近年來,淺層地熱能的開發利用發展迅速,成為節能減排大軍中壹支不可忽視的力量。北京約有2000萬平方米的建築使用淺層地熱能供暖和制冷,沈陽已超過4300萬平方米。地源熱泵系統應用於北京國家大劇院、奧運村、上海世博會等標誌性工程。淺層地熱能作為可再生能源之壹,其開發利用將成為城市地質工作的重要組成部分。做好城市地質工作中淺層地熱能的開發利用,對生態城市建設和節能環保事業的發展具有重要意義。
壹、中國淺層地熱能
淺層地熱能資源
地熱能是可再生的清潔能源。根據埋深,200米稱為淺層地熱能。淺層地熱能的溫度比當地平均溫度略高3 ~ 5℃,相對穩定,分布廣泛,開發利用方便,具有十分廣闊的開發利用前景。淺層地熱能的利用主要是通過熱泵技術的換熱方式,將存在於地層中的低品位熱源轉化為可利用的高品位熱源,既能供熱又能制冷。開發淺層地熱能可以改善中國的能源消費結構,減少二氧化碳排放。
(二)中國淺層地熱能應用潛力
中國淺層地熱能資源豐富。最新數據顯示,全國287個地級以上城市淺層地熱能資源量為每年2.78×1020J,相當於95億噸標準煤。淺層地熱能年可利用資源量為2.89×1012kWh,相當於3.56億噸標準煤。扣除開發用電量,每年可節能2.02×1012kWh,折合標準煤2.48億噸,減少二氧化碳排放6.52億噸。到2015年,全國淺層地熱能資源利用量將達到4.26× 101 kWh,相當於5269萬噸標準煤(占全國淺層地熱能資源可利用總量的14.8%)。
(3)地源熱泵技術
地源熱泵技術的進步是促進淺層地熱能開發利用的關鍵因素。實踐證明,利用地源熱泵技術開發淺層地熱能是實現節能減排的壹條非常有效的途徑。
1912年,瑞士人首先提出了地源熱泵技術,1946年,第壹個地源熱泵系統在美國俄勒岡州誕生。從1974開始,瑞士、荷蘭和瑞典政府逐步資助建立示範項目。80年代後期,地源熱泵技術日趨成熟,其節能減排效果得到普遍認可。據2010年世界地熱大會統計,地源熱泵年利用能量達到214782 TJ(1012焦耳),比2005年世界地熱大會增長2.45倍,年均增長率達到19.7%。據2010年世界地熱大會統計,地源熱泵設備容量為35236 MWt(兆瓦熱),五年增長了2.29倍,年均增長率為18.0%。
二、淺層地熱能開發利用的現狀
我國起步較晚,90年代引進地源熱泵技術。清華大學徐炳業教授將該技術引入中國,開啟了我國地源熱泵技術的發展趨勢。與國外相比,我國利用地源熱泵技術開發淺層地熱能起步較晚,但發展迅速,範圍和規模遠超國外。據初步統計,目前除港澳臺地區外,全國有31個省、直轄市、自治區有地源熱泵系統項目開發淺層地熱能。利用淺層地熱能供熱供冷的建築面積654.38+0.4億m2,供熱供冷單位(住宅小區、學校、工廠等)約3400個。),其中80%集中在華北和東南地區,包括北京、天津、河北、遼寧、河南、山東等省市。北京約有2000萬平方米的建築使用淺層地熱能供暖和制冷,沈陽已超過4300萬平方米。預計2010年淺層地熱能開發利用將減少中國二氧化碳排放約2200萬噸。
(1)政策宣傳
為了促進淺層地熱能的開發利用,北京、沈陽和國家有關部門相繼出臺了相關文件。2006年5月,北京市發改委等九部門聯合發布《北京市發展熱泵系統的指導意見》,對選用地下(地表)水源熱泵的每平方米補貼35元,對選用地源熱泵和再生水源熱泵的每平方米補貼50元。2007年7月,沈陽市頒布了《地源熱泵系統建設和應用管理辦法》。凡符合城市供熱規劃和地源熱泵技術推廣應用規劃要求的新建、改建、擴建項目,以及高能耗的單位,應當建立地源熱泵系統。
2009年7月,財政部、住建部下發《關於印發可再生能源建築應用城市示範實施方案的通知》,中央財政將對納入示範的城市給予5000萬元專項補助。對推廣應用面積大、技術類型先進適用、能源替代效果好、能力建設突出、資金利用有創新的,補貼額度相應提高,每個示範城市最高不超過8000萬元。通知中的“可再生能源”是指太陽能和淺層地熱能。
此外,各地政府相繼出臺了壹系列發展地源熱泵技術的政策和措施。
(2)淺層地熱能資源調查與評價
淺層地熱能資源調查評價是淺層地熱能利用的基礎工作,決定著淺層地熱能利用的科學性和可持續性。2008年,國土資源部啟動了中國淺層地熱能調查評價試點工作,並於當年發布了《關於大力推進淺層地熱能開發利用的通知》,發布了《淺層地熱能勘查技術規範》,成立了淺層地熱能研究推廣中心。2009年,國土資源部制定了《國土資源系統應對全球氣候變化工作方案》,2010年,國土資源部下發了《關於做好全球氣候變化地質應對與對策工作的通知》,對淺層地熱能調查、評價和開發利用進行了再部署。
自2008年國土資源部發出關於開展淺層地熱資源調查的通知以來,全國各省(自治區、直轄市)在適宜淺層地熱能開發利用的主要大中城市和經濟發展規劃區開展了淺層地熱能調查。
目前,這項工作已在各省、自治區、直轄市國土資源系統開展。已經在北京、河北、天津完成。
重要成果:天津市淺層地熱資源調查與評價
2009年至2010,國土資源部與天津市聯合開展了“天津市淺層地熱能調查評價與開發利用”試點工作。試點工作包括淺層地熱能調查評價、開發利用規劃編制、地熱動態監測網絡建設和淺層地熱能利用示範工程建設。試點工作取得了壹系列重要成果。
壹是完成了天津市淺層地熱能資源調查,摸清了天津市淺層地熱能的分布特征和賦存條件,評價了資源量和開發利用潛力。淺層地熱能可利用資源量計算為1.748萬億kJ,冬季供熱面積1.3億m2,夏季供冷面積1.2億m2。每年開采淺層地熱能可利用資源總量可節約5974萬噸標準煤、4480萬噸標準煤,減少向大氣排放二氧化碳654.38+0.1.07億噸,減少環境治理成本654.38+0.532億元。
二是在調查評價的基礎上,結合天津市社會經濟發展、城市建設和土地利用規劃,編制了天津市淺層地熱能資源開發利用規劃,劃定了適宜開發區域,分別劃定了地下水和地下管道適宜開發區域,提出了合理的開發利用規模。
三是實施了10淺層地熱能開發利用代表性示範項目,包括梅江會展中心。通過示範工程建設,提出了工程建設和管理的標準和要求,為淺層地熱能開發利用的標準化建設提供了依據。10個示範項目的總供熱供冷面積約為10萬m2。建成後可節約標準煤4萬噸,減少二氧化碳排放1萬噸。
四是建立了由12個動態監測站、1個測試站點和1個實驗研究基地組成的淺層地熱能動態監測網絡,制定了《地下埋管地源熱泵動態監測技術規範》。
五是為實現淺層地熱能資源的統壹管理、科學規劃、有序開發和合理利用,全面系統地開展了政策研究工作,完成了《淺層地熱能資源開發利用政策研究》和《關於推進天津市淺層地熱能開發利用的建議》報告。
(三)可再生能源建築應用項目示範和城市示範
2006年,住房和城鄉建設部啟動了可再生能源建築應用示範工程。示範工程具有典型性和代表性,技術類型以太陽能和淺層地熱能為主。截至目前,已成功實施了四批示範項目。示範項目分四批371個,第壹批25個,第二批57個,第三批130個,第四批159個,補貼總額約26億元。
2009年,住建部啟動了可再生能源建築應用示範,中央財政將對納入示範的城市給予專項補貼。目前納入示範的城市有44個,財政補助的基準是每個示範城市5000萬元。兩年內根據應用區域、推廣技術類型、能源替代效果、能力建設等因素進行分省。推廣應用面積大、技術類型先進適用、能源替代效果好、能力建設突出、資金運用創新的,相應提高補貼額度,每個示範城市最高補貼不超過8000萬元;反之,補貼金額會相應減少。
(四)存在的問題
由於淺層地熱能的利用較傳統地熱資源發展較晚,且涉及多個領域和行業,在開發利用過程中也存在壹些問題。
1.項目前期未對淺層地熱能資源進行勘探和評價。
《地源熱泵系統工程技術規範》(GB 50366-2005)要求在地源熱泵系統方案設計前,應調查工程場地現狀,並調查淺層地熱能資源。
但是很多項目在設計之前都沒有進行過勘測。壹方面,在地下水源熱泵不適宜區域采用這種換熱方式,造成系統建成後耗電量大、系統COP低、運行不穩定、回灌困難甚至系統報廢等問題。另壹方面,根據它的經驗,布置換熱孔,導致很多浪費。
2.設計參數基礎不足
壹些地源熱泵項目是由熱泵供應商設計的。壹些企業根據他們的經驗用最簡單的評估模式設計他們的系統。許多企業只是簡單地選擇壹個經驗數據,而沒有進行負荷分析。由於缺乏設計參數,壹些系統的設計是“大馬拉大車”或設計負荷不足。
3.缺乏可靠的技術支持
壹是地下水回灌技術不完善,成井技術有待提高。地下水源熱泵工程的鉆孔直徑、礫石層厚度、濾管類型和濾料選擇對回灌量影響很大。大多數施工單位沒有掌握回灌井的施工技術,尤其是井徑、礫石層厚度、濾管類型、濾料選擇等,導致很多井無法正常回灌。
其次,部分用戶的取水系統在設計和安裝上存在壹些問題。部分用戶設備安裝不配套(無測壓管,細過濾裝置多)。熱泵系統安裝差,回灌困難,大部分機組每年都需要洗井。
第三,部分用戶水源井的地層水位確定存在壹些問題,特別是當選擇含水地層1I的地層作為生產和灌溉井的利用地層時,普遍存在水位淺、回灌困難的問題。
四是部分熱泵運行管理不完善,導致回灌運行管理不規範。壹些單位缺乏基礎知識,近三分之壹的工程不回跑,大部分工程運行記錄不全(大多沒有抽水和回註的水溫、水量和水位),部分工程存在混層采灌問題。
4.管理制度不完善
淺層地熱能開發利用行政監督管理主體不清,監督管理所依據的法律法規、政策標準缺失,導致淺層地熱能開發利用秩序混亂。主要表現在項目未報批登記、未按地質條件開發、施工隊伍資質、施工過程監管空白、驗收標準不統壹等。
5.淺層地熱能資源開發利用缺乏動態監測。
近年來,全國各地建設了大量地源熱泵系統,但地源熱泵地下換熱系統的監測系統尚未建立,缺乏地源熱泵系統中溫度、水位、水質的動態變化,無法評價淺層地熱能資源開發利用對地質環境的影響。大多數地源熱泵工程系統沒有配備必要的節能計量裝置,如溫度計、流量計、功率表等。,導致項目節能量計算困難,也不便於管理部門進壹步節能評估。
三、淺層地熱能開發利用的發展趨勢
(1)繼續推進淺層地熱能資源調查評價。
促進淺層地熱能資源的調查和評價是發展地源熱泵技術的基礎。“十二五”期間,淺層地熱能資源的調查、評價和開發利用仍將是城市地質工作的重點。工作的主要任務是摸清我國主要城市淺層地熱能分布特征和賦存條件,評價資源和開發利用潛力,制定開發利用規劃,建立監測網絡,推進淺層地熱開發利用示範城市建設。
國土資源部十二五規劃,2012前完成省轄市調查評價,2015前完成地級市和部分重點縣級鎮調查評價。2011 29個省會城市淺層地熱能調查評價項目年內分兩批實施。首批城市包括石家莊、呼和浩特、沈陽、長春、杭州、合肥、濟南、鄭州、重慶、Xi、蘭州、烏魯木齊等12城市。第二批城市包括太原、哈爾濱、上海、南京、福州、南昌、武漢、長沙、廣州、南寧、海口、成都、貴陽、昆明、拉薩、西寧、銀川等17個城市。
其目標是:
(1)初步查明主要大中城市淺層地熱能的賦存分布特征及相應的水文地質工程地質特征,測試巖土熱物性參數,估算可利用資源量。
(2)淺層地熱能利用項目(地下水和地源熱泵系統)適宜區域劃分。
(3)選擇1 ~ 2個有代表性的城市建立監測實驗區。監測運行工程的地下(巖、土、水)溫度場(至少1個運行周期),評估地源熱泵工程對地質環境的影響,記錄運行工況和能耗,計算換熱能效比,測試工程的節能效果。
(4)制定相關技術標準,建立淺層地熱能開發利用適宜區域劃分與評價數據庫。為淺層地熱資源的合理開發利用提供基礎數據,為政府宏觀規劃和科學管理提供決策依據。
(5)在調查評估的基礎上,結合本行政區域可再生能源開發利用中長期目標,編制了主要城市(鎮)淺層地熱能開發利用專項規劃。
(二)加大科研力量和技術創新。
加強相關技術的研發和投入,提高淺層地熱能的利用效率。
(1)加強淺層巖土熱性質試驗研究;
(2)建立不同地層熱物性數據庫;
(3)進行不同換熱方式的地下傳熱模型模擬試驗;
(4)建立地熱場長期觀測,包括熱交換井及周圍地層的溫度、水位、水質和熱交換(冷交換),了解(監測)其變化規律,特別是熱交換井的回灌能力和溫度恢復情況;
(5)觀察地下熱交換系統的實際熱交換(冷交換)效果,測量地層熱流值和導熱系數。
(三)積極參與示範城市建設,推進淺層地熱能資源開發利用。
在對當地淺層地熱資源調查評價的基礎上,結合項目的具體地質環境,積極開展地源熱泵技術的推廣應用,建立符合當地實際需求的示範項目,探索方法,總結經驗,逐步推廣。積極申報“可再生能源示範城市”,參與示範城市建設,用好國家專項資金,穩步推進城市淺層地熱能開發利用。
利用地源熱泵技術開發淺層地熱能資源為建築供暖制冷,符合國家節能減排的歷史進程。隨著這項技術的不斷發展,我們將進壹步認識到,不斷加強地熱資源的調查和評價,加大科學研究和技術創新,積極參與示範城市的建設,將是壹項意義重大、值得持續推進的長期工程。