郝爱兵：浅层地温能开发利用需注意的问题

    当今世界，发展“低碳经济”已经成为世界各国实现社会可持续发展和迈向生态文明的必由之路。鉴于中国政府在哥本哈根气候会议上的低碳承诺，如何实现“低碳减排”的目标必将成为本届两会上的热点议题。“低碳竞争力”也成为提升国家和社会经济发展能力的核心要素。

    近年来，我国浅层地热能开发利用迅速发展，成为节能减排大军中一股不可忽视的力量。北京约有2000万平方米的建筑利用浅层地温能供暖和制冷，沈阳市已超过4300万平方米。北京国家大剧院和奥运村、上海世博会等标志性工程都使用了地源热泵系统。

   由于浅层地温能开发利用在我国处于起步阶段，其前景广阔，但资源勘查评价、热泵系统设计和施工、地质环境影响监测和市场监管便显得尤为重要。我国地质环境监测网络中目前还没有针对浅层地温能开发的监测点，专家指出，浅层地温能开发切忌盲目推进。

    应对能源资源紧缺，推动节能减排，浅层地温能的开发利用逐渐受到重视。为了进一步促进我国浅层地温能的科学开发和利用，中国地质调查局对国内外浅层地温能开发利用状况组织开展了专题调研，与北京、天津、沈阳和上海等有关单位进行座谈并考察了部分典型工程，经过分析论证，对我国浅层地温能开发利用应关注的一些问题提出了对策建议。据此，记者采访了中国地质调查局水文地质环境地质部水文地质处处长郝爱兵博士。

    我国浅层地温能开发利用尚处于起步阶段

    记者：浅层地温能作为一种可再生的绿色能源，在国外早已被开发和利用，其开发前景如何？

    郝爱兵：地源热泵技术的进步是带动浅层地温能开发利用的关键因素。1912年瑞士人首先提出了地源热泵技术，1946年第一个地源热泵系统在美国俄勒冈州诞生。1974年起，瑞士、荷兰和瑞典等国政府逐步资助建立了示范工程。20世纪80年代后期，地源热泵技术日臻成熟，其节能和减排效果得到了普遍认可。到2005年，全世界共建设地源热泵机组130万台，总装机超过15400兆瓦，33个国家装机超过100兆瓦。在过去的10年里，全世界地源热泵装机容量年均增长率达到10%左右。

    浅层地温能开发利用效果最好、市场发展最迅速的是美国、瑞典、瑞士、德国、加拿大、奥地利、法国和荷兰等欧美发达国家。2005年，一份关于全球地源热泵市场的报告指出，美国安装使用的地源热泵机组数量全球第一，当时约为60万台，瑞典、丹麦、瑞士等国家的人均使用率最高；美国、瑞典为地源热泵装机容量最大的国家，分别占全世界装机总容量的2/3和1/5；美国每年新安装地源热泵机组约6万台，全欧洲约9.2万台。

    近年来，发达国家把开发利用新能源、可再生能源和提高能源效率作为应对能源危机的重要举措，纷纷制定相关法律和政策，鼓励包括浅层地温能在内的新能源和可再生能源的开发利用。美国2006年通过了“住宅可再生能源应用的税收抵免”法案，规定利用地源热泵的住宅可抵免30％的热泵系统建设费用，最高抵免额达2000美元。加拿大联邦政府拨专款支持安装地源热泵，各省政府和公共服务部门也对住宅改造时利用地源热泵给予补贴。为实现2020年温室气体减排目标，欧盟委员会提议大力推进包括浅层地温能在内的可再生能源利用。根据分析，如果2020年地源热泵能占到欧盟国家建筑供热的20%、30%或100%，对二氧化碳减排目标的贡献率将分别达到5%、7%或20%。

    记者：我国在开发利用浅层地温能方面目前处于何种程度，出台了哪些政策法规和促进措施？

    郝爱兵：我国对地源热泵技术的研究始于20世纪80年代，北京、宁波、广州等城市90年代启动了示范工程，近年来开始大量应用于浅层地温能的开发利用。目前，全国31个省、市、区均有浅层地温能开发利用工程，应用浅层地温能供暖制冷的建筑物面积近1亿平方米，80%集中在华北和东北南部地区，包括北京、天津、河北、辽宁、河南、山东等省市。北京约有2000万平方米的建筑利用浅层地温能供暖和制冷，沈阳市已超过4300万平方米。北京国家大剧院和奥运村、上海世博会等标志性工程都使用了地源热泵系统。

    近年来，我国浅层地热能开发利用迅速发展，成为节能减排大军中一股不可忽视的力量。统计表明，2008年全国通过开发利用浅层地温能，实现二氧化碳减排量1987万吨。

    为促进浅层地温能开发利用，北京市、沈阳市和国家有关部门先后出台了有关文件。2006年5月，北京市发改委等九个部门联合印发了《北京市关于发展热泵系统的指导意见》，对选用地下（表）水地源热泵的每平方米补助35元，选用地埋管地源热泵和再生水地源热泵的，每平方米补助50元。2007年７月，沈阳市出台了《地源热泵系统建设应用管理办法》，凡符合城市供热规划和地源热泵技术推广应用规划要求，并具备应用地源热泵技术条件的新建、改建、扩建项目，以及耗能大的单位，应当建立地源热泵系统。

    2009年7月，财政部、住房城乡建设部下发了《关于印发可再生能源建筑应用城市示范实施方案的通知》，对纳入示范的城市，中央财政将予以专项补助5000万元；对推广应用面积大，技术类型先进适用，能源替代效果好，能力建设突出，资金运用实现创新，将相应调增补助额度，每个示范城市资金补助最高不超过8000万元。《通知》中的“可再生能源”即为太阳能和浅层地温能。

    虽然许多国家开始重视开发利用浅层地温能，但由于地源热泵系统基础设施建设投资较高、且受用地空间限制，加之消费者和管理者的不信任等原因，大规模推广利用浅层地温能还受到一定限制。到目前为止，绝大部分民用和商用建筑物的供暖和制冷还是依靠常规空调系统。

    地源热泵系统的运行成效明显优于其他供暖和制冷方式

    记者：浅层地温能开发利用前景非常广阔，其运行费用与其他取暖和制冷方式比较有哪些优势？

    郝爱兵：建筑物集中供暖制冷目前主要有四种方式：一是各种类型的锅炉供暖，二是热电联产的集中供暖，三是中央空调系统，四是利用浅层地温能的地源热泵系统。后两种方式既可供暖也可制冷。

   根据北京市地勘局等有关单位提供的数据，我们对四种方式的建设运行费用和节能减排效果进行比较，得出了以下结论。

    一是建设与运行费用。按照北京地区平均热负荷标准测算的锅炉供暖、热电联产集中供暖、中央空调、地源热泵系统建设费用和运行费用比较，地源热泵系统的建设费用与热电联产系统的建设费用大致相当，是中央空调和一般锅炉系统（燃煤、燃气、燃油和电锅炉）的3～4倍，主要原因一是增加了地下换热系统，二是热泵机组价格较高。但是地源热泵系统的运行费用明显低于其他供暖和制冷方式。

    结合其他地区情况，利用地源热泵系统供暖和制冷，运行费用较中央空调系统低15%～30％；利用地源热泵系统供暖，运行费用较燃煤和燃气锅炉低20％～30%，较燃油锅炉和电锅炉低50%以上。因地源热泵系统建设费用较高，若考虑折旧费，上述数值大体降低5个百分点。

    二是节能减排效果。根据燃煤锅炉、中央空调、地源热泵三种供暖制冷方式的能效比和消耗１公斤标准煤（发电）产生的热量或冷量，通过对比，地源热泵系统的能效明显高于燃煤锅炉和中央空调系统。

    根据北京市地勘局统计，按2008年底浅层地温能实际供暖制冷面积1300万平方米计算，与燃煤锅炉相比，每年节约能耗折合标准煤14.81万吨，减少烟尘排放量0.06万吨、二氧化硫0.52万吨、二氧化碳35.38万吨、氮氧化合物0.20万吨；与蓄热式电锅炉相比，每年节约能耗折合标准煤54.74万吨,减少烟尘排放量0.20万吨、二氧化硫1.92万吨、二氧化碳130.59万吨、氮氧化合物0.72万吨。北京市浅层地温能可供暖和制冷的总面积约9.6亿平方米，若得到有效开发利用，节能减排效果十分显著。

    我国浅层地温能开发利用须因地制宜

    记者：按照我国地域和气候带划分，哪些地区浅层地温能资源利用的价值最高？

    郝爱兵：南方地区冬季供暖需求少，开发利用浅层地温能主要用于夏季制冷，地源热泵系统夏季输入地下的热量远大于冬季从地下取出的热量，如果地下水径流条件较差，地下温度会逐年升高，造成局部“热堆积”，大大降低地源热泵的制冷效率。

    东北地区和西部一些地区正好相反，夏季制冷需求少，开发利用浅层地温能主要用于冬季供暖，地源热泵系统冬季从地下取出的热量远大于夏季输入地下的热量，如果地下水径流条件较差，地下温度会逐年降低，造成局部“冷堆积”，地源热泵的供暖效率也会大大降低。

    华北、华东以及大致相同纬度带的中西部地区，冬季供暖和夏季制冷需求都较多，地源热泵系统从地下取出的热量和夏季输入地下的热量可以基本平衡，不易造成局部“冷堆积”或“热堆积”。因此，华北、华东和中西部地区浅层地温能资源利用价值最高，其他地区的开发利用价值取决于水文地质条件和岩土体的热导性能。

    记者：浅层地温能一种是以岩土体为低温热源，一种是以地下水为低温热源，不同地质结构采用那种方式较为科学合理？

    郝爱兵：根据地下热交换形式的不同，浅层地温能开发利用方式分为地埋管地源热泵系统和地下水地源热泵系统两种，前者以岩土体为低温热源，后者以地下水为低温热源。采用那种方式较为科学合理，既取决于岩土体类型和水文地质条件，也要考虑当地地质环境特点和地下水的资源功能。

    基岩地层水文地质条件复杂多样，岩溶地层水量一般较丰富，但动态变化大，分布极不均匀；砂岩地层地下水分布较均匀，但水量取决于岩石结构、构造和补给条件；其他地层水文地质条件一般较差，水量不丰富。因此，基岩地区或第四系松散覆盖层厚度较小的地区，必须根据建设场地的水文地质条件和岩石类型确定浅层地温能的开发利用方式。

    第四系松散层水文地质条件相对简单，浅层地温能开发利用方式需要根据当地地质环境条件和水资源条件确定。例如，沈阳市位于浑河冲洪积扇上，第四系松散层以大厚度砂砾石为主，地下水补给径流条件好，水资源较丰富，开采地下水不会产生明显的地面沉降等问题，地下水回灌相对容易且不会造成地下“冷堆积”和“热堆积”，因而可以大面积利用地下水地源热泵开发浅层地温能。北京市的西部和北部平原区，虽然也位于山前冲洪积扇上，水文地质条件与沈阳相似，但地下水是主要供水水源，且长期处于超采状态，应限制大量利用地下水地源热泵开发浅层地温能。北京市东南部平原区和天津、上海等市，深层地下水开采容易诱发地面沉降，且地下水回灌难度大，应主要采用地埋管地源热泵系统。

    可以采用地下水地源热泵开发利用浅层地温能的地区，一般都适宜建设地埋管地源热泵系统，但成本较高，特别是基岩地区一般难以承受。在华北、华东和中西部浅层地温能开发利用价值最高的地区，地下水既是宝贵的供水水源，也是重要的生态环境要素，虽然一些地区适合建设地下水地源热泵系统，但从水资源安全和生态环境安全考虑，应鼓励采用地埋管地源热泵系统，严格限制地下水地源热泵系统。

    地质环境影响监测和市场监管至关重要

    记者：我国在浅层地温能开发利用中有哪些技术标准？目前是否对浅层地温能实施监测和开发利用实行监督管理？

    郝爱兵：岩土体热物性参数是地下换热系统设计的基本依据，直接关系到浅层地温能开发利用的效率和效果。2005年，建设部和国家质检总局联合发布了国家标准《地源热泵系统工程技术规范》；2009年，国土资源部发布了行业标准《浅层地热能勘查评价技术规范》。由于国内目前尚无国家或行业鉴定认可的岩土体热物性参数测试仪器，两个技术标准中都没有对岩土体热物性参数的原位测试做出具体规定和要求。在实际工作中，少数单位自己组装仪器，现场（原位）测试岩土体热物性参数，且能够对其设计和承建的少数地源热泵系统的长期运行情况做一些跟踪监测和分析，这些数据用于自身承担工程和积累资料有一定的参考价值，但无法与其他单位的测试结果进行对比。大多数单位特别是一些中小型企业，很少进行岩土体热物性参数的原位测试，仅根据冷热负荷，简单借用其他工程经验来确定钻孔深度、数量和间距等工程参数，由于缺乏科学依据，经常造成岩土体温度持续升高或者降低，严重影响了工程运行效率。

    由于缺少岩土体热物性参数测试的技术标准，既影响到浅层地温能资源评价和开发利用区划与规划，也制约了地源热泵系统工程的科学设计，在技术层面上缺少了浅层地温能勘查开发监管的抓手。

    记者：开发利用浅层地温能会改变原来的地下热平衡，在温度场变化监测和市场监督管理方面存在哪些问题？

    郝爱兵：要弄清地下热平衡问题，需要有长期、系统的监测数据做支撑，但全国地质环境监测网络中目前还没有针对浅层地温能开发的监测点。据调研，只有北京市地质勘察技术院根据自身业务发展需要，对少数几个浅层地温能开发利用工程实施了以地温为主的长期监测。

    采用地下水地源热泵时，要求将完成热交换的地下水全部回灌到含水层中。由于回灌比抽水困难，且要保证回灌水的质量，为降低成本，一些运行商经常违反要求，多抽少灌或只抽不灌，造成地下水资源的浪费和破坏，甚至出现地面沉降等问题。因此，全国地质环境监测网络中，也应考虑把大型地下水地源热泵系统的地下水监测点，作为监督回灌行为的主要手段之一。

    随着我国浅层地温能开发利用市场的不断扩大，主管部门分工不明确造成市场监管缺位问题越来越突出。由于工程勘查、设计、施工等没有准入条件限制，工程验收缺少完备的标准要求，造成不该上的地方也上，不会干的人也在干，热泵供应商为追求产品销售利益成为浅层地温能开发市场的主导因素，不少工程出现质量问题，有些工程短期内运行效果尚可，几年之后则失效。这些问题，都亟待解决。

    加强监测网络建设才能有效推进

    记者：我国浅层地温能开发利用已经起步并在一些地区取得了初步成效，但也暴露出了一些突出的问题。对此，有那些对策和建议？

    郝爱兵：据统计，我国仅建筑耗能就占整个社会终端耗能的27%左右，所以，推进建筑节能和减排意义重大。实践证明，利用地源热泵技术开发利用浅层地温能是实现建筑节能减排的重要举措之一。我国每年新增建筑面积约20亿平方米，预计到2020年新增城镇民用建筑面积达100亿～150亿平方米，浅层地温能开发利用前景非常广阔，只是特别注意在开发利用中要科学合理，切忌盲目推进。

    一是根据我国气候特点，合理推进不同地区的浅层地温能调查评价和开发利用。华北、华东和中西部等“四季分明”的地区，应大力推进浅层地温能调查评价和开发利用。要以城镇为重点，根据水文地质条件、地质环境特征和岩土体热物性参数等，进行开发方式适宜性区划，并给出地下换热系统设计的基本参数等，为浅层地温能开发利用规划和管理提供科学依据。

    南方以制冷为主和东北、西部以供暖为主的地区，应因地制宜，有序推进浅层地温能的开发利用。水文地质条件较好、地下水补给径流速度较快的地区，可以在调查评价的基础上，积极推进浅层地温能开发利用。水文地质条件较差、地下水补给径流速度较慢的地区，应进行深入研究和论证，加强不同开发方式和规模的试点与示范，总结经验和问题，慎重稳妥地推进浅层地温能开发利用。

    二是加强关键技术研发，提高浅层地温能调查评价和开发利用水平。在调查评价方面，岩土体热物性参数是最重要的基础数据，国土资源部门应尽快组织制定岩土体热物性参数原位测试的技术标准，委托（招标）国内有实力的企业研发具有自主知识产权的原位测试仪器，为提高浅层地温能调查评价能力和水平提供技术保障。

    在开发利用方面，地源热泵机组的质量是节能的关键。目前，我国地源热泵机组研发和生产水平都很低，国外品牌统治着国内市场，成为浅层地温能开发利用的最大赢家。建议国内有关企业高度关注我国地源热泵机组市场，在国家有关部门的支持下，积极引进、消化、吸收国外先进技术，加强自主研发，尽快抢占国内市场。

    三是建立政府相关部门协调机制，规范浅层地温能开发利用管理。浅层地温能开发利用管理涉及到国土资源、建设、水利、环保等部门，应按照职责分工建立相互衔接、相互促进的协调机制。建议：国土资源部门负责浅层地温能的调查（勘查）评价、监测、开发区划与规划及其相应资质管理；建设部门负责浅层地温能利用政策，工程设计、施工、运行标准的制定及其资质管理；水利部门负责取水和回灌许可；环保部门负责环境影响评价。各部门之间建立信息共享平台，实行定期沟通交流制度。

    按照上述职责分工，尽快建立浅层地温能勘查和工程设计、施工、运行的资质管理制度，明确准入条件，制定监管办法，促进浅层地温能开发利用市场的规范管理和良性发展。

    四是重视监测网络建设，为浅层地温能合理开发利用提供基础支撑。大地热流、地温和地下水等长期动态监测数据不仅是浅层地温能资源评价必需的基础资料，也是不断优化开发规划布局、避免出现资源与环境问题的重要依据。

    我国浅层地温能监测工作远滞后于开发利用，亟需加强。具体应该从三个层面考虑：一是依托全国地下水监测网，建设控制性的国家级大地热流值和地温监测网点（基准点）。二是对浅层地温能开发利用规模较大的城市，依托地下水监测网，建设省级区域性地温监测网。三是对代表性的浅层地温能开发利用工程，建立地温和地下水等要素的示范性监测网，作为浅层地温能合理开发利用研究与监测新技术方法应用的基地。