地热清洁取暖大有可为

2020-09-03

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。


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