作者：汪集暘
地热是一种清洁低碳、分布广泛、资源丰富、安全稳定的优质可再生能源，对于我国能源结构转型发挥着重要作用。
我国北方地区、高原寒冷地区乃至南岭以南部分地区冬季气温低，建筑取暖需求大。近10年来，由于化石燃料使用过多，雾霾频发。对此，国家大力提倡利用包括地热能在内的清洁能源取暖，雾霾天数逐年减少，大气环境呈现向好趋势。
但随着地热能产业的发展，一些新的问题不断涌现。我国地热取暖产业潜力有多大？未来应当朝什么方向发展？如何引导产业高质量可持续地发展？本文基于以上问题进行探讨，并针对制定我国地热取暖产业发展战略提出建议。
我国地热资源潜力巨大
地热资源按深度划分为浅层、中深层和深层地热资源。浅层地热能通过钻孔热交换器（BHE）及热泵得以开发利用，其深度范围一般为200米以浅，包括土壤层及浅层含水层。中深层地热资源一般介于 200米和 3000米之间，开采系统还可细分为水热系统中的对流换热系统（在含水层中布置开采井和回灌井）和传导换热系统（深井换热系统-DBHE）。深层地热资源埋深通常超过3000米，可分为干热岩、水热系统。
在板块构造格局的影响下，我国主要沉积盆地的地热背景由东至西，依次为热盆、温盆和冷盆分布。东部的松辽盆地、渤海湾盆地、苏北盆地等属于热盆，地热资源相对丰富。在沉积盆地地热系统中，主要热储类型有砂岩孔隙型热储和基岩裂隙—岩溶型热储。其中，基岩裂隙—岩溶型地热储的热流体循环条件更加优越，开发利用潜力更大。
我国碳酸盐岩的分布总面积占陆地面积的1/3，裸露面积约为90万平方千米，隐伏面积达250万平方千米以上。基于岩溶发育程度的差异，以雄县地热系统和苏北地热系统为参照，采用类比法估算了全国岩溶热储地热资源潜力，结果为5000~50000亿吨标准煤，可见潜力巨大。雄安新区和北京市副中心均在岩溶型热储分布的渤海湾盆地内，实测大地热流值显示出了雄安新区极好的构造热背景。未来，在雄安新区和北京市副中心清洁取暖中，地热资源均将大有作为。
浅层地热能的利用始于20世纪60年代，近10年来，地源热泵系统在建筑物空调系统中的应用得到了快速发展，并取得了良好的节能效果。由于浅层地热能储量巨大和清洁环保，利用热泵技术，几乎适用于任何建筑物。长三角浅层地热能地质条件优越，适宜开发，在国家政策和市场需求的推动下，长三角地区地热取暖产业必将得到快速发展。
地热清洁取暖技术发展迅速
北方地区清洁取暖比例较低，特别是部分地区冬季大量使用散烧煤及热效率低下的小型燃煤锅炉，大气污染物排放量大，迫切需要推进清洁取暖。这与广大群众生活水平的提高和生活环境的改善息息相关。
地热取暖是利用地热资源，使用换热系统提取地热资源中的热量，向用户供暖的方式，其技术模式按照所利用地热资源、赋存介质特征及换热技术的不同，可以分为浅层地热能取暖（制冷）模式、水热型地热能取暖模式、中深层地源热泵取暖模式。
地源热泵技术是一种利用浅层地热资源的低品位热源、既可供热又可制冷的高效节能的空调技术。它能够实现对建筑物三联供系统的能源供给，是浅层地热能最主要的开发利用方式。地源热泵主要分为地埋管热泵、地下水热泵和地表水源热泵等。
中深层水热型地热资源一般深度在3000米以浅，由地下水作为传热载体，可以通过抽取热水或者水汽混合物提取热量。水热型地热取暖技术通过开采井抽取地热水，通过换热站将热量传递给供热管网中的循环水，输送给用户，温度降低后的地热尾水通过回灌井注入地下，实现循环利用。
中深层地源热泵技术基于同轴双套管水循环原理，将地热井内换热器加热循环出来的热水作为热源进入高温热泵机组，通过高温热泵机组的提升，达到建筑物供热所需的供水温度，实现向建筑物稳定供暖。它具有节能环保、应用灵活和稳定可靠等优势，是实现地热可持续利用的一种重要途径。但是，单井每延米取热能力有限，单一热源的供热能力有限。该项技术仅在我国个别地区试验性应用，未来的研究重点是通过钻孔与储层的关联强化、供热系统效率的优化来提高单井每延米的取热能力。
地热清洁取暖产业发展建议
随着经济发展和人民生活水平的不断提高，我国建筑面积预计至2050年达到500亿平方米，北方冬季取暖是刚性需求，南方有空调制冷的需求。建筑取暖和制冷市场巨大，在数万亿元人民币规模。随着人们生活水平的提高，对于清洁取暖的追求与日俱增，强大的内需不断拉动能源消费市场。
在国家层面，政府把清洁取暖提高到国家生态安全的高度来看待，政策导向势必不断推动能源转型和取暖方式的变革。此外，技术进步也为资源利用市场发展提供动力。清洁取暖技术与新风技术的融合，是现代建筑风气的普遍追求目标，而这两项技术都比较成熟。新兴技术也为今后地下、地上结合形成高效可持续的清洁取暖成套技术体系，创造了支撑条件。未来，技术的不断发展还将带动资源类型的不断扩展。比如，地表水源热泵的大量采用、海水源热泵的提升，为浅层地热能的利用带来新的巨大发展空间。
我国地热资源的开发利用在“政、产、学、研、用”的共同努力下进展迅速，成绩斐然。但是，在地热开发热潮下，也产生了一系列问题，如管理政策不完善、发展方向不明确、人才不足等。
为促进地热清洁取暖产业发展，笔者建议，首先应加强地热能开发的顶层设计。地热只是可再生能源大家庭中的一员，必须放在可再生能源发展的大局中去规划。要在国家层面上，充分考虑我国各个地区的地热禀赋与冷热需求，做好宏观规划。同时，还要在管理政策上加以完善，制定地热管理办法，明确管理部门，避免多头管理。出台优惠措施，鼓励和保护企业实施地热取暖；加强监管，对违法违规企业加大处罚力度，规范市场。
其次应明确地热资源开发思路，“热”“电”并举、西“电”东“热”——在高温地热丰富的西部地区优先发展地热发电，在东部地区则优先发展地热取暖；“深”“浅”结合、由“浅”及“深”——从浅层地热资源开发，逐步深入；“干”“湿”有度、先“湿”后“干”——现阶段不宜不计成本地开发干热岩，而应优先用好水热资源；“天”“地”合一、“动”“静”结合——充分发挥“地热 ”的模式，与太阳能、风能等可再生能源互补联动。
最后应全面推进人才队伍建设。自20世纪70年代以来，我们已经培养了一批专业技术人才，为我国地热产业发展做出了显著贡献。但我国地热市场规模巨大，相关企业有数千家之多，随着未来地热清洁取暖市场的进一步扩大，从科研、管理到技术，人才匮乏现象愈发显著。因此，高校和企业应当加大地热专业人才培养力度，打造常态化和可持续化的人才培养体系，为地热产业提供充足的人才支撑。
（作者系中国科学院院士）
《中国科学报》 (2020-09-02 第3版 能源化工)
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