卫万顺，李宁波，冉伟彦，杨俊伟，王泽龙

（1.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195; 2.北京市地质调查研究院，北京102206）

浅层地温能开发利用中的关键问题研究

卫万顺1，李宁波1，冉伟彦1，杨俊伟1，王泽龙2

（1.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195; 2.北京市地质调查研究院，北京102206）

浅层地温能是一种可再生的新型环保能源，开发利用前景广阔。为了更好地满足我国浅层地温能开发利用快速发展的需要，有必要研究浅层地温能资源科学开发利用中的关键问题。研究表明：开展浅层地温能勘查评价工作十分必要、十分紧迫；应超前关注浅层地温能开发利用对地质环境的影响；浅层地温能开发利用的积极性明显受经济成本与效益制约；需要通过政策支持推动浅层地温能开发利用快速发展；需要提高全社会对浅层地温能资源的认知程度。

浅层地温能；开发利用；关键问题

浅层地温能又称浅层地热能，是一种可再生的新型清洁环保能源，也是一种特殊矿产资源。据专家测算，我国地下近百米深度内的土壤每年可采集的低温能量是我国目前发电装机容量4亿千瓦的3750倍，而地下百米内地下水每年可采集的低温能量也有2亿千瓦。开发利用浅层地温能，对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标的实现，具有非常重要的意义。

近年来，我国利用浅层地热能为建筑供暖、制冷的工程项目数量及服务面积迅速增加。据不完全统计，目前全国浅层地热能服务面积超过6000万m2。仅北京市就已完成热泵项目超过500个，1300多万m2的建筑利用地源热泵系统供暖、制冷，其中既有普通住宅、公共建筑，也有工业厂房、宾馆、商场，显示了浅层地热能开发利用具有广阔的发展前景。

为了引导浅层地热能的科学合理开发利用，国土资源部下发了《关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》(国土资发［2008］249号)，从调查评价、编制规划、加强监测3个方面，对大力推进我国浅层地热能资源的开发利用进行了部署。国土资源部这一部署是非常及时和必要的，表明我国的浅层地热能资源开发利用将步入科学化、规范化轨道。

为了更好地满足我国浅层地热能开发利用快速发展的需要，有必要研究浅层地温能资源科学开发利用中的关键问题。

1 浅层地温能勘查评价的必要性和紧迫性[1]

（1）浅层地温能开发利用发展迅速

随着国民经济的快速增长，我国的能源形势日趋严峻，特别是2004年以来，国际能源供求关系失衡，石油价格飞涨，加剧了我国能源的紧张局面。加之我国能源生产的增长速度，远低于国民经济发展的增长速度，能源的增长远远不能满足国民经济发展的需要。浅层地温能恰恰是一种清洁、价廉、丰富的新兴能源，能够弥补能源的不足。浅层地温能开发利用在上世纪90年代后期得到发展，为北京、沈阳等大城市节能减排工作作出了贡献。目前，北京已有1300万m2的建筑利用浅层地温能供暖、制冷，沈阳已超过2000万m2。据不完全统计，全国浅层地温能服务面积超过了6000万m2。在北京、沈阳的带动下，全国范围内的浅层地温能资源开发利用的热潮即将到来。从地理条件看，浅层地温能供暖既可以用于海拔4000m以上的青藏高原，也可以用于气候严寒的黑龙江，在我国各个地区都可以发挥节能环保的作用。从建筑类型看，浅层地温能供暖现已广泛应用于办公、宾馆、学校、医院、营房、住宅、工厂等。随着社会对这一供暖方式的接受，预计今后浅层地温能供暖、制冷的年使用面积还会进一步增长。

（2）勘查评价滞后成为制约其发展的瓶颈

我国近年来浅层地温能开发迅速，市场化推动为主，由于浅层地温能资源调查、评价滞后，技术标准和开发利用相关技术研究的薄弱，仍存在开发利用地区发展不平衡等问题。开发利用超前，资源调查评价滞后，家底不清，给城市的专项规划和管理工作造成被动；缺乏浅层地温能资源勘查评价的技术标准和测试技术；缺乏浅层地温能资源开发利用后地质环境变化的长期监测数据。由于以上原因造成有的城市的个别工程设计不合理、施工不规范，地下水回灌情况不好，水资源浪费和不同水质层间的污染扩散，地面沉降，热污染等问题。有的甚至导致工程失败或效能低下，达不到预期的节能目标。我国浅层地温能资源的分布、资源量家底不清，使浅层地温能开发利用受到很大限制并存在很大风险，目前浅层地温能勘查评价滞后已成为浅层地温能资源可持续开发利用的阻碍。因此，开展浅层地温能勘查评价是政府部门做好浅层地温能开发利用规划和管理的基础性工作。

（3）勘查评价是科学开发利用浅层地温能的需要

浅层地温能是蕴藏在地表以下一定深度内的低品位的地热资源，其分布状态、运移规律、品位高低、开发利用方式及规模等均受到地质体富水性及导热性能等的制约，认识、了解浅层地温能存在的地质条件十分重要，特别是浅层地温能开发利用工程中采集和释放热的能力和强度与当地地质环境组成、地质环境中流体部分的活动能力和岩土固体颗粒部分的热传导能力有直接关系。因此，在谈到一个地区浅层地温能潜力及其开发利用前景时，首先需要掌握该地区的区域地质背景，从宏观上把握浅层地温能地质条件和地温场分布，以便为开发利用奠定基础。我国地域辽阔，从南到北地温和气温的分布不同，即使同一纬度，高程不同则年平均气温相差较大，如重庆与拉萨纬度相近，但年平均气温相差10度，所以供暖和制冷的需求有很大不同。再者我国各省市的地质情况千差万别。有的城市处于平原，有的处于山区，如同样位于沿海的青岛和大连属于滨海山地型，而上海和天津则属于滨海平原型。由于覆盖层厚度的不同，所采取的换热方式和经济性都有很大的差别。即使在同一地区，如山前冲洪积扇类型地区，由于地层颗粒度及含水层厚度、渗透系数等的差别，不同地段也分别适合不同的开发利用方式。开发的适宜性由地质条件、经济条件和施工条件等因素决定。浅层地温能存在的本质是冬、夏两季地层中比较恒定的温度与外界空气存在较大的反向温差。在合理布局、科学开采的情况下浅层地温能是一种取之不尽、用之不竭的自然资源，热泵技术使浅层地温能的开发利用成为可能，可供人类长期使用。任何资源都有开采强度的限制，特别是大多数可再生能源都具有分散、低品位的特性，有些还受季节或再生周期的限制，因此资源的勘查评价是合理的开发利用的基础。浅层地温能是存在于地下隐蔽地质体中的一种无形自然资源，地质条件对开发利用起着举足轻重的作用，所以有必要采取专门的勘查方法对其进行资源量的估算和开发适宜性的评估。

（4）浅层地温能开发利用将步入科学化、规范化轨道

2008年12月，国土资源部下发了《关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》，从调查评价、编制规划、加强监测三个方面，对大力推进我国浅层地热能资源的开发利用进行了部署。国土资源部这一部署是非常及时和必要的，表明我国的浅层地温能资源开发利用将步入科学化、规范化轨道。因此，各地区都应及时开展浅层地温能的调查评价工作，查清浅层地温能资源分布特点等，为今后科学开发利用浅层地温能、编制专项规划提供依据。

2 应超前关注浅层地温能开发利用对地质环境的影响[1]

浅层地温能开发利用主要有2种方式，即地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。随着使用浅层地温能项目的增多、规模的扩大，不同利用方式在其发展过程中出现了一些问题，如地下水源热泵系统地下水回灌难，造成水位下降，地面沉降；系统整体不节能；水质污染；地温场的变化等问题。目前，由于缺乏必要的地质环境影响监测系统，浅层地温能开发对地质环境的影响没有定论。

地下水热泵系统是通过抽取地下水，利用地下水全年温度恒定的特点，与水源热泵的冷凝器或蒸发器进行热交换，或通过板式换热器与冷凝器产生的高温热水（夏季工作时）或蒸发器产生的低温冷水（冬季运行时）进行热交换，然后将置换冷量或热量的地下水全部回入同一含水层中。目前地下水回灌技术尚不成熟，多为自然回灌，造成回灌量降低的原因主要是回灌井的堵塞现象。造成堵塞的原因包括物理、化学等原因。如果成井工艺不当，可能造成水中含沙量较多，造成井的堵塞影响回灌。另外，抽灌水温度的不同和压力的变化，使水中一些物质析出沉淀也是造成井堵塞的原因之一。在大多数情况下，回灌井的堵塞不可避免。回灌不利又可造成水资源浪费，并且是造成地面沉降的隐患。

浅层地温能开发利用可能造成水质污染是因为不同水质的含水层水混抽、混灌引起的。对于直接进入机组的地下水，工质、润滑油的泄漏也是水质污染潜在的危险。因此需要对地下水位、水质、水温进行长期监测，以便及时发现问题。

地埋管地源热泵系统由于采用埋管的闭式循环进行换热，对地下水影响不大，但需要较大的换热温差和较高的埋设密度，对局部地温场的干扰比较大。因此有必要在土壤换热孔内不同深度和周围土壤中布置测温元件，采集其温度场，测得土壤层内温度变化动态，更好地为优化设计、计算资源量和评价环境影响，提供可靠的实验依据。如果换热管内的传热介质含水防冻剂时，如果泄漏，也可能造成对地下水的污染。施工中如果换热孔穿透不同水质的含水层，也有可能造成地下水水质的改变。因此，有必要对地下水采取一定的监测措施。

各地在开发利用浅层地温能的同时，应建立浅层地温能地质环境影响监测网。对不同深度的地温、地下水水位和水质、地面标高等项目实施长期监测，及时掌握地温变化动态、水土质量和地面变形情况，一旦发现地温长期持续单向变化，或水土污染、地面沉降，应立即采取有效措施加以解决，防止产生地质环境问题。为了对浅层地热能开发利用方法、技术等方面加强示范引导，各省(区、市)应选择有代表性的城市建立若干监测实验区。

3 浅层地温能开发利用的积极性明显受经济成本与效益制约

浅层地温能资源开发利用的主要方式是地源热泵技术。因此，地源热泵项目的经济效益分析和研究对于浅层地温能开发利用具有十分重要的意义。地源热泵系统经济效益的主要费用构成是项目初投资、运行成本和投资回收周期。

（1）工程初投资

工程初投资包括热泵机房、室外换热系统和室内末端系统3个部分。影响地源热泵空调系统初投资的因素很多，如气候条件、地质条件、建筑类型、建筑密度、价格水平等。从初投资上看，全国不同类型的项目，从南到北，气候不同，使用功能不同，会有较大的差距。根据现有实际工程测算，如采用地下水的地源热泵系统，系统初期投资大致约为250420元/m2。其中冷热源部分的投资大概在150220元/m2，与采用国产的冷水机组加锅炉式的中央空调系统初投资大致相同。如采用土壤源地源热泵系统，其初投资大多数在300480元/m2，其中冷源部分的投资大概是在200 270元/m2。

（2）运行成本

热泵系统运行成本包括年消耗能源费用、热泵系统管理维护人员工资和热泵系统维修费3部分。热泵的年运行成本与常规供热、制冷系统相比，具有以下特点：热泵装置不需要燃料输送费用和保管费、排渣运输费等；常规供热、制冷系统检修周期较长，因锅炉设备与高温烟气接触，构件极易受损,而热泵系统只有2个部件运动，磨损少，平时无需任何检修；管理人员与劳动强度均可减少，节省工资开支；热泵系统消耗的是电能，因此主要开支是电费。

影响运行成本的因素主要有：地下换热器的影响；土壤特性对地源热泵的运行特性有重要的影响；热泵机组性能、容量和循环泵的类型；地下换热器设计不当的影响；运行管理策略、运行方式和日常维护的合理性。

根据实际工程运行统计，在地质条件适宜，系统配置合理的情况下，地源热泵与传统的中央空调系统相比，冬季采暖运行成本可以节约30%以上，夏季可以节约10%以上。

（3）投资回收周期

初投资和运行费用这两个指标只能反映出经济性的一个方面，而在决策时,还需要把静态投资回收期作为另一个评价指标。投资回收周期是工程增量成本与年节约运行费用的比值，它是评估能源利用是否合理的主要指标之一。

地源热泵系统静态投资增量回收期大概在410年不等[4]，伴随着地源热泵技术逐步推广应用，政府补贴的逐步完善，产业化规模不断加大，生产厂家和集成商逐渐增多，市场竞争逐渐加剧，地源热泵系统初投资将会进一步降低，地源热泵系统成本应有50100元/m2降价空间，这将有利于费用年值降低和投资回收期的缩短，更有利于地源热泵技术在全国的推广应用。

4 需要通过政策支持推动浅层地温能开发利用快速发展[2]

近年来，虽然一些地方政府以极大的热情和力度来推广浅层地温能，但仍存在市场不规范、地区发展不平衡等问题，亟待政府相关部门制定一系列优惠政策，进一步鼓励、引导和规范行业的有序发展，促进我国浅层地温能的科学、有序地开发利用。

政策支持对开发利用影响重大。为应对经济发展与能源短缺的矛盾，一些国家自20世纪80年代开始，在大力开展替代能源技术研究与创新的同时，大力开展制度创新，运用各种经济手段鼓励和促进可再生能源的发展。国外的做法主要包括政府直接投资，设立专门机构负责推广可再生能源；另外，政府出资开展资源调查与评价同时为商业化发展提供免费的信息服务；政府也会给予适当的补贴扶持可再生能源的发展；通过税收、价费优惠措施也是激励可再生能源发展的手段之一。通过收集我国及各省（市、区)从2004年至2008年的各类实施意见、管理办法、指导意见、规划、标准。从中不难看出，浅层地温能开发利用的快速发展与政府政策扶持力度的逐步加大息息相关。

已出台政策的特点。已出台政策的省份(城市)以北方为主。说明开发利用主要集中在北方地区，地源热泵系统用在供暖解决能源及大气污染问题需求更迫切。政策及规范的制定以建设主管部门为主。另外，已有政策较分散，对地下资源的合理利用关注不足，对地下水源热泵管理严格。为保护地下水资源安全，如北京、天津、武汉对地下水源热泵发展有管理规定，审批较严格。一方面保护了水资源，但在一定程度也限制了水源热泵系统的开发利用，大多数城市趋于对地下水资源的保护，采取谨慎态度。

建议出台优惠政策。在地质条件适宜、环保要求高的地区，建议国家相关部门给予占系统投资一定比例的补贴，尽量减轻使用者的初投资负担；国家相关部门从增值税、企业所得税等方面支持投资方优先利用浅层地温能为建筑物供暖、制冷，即所谓的“绿色税收”；从地质勘查到土地使用应引导相关部门全线“绿灯”，简化相关报批手续，全力支持。地埋管热泵系统的限制主要是岩土体导热系数，埋地换热器占地面积大，受到工程场地及室外地质条件的限制。在条件允许的情况下，对采用热泵系统的单位可适当放宽土地使用政策，如放宽土地使用年限和增加绿地面积等；系统运行过程中的电价、水费的优惠。目前国家有关部门强调用水的审批制收费，有些地方的水源抽取和排放两次收费，增加了地下水源热泵系统的运行费。所以地下水热泵推广需要政府从可持续发展的角度，综合各个方面考虑，建议有关部门调整地下水地源热泵系统水源使用的政策，重新确定地下换热系统中循环利用地下水的管理和收费。对地源热泵系统运行电价给予优惠，如浅层地热能供暖可采用民用电价，或免增容费等，增大峰谷电价差，鼓励在系统中应用蓄能技术削峰填谷，科学用电；简化换热井的审批手续。对于换热井的审批应与供水井审批手续相区别，不再由水主管部门审批。由国土资源管理部门加强开采方案的审查，水主管部门重点应加强运行期的管理及监测。

5 需要提高全社会对浅层地温能资源的认知程度

浅层地温能开发利用在国外发展了几十年。在我国该项技术起步较晚，只有十多年的历史，尽管目前浅层地温能供暖在我国已经有了大量的应用实例，在我国也有多家研究机构和企业对浅层地热能开发利用技术进行性能研究和工程实践,但由于社会各界包括开发商及相关部门管理者对这一技术相关知识了解不够，对技术的经济性和稳定性还不了解，认知程度还远远不够；一些设计单位由于认知不足，缺乏经验，还没有接受这项技术，采取敬而远之的态度。这些都严重制约了浅层地热能开发利用的推进。

因此，各地应提高全社会对浅层地温能开发利用的认知程度。有关部门应加强浅层地温能开发利用的宣传工作，普及浅层地温能知识，推进学科间的沟通互动，促进这一新能源的开发利用。在这一点上，国土资源管理部门责无旁贷，大有可为。我们应该抓紧时机，利用媒体，组织专题报道和科普宣传，尤其是把一些开发利用较好的项目作为示范向全国推介，大力宣传其节能减排的实际效果，使这一绿色环保新型能源真正深入民心。各地应进一步提高认识，积极行动起来，营造一种大力推进浅层地温能开发利用的良好社会氛围。

此外，为更好地开发利用这项技术，各大专院校、科研单位、专业协会及相关单位应发挥各自专业优势，组织开展浅层地温能调查评价及开发利用相关技术培训和技术交流。针对技术难题，进行科技攻关，不断提高浅层地温能开发利用的科学技术水平。

大力推进浅层地温能开发利用，在城市建筑节能中意义重大，全面推进势在必行。这需要全社会各界的共同努力，行动起来，并且在行动中注意加强资源的勘查评价，保护环境，加强科学研究和技术攻关，掌握规律，科学利用，让浅层地温能为构建资源节约型和环境友好型社会发挥更大作用。

总之，浅层地温能是一种可再生的新型环保能源，要紧紧抓住浅层地温能资源科学开发利用中的关键问题，大力推进浅层地温能开发利用的快速发展。要尽快开展浅层地温能勘查评价工作；超前关注浅层地温能开发利用对地质环境的影响；积极降低经济成本，提高开发利用浅层地温能的积极性；制定优惠政策，推动浅层地温能开发利用快速发展；加大宣传培训，提高全社会对浅层地温能资源的认知程度。

[1] 卫万顺，李宁波，冉伟彦，杨俊伟.浅层地热能开发利用若干问题的思考，中国国土资源报， 2009.4.3.

[2] 卫万顺.关于推进浅层地热能开发利用的建议，中国国土资源报，2009.4.3.

Study on the Key Problems of Development and Utilization of Shallow Geothermal Energy

WEI Wanshun1, LI Ningbo1, RAN Weiyan1, YANG Junwei1, WANG Zelong2
（1.Beijing Geology Prospecting and Developing Bureau, Beijing 100195; 2.Beijing Geological Survey Beijing 102206）

The shallow geothermal energy is a new-kind of renewable, green, clean energy, which has a wide developing prospect. To satisfy the needs of rapid development of the shallow geothermal energy, it is necessary to study the key problems during its development. The study shows that—It is necessary and urgent to survey and evaluate the shallow geothermal energy; We should forecast and pay attention to the infuence of shallow geothermal energy’s exploration on the geological environment; The positivity to exploit the shallow geothermal energy is obviously restricted by the fnal economical benefts; It needs related government policy to enhance the rapid development and utilization of the shallow geothermal energy. As a result, it needs improving the whole society’s cognition to the shallow geothermal energy.

shallow geothermal energy; development and utilization; key problem

TK529

A

1007-1903(2009)03-0001-05

卫万顺（1964－ ），男，博士后，教授级高工，主要从事地质工作管理及地质战略研究工作。