我国北方地热供暖的现状、问题及展望

我国地热供暖的现状、问题及展望

马致远1，郭森1，李劲彬1，裴蓓1,郑磊1,李修成1,张雪莲1

(1. 长安大学环境科学与工程学院，西安 710054）

摘要；地热资源作为一种重要的清洁能源，在治污降霾，改变能源结构，提倡生态文明的今天，在我国北方供暖方面的作用日益凸显。目前我国北方地区地热供暖以地热流体供暖为主，同时利用地源热泵和干热岩供暖也逐渐普及。本文在对地热流体、地源热泵、干热岩供暖的历史、现状及前景分析的基础上提出了我国北方未来利用地热供暖思考及建议。

关键词：地热能，供暖，地热流体，地源热泵，干热岩

0引言

雾霾加重,化石能源的枯竭,使清洁可再生能源的应用出现了一个新的高潮。党的十八大报告中已将生态环境建设纳入五位一体的国家战略层面。地热一个非常重要的清洁能源,却一度被忽视[1]。地热能分为浅热（地源热泵）、水热和干热（干热岩）3种主要类型[2]中国是地热资源最丰富的国家，中国地热资源占世界的六分之一，但是目前开发利用程地热资源度较低，开发潜力巨大，发展地热刻不容缓。而利用地热资源进行供暖，是对地热资源最直接的利用方式。利用地热采暖，供热，不仅能优化产业结构并且能大量减少有害物质的排放，减轻雾霾污染有着非常重要的作用[3]。鉴于此，本文将归纳总结迄今为止我国地热供暖的现状及问题，为将来地热能的可持续开发提供一些建议。1我国水热型地热供暖的现状、问题和前景

1.1我国水热型地热供暖现状

水热型地热供暖是指利用开采井抽取地下热水，通过换热站，将热量传递给供热管网循环水，输送至用户。我国开发利用水热型地热供暖已有上千年的历史，改革开放以后尤其是近年来，水热型地热供暖的开发利用在规模、深度和广度上都有很大发展，目前我国水热型地热采暖的利用总量已位居世界首位[3]。天津和咸阳是利用水热型地热进行供暖的典型城市。目前，天津是我国利用地热供暖规模最大的城市，全市140个地热站，天津每年地热水开采量为2600万吨、地热供暖面积达到1200万平方米，约占全市集中供暖总面积的10%，占全国地热供暖总面积的50%[4]。咸阳市孔隙热储处于陕西关中断陷型沉积盆地北部，开采1600-4000米深度新近系蓝田灞河组地下热水，曾被命名为全国首家“中国地热城”及“国家级地热资源开发利用示范区”。截至目前，已开凿深层孔隙型地热井45眼，地热水年开采量400万立方米，地热供暖面积达到260万平方米[5-6]。在技术层面上我们从最直接的简单利用，设备陈旧，腐蚀严重，到如今的梯级利用配套专用设备，完善的回灌系统，先进的测试手段，网络化自动管理信息系统，以及资源保证和评价体系的建立，使得我国在地热资源开发利用水平在不断的与世界水平靠近。

1.2水热型地热供暖的优势

①水热型地热供暖供热量稳定，供热面积大，单井供暖面积在20万平米左右。

②初始费用与运营费用要远低于集中供暖和燃气

锅炉供暖。其初始投资在100元/m2，运营成本在12元/m2。

③环境效益巨大，尤其是在污染严重的今天，利用地热供暖可以有效地减少CO

2

的排放，降低雾霾污染，以咸阳为例咸阳每年减少煤燃烧30万吨，减少排放废气18000吨[7]。

1.3我国水热型地热供暖的问题及解决方法

由于地热水的过量开采，造成地下热水水位、水温、水压下降甚至部分开采井变成干井。地热水利用不充分，例如咸阳部分地热井的尾水排放温度在60℃以上不仅造成了资源的巨大浪费，同时会造成环境污染。地热水开发利用规范较少，部分地区盲目打井，破坏了地下热水赋存环境，严重干扰地下热水的自然更新。

解决这些问题的关键措施就是进行地热尾水回灌，地热尾水回灌不仅能够避免地热尾水排放污染，还能够提高地下热水水位，实现地下热水可持续开采，形成地下热水开发的良性循环[6-8]。中国目前的地热尾水回灌可分为两种，一种为基岩裂隙型热储回灌，包括灰岩和白云岩；另一种为孔隙型砂岩热储，主要为新近纪和古近纪[9]。基岩裂隙型热储地热尾水回灌效果普遍较好，以天津为例其主要开采层层舞迷山组地热回灌率为33.4%，而奥陶系热储层由于有异层采灌致使年度回灌量大于开采量，2006年至2008年的回灌率分别为122.5%,147.9%,138.8%,在回灌井附近热储层水位埋深明显高于其他区域，且水位年降幅呈逐年减小之势[4]。较之基岩裂隙型地热尾水回灌，孔隙型砂岩地下热水的回灌面临地压增

大、堵塞严重、回灌率低的重重困难[10-12]。2014年咸阳在WH2砂岩回灌井的回灌研究中取得了重大突破。回灌历时127天自然回灌量达到100m3/h,最大瞬时回灌量为148m3/h，回灌率达100%，总回灌量达到10万立方米，在应对物理，化学，微生物等堵塞方面方面咸阳取得了丰硕的成果，为以后大面积推广积累了成功的经验。

1.4水热型地热供暖的前景分析

我国中低温水热型地热资源丰富，并广泛的的分布在中，新生代沉积盆地中。据统计，我国的沉积盆地面积巨大，中、新生代沉积盆地总面积达417×104Km2，占我国陆地面积的42%（张振国2009）分布范围遍及各省、市、自治区，可见利用水热型地热供暖在我国有巨大的发展空间。但是深层孔隙型砂岩回灌堵塞问题一直是阻碍地热流体开发的瓶颈问题。应大力加强沉积盆地深层孔隙型砂岩回灌技术研究，将深层孔隙型砂岩从点的成功到面的成功突破，进而在全国推广。

2我国地源热泵供暖的现状、问题和前景

2.1地源热泵供暖的发展和现状

地源热泵（ground source heat pump) 是利用地下浅层地热资源既能在夏天供冷又能在冬天供热的一种新型空调系统。“地源热泵”最早是由英国美国的专家提出，1946年美国科学家建立了第一个地源热泵系统，但是因为技术粗燥，并没有得到广泛认同。直到20世纪70

年代，世界出现第一次能源危机，地源热泵技术得到充足发展[13]。在美国，地源热泵系统每年以20%的增长速度发展，而且未来还将以两位数的良好增长势头继续发展。据美国能源信息管理局预测，到2030年地源热泵将为供暖、散热和水加热提供高达68Mt油当量的能量[14]。我国的地源热泵技术从2000年开始，截至目前，我国现有地源热泵工程数量已经达到5 000 多个，总利用面积达2. 4 亿m2，80%的项目集中在我国华北和东北南部地区但是主要集中在供冷方面。在利用地源热泵进行供暖进行了很多尝试，虽取得了一定的成果，但是都是商业开发摸索，并没有对其进行系统化，规范化的科学研究[15]。

2.2利用地源热泵供暖的优势和问题

我国北方利用地源热泵供暖的优点主要体现在以下几个方面：

1）绿色环保。平均每推广1000 万平方米的地源热泵技术及其系统，可以节省56 万吨标

准煤，对治污降霾有重要影响[16]。

2）运行、维护费用低。运营费用只用，集中供暖的一半[17]。

3）一机两用。利用地源热泵技术冬天可以制

热，还可以提供生活热水，夏天可以制冷。4）安全可靠。地下部分使用寿命在50年以上，地上部分在30年以上[18]。

我国北方利用地源热泵供暖的缺点体现在以下几个方面：

1）施工空间大。换热孔施工需要较大的空间, 在我国北方建筑密度高的区域无法大面积

实施[19]。

2）初始投资高。地下钻孔埋管和打井都需要较大的工程建设费[20]。

3）单孔出热量小。地源热泵由浅层土壤热源吸热，单孔出热量小。以西安为例供暖面积

5000m 2的小区需打10多口200米深的换热孔。

2.3利用地源热泵供暖的前景分析

地源热泵供热系统通过通过消耗少量高品位能源，把低品位热量上升为高品位热量在提倡节能环保的今天的发展前景主要在以下几个方面:

（1）我国集中供暖管网建设不健全，城市边缘地区主要利用中小型锅炉供暖，在冬季造

成了比较严重的大气环境污[21]。地源热泵

供暖可以作为集中供暖一种补充，在农村

和城市边缘地区具有很大的发展前景。（2）我国东北，华北地区有大量干枯的石油和地热水井。可以对其进行改造，节省开发

资金。

(3) 经济转型，国家对节能环保新技术大力扶

持。地源热泵供暖系统低碳、清洁、环保、

一定会受到国家的重视[22]。

3我国利用干热岩供暖的展望及思考

3.1干热岩发展历史和应用潜力

干热岩（HDR），也称增强型地热系统（EGS），或称工程型地系统干热岩( HDR-Hot Dry Rock) 是指地层深处( 埋深超过2000 m) 普遍存在的没有水或蒸汽的、致密不渗透的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩体。干热岩本身具有很高的温度，呈干热状态，一般干热岩上覆盖有沉积岩或土等隔热层，温度范围在150～650 ℃之间，可以作为热能资源加以利用[23]。干热岩的开发利用始于美国，1990年美国就开始工业尺度方面的干热岩地热能源的开发利用研究。日本紧随美国之后，系统的研究干热岩发电技术，并在1995年进行了一个月的水循环测试[24]但是截至目前对干热岩的都是在发电层面，利用干热岩进行供暖还没有研究。我国干热岩开发尚处在起步阶段，2014年青海共和-贵德盆地在地下2230米处钻获温度153℃的

优质干热岩，为我国系统的研究开发干热岩打下一个良好的基础[25]。

3.2利用干热岩供暖存在的问题

1）干热岩开发的选址问题,

干热岩选址问题仍然是研究的一个前沿性课题。就我国目前情况来看利用干热岩进行供暖的实验区可以选择板块构造带或者构造活动带，例如滇藏、东南沿海、京津冀、环渤海等地区分布有范围较大的火山岩体，具备干热岩地热资源形成的区域构造条件。或者选择一些沉积盆地，例如在我国2013年青海共和盆地该岩体在共和盆地发现了高品质的干热岩，地底部广泛分布，仅钻孔控制干热岩面积已达150平方公里，潜力巨大[26-27]。

2) 利用干热岩供暖的技术问题

现有的干热岩开发模式都是通过在地下岩层中，进行射孔、爆炸、压裂、酸化等人工形成一个可以进行热交换的场所（称之为“人工热储”），通过井循环将热量带出来。但是开发干热岩进行供暖，用现有的开发模式成本较高，技术过于复杂不利于大范围推广。并且有可能会引发地震等地质问题[28-29]。

3.3利用干热岩供暖前景分析

汪集旸等通过评估，中国大陆（3-10km深度）中干热岩地热资源为21.0×106EJ，折合标煤7为15万亿吨[30]。其可开采量（2%)是传统水热型地热资源量的168倍[31] 。并且干热岩是潜力巨大的本土化资源，理论上只要深度达到处处都有干热岩，不像现在开发的地热流体资源那样受地域限制。只要技术能够达到要求就可以在全国大范围推广[32]。

4结论及建议

地热资源是一种非常宝贵的能源，在利用地热能供暖的实践中，必须遵循在保护中进行开发的原则，以使地热资源能够可持续利用。要加强清洁可再生的地热资源的研究使其尽快能为国民社会服务，成为人类发展中的重要能源。综合分析我国地热供暖的现状、问题可以为我国地热供暖可持续发展，提供以下建议。水热型地热供暖：

1）加强水热型型地热资源开发的法律，法规建设。目前我国没有专门指导水热型地热资源开发利用法规，导致水热型地热资源乱采，超采问题一直得不到解决。

2）改进和完善水热型地热资源开发技术，方法。

如梯级利用技术、低温地板辐射供暖技术和“一深一浅一回灌”开发模式在水热型地热供暖中的应用。3）加大基岩裂隙型热储地热尾水回灌量，延长地热井的使用寿命。加强砂岩孔隙型热储地热尾水回灌的新技术新方法研究（如庞忠和提出的利用CO

2

提高砂岩回灌率技术）使困扰地热供暖（砂岩孔隙型热储）可持续利用的回灌衰减问题得到解决。

地源热泵供暖：

对我国北方利用地热供暖的建议

地源热泵供暖浅析地源热泵与低温地板辐射供暖联合运行的应用与安装。

1)加强地源热泵供暖的科学性研究。虽然我国

进行了很多地源热泵供暖研究，但大都是商业性项目支持，研究结果比较粗糙。

2）加快地源热泵供暖规范的制定。现行的《地源热泵系统工程技术规范》不能够满足我国地源热泵技术的不断发展的需要。

3)加速源热泵供暖系统新方法，新技术研究。

如西安在地源热泵的应用开发中，尝试性地利用在超层（2000-3000米深）地源热泵进行供暖，并且取得巨大成功，单井可供热面积达到13000m2商业价值大大提高。

4)增强国际间合作，通过不断吸取国际领先新

技术，促使我国地源热泵供暖健康发展。

干热岩供暖：

1) 以京津冀、环渤海等热盆为优选实验区，部

署干热岩供暖选址评价和技术适用性研究。2）开发模式上采用无须压裂的开采技术及与现有的水热型地热开采相结合技术研究等

新的探索和实验。例如部分地区利用垂直井和斜井相连通的办法来进行干热岩实验性

采暖，且已取得非常好的成果。

2)开展研究干热岩开采中构造人工造储诱发地

震及环境污染问题的评价。

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China's Northern City Of Geothermal Heating Status Quo , Problems And Prospects

Abstract: As an important kind of clean energy, the application of geothermal resources is becoming mor e and more widely in the north of China, especially in the case of heating. Using geothermal resources to heating can reduce the pollution and help changing the energy structure. At present, geothermal fluid heat ing (hot water heating) is the main way in the north of China, using ground-source heat pump method and hot dry rock technique to heating is also becoming popular.Trough analyzing the history,

current situation and prospects of geothermal fluid heating, ground-source heat pump method and hot dry rock heating, we provide suggestions for the future using of geothermal heating.

Keywords: geothermal energy, heating, Geothermal fluid, ground source heat pump, hot dry rock,