赵继昌：实现地温资源开发利用的可持续发展

实现地温资源开发利用的可持续发展

——访中国资源综合利用协会地温资源综合利用专业委员会秘书长赵继昌

    地温资源的开发和利用从本世纪初的“星星之火”发展到今天，已经形成了燎原之势。在如今中国的大江南北、长城内外，到处可见地源热泵的蓬勃发展和广泛应用。然而，在这一片欣欣向荣的大好形势下，不可否认的是，行业内也出现了不少问题和质疑之声。越来越多的业内人士开始关注和思考如何科学、合理地应用地温资源，怎样才能达到开发和保护的平衡。近日，记者采访了中国资源综合利用协会地温资源综合利用专业委员会秘书长赵继昌。作为一名行业内的资深专家，他对如何实现行业的可持续发展进行了全面的解答。

记者：国土资源部提出，开发浅层地温要“在开发中保护，在保护中开发”,那么在具体的工作中如何实现开发与保护的平衡？

赵继昌：开发利用浅层地温资源，首先要搞清浅层地温（热）能资源是什么。浅层地温（热）是分布在整个地壳浅部的常温能量。只是利用地源热泵技术以来，人们根据地源热泵系统地埋管换热器通常设置的深度，人为设定为地下200m以浅的岩土层、地下水中所存在的能量，在自然界不存在这个界线。目前，“地温”与“地热”词汇在大部分场合互用。在地源热泵技术应用方面，利用浅部岩土层能量时，大部分人应用“地温能”一词，也有的称为“地能”。2008年国土资源部在开展浅部地下能量调查中，将该地段定义为“浅层地热能”，这两个词具有同等意义。

    其实，在没有利用地源热泵技术之前，通常只提及地热，即深部地热，而没有“浅层地热”这一概念。因为，在常温条件下（<25℃），人们没有把这种常温作为一种可利用能量进行大面积开发。人们在开发利用地下空间时，更多地是考虑节省地面空间。例如，地下轨道交通、供（污）水管道、燃气管道、电力管道、通讯管道以及防空道等，都设置在50m以浅的地下空间。由于地下工程大部分是放热体，随着地下工程的不断增多，地下环境受到了巨大影响。但由于这些管线都是线性分布，其散热效果较好，不产生热量的过度积累，但对该深度的正常地下温度产生季节性影响。

    而地源热泵的地下换热系统是在较小的面积内大量蓄热或释热，这就对地下环境正常温度产生较大影响。虽然每个单体工程涉及的面积与整个城市面积相比较小，呈点状分布。但对大规模建设地源热泵系统工程，就有可能使多个点状影响，变成面状影响区。尤其是超过几万平方米直至几十万平方米建筑群的地源热泵工程影响地下空间范围更为显著。如果不注意工程的冷热负荷平衡问题，将会产生地下能（冷或热）量过剩现象。其结果，不但影响热泵系统的功效，而且也影响地下天然温度场。

   “在开发中保护，在保护中开发”是既要利用浅层地热能具有可再生能源特性与地源热泵技术结合，为建筑物提供清洁能源，又要注意对地质环境的保护。即地源热泵工程尽可能地保持冷热负荷的平衡，地下水源热泵工程保证百分之百回灌。保护好地质环境是为了更好地利用地下空间，使更多的地源热泵工程能够正常运转，真正达到高效、经济、节能减排、保护环境的目的。

    国土部门为支持开发利用浅层地热能，为开发部门提供相关地质背景数据，即岩土体的水文地质工程地质特征数据、热物性参数以及地质体的物理化学特性，指导企业科学利用地下(岩土或水)的能量。近两年来在全国大中城市和经济发达区开展了浅层地热能调查工作。另外，国土部门已经对大型地源热泵工程进行长期监测工作，了解工程对地下环境影响的变化趋势，及时提出问题，避免出现更大的问题。目前，由国土部门施工的一些大型地源热泵示范工程已经建立地下环境（岩土或水）温度场监测系统，如用友软件科技园、地质大厦，友谊宾馆等十多处。监测时间以及超过3年，其结果表明，地下温度没有突出的变化。

记者：要实现对地温资源的保护是否必须要满足冬夏平衡，行业内对大地是否具有自我修复和补给能力颇有争论，您如何认为？

赵继昌：关于大地是否具有自我修复和补给能力，首先要从地球的结构谈起。地球表层，我们称为地壳。它的厚度约33km，与我们人类活动密切相关的，目前人类活动能所涉及到的深度只有10km。而涉及地源热泵系统地下换热器的深度不超过深200m，此深度的正常温度北京地区为22~24℃。哈尔滨为10~11℃，广州为27~29℃。当地下水或地埋管换热器蓄热或取热后，地层的温度发生明显变化，当蓄热（夏季制冷）时，地下积聚大量热，与此同时，也在不断地向四周扩散。当进入秋季地源热泵系统停止工作时，所释放到地下的热量开始明显地扩散、降温。当冬季取热时，地层温度下降，同时，周围较高的温度开始向较低的地方（地埋管区）扩散，补充热量。到春季地源热泵系统停止工作时，热量补充明显，地埋管区地温上升。这一现象是由岩土的物理性质所决定的，但作为岩土体，与其他人造（或水泥、钢铁等）材料相比，其密度小，导热率低，而且，由地层深部补充浅部的大地热流值低（通常为40~60mW/m²，毫瓦/平方米），使得地下热量的补充速度较慢。这一特点与地源热泵地下换热器在较长的时间（3~5个月）内换取大量的热能是不相匹配的，其结果必将在运行期间，换热区的岩土体温度发生明显地（过冷或过热）变化。国内外的工程实践表明，在较大工程中，地埋管较集中的换热区容易形成（冷热）能量积累，长期积累的结果，不但对地质环境（地下水质、孔隙度、微生物）产生影响，而且，对热泵系统运行效率也将产生影响。而分散式地埋管或较小工程（5000m²以下的建筑物，尤其是别墅区）换热区较容易将地下的热量扩散，并逐步恢复正常温度。

    有人称地下温度的恢复很缓慢，需要近百年的时间，其实这是一种误导，这只是理论计算时间，没有考虑地质条件的特征。我们都知道，根据热传导方程，当温差大时，温度扩散速度快，随着温差逐渐变小时，温度扩散速度也逐渐变慢。同时，不论是季节间，还是年度间，地下温度的变化是有一定范围的。当温差变到其范围之内时，再追求完全恢复原始温度是没有实际意义的。

    还有人说，岩土体只是一个“蓄热体”它本身没有能量。其实不尽然，如果不用人工建筑对地下岩土体进行适当的处理，即对岩土体进行隔热保温处理，那么，所向地下储存的（冷热）能量，只能保存较短的时间。随着时间的推移，人工储蓄下的能量要逐渐扩散，温度逐渐恢复。偌大的岩土体始终在调整本身的能量，以保持与周围环境的能量平衡。但还要注意，在单位地质体、单位时间内所提供的能量有限，能量发生变化时，其恢复速度较慢的特殊性。

    北欧的挪威、瑞典等国家都是利用地源热泵技术只为建筑物供热的典型。他们充分考虑到岩土层的热物性特征，采取了加深地埋管（300-400m），加大地埋管间距（>40m），利用太阳能夏季蓄热，为冬季补充能量。更重要的方面是供热建筑物规模不大（<5000m²,大部分在1000m²以下），建筑物保温良好，并在生活中尽可能降低能源消耗，减少从大地吸取更多的能量。如果我们在“开源”与“节流”两个方面也能做到这样周密严谨，在我国北方（东北、西北、内蒙）地区也可以实现地源热泵技术与其他热源综合利用，为建筑物供热。

    记者：近几年来地源热泵市场发展迅速，你认为目前市场的规范程度如何？还存在哪些问题？怎样才能保持市场健康快速的发展？

赵继昌：目前，国家已经出台了“可再生能源法”，“节约能源法”，“中华人民共和国水法”，“可再生能源发展的专项资金管理办法”，以及地方性政策，如北京市、沈阳、河北省、河南省、山东省、陕西省、内蒙古自治区、江苏省以及重庆市等省、自治区、直辖市分别出台了关于利用地源热泵技术开发深浅层地热能，为建筑物供热制冷。可见政府推动地热泵技术应用比前几年有了很大改善。北京市9局委的联合文件看出，北京市政府对地源热泵技术的推广应用十分重视，市国土资源局还专门下发了建设地源热泵工程的审批制度文件，为规范地源热泵市场、科学开发利用浅层地热能资源提供了保障。同时，为全国提供了监管示范。

    但是，大部分省市还没有建立相关的规程规范，在对企业的管理、市场准入以及工程质量监督验收机制等方面仍存在不健全的问题。在全国层面上尚无统一的法规性的管理文件，不同程度上影响了地源热泵技术的科学发展。

    此外，我国在鼓励发展可再生能源方面只有鼓励政策，而缺乏监管机制与相关政策法规。缺乏市场准入制，地源热泵市场出现了一哄而起的现象。目前，受经济利益驱动，有些没有地源热泵技术的公司也改头换面，变成地源热泵工程公司，这些公司技术队伍良莠不齐，从事地源热泵工程设计、安装与施工队伍中的一些人员，对这项技术处于不清楚的状态。其结果直接影响了地源热泵工程质量，有的已经造成工程失败。

    由于地源热泵技术属多专业的结合，又是新兴的行业，需要多专业的技术人员密切配合工作，并开展技术攻关，对一些基础问题开展科学研究，才能达到良好的效果。但目前基础研究远落后于工程建设，使地源热泵工程出现不同程度的质量问题。如缺乏岩土（壤）热物性特征的了解，缺乏必要的地下监测工作；地源热泵系统设计的冷热负荷平衡问题；地源热泵工程的经济合理以及地源热泵工程的优化运行与科学管理等问题。

    为此我建议：一是要逐步建立和健全地源热泵工程建设的技术审批和工程运行的监督管理制度。结合不同地区的环境特征，制定地方能源使用种类和区域布局的专门规划，在整体规划中加强新型可再生能源的使用力度。二是要逐步开展结合我国特征的、较详细的相关规程规范编制工作。根据地热泵技术的多专业性（如，暖通空调、水文地质、系统控制等），编制综合性的技术规程规范。如编制与地热泵系统相关的水文地质、工程地质勘察、设计、施工与监测规范，各类工程的系统控制规范等。三是要建立国家专项基金，大力支持地热泵技术的研发力度，不断研发新型热泵产品；开展地下水抽灌动力学及能量平衡研究；深入研究地源热泵系统地下换热系统对岩土的热、含水量以及地下水迁移对热泵系统运行的影响；浅层地温能的综合评价方法等。四是要成立国家级多学科专家组，对预建大型地热泵系统工程，应有计划地组织开展经济、技术、地质环境综合评价。五是对地源热泵从业单位，实行市场准入制。对施工和管理人员开展技术培训。

记者：实现深浅层地热资源的综合利用是地源热泵发展的趋势，目前国内的推广情况如何？这一技术对地质水文条件的要求有什么特殊之处？如何实现进一步的开发和应用？

    深浅层地热资源的综合利用是地源热泵发展的深入。深浅层地热资源的综合利用就是利用深层地热为建筑物供热，经过梯级利用后的低温尾水回灌到浅层，利用地源热泵技术为夏季制冷的提供能源。因此，这一技术只能在特定的水文地质条件下应用，即在深部（>1000m）拥有较丰富地地下热水资源，浅部（<200m）以松散砂砾石层为主。如天津地区就是典型的应用深浅层地热资源综合利用的地区。近年来，天津地区已经建成多个深浅层地热资源的综合利用工程，其效果良好。从全国范围来看，东北地区的三大油田区（大庆、扶余和盘锦油田）、黄淮海平原的地热田区、西北的祁连山前的构造盆地，以及准格尔盆地油田区，西南的四川盆地，以及长江中下游平原的地热田区等都具有开展深浅层地热资源综合利用技术。

    由于这项技术要求从事水文地质专业的技术人员对该地区的深浅层地热资源有充分的了解，并结合地源热泵技术开展综合利用。再者，此项技术初投资较大，需要国家在政策方面给以扶持，并给以财政补贴，支持开发深层地热资源。由于上述原因，目前，这项技术还不能广泛推广应用。但随着科技的发展，这项技术更新改造，成本下降，以及人们对它的认知度逐渐提高，在近十年里会有较大的发展。

    记者：中国资源综合利用协会地温资源综合利用专业委员会在促进行业健康发展方面做了哪些卓有成效的工作？以后的工作重点在哪些方面？

    我们专委会自2006年以来，每年至少召开2次有关地热资源与地源热泵技术结合的论坛、研讨会，以及国外地源热泵技术介绍会。在会议上，政府部门对国家出台的有关浅层地温能开发利用与地源热泵技术应用的政策法规以及规程规范给以解读。各企业、大专院校、科研院所、设计与勘察施工单位重点介绍在实际工程中所遇到的问题及其解决办法。每次会议我们都注意地质专业与暖通空调两大专业的结合，使得他们在会议上能充分互相了解，有助于对地源热泵技术的科学应用。同时，配合会议内容，每次会议都正式出版了“地温资源与地源热泵技术应用论文集”。使得这些技术在行业内得到普及与推广。我们不但着手于国内的可再生能源的开发利用推广应用，还要放眼于国际同行，努力引进国外的先进技术，组织有关大专院校，科研院所和生产企业学习、消化和改进先进技术，尽快提高我国应用地源热泵技术的科技水平。目前，我们已经组织了20多家大专院校、科研院所翻译了100多篇国际会议的节能蓄能优秀文章（正在出版中），为同行提供先进技术参考。

    今后，我们仍然遵循两大专业的结合，有计划地协助有关部门开展浅层地热资源科学利用的规程规范的建设，深入开展科学普及与提高的工作。其次，我们将支持多种能源的综合利用，以及开展能源节约与管理等方面试点与推广工作，努力开展国际合作，提高国内地源热泵技术研究与应用水平。为国家实施节能减排、保护环境、发展低碳经济的策略做一点贡献。

赵继昌简介：

1979-1982年中国地质大学研究生部硕士；

1982-2000年中国地质环境监测院研究员；

1996年-1998年赴法国巴黎第七大学地球物理研究所、图卢兹（Toulouse）第三大学（Paul Sabatier）地球化学实验室工作和学习（高级访问学者）；

2000-2005年《水文地质工程地质》杂志主编、研究员；

2005年-现在中国资源综合利用协会地温资源综合利用专业委员会秘书长；

2008-现在担任《地源热泵》杂志编委会委员；

公开发表文章56篇；参与并负责省部级科技攻关课题15项；负责国际合作与国家自然科学基金项目2项2000-2009年。

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