地熱能在區域能源領域中的應用和發展
時間:2022-02-19
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當前，地熱能的開發已步入了規模化、區域化發展的新時代，技術和管理水平日臻成熟。新形勢下，行業從業者應對地熱能的區域化發展有充分的認識。帶著大規模應用地熱能是否可行、怎樣可行、如何能融入區域能源體系等問題，本文將從地熱能開發角度出發，從3個方面提出地熱能如何在區域能源發揮作用：一、解讀區域能源相關概念；二、地熱能在區域能源中的應用及環保作用；三、地熱能應用的普遍性原則。從產業鏈及資源方面，闡述如何提高效率、優化利用地熱能資源。分享相關成果，共學共勉。
當前，中央對推進生態文明建設、推動綠色發展十分重視。各級、各地方也有較大比重的考核指標，其中一項重要工作就是能源結構調整。如何調整？主要還是從兩個方面來講：一是能源消費端，減少能源的使用，如綠色建筑以超低能耗、近零碳排放實現指標控制。二是能源供給端，也就是提供怎樣的能源。十九大報告為我們指明了方向：“構建清潔低碳、安全高效的能源體系。”
作為可再生能源利用的典范——地熱能的開發利用已受到廣泛的關注和認可。而今，我國很多地方已開發利用地熱能為建筑供暖和制冷，解決了很大比例的建筑用能需求，促進了區域一次能源消耗量減少、污染物指標下降、能源供給質量和水平提升，契合了中央的指示精神。因此，為確保打贏藍天保衛戰，近一段時期，中共中央、國務院在多次重要會議上強調清潔取暖要以“宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤、宜熱則熱”為原則，因地制宜地把城市區域的發展和能源結構的調整優化結合起來考慮和部署。地熱能又迎來了一次重大發展機遇。
我國地熱資源特點是以淺層地熱能和中低溫地熱為主、高溫為輔，適宜為建筑供暖和制冷，少數地區的優質地熱資源可以用來發電。截至2017年底，我國利用地熱供暖建筑總面積超過7億m2。且隨著城鎮化建設步伐加快，地熱開發利用規模在不斷擴大，百萬平米級建筑群的地熱應用項目層出不窮。一方面說明我國地熱開發利用技術發展迅猛；另一方面，與過去相比，地熱區域化發展已成趨勢，呈現出更多新的特點，這也給我們帶來了新的挑戰。未來，如何使地熱能更好地服務并融入區域能源發展，使之成為一條人口、資源、環境相協調的可持續發展道路，作為行業從業者的使命，還應在扎實做好基礎工作的前提下，充分發揮創新能動作用，促進地熱產業發展壯大。
1 對“區域能源”的認識
1.1 “區域能源”的出現
19世紀末，隨著人類進入工業革命時期，能源的使用和消耗呈現猛增態勢。化石燃料和電力的產能已不能滿足規模急劇擴張的工業生產和居民生活需求。為促進能源效率和環境質量的提高，歐美一些國家將用能的“小而分散”轉變為“大而集中”，通過區域供冷、供熱與熱電聯產等先進技術，實現高效滿足區域內所有用能需求，即“區域能源”。
區域能源最早就是從區域供暖項目誕生的。100多年來，“區域能源”的內涵在不斷進化。現今定義為：一切用于生產和生活的能源，在一個特指的區域內得到科學的、合理的、綜合的、集成的應用，完成能源生產、供應、輸配、使用和排放過程，稱之為“區域能源”。“區域”：可以是一個城市、一個工業區或大型居住區，也可以是一個小區或建筑群，涵蓋從熱電聯產，到集中供暖、區域供冷、供電等各種技術措施。“能源”：燃煤、油、氣，可再生能源（包括地熱能），生物質能等；可以是一種，也可以是多種能源互補應用（許文發，2016；伍小亭等，2019）。
區域能源的出現，在很大程度上減少了二氧化碳的排放，并且節省開銷、經濟實惠。因此，一直以來反響良好（供熱制冷，2010）。
1.2 地熱能服務區域能源
20世紀70年代，世界石油危機出現，新能源在區域能源中的發展迎來了轉機，地熱能的開發利用得到了全世界的重視。在時任地質部部長李四光教授的帶領下，我國也掀起了地熱開發的第一次高潮（北京市國土資源局，2008）。中國成為世界第8個地熱發電國家。北京成為世界6個具有地熱田的首都之一。同時，全國許多地方也開展了地熱供暖、水產養殖、溫室種植、溫泉洗浴（醫療）、工業利用和農產烘干等地熱直接利用（鄭克棪，2019）。
地熱能作為可再生能源融入區域能源應用，為區域能源的發展開辟了一條嶄新的道路。在已探明的地熱田地區，結合區域規劃建設及用能需求，優先利用地熱資源，可以解決或部分解決區域供電、供暖（冷）等問題。其優勢在于：1）環保性強，地熱資源可再生，其應用減少了化石燃料的使用，降低了污染物排放，同時，緩解了地區能源供給緊張；2）經濟性和保障性高，地熱能來源穩定，能源品質較高，無論是單一供給還是成為其它能源形式的補充，都能有效提升區域能源供給的經濟和穩定性。因此，在當前我國城鎮化以及低碳城市建設步伐加快形勢下，地熱能已成為發揮區域能源節能、經濟作用的重要支撐。
如今，地熱產業在我國已發展壯大，尤其是地熱直接利用量已躍居世界首位。并且，地熱經濟規模還在持續增長。但就全國層面來講，我國地熱能的開發利用方式較發達國家相比，還顯得比較粗放。濫采濫排、無序開發現象時有發生，有些地方造成負面大于正面的環境影響，有違“初心”。縱然有多方面因素共同使然，但在一定程度上阻礙了產業健康發展。為此，我國多地已出現十分嚴格的地熱開采管理法規。新形勢下，地熱開發更應精細化運作，從技術、經濟和管理等方面創新思路，提出解決問題的辦法。
地熱能供應和應用的科學合理會帶來更好的經濟和環境效益。筆者曾于2004年就提出“地熱水廠”的概念：在地熱資源較優質地區，在地區政府主導下，由一至兩家單位對區內地熱資源進行統一勘查、規劃、開發、供給、管理等，實現地熱資源的統籌利用。“地熱水廠”可以較少的地熱資源消耗發揮較大的優勢：一、對于地熱資源富集區域，如北京小湯山地區地熱資源條件很好，可解決旅游度假、休閑養生和農業種養殖。二、解決區域一定范圍內集中供熱問題，這是一個集約節約利用地熱資源的方案。這種理念已在江西宜春、山東臨沂、河北雄縣等地實施。
以北京某地熱田為例，2017年，該地區地熱水開采共計309萬m3，其中用于供暖183萬m3，溫泉洗浴126萬m3。總地熱井數118眼。區域內供暖單位10家，供暖總面積僅為25萬m2。
根據上述情況分析，若采用“地熱水廠”熱水統一供給模式，按照單井出水量及溫度測算，在滿足該地區供暖、洗浴需求前提下，地熱開采井需要數量小于10眼。按1:1.5配置回灌井的情況下，總計最多25眼井可滿足該區域全部地熱使用。單從經濟性上看，集約節約利用主要體現在：（1）統一勘查，區域布局更加合理，減少勘探成本；（2）統一開發，減少地熱井鉆探及建造成本；（3）統一建設，優化設計及系統，減少管網和設備建設成本；（4）統一利用，充分利用地熱資源，如梯級利用等，單位水量供能量增加，減少輸送成本；（5）統一管理，減少人員及維護成本。有效地減少經濟和自然資源浪費。
因此，針對地熱能融入區域能源的利用形式，為更好地優化利用資源，我們提出：在一定區域內，在目前工藝條件下，通過合理的開發技術和手段，能夠獲取的經濟實用的、能夠滿足或部分滿足區域內有效使用的地熱能，或者可以有機地融入區域能源綜合利用系統的地熱能，稱為“區域地熱能”。
需要強調的是，區域地熱能不等同于大規模開發利用地熱資源，更講究資源利用的科學性、合理性。是從能源供給端到使用端，實現高度的環節統一與智慧管理，在一定范圍內形成資源節約、經濟性好、持續和保障性高的能源供給鏈，滿足區內不同的用能需求。
2 地熱能在區域能源中的應用及環保作用
2.1 在國際上的應用
冰島是世界上少數幾個擁有十分豐富地熱資源的國家之一。20世紀70年代以來，大力發展了本國地熱能的開發與利用。至2018年，全國90%的采暖是由地熱能供應的，90%的游泳池由地熱能加熱，地熱發電裝機容量755兆瓦。其中，首都雷克雅未克全部利用地熱采暖，該地區50多個地熱井，主要由該市能源公司運營，也是世界上最大最成熟的地熱供暖系統。另外，冰島還利用地熱資源養魚、除雪、溫室種植、工業生產等，已形成了資源開發與環境保護相協調的發展模式。
另一個地熱能利用示范案例的國家則是土耳其。截至2019年，全國11.6萬所住宅供暖，450萬m2溫室，4.64萬所酒店、康養設施，以及部分工業烘干、制冷等采用地熱能供給，地熱直接利用總量達3500兆瓦，成為地熱非電利用世界前四的國家。但其最受矚目的還是近些年在地熱發電領域的突飛猛進。土耳其地熱發電裝機容量經十幾年的發展，已從2005年的20兆瓦、世界第16位，飛躍至2019年的1595兆瓦、世界第4位，增長近80倍，成功進入世界地熱發電強國行列。不但環境清潔了，而且還使企業、居民用上了價格低廉的能源。其主要原因之一就是政府立法，凡投資地熱發電的均給予政策優惠。如基本激勵電價為10.5美分/千瓦時，額外激勵為2美分/千瓦時。極大地推動了社會資本參與地熱基礎設施建設。未來，該國還將繼續在干熱巖領域發展突破。
還有一些地熱開發強國，如美國、菲律賓、德國、瑞士等，都能很好地利用地熱為區域能源供給服務。在一些歐洲城市，幾乎所有需要的供暖和制冷都是通過地區熱、冷網提供的。而當前，全球碳排放問題也給世界地熱發展帶來了新的機遇，為地熱區域供能開辟了一條快速通道。
2.2 在我國的應用
區域能源在我國發展由來已久，只是人們更習慣稱之為“集中供暖”。2015年，中國就已建成世界最大的區域供暖系統，覆蓋建筑面積達85億m2。而地熱能則是在近幾年才在區域能源領域發力、發揮作用，但發展形勢良好。一些典型案例也值得借鑒和參考。
（1）地熱發電案例
西藏地區中高溫地熱資源豐富。1977年，我國最大地熱發電站——西藏羊八井高溫地熱發電成功。截至2014年底，羊八井地熱電站裝機容量24兆瓦，累計發電30.6億千瓦時，折合標準煤約95萬噸，減排二氧化碳260萬噸。還一度占到拉薩整個供電的60%，解決了區域供電問題（蔣勇，2014）。這是典型的地熱發電在區域能源中的應用。
（2）中深層地熱（水熱型）供暖案例
雄安新區是我國中東部地熱資源開發利用條件最好的地區，是自然資源部“打造地熱資源利用的全球樣板”的示范區。目前，其地熱資源利用已形成統一政策、統一管理、統一規劃、統一開發的“雄縣模式”（王少勇等，2017）。截至2018年底，雄安新區的雄縣和容城地熱供暖面積達700萬m2，基本實現了雄縣、容城城區地熱集中供暖全覆蓋。這是典型的地熱供暖在區域能源中的應用。
（3）淺層地熱能的開發與利用案例
北京城市副中心行政辦公區一期建設面積236.5萬m2，實現以淺層地熱能為主，中深層地熱為輔，其他清潔能源補充的方式，為建筑供暖和制冷。目前，該淺層地熱能復合系統已投入運營，效果良好。這是典型的地熱供暖/制冷在區域能源中的應用。
（4）旅、養產業發展案例
山東臨沂成立湯泉旅游度假區管委會，統一規劃、建設、管理區內地熱資源的開發利用。近年來招商引資200億元，建設規模300萬m2，利用地熱開發的溫泉、旅游、療養、種養殖等產業發展壯大。特色學校、聯合辦學培養地熱開發利用專業人才，帶動就業，推動區域經濟發展。這是典型的地熱旅、養產業在區域能源中的應用（臨沂市人民政府，2018）。
這些實際案例都證明：只要地熱能應用科學合理，是可以支撐區域能源系統運轉、解決區域供能問題，甚至能夠成為系統的主力軍。
2.3 服務生態文明建設
近些年，地熱能在我國著力的大氣污染防治方面發揮重要作用。一份由清華大學學者完成的《2013—2017年間中國PM2.5空氣質量改善的驅動力》報告指出，中國范圍內所有城市空氣污染水平在2013—2017年間從61.8mg/m3降至42mg/m3，下降了32%。其中，燃煤鍋爐整治和民用燃料清潔化分別使PM2.5濃度下降了4.4mg/m3和2.2mg/m3（Zhang et al., 2019）。而地熱能在其中發揮很大作用。
如北京市，2017年地熱及熱泵利用總量約67.6萬噸標準煤，減少46萬噸碳粉塵、168.5萬噸二氧化碳、5萬噸二氧化硫、2.5萬噸氮氧化物的排放，為北京地區降低PM2.5做出顯著貢獻。從圖1可以看出，近些年，北京市空氣質量在不斷提升，空氣污染細顆粒物指數在逐年下降。而北京市地熱能開發利用量也在不斷增長，并在其中發揮重要作用。地熱清潔取暖真正服務了生態文明建設。
3 地熱能應用的普遍性原則
《地熱能開發利用“十三五”規劃》提出“堅持因地制宜、有序發展”的原則。其中包含了自然條件和社會條件兩方面，即要充分掌握區域資源稟賦條件及特性，結合地方經濟、技術發展成熟度以及用能需求，統籌區域能源發展，科學合理地開發地熱能資源，實現資源集約節約利用。避免“一刀切”式的盲目開發，造成資源的浪費和環境的破壞。
因此，為使地熱能在區域能源應用中科學、合理，我們提出“地熱能應用的普遍性原則”，即在地熱能應用領域具有共識性的、普通適用的并應共同遵守的原則。地熱能的開發利用應在此原則指導下進行，忌采用盲從、激進的方式開發。如不遵守該原則，則可能會不同程度地造成損失或負面影響。同時，地熱管理也不可一刀切，而應在科學合理地論證下，充分發揮地熱能的保障作用：“宜發電則發電，宜供暖則供暖，宜冷暖則冷暖，宜溫泉則溫泉”。從產業鏈及資源的角度來講，發展地熱能需堅持“三個制宜”——因地制宜、因時制宜、因事制宜。
3.1 因地制宜
（1）地質勘查準確
不同區域地質條件呈現多樣性，甚至同一區域地下狀況也存在多變復雜性。因此，地熱能的開發利用對地質勘查工作要求很高，要盡可能提高其準確性。
例如北京延慶某村委會地源熱泵項目，擬在625m2范圍內布設25眼100m深地埋管換熱孔。在施工過程中發現，有換熱孔在地下80m處見承壓水，地下水徑流條件很好。通過熱響應測試結果發現，該類孔夏季工況換熱量達104W/m，換熱效果明顯優于前期未見承壓水的勘查測試孔。該區域地下15m即見基巖，因此準確勘查可有效減少室外建設成本。
再如干熱型地熱資源的應用，其地溫梯度是一項重要的參考指標。由于巖石的導熱性、地殼運動和水文地質條件不同，各地的地溫梯度有很大差異，華北地區為2.5℃/100m ~3℃/100m，大慶是4℃/100m ~5℃/100m，北京房山是2℃/100m，更有一些結晶巖區溫度梯度更小（北京市地質礦產勘查開發局等，2008；吳愛民等，2018），這對于干熱型地熱資源應用效果也是有很大差異的。
由此可見，地下地質條件是十分復雜的，地熱勘查做到十分精確是很困難的，但可以盡可能地提高其準確性。因此，在區域經濟、技術條件成熟情況下，重點發揮地質勘查工作在地熱開發利用中的基礎性、先行性作用，加大資金投入，提高覆蓋面及勘查數據精度，支撐地熱科學規劃，有效引導市場，降低風險。
（2）區域資源優化利用
多能互補的復合式應用是實現“因地制宜”的一種有效手段。未來區域能源的發展已不是單一能源品種就可以滿足的，而是多種能源互相補充、相互融合的利用方式。本地能源資源優先使用，充分發揮區域資源稟賦條件優勢。筆者也曾就如何實現地熱能創新模式而提出過“四個結合”，既能夠擴展供能的量和面積，系統的穩定性和經濟性也得到了提升（李寧波等，2017）。例如，北京大興國際機場地源熱泵項目，淺層地熱能提供了60%的基礎負荷，利用燃氣和冷卻塔調峰以及建設蓄能設施，實現257萬m2建筑的供暖和制冷，區域可再生能源利用率達10%。目前系統運行良好。
3.2 因時制宜
解放初期，人民溫飽尚未解決，集中供暖普及存在困難。改革開放初期，在寒區能夠滿足小范圍的供暖。在當時經濟社會發展狀況下，過高的環保要求是不現實的。隨著國力的上升、國民財富的增加、技術條件的進步，使國家有能力在環保和生態文明建設上下大力氣、辦大事，為世界做示范。
地熱的發展隨著國家經濟、社會發展水平的提升而提高。經濟基礎決定著上層建筑，也決定著人民對美好生活品質的需求程度。社會不同發展時期的發展重點和工作重心會有變化。當前，我國成為世界第二大經濟體、國家能源戰略調整、首輪全國地熱地質調查成果形成、地熱開發利用技術進步及社會認可等因素，共同促進我國地熱產業不斷發展壯大。從圖2對比可以看出，北京市地源熱泵項目隨著社會經濟發展而增長。未來，在經濟、技術條件適宜時期，可以著力擴大干熱巖、中低溫發電等技術推廣。
3.3 因事制宜
（1）用途不同
我國絕大多數地熱資源屬于中低溫地熱資源，以直接利用為主，用途包括建筑供暖/制冷、農業種養殖、溫泉旅游養生等。不同的用途對地熱利用的要求也不同。因此，還要“因事而異”，除了地熱水資源的物理因素，水溫、水量等，還要考慮化學成分是否適宜，結垢、微量元素指標等。要以地熱資源條件為基礎，選擇科學合理的應用方式，實現多種功能。
而一些品質優良的地熱水資源溫度較高，采用梯級利用的方式可以同時滿足發電、供熱（冷）等多種用途。一方面，提高了地熱資源的利用率，單位水量供能量增大，系統效率提升；另一方面，使地熱水用途更加廣泛，多種溫度需求可以同時滿足。因此，地熱梯級利用是要大力推廣的一種好方式。
（2）技術不同
在區域資源、經濟條件和用能需求均滿足的前提下，從技術層面來講，地熱開采過程中需考慮地上、地下兩方面問題：
第一，地下水、熱的動態平衡最重要。對于不抽取地下水的地熱能開發，如地埋管地源熱泵系統、中深層套管換熱等，需要考慮地下熱平衡問題，即全年運行以及運行季中地下凈取熱量和自然補給熱之間的關系，地層溫變應控制在合理的范圍內，避免系統能效下降嚴重；同時，地下水流動對地埋管換熱影響問題也需考慮。對于抽取地下水的地熱能開發除了熱量補給問題，還需考慮水量補給問題，回灌補給和自然補給能否滿足開采需要；控制水位下降速率，才能確保持續開采。以上兩種開采方式還應在開采區域面積和換熱影響半徑基礎上，考慮換熱孔的地下空間布局問題。
第二，關于地上設備選配問題。“馬”與“車”要匹配，在機組供能量、水泵揚程、管路流量、換熱器換熱量等滿足前提下的最集約、節約配置才是設備選配的最佳方案。系統初投資降低，運行能效提升。例如，業內提出的熱泵“小流量大溫差”供能方式，可以節約初投資，但關于能效問題，在供、取兩端是否都適宜，也因不同項目而異。
3.4 科學管控提供保障
科學的管控手段才是地熱產業續航的有效保障。技術支撐管理進步，管理促進技術發展，才是良好的互動關系。具體要做好3個方面的工作：
第一，做好智能控制。優化系統運行，運行工況與末端需求、熱源側熱交換相匹配，降低運行成本及能耗，實現自動智能管理。
第二，做好監測系統。完善地上運行和地質環境監測，能夠在運行過程中隨時發現問題。以長期監測數據為支撐，為科學管理提供服務。
第三，做好政府管理。明確地熱資源的歸口管理部門，做到管理統一化；政策、規劃出臺以數據為支撐，做到決策科學化；行政審批減少環節，做到項目落地便捷化。
4、結論
（1）通過實踐證明，地熱能的電、熱、冷等多種供能形式，是可以作為區域能源的主力的，或某一方面的主力；同時，也可以作為其他能源形式（如分布式能源系統）的有效補充。
（2）發展區域能源的“初心”是提升用能的經濟和環境效益，應充分利用區域可再生能源稟賦條件，與區域地熱能有機結合，統籌能源規劃與利用，提高可再生能源的利用率。
（3）我國地熱開發利用規模居世界領先，但技術和管理上還存在一定差距。作為區域能源利用的地熱能的開發需遵循普遍性原則,扎實做好基礎性工作，科學合理利用地熱資源。
