我国地热清洁取暖产业现状与展望--汪集暘院士

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。中国地热能发展报告^[1]（2018）指出，根据《地热能开发利用“十三五”规划》，到2020年末，中国地热能年利用量将到达7000万吨标准煤当量（标煤），在一次能源消费总量（48亿t标煤）中的占比达1.46%，比2015年提高1%， “十三五”时期地热能利用增量将占非化石能源增量的1/3。显然，这将对于我国能源结构转型发挥重要作用。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。近年来，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。我国地热清洁取暖是一个新兴能源产业，在改善大气环境和优化能源结构中正在发挥越来越大的作用。10年来，我国地热清洁取暖在产业发展过程中遇到了各项瓶颈因素，包括政策、科技、市场多方面，但也取得了长足进展。在管理方面，从国家到地方出台了若干措施；在技术方面，在地热开采和热能转化利用的两个主要环节上也研发出了系列新方法、新技术和新工艺，社会需求和技术进步推动各地地热取暖市场健康发展，产业规模空前高涨，直接利用总量及其分项指标连续保持世界第一。但是，随着地热能产业的发展，一些新的问题也不断涌现。那么，我国地热取暖产业具有多大的潜力？未来发展应当朝什么方向？如何引导产业做到高质量可持续的发展？本文基于以上问题进行研究，并针对制定我国地热取暖产业发展战略提出建议。

地热资源按深度划分为浅层，中深层和深层地热资源^[2]。浅层地热能通过钻孔热交换器（Borehole Heat Exchangers ，BHE）及热泵得以开发利用，其深度范围一般为200 m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 m 和 3000 m 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 m，可分为干热岩或水热系统。

通过60多年的发展，我国大陆的热背景及地热资源分布逐渐清晰^[3]。我国处于两个全球性地热带上，西南地区的“滇藏地热带”是地中海-喜马拉雅地热带的东延地段，而东部的台湾地热带则属于环太平洋地热带。在这样的大地构造和区域地热背景下，西南形成了喜马拉雅地热带上的高温对流型地热系统，东部形成了环太平洋地热带上的高温对流型地热系统。这两个地热带地质构造均属于板块边缘地热带。

除此之外，全国其他地区，形成了大量广泛分布的中低温地热系统，其中包括：大型沉积盆地中的中低温传导型地热系统和隆起山区的中低温对流型地热系统。我国大型沉积盆地中蕴含着丰富的中低温地热资源。从成因类型上看，它们以中低温传导型地热系统为主，特别对于新生界砂岩热储而言，大多如此。然而，在基岩裂隙和岩溶空洞储层中，垂向对流比较强烈，在局部地带，往往是由于断裂边界活动的影响，形成传导-对流复合型的地热系统。

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。将我国的碳酸盐岩分布叠加在大地热流图上可知，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km^2，隐伏面积达250万km^2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t标准煤，可见潜力巨大^[4]。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^[5]。

我国地热资源的开发利用始于20世纪70年代初，受世界石油产量下降影响，大量的地热田得以开发，尤以水热型资源为主，主要用于旅游康养等产业，比较单一。近20年来，地热取暖超过洗浴，占主导地位，地热的非电热直接利用被作为能源的新门类，受到广泛重视。华北及其以北地区是地热取暖主战场。

近年来，受全球气候变化的影响，北部冷空气不断南下，雨雪分界线南移，南方居民冬季受寒冷潮湿气候的困扰加剧，长三角地区冬季取暖需求越来越强烈，该地区是地热开发利用的有利远景区。长三角地区的地热资源开发利用处于快速发展阶段。中深层水热型地热资源利用形式以温泉旅游为主，水产养殖等其他方式为辅。浅层地热能的利用始于20世纪60年代，近10年，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。

3.1  地热清洁取暖

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。

2014年6月，国务院办公厅印发《关于印发能源发展战略行动计划（2014-2020年）的通知》，鼓励有条件地区发展地热能等可再生能源取暖。2016年12月，中央财经领导小组第十四次会议决策推进北方地区冬季清洁取暖，加快提高清洁取暖比重。

2017年，国家发展改革委、科学技术部、住房和城乡建设部、财政部和国家能源局等部门先后印发《关于印发“十三五”节能减排综合工作方案的通知》、《京津冀及周边地区2017-2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》、《关于北方地区清洁供暖价格政策的意见》、《关于推进北方采暖地区城镇清洁供暖的指导意见》和《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》等相关政策与规划，为北方地区清洁取暖工作的开展提供了政策和财政支持。我国北方多省市陆续出台了相应的清洁取暖配套规划和实施方案。如河北省发布《河北省城镇供热“十三五”规划》，天津市发布《天津市居民冬季清洁取暖工作方案》，河南省发布《关于开展地热能清洁供暖规模化利用试点工作的通知》和山东省发布《山东省冬季清洁取暖规划（2018-2022年）》，这些规划积极推动了地热能等清洁能源取暖。北方地区清洁取暖工作进展顺利、成效显著。据国家能源局统计，截至2019年9月，北方地区冬季清洁取暖率达到50.7%，替代散烧煤约1亿t。其中，“2+26”个重点城市清洁取暖率达到72%，城市地区清洁取暖率达到96%，县城和城乡结合部的清洁取暖率达到75%，农村地区清洁取暖率为43%，整体超过规划目标。清洁取暖产业发展迅速，地热开发企业规模显著扩大。科技工作得到重视，基于中科院研发的关键技术和中石化的企业创新理念，双方合作打造的“雄县模式”在这个过程中发挥了不可替代的作用，在政府的高度重视下，示范引领效果显著。

 3.2 地热清洁取暖技术模式

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。

（1）浅层地热能取暖（制冷）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。

（2）中深层水热型地热能取暖模式。

中深层水热型地热资源一般深度在3000 m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。

（3）中深层地源热泵取暖模式。

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[6]，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、供热系统的效率的优化来提高单井每延米的取热能力。

[1] 自然资源部中国地质调查局, 国家能源局新能源和可再生能源司, 中国科学院科技战略咨询研究院. 中国地热能发展报告-2018[M]. 北京: 中国石化出版社, 2018.
[2] 汪集暘. 地热学及其应用[M]. 北京: 科学出版社, 2016.
[3] 汪集暘, 胡圣标, 庞忠和, 等. 中国大陆干热岩地热资源潜力评估[J]. 科技导报, 2012, 30(32): 25-31
[4] 庞忠和, 胡圣标, 汪集暘. 中国地热能发展路线图[J]. 科技导报, 2012, 30(32): 18-24.
[5] 庞忠和, 孔彦龙, 庞菊梅, 等. 雄安新区地热资源与开发利用研究[J]. 中国科学院院刊, 2017, 32(11): 1224-1230.
[6] 孔彦龙, 陈超凡, 邵亥冰, 等 深井换热技术原理及其换热量评估[J]. 地球物理学报, 2017, 60(12): 4741-4752.
[7] 清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2019[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2019.

引用本文： 汪集暘,庞忠和,孔彦龙等.我国地热清洁取暖产业现状与展望[J].科技促进发展,2020,16(z1):294-298. (WANG Jiyang,PANG Zhonghe,KONG Yanlong,et al.Status and Prospects of Geothermal Clean Heating Industry in China[J].SCIENCE AND TECHNOLOGY FOR DEVELOPMENT,2020,16(z1):294-298.)

作者简介：*汪集暘，院士，博士，研究员，博士生导师，研究方向：地热和水文地质。基金信息： 国家科技部国家重点研发计划课题（2019YFC0604901）：华南火成岩地区深层热源机制与地热系统成因模式，负责人：李义曼；中国科学院学部咨询评议项目（2020-DX03-B-007）：长三角地区地热资源及其综合利用研究，负责人：汪集暘。文章编号：1672-996X（2020）03-0294-05出版日期：2020-03-20网刊发布日期：2020-08-03a