潘小平：走地热资源可持续利用之路

    从上世纪六十年代起，北京市地质工程勘察院就开始了地热资源勘查工作，1970年在北京市氧气厂钻成了北京市区第一眼地热井，从此翻开了北京市地热资源勘查、研究、开发利用的新篇章。四十多年来，该院承担了多项地热资源勘查、评价和开发利用项目，荣膺全国地质勘察功勋单位。而潘小平正是这样一支优秀地质勘察队伍中杰出的一员。作为北京市地质工程勘察院地热工程研究所的掌门人，他先后参加国土部级勘察项目十个，其中两项获部级奖励，主持了小汤山地热资源评价项目，编写地热可行性研究报告四十余份，并带领团队完成了多项地热井、水源地源热泵工程项目，获得了业界的认可，也带动了地热工程研究所的蓬勃发展。

走地热资源可持续利用之路

——访北京市地质工程勘察院地热工程研究所所长潘小平

    初见潘小平所长，“治学严谨”这四个字便跳入了记者的脑海。及至谈话深入，这种感觉愈发的强烈。言辞精准、逻辑缜密，谈到行业，高屋建瓴，说及技术，丝丝入扣。于是，记者也就成为了名符其实的“记”者，除了匆忙记录无暇顾及其他。现在，记者就借《地源热泵》寸许纸面，将潘小平所长对行业深刻的理解和分析真实呈现，以飨读者。

    开发利用地热重在“科学合理”

    众所周知，地热是可再生能源，被誉为是二十一世纪最具开发价值的绿色环保能源。因此近年来，地热资源的开发和利用进入了飞速发展时期。不仅有地热供暖、温泉洗浴、地热水梯级综合利用、以及水源地源热泵工程等多样的地热利用形式、而且项目规模也在不断扩大。对此，潘小平认为，地热资源的开发和利用，重在科学合理，既不能让宝贵的地热资源白白浪费，也不能过度地消耗，竭泽而渔式的开发只能导致资源的枯竭，最后造成地热水水位下降，对地热储层的产能造成破坏性影响。

    那么，何谓科学合理？潘小平从多个角度进行了阐述。首先，任何一个项目的开发建设都应该建立在对地热资源准确勘查的基础上。不同区域的地质条件都不尽相同，因此只有将一个地区的地热资源和地质条件勘查清楚，才能对该地区的资源量有一个科学的评价。摸清了资源的“家底”，就可以在此基础上制定规划，评价地热资源量的分布特性，并综合当地的经济发展情况等等，一般而言，规划会对该地区今后10年到15年左右的时间内，地热资源的开发速度、范围、规模进行一个整体计划，并同时预测资源变化情况，以实现合理开发。目前，在北京等城市，已经进行了地热勘查并编制了相应的地热开发规划，这是一个很好的趋势，有利于促进地热资源的合理开发应用。

    在勘查、评估和规划的基础上，就可以实施项目的建设，而在这一过程中，同样要保证科学合理。要按照规划分层次开发，提高资源的利用效率。要实现资源的综合利用，梯级利用。另外，潘小平尤其强调，要尽力做到地热水的零排放，进行充分回灌。“回灌是保护地热资源最有效的手段，”他举例说，地质工程勘察院从上世纪七十年代开始试验回灌技术，到2001年开始推广，3年后实现了生产性回灌。该院承接的小汤山地热资源评价项目调查显示，在没有进行回灌之前，水位以每年1.5米~2米的速度下降，开展生产性回灌后，该地区的地热水水位基本上保持稳定，从2005年开始水位有所回升。目前，小汤山项目基本上实现了热量的可持续利用，这一方面是证实了来自上游地热水的自然补给，同时也是由于地热水实现了百分之六十的回灌，也就是向“零排放”努力。而相比之下，有些地热资源丰富的城市，由于进行大规模开采而没有保证及时回灌，导致水位下降速度很快，危及可持续开发，也会引发地质环境问题。

    确保节能高效地源热泵项目的实施

    一直以来，业内外对地源热泵的真实效果并不是没有质疑之声，原因在于不少项目建成后的节能效果不能达到预期的目标。其实这并不奇怪，地源热泵系统是一个包括室内室外、主机末端等的综合系统，通过各部分的正常运行完成能量提升，从而满足供暖制冷空调需求。项目建造过程中勘察、设计、施工，无论哪方面出现问题，都会对整个系统的节能效果造成不良影响。而潘小平经过多年的实践总结指出，要确保地源热泵项目真正实现高效节能的运行，在勘察、设计、施工过程中有几处关键所在值得充分关注。

    首先自然是要对地源热泵项目的水文地质条件进行勘察评估，保证项目在适宜的地区开展。潘小平表示，一般而言，超过2000平方米的项目都应该进行浅层地热能利用可行性评估，通过评估可以查清地层的情况，提供最客观真实的影响地源热泵工程适用性的水文地质资料，例如含水层的位置及其顶板底板、土壤颗粒的粗细、含水层的特性、及岩性等等；还可以测试土壤的热物性，由于不同区域差别很大，所以开展全面仔细的勘查评估工作非常必要，不仅能为建设单位提供项目决策的重要依据，同时也为室外换热系统，例如抽灌井或地埋管换热器提供基础设计参数。

    其次，要合理优化设计，这主要包含三方面的内容。一是要充分考虑现代节能建筑的特点，对于建筑采用了新工艺、新技术、新材料的，设计上要采用与其相符设计参数，否则会出现地源热泵系统容量过大，大马拉小车的现象，造成工程投资增大，能源浪费。二是关注系统的可调性。系统各部分的输出量应能根据建筑的空调负荷自动调整，以达到系统的输出与建筑空调需求基本相同的要求，从而节约运行成本，体现节能效果。在一些设计不合理的项目中，各级循环泵运行费用占总运行费用的30%或是更高，每供暖季循环水泵运行费用达到10元/m²以上，这样的系统当然谈不上节能。三是换热孔或抽灌井的井身设计和平面布置。这些设计除了依据现行相关规范而外，更要依据项目自身的特点，充分考虑项目区水文地质条件，例如尽量不要在地下水流向上反复布井，换热孔深度尽量控制在可钻性好的地层内等，这样才能保证以及进一步提高室外换热系统运行效率，对保证整个系统的正常运行以及提高节能效果具有重大意义。

    再次，要保证成井质量，就要由高水平、有资质的施工队伍来完成地源热泵室外换热系统的工程施工。毕竟成井工艺、钻孔方法要根据地层变化调整，资质不高的队伍很难完成，工程完工后一旦发现质量有问题，再进行补救或更新的成本极大、代价很高。例如成井质量不高导致的抽水井出水量小、回灌量小、出砂严重以及换热孔换热效率差等都是室外换热系统目前比较多见的问题。

    潘小平总结，“任何一种好技术的应用都是有条件的，不能盲目的应用推广。”目前，业内普遍存在着对地质和水文地质勘察不重视的现象，他认为这种局面亟待改观，而勘察、设计以及施工各方应充分发挥自身的特点，积极探索新的技术、工艺、以及材料，充分发挥地源热泵系统的节能优势。

    另外，在项目进行时要对热泵系统运行过程进行监测，通过设置监测网点，监测项目对地温的影响、对地下水水质的影响、不同含水层水质的变化，这也是合理开发和保护课题中应有之义。最后，潘小平还特意提到，在水文地质条件复杂的地区，比如多层含水层的地区一定要注意不同含水层之间的分隔，否则水质状况不同的含水层通过换热孔混合，会破坏地下水资源，造成污染。

    红栌山庄项目的启示

    在地源热泵乃至暖通空调行业内，一种争论经久不衰，那就是关于浅层地热能可持续利用的问题。一方专家认为，土壤是不具备自我恢复能力的，如果持续地单方面从地面提取能量或者向地下注入能量，将会导致地温场的平衡被打破，长此以往将破坏浅层地热资源；而另一方专家认为，土壤温度的变化并非单向累积的过程，“冬夏平衡”的观点本身将换热工区土壤看成是一个孤立单元，不考虑与周边土壤的联系，忽略了地温场的恢复能力，这并不符合实际情况。只要合理利用，处理好保护和开发的关系，浅层地热能资源是可以持续利用的。

    在缺乏调查研究数据的情况下，争论并没有意义。实际情况究竟是怎样的呢？本着科学严谨的态度、怀着求知探索的热情，潘小平带领他的团队跨出了非常具有意义的关键一步。

    2008年，在昌平红栌山庄地源热泵项目建设开动伊始，地热研究所就决定将其作为监测地源热泵换热工区地温场的试点项目。于是在地源热泵工程建设同步，地温场监测工程也同时启动。项目组在地埋管换热孔内和换热孔外1.5米、5米处的25米和50米深度，均设置了温度感应探测器，而且对地源热泵系统本身的用户侧、地源侧循环流体供回水温度及流量也进行监测。监测系统共设置了温度感应探测器9套，流量计2台，以及数据自动记录仪1台。从2008年11月系统开始运行到2010年2月，已经取得了13万组、共计146万个监测数据。

    通过对这些数据的研究分析对包括土壤温度的变化趋势、幅度、范围以及地下水对换热效果的影响等做出定性或定量评价，得出了一些阶段性的成果和结论。其中尤其引人注目的是，监测结果显示土壤温度变化并不是一个单向累积的过程，而是一个随着空调负荷变化的动态过程。每当非空调季或空调使用强度降低时，土壤温度就会有程度不同的自我恢复现象发生。这就是说，一方面，土壤温度变化并没有因为地源热泵系统的运行表现出单向的、不可恢复的趋势；另一方面，地源热泵系统也没有因为土壤温度变化而导致无法运行或效率低下的现象。这些实实在在的监测记录和研究成果，无疑具有非常重大的意义，为地源热泵行业的发展增注了稳定剂。

 
   个人简介：潘小平，男，1963年2月出生，毕业于河北地质学院水文地质专业。现任北京市地质工程勘察院地热工程研究所所长，水工环高级工程师。从事地热工作二十余年，1998年参加联合国大学冰岛地热分院培训，先后参加部级勘察项目十个，其中两项获部级奖励，主持了小汤山地热资源评价项目，编写地热可行性研究报告四十余份，施工管理地热井数十眼。有丰富的专业知识和经验，并有良好的组织管理和协调能力。

    近三年完成地热井工程有：南郊农管中心地热井工程(成井深度2500米)、金梦圆房地产公司地热井工程(成井深度3300米)、忠良书院地热井工程(成井深度3500米)、中铁二十二局集团公司地热井工程(成井深度2600米)、金梦圆房地产公司地热回灌井工程(正在施工，设计成井深度3200米)、中国移动集团培训中心地热回灌井工程(正在施工，设计成井深度2500米).、.银科房地产公司地热回灌井工程(成井深度2500米).、王佐镇地热回灌井工程(成井深度3500米)等。

    2008年至今已建成的水源地源热泵空调项目有：安德鲁斯236号别墅地源热泵空调工程、红栌温泉山庄宾馆东配楼地源热泵空调工程、自来水集团第八水厂牛栏山水源地管理站水源热泵空调工程、自来水集团南口水厂水源热泵空调工程、房山世界地质公园博物馆水源热泵空调工程。另有红栌温泉山庄宾馆东配楼地源热泵空调工程地温监测项目，已完成2008-2009年度的监测报告编写。

    2008至今完成的浅层地热能利用可行性报告包括：北京市朝阳区蒋府庄园敬老院浅层地热能勘察、国家动物疫病预防控制中心项目地源热泵系统浅层地热地质条件评估、大兴区西红门镇独栋住宅A型等9项项目地源热泵系统浅层地热地质条件评估、中关村软件园R14号地源热泵系统地质条件评估、北京市海淀区温泉体育中心地源热泵空调系统浅层地热能利用可行性报告、北京市海淀区温泉体育中心水源热泵工程水资源论证报告。