能勘查评价规范》、GB 50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》、DB11/T 1253-2015《地埋管地源热泵系统工程技术规范》、DB11/T 1254-2015《再生水热泵系统工程技术规范》和《省级浅层地温能调查评价工作方案编写要求》等相关规范和技术要求，建立了我国浅层地热能勘查开发标准体系。为全国开展浅层地热能资源调查评价工作提供了重要的标准支撑。

（6）形成的相关研究成果包括“浅层地温能开发利用中的关键问题研究”（卫万顺等，2009）和“北京平原区浅层地温场特征及其影响因素研究”（卫万顺等，2010c）等50余篇理论与技术研究论文也不断完善、丰富了浅层地热能的理论体系，有效指导了工程实践与应用。

1.2 开发利用关键技术研究取得重大突破

自2005年开始，由原国土资源部及北京市财政支持，先后组织了系列关键技术的科技攻关，完成了“北京浅层地温能勘查开发关键技术研究及其工程应用”等一批项目，研究内容涉及发展战略及规划研究、资源勘查评价、开发利用、相关参数测试、地质环境监测关键技术研究、重大工程实施、科技成果转化和人才培养等8个方面20余个研究子项目。研制出浅层地热能热冷响应测试仪及测试车等技术装备，取得专利30余项。

（1）浅层地热能开发利用关键技术研究取得重大突破：获得了浅层地热能热冷响应测试仪以及测试车、非洁净水板式换热器现场实验系统和再生水板式换热器的在位清洗方法等多项专利;污水源热能二次利用技术、热管蓄能、自然蓄冰等技术在北京奥运村、用友软件园和上海世博轴等一系列有重大影响的工程中得到应用。其中，污水热能二次利用技术被列入北京奥运遗产记录，浅层地热能热冷响应测试车填补了国内空白。

（2）首次基于区域新构造、地形地貌、气候条件、地质条件、水文地质条件，采用关键因子法，对全国浅层地热能资源进行了区划。对北京市平原区浅层地热能开发利用方式进行了适宜性分区，编制了北京市浅层地热能开发利用规划。

（3）提出了浅层地热能开发环境监测方法和标准，首次采用GPRS无线远程传输技术和网络化管理方法。截至2020年，在北京已建成了包含80个监测站点的监测网。

（4）建成了国内首个浅层地热能综合效能实验平台，实现了室外地埋管换热影响因素实验、室内空调末端选择对比实验和地下岩土体地温场变化监测实验3大功能。

1.3 浅层地热能成因机理研究获得重大进展

首次开展了我国浅层地热能成因类型划分，将我国浅层地热能成因类型按常温层岩土体原始温度TH划分为TH≧15℃、TH=15～10℃、TH=10～5℃和TH≦5℃等4种类型（卫万顺等，2020）;首次提出换热贡献率理论，开展了“浅层地热能成因机理研究”工作。

从区域上看，常温层岩土体原始温度表现出随年均气温和大地热流密度升高而升高的趋势，而岩土体热导率、地温梯度和降雨量与常温层岩土体原始温度关系不明显。表明常温层岩土体原始温度与年均气温和大地热流密度密切相关，即常温层岩土体原始温度与太阳能和地球内热能有关。浅层地热能成因机理为在太阳能照射和地心热产生的大地热流的综合作用下，存在于地下近表层数百米内（一般小于200 m）的常温层中的岩土体和地下水里的低温地热能，再生迅速、取之不竭、用之不尽、清洁环保。

从开采区看，岩土体原始地温分布具有差异性。首次提出了换热贡献率理论，改变了部分浅层地热能资源分布规律的传统认知，提出勘探工作应重点探明浅层地热能资源开发贡献率较高的地质体，并可以非等间距、非等深度的方式合理布置地埋管系统，为地源热泵系统优化设计和浅层地热能规模化利用的可持续性提供了指导。

1.4 创新了浅层地热能规模化开发理念

开展了浅层地热能规模化开发关键技术及重大热泵工程优化研究，提出了“以浅为主、多源复合，适度调峰、集约优化”的开发设计理念（卫万顺等，2009，2010a;栾英波等，2013;周铸，2017;GB 50366-2005）。

“以浅为主、多源复合”是指以浅层地热能为主，其他能源补充。“适度调峰、集约优化”是指供热制冷总负荷的50%～60%由浅层地热能提供，不足部分由其他能源通过调峰解决，这样既能满足供热制冷需求，又能最大程度减少初投资;同时将一些节能技术、蓄能技术、峰谷电等因素作为重要指标，优化热泵系统设计。

1.5 实施了一系列有重大影响的浅层地热能开发利用示范工程

（1）代表性示范工程有北京奥运村、用友软件园、北京当代万国城、上海世博轴、北京城市副中心“近零碳排放区”示范工程、北京大兴国际机场、北京世园会等。如北京奥运村再生水源热泵系统为国内首例大型再生水热泵系统工程，获得美国绿色建筑LEED金奖和绿色生态建筑节能金奖，建筑应用面积41万m2。北京用友软件园复合源热泵系统首次实现了土壤源热泵+冰蓄冷+水蓄能+燃气锅炉调峰的复合能源解决方案，获住建部“可再生能源建筑示范项目”和国家能源局科技进步奖，建筑应用面积47.3万m2。北京当代万国城地源热泵系统采用了建筑底板下埋置土壤换热器的方法，在国内尚属首例，开创了“节能省地”地源热泵系统的先河;成功解决了土壤换热器穿底板的防水问题，换热孔对建筑基底的扰动等诸多技术难题，实现了地源热泵与建筑的无缝对接;项目获得技术创新成果特等奖和中国土木工程詹天佑奖，美国《大众科学》等多家媒体进行了报道;被美国《时代》周刊评选为2007年度全球十大奇迹建筑之一，建筑应用面积22万m2。上海世博轴江水源+地源热泵系统是国内首次大规模的应用江水源热泵和土壤源热泵复合型的空调冷热源集成技术，世博轴整体设计获得“亚洲国际地产投资与开发博览会”（Cityscape Asia）的重要奖项——最佳城市综合体奖，建筑应用面积22.7万m2。

（2）推动了北京和全国浅层地热能规模化开发的快速发展，市场前景广阔。北京市2013—2020年新增浅层地热能利用面积约3700万m2，按建设投资费用230元/m2均价计算，实现市场规模约85亿元;截至2019年底，全国浅层地热能建筑应用面积达8.41亿m2，应用规模位居世界第一（中国水电水利规划设计总院，2020）;减去2013年3亿m2，实增5.41亿m2，按建设投资费用230元/m2均价计算，实现市场规模1244亿元以上;全国336个地级以上城市浅层地热能的年可开采资源量可实现供暖（制冷）建筑面积320亿m2（王贵玲等，2017），按建设投资费用230元/m2均价计算，潜在市场规模为73600亿元。

1.6 创建了我國浅层地热能研究和创新体系，传播了浅层地热能知识

自2007年中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心成立以来，已形成了60余人组成的浅层地热能核心研究团队;以“中心”为核心辐射全国不同区域，先后建立了山东、重庆、贵州、黑龙江、陕西等5个分中心，武汉、山东、廊坊3个实验中心，上海1个发展研究中心，总研究人员达200余人。创建了“北京浅层地热能实验室”，建成了浅层地热能开发利用对环境影响监测系统。举办了14期全国浅层地热能高研班，培养了全国技术骨干3000余人次;2期学术交流会，参会人员300余人;6届地源热泵技术应用论坛，参会人员600余人。形成的“北京经验”成功复制到全国其他地区，推动了我国浅层地热能事业快速、高质量发展。

2 当前浅层地热能发展态势和存在问题分析

综观当前我国浅层地热能发展形势，可谓“喜忧参半”：“喜”的是国家重视、社会认同和技术进步等原因，促进了快速、大规模开发利用浅层地热能;“忧”的是快速、粗犷式的开发也带来了一系列的问题。其中最值得关注的就是“摩托罗拉”“水源热泵”和“浅层地热能谁都行”三大现象的出现。这三大现象严重制约着浅层地热能大规模、可持续、科学高效开发利用，需引起高度重视。

2.1 浅层地热能发展势头持续强劲

十八大以来，环境保护成为各地的“硬任务”。尤其是大气污染防治，成为推进生态文明建设的重要工作。2016年12月，在中央财经领导小组第十四次会议上（新华社，2016），习近平总书记强调：“推进北方地区冬季清洁取暖等6个问题，都是大事，关系广大人民群众生活，是重大的民生工程、民心工程。推进北方地区冬季清洁取暖，关系北方地区广大群众温暖过冬，关系雾霾天能不能减少，是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容。要按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针，宜气则气，宜电则电，尽可能利用清洁能源，加快提高清洁供暖比重。”

由于地热能在清洁供暖中的显著作用，使得其在新能源发展战略中的地位不断提升。为落实中央指示精神，国家有关部委纷纷出台相关规划与政策，支持节能低碳产业和新能源、可再生能源发展（表1）。通过建立地区地热能应用发展目标等方式，指导和鼓励地方地热产业发展，尤其是首个地热方面国家专项规划——《地热能开发利用“十三五”规划》的出台对我国地热产业发展具有重要的促进作用。

各省市也根据地方实际情况，研究制定了促进地热能发展的相关规划与配套政策，提供资金补贴、财税减免等支持措施，加快推动地热和热泵系统应用。如《北京市“十三五”时期能源发展规划》提出，到2020年，北京市全市新增地热和热泵系统供热面积2000万m2;《北京市发展和改革委员会等关于印发进一步加快热泵系统应用推动清洁供暖的实施意见的通知》提出，对于采用地热及热泵供暖的项目给予工程建设投资的30%～50%的资金支持。

在政府大力扶持和相关机构积极推广下，各地浅层地热能的社会认知度和接受度在不断提升，开发利用项目和企业如雨后春笋般应运而生。据不完全统计，目前全国地源热泵企业已超过4000家，并有多家上市公司（地热能在线，2020）。形成了从勘查、开发到运营、管理等各环节较为完善的产业链，推动了地方经济社会发展。同时，浅层地热能建筑应用规模在不断扩大，规模化开发的趋势已成为我国特有的浅层地热能发展盛况：如北京城市副中心行政办公区237万m2，北京大兴国际机场257万m2、重庆江北城江水源热泵项目400万m2、中石化江汉油田燃煤替代项目570万m2，南京江北新区地源热泵项目1600万m2等。形成开发热情高涨，形势一片大好的局面。

2.2 影响浅层地热能发展的“隐患”日渐凸显

在全国浅层地热能开发利用突飞猛进发展的同时，也要适当放慢发展脚步——“进中思危”。行业发展如火如荼，但快速、粗犷式的开发也带来了一系列的问题，其中最值得关注的就是三大现象的出现：

（1）对于从事浅层地热能开发利用企业来讲，“摩托罗拉手机现象”日渐显现！具体表现是：浅层地热能行业“热”了，企业“凉”了。目前从事浅层地热能开发利用企业主要有熱泵厂商、建筑安装企业和地勘企业三大类，这些企业大多关注热泵设备和安装施工两个环节，没有重视地下浅层地热能资源的禀赋特征。而在我国较早从事浅层地热能开发利用的部分企业，曾是行业的先行者和领军者，也在市场不断发展的浪潮中面临着被“淘汰”的局面。如何避免“摩托罗拉手机现象”发生？属行业与企业协调发展问题，关键是找出单位自身的独特优势，提升企业科技创新能力。

（2）对于政府管理部门来讲，“水源热泵现象”的阴影越来越大！具体表现是：环境排放“少”了，资源问题“多”了。政府管理部门充分考虑了浅层地热能在环保方面的有利性，但没有考虑浅层地热能资源条件的约束性。单个水源热泵项目运行效果良好，但大范围乃至整个城市都用水源热泵供暖，就会出现没有“那么多的资源可采”的现象，造成供暖效果差，实际上是浅层地热能资源承载力不足。如何降低“水源热泵现象”发生概率？要解决“木”到“林”的问题，属资源与环境协调发展问题，是去“资源化”行为，必须明确控制浅层地热能资源特征的最大因素是地质条件。

（3）对于技术人员来讲“浅层地热能行业谁都行现象”呈蔓延之势！具体表现是：技术“有”了，专业“没”了。虽然从事浅层地热能开发利用的技术人员主要有地质勘查、暖通、设备制造等专业，但技术人员主要关注的是安装施工因素和热泵设备因素，没有重视浅层地热能资源的地质条件，造成没有“专业”。如何阻击“浅层地热能谁都行现象”蔓延之势？属科学与技术协调发展问题，关键是浅层地热能开采机理这个“科学问题”不清，导致技术含量不高。

2.3 制约浅层地热能可持续发展的科学问题亟待研究

发生三大现象的主要原因是浅层地热能成因机理这个“科学问题”没有搞清。解决大规模、可持续、高效开发利用是未来浅层地热能发展的关键因素。研究浅层地热能地质条件、成因机理、开采机理、恢复机理等科学问题，是解决浅层地热能可持续、高质量发展的根本。

浅层地热能可再生，其开采机理有别于其他固体能源和气、液体能源等，需要一种全新的思路！通过对北京某地源热泵项目十余年监测数据的系统分析发现：

（1）原始状态：地埋管埋设区域地下岩土体并非“均质体”，其浅层地热能分布明显受地质条件制约;不同深度岩土体温度存在差异，且并非是地层越深温度越高。变温层、常温层和增温层的分层性不明显，是一个相对的“开放系统”。

（2）开采过程：通过分析开采过程中监测数据可以发现，浅层地热能在开采过程中，地下岩土体各点对系统地源侧水温变化的响应程度不同，不同换热孔、不同地层换热（冷）贡献率高低不均;对比不同项目监测数据发现，上述现象是普遍存在的，改变了一些对浅层地热能传统上的认知。因而，未来浅层地热能的开发需要更加精细化的勘探评价。

（3）停止开采后，不同换热孔、不同地层地温恢复率明显不同。

3 未来10～15年浅层地热能发展趋势展望

推进成因机理定量研究、浅层地热能精细化勘探评价、开采过程中的智能化管控、可再生能源之间以及可再生能源与传统能源的耦合应用，是未来实现浅层地热能高效利用的重要途径。因此，要采取“四化”发展路线。

3.1 成因机理研究“定量化”

地质条件是决定浅层地热能资源条件的主要因素，不同地区的差异性很大。简单化的现场试验及室内模拟已不能满足未来的工程建设需求。因而，有必要建设浅层地热能重点实验室，结合工程实践，系统地定量化研究浅层地热能成因机理问题，并推动成果快速转化。实验室需具有理论研究、现场模拟、测试实验、优化设计、监测预警、政策研究等功能，且以室内实验室为核心，借助全国不同地质条件下的实验基地及已有的监测网，达到室内实验研究和室外监测预警联动，互相促进的目的（图1）。

3.2 勘探评价“精细化”

通过相关研究发现，浅层地热能在开采过程中，地下岩土体温度场非匀质体、各点对系统地源侧水温变化的响应程度不同，进而分析得到其换热贡献程度不同。通过对不同的项目监测数据进行分析后发现，上述现象是普遍存在的，改变了一些对浅层地热能传统上的认知。因此，需要建立“浅层地热能勘探评价体系和标准”，按浅层地热能建筑应用面积划分规模等级，大型规模以上的建筑应用项目需要先进行更加精细化的勘探评价工作，而不仅是依靠目前的区域资源潜力评价成果或简单的勘查工作。勘探工作重点是探明浅层地热能资源开发利用换热贡献率较高的地质体，合理布设地下换热系统，例如地埋管布设可以是非等间距、非等深度的方式。

3.3 系统管控“智慧化”

据统计，目前大多数中央空调系统整体能源利用率仍然很低，只有60%～70%，通过增加智控管理系统，匹配运行策略、管理功能、控制要求等，可实现运营能耗下降10%～30%（张浩等，2020）。尤其是地埋管地源热泵系统，地源侧的能耗及换热效率管控尤为重要。因此，需要建立并利用完善的监测系统，对浅层地热能资源开采与地上热泵系统运行施行联动智慧管控，提高地下换热效率，合理调配浅层地热能资源开发。例如依据不同的地埋管换热表现情况不同，分区或分孔控制，使换热效果更好的地埋管使用率更高，减少系统地源侧能耗。

3.4 多源耦合“科学化”

2020年12月，国务院新闻办发布《新时代的中国能源发展》白皮书提出，建设多源清洁的能源供应体系。创新地热能开发利用模式，开展地热能城镇集中供暖，建设地热能高效开发利用示范区（国务院新闻办，2020）。

未来规模化项目日益增多，单一能源无法满足建筑需求，多种能源复合应用、能源区域化发展趋势明显，集约集成的综合能源系统对资源（包括自然资源和经济资源）利用科学性、生态环境保护性要求更高。浅层地热能的开发利用要科学地融入区域能源系统，与其它能源形式共同构建能源供给体系，以提升能源供应的质量和安全保障能力（武强，2019）。例如城市地下空间或浅层地热能不足时，可以适度加深地埋管深度或联合中深层地热资源，从更深部地层取热，也可以其他能源形式调峰耦合应用，以及成为城市供热管网的有效补充等。

作为行业从业者，要明确扎实的基础性工作是创新、向前发展的主要支撑，解决好浅层地热能开发的科学问题是实现未来规模化、可持续、高质量发展的唯一出路。进而为尽快实现我国的“碳达峰”“碳中和”目标做出积极、应有的贡献。

参考文献：

北京市地质矿产勘查开发局，2006. 北京市浅层地温能开发利用现状、问题与对策战略研究报告（京地〔2006〕18号）[R].

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.

北京市地方志编纂委员会，2019. 北京志国土资源志：1991—2010[M].北京出版社：214.

地源热泵系统工程技术规范：GB50366-2005[S].

地热能在线，2020. 中国地热能产业发展蓝皮书（2020）[R].

国务院新闻办公室，2020. 新时代的中国能源发展[R].

栾英波，郑桂森，卫万顺，2013. 浅层地温能资源开发利用发展综述[J]. 地质与勘探，49（2）：379-383.

卫万顺，李宁波，冉伟彦，等，2009. 浅层地温能开发利用中的关键问题研究[J]. 城市地质，4（3）：1-5.

卫万顺，李宁波，冉伟彦，等，2010a. 中国浅层地温能资源[M]. 北京：中国大地出版社：121-125.

卫万顺，郑桂森，冉伟彦，等，2010b. 浅层地温能资源评价[M]. 北京：中国大地出版社.