冉伟彦:地质专家眼中的地源热泵推广之路

冬至，几乎是北京最为寒冷的时刻。然而当记者见到了中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心冉伟彦副主任后，很快就感受到了一股暖意。从专业，到行业；从经历，到经验。冉伟彦的热情和幽默感染了记者，也让那个偌大的、冷清的会议室霎时间变得热闹起来。不知不觉，两个小时的采访时间倏忽而过，而冉伟彦深入浅出的讲述和爽朗的笑声却仍温暖着记者回程的路……

勘察先行——一位地质专家眼中的地源热泵推广应用之路

——访中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心副主任冉伟彦

    采访就从冉伟彦十年前的一段亲身经历开始。

   “十年前，地源热泵还是一个相当新鲜的事物，不要说普通百姓，即便是很多专业人士对这个领域也是知之甚少。当时，我们在北京开发一个地源热泵技术应用项目，刚刚开始打井，就被城管执法队封了现场，说违反相关规定，破坏地下水资源。尽管我们反复解释这是一项应用新能源的试点工程，却根本说不通。眼看着项目一天天搁置，大家束手无策。后来，还是通过北京市环保局大气处向时任北京市主管城建工作的副市长汪光焘同志对这个情况进行了专项汇报。汪光焘对项目的积极意义给予了肯定，这才最终能够把项目进行下去。”时隔十年，谈到这段往事，冉伟彦还是颇有感慨，“地源热泵这十年来，无论是技术的发展还是人们认知度的提高，都有了质的飞跃。我国地源热泵的应用面积增长之快令国外同行们也都是羡慕不已啊！”

节能必然关注的话题

   行业发展的速度如此之快自然是令人欣喜的，而地源热泵的节能效果究竟如何，则是每一个业内人士都更为关注的问题。一段时间以来，由于对地源热泵项目的推广始终存在着重前期设计、轻运行管理的倾向，导致至今仍然没有足够有力的数据来支撑对地源热泵节能效果的认定。对此，冉伟彦告诉记者，为了检测系统的运行效果，北京市已经立项抽查了30个项目，从数据上看，大部分应用地源热泵的建筑实现了节能。但是由于不同建筑物的建筑类型、使用的建筑材料等各不相同，因此用能的差别也很大，比如宾馆、医院和商场等建筑的用能就明显高于普通住宅。而目前判断建筑是否节能是以每平方米耗能是否低于20千克标准煤作为衡量标准，这样“一刀切”式的判断导致了有些项目的“绝对”节能并不是太理想，但是，与此前这些建筑物的耗能相比，都在一定程度上实现了节能或省钱。

   此外，冉伟彦提醒记者，判断地源热泵是否节能要通过对整个系统进行监测才能实现。目前行业内存在一种倾向，就是把地源热泵主机的节能混同于整个系统的节能。“其实这完全是两回事”，冉伟彦解释，“地下水要实现循环，必然要耗费大量电能，因此地下系统中水泵的耗电其实相当大，经测算有的系统大概能占到系统能耗的1/3~2/5。因此，整个系统的cop和机组的cop数值相去甚远。所以，我们检测地源热泵的节能效果绝对不能只看主机是否实现节能，整个系统的节能才是真正实现节能。”

    冉伟彦也表示，今后，他们将更多地参与到地源热泵项目节能效果的监测工作中来，为政府部门的决策和技术人员的研发提供更多的一手数据，推动地源热泵行业的发展。“总的说来，地源热泵近几年发展速度快，节能潜力大，行业的发展前景也是相当乐观的。”

重视地质勘查

    “俗话说，上天容易入地难。”冉伟彦用一句俗语道出了地源热泵行业的特点。的确，地源热泵由于取热具有特殊性，它的热源隐蔽，看不见、摸不到。所以要想充分合理地利用地热，就必须了解地质和含水层结构，如果对地下水、岩石、土壤等构成不清楚，盲目取热，不仅会对系统的运行造成影响，达不到节能效果，甚至会对地下水和地层造成破坏，最终导致地下水源流失或者地面塌陷。所以，冉伟彦在采访中反复强调，“要想获得具有实践意义的理论指导，就必须重视地质勘查。通过勘查获得地质情况的一手数据，以此判断该地区是否适合应用地源热泵，以及适合应用哪一种类型的地源热泵”。

     冉伟彦就以北京为例，给记者讲述了一个真实的故事。在北京市有一家规模不小的从事地源热泵项目的企业。企业设立之初正是看准了地源热泵的节能环保镖潜力，但是项目负责人最初对地源热泵的具体节能效果并没有太大的把握，于是就在驻地附近地区做了一些试点工程，结果试验很成功，节能效果非常理想。既然有了实际数据做支撑，就开始大胆地承接项目，在海淀区几个项目做下来，也获得了不错的经济效益。自然而然的，企业对发展前景充满了信心，于是逐渐扩大项目承接范围，还提出了“把××地源热泵推向全国”的口号。然而，口号刚刚提出不久，项目推广还远没有实现走向全国的目标，就在北京市的东部地区，该企业承接的地源热泵项目就遭遇了“滑铁卢”。

     原因何在？冉伟彦解释，这正是由于不注重地质勘探，不了解当地地质情况就盲目设计所造成的后果。“其实，一个地区的水文地质情况直接影响着在该地区应用地源热泵的节能效果，比如地层颗粒的粗细就影响每口井出水量的多少。地下换热需要体积，换热体积越大，单井效率就越高。北京市是一个冲积平原，总的说来其地质情况比较适宜应用地源热泵。但是北京市地域面积广阔，各个区县的情况也是各不相同。海淀区地层颗粒粗，地源热泵应用效果就好些，而位于东部的通州等区县地层的颗粒比较细，含水层薄，长期回灌有困难。再者井中水流通过的距离短，出水和回水的温度差往往达不到设计要求的5摄氏度。因此，就会出现这样的情况：要为相同的建筑面积供热，在通州区打井的数量很可能要比在海淀区的数量多，却还很难获取相同的热量。”显而易见，要达到当初承诺的运行费和采暖或制冷效果，就只能压缩利润，甚至要自掏腰包追加打井，这也就是他们“走麦城”的原因。

     “用我们的专业知识开展地质勘查，确定地源热泵应用的适宜区，这是地质工作者义不容辞的责任。”冉伟彦的表情并不凝重，但是记者感受得到这句话的分量。他告诉记者，北京市近几年进行了浅层地热普查，并编制了相应的地热供暖规划，这些工作正是为决策者对项目的审批和一些项目设计人员提供依据。现在，国家有关部门确定一些城市试点推广地源热泵，冉伟彦认为，在这些示范城市的选择上，地质工作者要更多地参与进去，只有对城市的地质情况进行整体勘查，判断该地区所能提供的换热能力，这样才能科学地指导项目实施。近几年，浅层地温能研究与推广中心也一直在组织培训相关人员，在3年内已经在地质行业内完成了400余人的培训工作，这项工作在今后还将继续坚持下去。

    实现可持续开发

    冉伟彦补充说，对一个城市进行浅层地温能勘查、为地区编制相应供暖规划，不仅仅是为了确定该地区是否适宜应用地源热泵，还有很重要的一个原因在于由此确定这一地区的地层究竟有多大的热承载能力，也就是说，一个地区在一定的范围内和一定的时间段内究竟可以提供多少热量。他将此形象地形容为“一个地区每年能让你‘拿走’多少热”。冉伟彦认为，只有掌握了这些基础数据，才能实现一个地区地温资源的可持续开发。

    以沈阳为例，沈阳由于地下水条件较好，在推广地源热泵方面一跃走在全国前列，该市也提出了6000万平方米的推广目标。冉伟彦告诉记者，一个地区能够应用多少面积的地源热泵，首先就要看地质状况是否允许。只有通过对该地区现有项目的长期观测，才能知道一个区域在一定时间段内从地下获取多少热量，地层可以实现自我恢复。因此他也表示希望了解沈阳市在这方面的监测数据。在他看来，只有长期跟踪监测得到了切实证据，证明不会给地层造成“超载”，才能进行项目的推广。这样才是科学合理地开发地热，实现未来的持续开采，而不是竭泽而渔式的过度消耗。

    除此之外，还要注意因地制宜地进行推广。地源热泵主要分为地下水源热泵、地表水源热泵、埋管式地源热泵几大类型。对此，冉伟彦强调，使用哪种类型的地源热泵要根据当地的地质和水文情况以及经济情况来决定，而不应该盲目地照搬照抄，以适宜为好。比如目前在国外应用比较广泛的是水平埋管式地源热泵。这一方面是由于很多发达国家城市住宅相对分散，有足够的空间进行埋管，而且这些国家劳动力相对昂贵，钻孔成本高；而国内的情况却恰恰相反，民居密集，空间较为狭窄，劳动力成本低，那么就更适合采用垂直埋管的方式。再比如，地下水源热泵由于涉及到地下水回灌，一旦施工不符合要求，会造成地下水资源的流失，因此，很多地区对于地下水源热泵的审批非常严格。一些工程公司因此就倾向于使用埋管式地源热泵，但是这种方式也不是在任何地点都经济可行的。由于岩石的可钻性差别很大，在主要由鹅卵石构成的地层如果采用埋管式地源热泵，从经济上考虑初始投资很大，是不可行的。所以，总的说来，要对地质、水文状况和浅层地温能进行全面的勘查、评价，只有在此基础上进行应用推广，才是科学合理的。

    冬夏热平衡并不致命

    当然，尊重地层的“承载力”并不是提倡教条的“冬夏平衡”理论。冉伟彦解释，在地源热泵领域有这样一种说法被很多专家认可——冬夏不平衡对于推广地源热泵是致命的问题。这些专家认为，一个热泵系统冬季从地下获取的热量和夏季向地下排放的热量如果不相等，该地区就不适宜推广地源热泵，因为这种不平衡会导致系统的失效。对此，冉伟彦持不同的看法。他告诉记者，持这种观点的人实际上是忽略了开放的大地有一个重要能力：热补给能力。他详细地解释了这其中的道理：“在绝大部分地区，地下水并不是静止的，它会顺着地层的坡度流动，在流动的同时必然会将多余的冷或热带走。如果我们经过地下勘察，对地下水的流速、流量都可以获得准确的数据。而这些带走的能量流入广袤的大地，基本上是可以忽略不计的。国内外大多数地源热泵系统冬夏季用热都是不平衡的，有的只是单季节使用，但多年来它们一直在稳定运行就可以说明。所以，所谓“冬夏平衡”的提法只有在地下没有含水层或者地下水是静止的情况下才有意义，更多的是代表了某些专家一种担心。因此，冉伟彦提出：“冬夏平衡”不是所有地源热泵系统的致命问题，只有在局部地区、采用某种形式—埋管式地源热泵才对此有特殊的要求。当然，他也提醒，在充分认识到大地补给能力的同时，仍然是要考虑其承载能力，不能对地层造成破坏，或者给地下水下游地区造成影响。

     针对不具有含水层或地下水不流动的地层，冉伟彦也提出了自己的设想，那就是考虑通过其他方式来实现冷热的大致平衡。如果冬天需要的热量不够，那么可以通过采用太阳能跨季节向地下储热共同提供采暖所需热量；如果夏季储存的热量过多，也可以考虑在冬季用闭式冷却塔把岩土中的余热散到空气中。现在这还只是冉伟彦的一个思路，但他相信今后会有更多的实验来论证这些想法的可行性，最终实现他所期望的冷热“存放自如”和“自然恢复和人工调蓄并行”。

专家介绍：

冉伟彦 55岁，1978年毕业于原河北地质学院地球物理勘探专业，现任中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心副主任、中国能源研究会地热专业委员会副主任委员、北京地球物理学会副理事长，高级工程师。曾在北京市地质局101队、北京市地矿局物探队、北京市地质勘察技术院从事地球物理找矿、区域调查及地热普查等勘察、科研和技术管理工作。

1996～2004年担任北京市地质勘察技术院总工程师期间，在水文地质调查、水文物探调查、地热资源勘查方面主持和参加的项目有几十项。本世纪初负责领导了“北京平原区望京地区、后砂峪地区、大兴榆垡地区、昌平白浮地区、昌平太平庄——奥运公园地区、延庆盆地中部地区地热普查”工作，并负责承担了北京市计委地热供暖示范工程中“立水桥地质大院”和“郭庄北里”两个工程项目。1999年至今主要从事地源热泵系统技术开发及施工管理工作。公开发表论文著作十余篇，参加北京市各局委规划编制工作5项：市限制建设区规划（市规委）；市“十一五”能源规划（市发改委）；市“十一五”地热供暖规划（市政管委）；市地温供暖规划研究、市地热供暖规划研究（市规委）；北京市地热规划（市国土资源局2次）。2005年参加中华人民共和国国家标准《地源热泵系统工程技术规范》的编写工作。2009年国土资源部发布地质矿产行业标准《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T0225-2009）的主要起草人。