李寧波，楊俊偉，于 湲，李 翔，柯柏林

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2.中國地調(diào)局淺層地溫能研究與推廣中心，北京 100195；3.北京市地熱研究院，北京 100012）

開放與創(chuàng)新結(jié)合促進京津冀地熱“兩能”發(fā)展

李寧波1、2，楊俊偉1、2，于 湲1、2，李 翔1、2，柯柏林3

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2.中國地調(diào)局淺層地溫能研究與推廣中心，北京 100195；3.北京市地熱研究院，北京 100012）

地熱、淺層地溫能（以下簡稱地熱“兩能”）是一種新型的可再生能源，具有儲量大、清潔、就地取材、可再生等優(yōu)點，其開發(fā)利用對改善空氣質(zhì)量、落實綠色發(fā)展理念具有重要作用。京津冀地區(qū)是地熱“兩能”開發(fā)利用程度最高、應用規(guī)模最大的地區(qū)。特別是以北京經(jīng)驗為基礎，促成了全國范圍內(nèi)淺層地溫能勘查開發(fā)工作的大發(fā)展。如何使地熱“兩能”為京津冀協(xié)同發(fā)展的生態(tài)文明建設做出更大的貢獻值得思考。本文在北京市地勘局多年淺層地溫能研究與推廣實踐經(jīng)驗總結(jié)的基礎上，提出應深入落實中央提出的的五大發(fā)展理念，開發(fā)與創(chuàng)新結(jié)合積極推進京津冀地區(qū)地熱“兩能”的高效利用。

開放；創(chuàng)新；淺層地溫能

0 引言

淺層地溫能在減少大氣污染、改善空氣質(zhì)量中可發(fā)揮重要作用。京津冀地區(qū)淺層地溫能資源豐富，利用潛力大，調(diào)查評價表明，京津冀13個地級以上城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能每年可利用熱量折合標準煤9200萬t，相當于能源總消耗的20%。若利用熱泵系統(tǒng)進行開發(fā)利用，可實現(xiàn)冬季供暖面積29億m2。目前，京津冀地區(qū)淺層地溫能總服務面積約8500萬m2，占全國利用淺層地溫能供暖制冷面積的20%，是我國淺層地溫能開發(fā)利用程度最高、應用規(guī)模最大的地區(qū)。如何實現(xiàn)京津冀三地淺層地溫能更高效科學利用值得思考（中國地質(zhì)調(diào)查局，2015）。建議開發(fā)與創(chuàng)新結(jié)合，積極推進該清潔能源的利用，有效緩解大氣污染，實現(xiàn)綠色發(fā)展理念。

1 開放是京津冀新能源發(fā)展必然選擇

十八屆五中全會提出了“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的五大發(fā)展理念，集中反映了我們黨對經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)律認識的深化。面對國內(nèi)國外兩個大局的新變化、新特點、新趨勢，習近平總書記及時提出開放發(fā)展新理念，豐富開放發(fā)展新思想，指出：“人類的歷史就是在開放中發(fā)展的。任何一個民族的發(fā)展都不能只靠本民族的力量。只有處于開放交流之中，經(jīng)常與外界保持經(jīng)濟文化的吐納關(guān)系，才能得到發(fā)展，這是歷史的規(guī)律。”京津冀協(xié)同發(fā)展需要開放共享，以開放激發(fā)京津冀協(xié)同發(fā)展活力。

地勘單位應適應新形式、新發(fā)展，開闊思路，以開放的思想迎接新機遇、新挑戰(zhàn)。通過開放交流，我們了解到淺層地溫能行業(yè)發(fā)展需求及存在的問題包括：如何驗證淺層地溫能的資源屬性、資源的可再生性；如何提高淺層地溫能的使用效果，提高系統(tǒng)功效？如何實現(xiàn)多能聯(lián)合利用，提高可再生能源利用率？另外，了解到新技術(shù)新方法進展及應用情況，如貴州省利用低成本的物探勘查技術(shù)，查明項目區(qū)巖溶裂隙發(fā)育情況，避開巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，推薦地埋管布孔區(qū)，提高成孔率（可保證成孔率98%以上）；選擇巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，推薦水源井位（水源熱泵成本遠低于地源熱泵），部分替代地源熱泵，降低工程造價。陜西省出現(xiàn)了干熱型地熱資源供暖技術(shù)，即通過鉆機向地下一定深度高溫巖層鉆孔，在鉆孔中安裝一種密閉的金屬換熱器，經(jīng)過換熱器傳導將地下深處的熱能導出，并通過專用設備系統(tǒng)向地面建筑物供熱的新技術(shù)。還有研究者提出了熱泵系統(tǒng)的革命——冰源熱泵，冰源熱泵可以克服傳統(tǒng)熱泵的缺點，就是在低溫水與蒸發(fā)器中間加裝一套制冰裝置，使水在制冰裝置中可控結(jié)冰，而不是在蒸發(fā)器中結(jié)冰（衛(wèi)萬順等，2010）。

2 創(chuàng)新是適應京津冀新能源發(fā)展驅(qū)動力

針對需求及存在的問題，北京市地勘局主動作為，創(chuàng)新開展了如下幾方面的工作：1998年，敏銳觀察到行業(yè)發(fā)展的動向，找到了地質(zhì)工作與暖通行業(yè)的新的結(jié)合點，作為延長地勘單位工作鏈的一種新方向，率先在勘技院開展了熱泵系統(tǒng)的實驗。并不斷與清華大學、機組設備商進行合作，開展研究與實踐；理論研究、監(jiān)測、現(xiàn)場測試等方面的關(guān)鍵技術(shù)研究獲得重大突破；建立了多能復合應用系統(tǒng)模式，并成功實踐到用友軟件園等大型項目；經(jīng)過多年市場工程實踐，中國地調(diào)局、北京市財政、科協(xié)等單位公益項目的資助，創(chuàng)立了淺層地溫能地質(zhì)學理論體系和淺層地溫能資源勘查評價體系。實驗研究方面的創(chuàng)新工作如下：

2.1 在張家灣建設了淺層地溫能換熱機理實驗平臺

通過建設實驗平臺，進行地埋管換熱系統(tǒng)單季節(jié)持續(xù)取熱試驗，分析研究地溫場變化特征和淺層地溫能可再生性的特性，進一步探討淺層地溫能資源的形成機理?；亟ㄖ娣e400.9m2。建成的地源熱泵系統(tǒng)：單個換熱器深度120m，布置地下?lián)Q熱器的數(shù)量為9個，間距為5×5m。地源熱泵運行監(jiān)測系統(tǒng)：熱泵機房監(jiān)測內(nèi)容包括溫度、流量、電力參數(shù)和壓力監(jiān)測，分別配置溫度傳感器、電磁流量計、電表、壓力傳感器；地溫場監(jiān)測系統(tǒng)設地溫監(jiān)測孔布6個，布設在兩個換熱器之間；建立2眼常溫監(jiān)測孔（圖1）；地埋管換熱孔及監(jiān)測孔中下入溫度傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控與傳輸。經(jīng)過監(jiān)測得出基本結(jié)論：在取熱條件下?lián)Q熱區(qū)域內(nèi)外巖土地溫場總體呈下降趨勢，過渡季地溫場基本恢復，但各點恢復的速度不同。

該平臺還有一個重要作用，就是未來與地下水試驗平臺和地面沉降監(jiān)測平臺的互相融合，從地下全方位研究淺層地溫能開發(fā)的影響及與地下水和地面沉降相互作用的關(guān)聯(lián)程度，探索其規(guī)律性。

圖1 張家灣地埋孔及地溫監(jiān)測孔分布位置Fig.1 The distribution curve of geotemperature monitoring well

2.2 地質(zhì)環(huán)境影響監(jiān)測技術(shù)方法的創(chuàng)新

創(chuàng)新提出地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測體系建立的方法，如同間距、不同地層溫度傳感器的布設，以北京為經(jīng)驗，已推廣應用至山東、武漢、重慶地區(qū)。另外，傳感器長時間埋設在地下一旦損壞無法進行維修或更換，導致地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點位的缺失。針對這一問題我們對地埋管內(nèi)安裝溫度傳感器的方法進行了研究，探索該方法實施的可行性，并配合熱響應測試、長期監(jiān)測，與地埋管外安裝方法進行對比，檢驗了管內(nèi)測溫的時效性與準確性，見圖2。

圖2 地埋管內(nèi)安裝溫度傳感器的方法Fig.2 The method of installing temperature sensor in PE pipe

2.3 開展新型毛細管技術(shù)應用研究

在平谷基地率先開展了淺層地溫能應用綜合效能及地質(zhì)環(huán)境影響實驗平臺及研究基地建設，其中一間房間空調(diào)末端形式為地板供暖+大溫差風機盤管+新風系統(tǒng)+毛細管網(wǎng)輻射系統(tǒng)，研究不同室內(nèi)末端形式的能耗和舒適度差別研究，為后來工程項目實踐中采用毛細管技術(shù)打下了良好的基礎。

2.4 成功研制了淺層地溫能現(xiàn)場熱響應測試設備

為了解決淺層地溫能開發(fā)利用中的關(guān)鍵技術(shù)問題，開展了熱響應測試方法技術(shù)研究。在詳細調(diào)研國內(nèi)、外熱響應測試方法、先進技術(shù)以及理論成果資料的基礎上，在現(xiàn)有的淺層地溫能測試儀的基礎上改進結(jié)構(gòu)及功能，提高測試儀的控制和儀表精度，并提高測試儀使用的安全性和便捷性。研制了一臺改進型的淺層地溫能測試儀，該測試儀能夠進行巖土初始溫度測試、穩(wěn)定熱流熱響應測試和穩(wěn)定工況測試，控制精度高、運行穩(wěn)定，且易于攜帶運輸，使用方便。同時編制了淺層地溫能測試儀使用手冊，該測試儀取得了國家實用新型專利一項見圖3（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，2013）。

圖3 測試儀外觀Fig.3 The appearance of tester

2.5 開展奧運村再生水熱能綜合利用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

為了給奧運村再生水熱能綜合利用系統(tǒng)的設計和運行提供技術(shù)支撐，開展了奧運村再生水熱能綜合利用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，本研究針對城鎮(zhèn)再生水源熱泵技術(shù)實際應用中提煉的關(guān)鍵問題，主要通過實驗手段，圍繞以熱能回用為目標的二級出水水源特性、污垢熱阻時變特性及混合污垢組成特性，研究了二級出水在板式換熱器內(nèi)的成垢規(guī)律及其影響因素，為城鎮(zhèn)再生水源熱泵系統(tǒng)設計提供了必要的基礎數(shù)據(jù)及獲取基礎數(shù)據(jù)的研究方法，提出了成套解決方案和二級出水板式換熱器污垢對策問題，并編制了大型城鎮(zhèn)再生水源熱泵系統(tǒng)性能模擬仿真軟件，為解決城鎮(zhèn)再生水源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題提供了可行的途徑，見圖4。

圖4 板式換熱器性能實驗系統(tǒng)外觀Fig.4 The appearance of experiment system for performances of plate heat exchangers

我們利用科研成果開展市場化運作，實施北京奧運村再生水源熱泵項目，采用附近清河污水處理廠的再生水作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，為43萬m2建筑供暖、制冷。該項目從再生水熱泵冷熱源中獲取789萬kWh千瓦時的能量，節(jié)約標煤3600t，相當于減排二氧化碳8600t，每平方米全年耗能是現(xiàn)行節(jié)能建筑能耗量的三分之一。該項目為國內(nèi)首例大型再生水熱泵系統(tǒng)工程，曾獲得美國綠色建筑LEED金獎和綠色生態(tài)建筑節(jié)能金獎（國奧投資發(fā)展有限公司等，2008）。

2.6 大型淺層地溫能利用工程項目的創(chuàng)新實施

從奧運項目進一步引申到上海世博軸項目，世博軸在國內(nèi)首次最大規(guī)模的應用地源熱泵以及江水源熱泵技術(shù)的空調(diào)冷熱源集成技術(shù)。運用地源+江水源熱泵技術(shù)設計的世博軸“綠色空調(diào)系統(tǒng)”，實現(xiàn)了100%的再生能源運用。這個自主設計、自主開發(fā)、自主施工的項目，創(chuàng)造了中國建筑史上的一個新紀錄。不僅獲得了廣泛的社會效益，更獲得了客觀的經(jīng)濟效益，節(jié)能達到30%以上。

另外，實施了首個復合能源系統(tǒng)用友軟件園地源熱泵項目，首次實現(xiàn)土壤源熱泵+冰蓄冷+水蓄能復合能源解決方案，是集熱泵技術(shù)、變頻技術(shù)、夏季蓄冰、冬季蓄熱技術(shù)和地下土壤的換熱技術(shù)有機合理地結(jié)合為一體的復合式能源系統(tǒng)，是暖通空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)的一次革命性的技術(shù)創(chuàng)新。用友軟件園總建筑面積約47.3萬m2。冬季采用熱泵＋燃氣鍋爐調(diào)峰方式供暖，夏季采用熱泵+冰蓄冷技術(shù)進行制冷,每年節(jié)約運行費用約400萬元。同時較比常規(guī)供暖方式節(jié)能30%左右,每年可節(jié)約1400t標準煤。

該項目的創(chuàng)新還包括地埋管的集中大規(guī)模優(yōu)化布孔方案和地質(zhì)環(huán)境影響監(jiān)測系統(tǒng)的設計。通過研究近10年的運行和監(jiān)測數(shù)據(jù)，事實證明集中規(guī)模布孔是可行的。經(jīng)過認真勘查和測算，不會對地下水、地下溫度場運行效率產(chǎn)生不可逆的不良影響。

3 開發(fā)與創(chuàng)新結(jié)合，推動京津冀新能源發(fā)展

開放一方面是思想理念的解放，不固步自封，同時也是空間地域上聯(lián)動。京津冀發(fā)展必然是三地的聯(lián)動往來，北京城市副中心建設必將涉及河北廊坊的北三縣，同樣，新機場的建設離不開廊坊市，冬奧會建設離不開張家口市。

創(chuàng)新包括理論創(chuàng)新、科技創(chuàng)新等方面。首先地質(zhì)學理論需要不斷創(chuàng)新，特別是要加強城市地質(zhì)學理論的創(chuàng)新與發(fā)展，加強地質(zhì)工作與經(jīng)濟建設發(fā)展需求的銜接跟進?？萍紕?chuàng)新是提高地質(zhì)工作服務能力的重要支撐，包括地熱“兩能”勘查手段、評價體系、鉆探技術(shù)、綜合應用手段方法等方面的創(chuàng)新。

北京開發(fā)利用地熱“兩能”的優(yōu)勢是起步早，資源豐富，技術(shù)成熟；管理規(guī)范，規(guī)章、標準相對健全；政府支持，已發(fā)布鼓勵政策。不足之處是深層地熱供暖方面，北京只有200萬m2左右，不足河北和天津的十分之一。為促進深層地熱的發(fā)展壯大，需要管理體制機制的創(chuàng)新。因此建議各相關(guān)部門應理念創(chuàng)新、加強實踐、政策管理跟進。

作為從事地熱“兩能”技術(shù)及管理人員應開放思想，廣泛收集信息，走出去參與國內(nèi)、外不同層次的學術(shù)、技術(shù)交流與考察，多聽多看，豐富信息輸入，開放交流互鑒。資源為我所用，與時俱進，不斷創(chuàng)新，如山東已研究用地板采暖的方式制冷，學習其如何控制濕度等技術(shù)要點。開放合作，創(chuàng)新研究思路，拓展研究方向，探索干熱型地熱資源的利用，開展相關(guān)實驗研究工作，使地熱“兩能”的開發(fā)利用再上一個新臺階，為節(jié)能減排和京津冀協(xié)同發(fā)展做出更大貢獻。

北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，2013. 熱響應測試方法技術(shù)研究報告[R].

國奧投資發(fā)展有限公司，北京市天銀地熱開發(fā)有限責任公司，2008. 奧運村再生水熱能綜合利用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究結(jié)題報告[R].

衛(wèi)萬順，李寧波，冉偉彥，等，2010. 中國淺層地溫能資源[M]. 北京：中國大地出版社.

中國地質(zhì)調(diào)查局，2015. 支撐服務京津冀協(xié)同發(fā)展地質(zhì)調(diào)查報告（2015年）[R].

Combination with Development and Innovation for Eff i cient Use of “Two Geothermal” in Beijing-Taijin-Hebei Economic Zones

LI Ningbo1,2, YANG Junwei1,2, YU Yuan1,2, LI Xiang1,2, KE Bolin3

(1. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Shallow Geothermal Energy Promotion Center, China Geological Survey, Beijing 100195; 3. Beijing Geothermal Research Institute, Beijing 100012)

The shallow geothermal, geothermal energy (hereinafter referred to as the "Two Geothermal") is a new type of renewable energy, which is abundant, clean, local energy, etc., its development and utilization plays an important role in improving air quality and implementation of the green development concept. The utilization of“two geothermal” in Beijing-Taijin-Hebei Economic Zones is the most developed and largest in China. Especially, the experience of Beijing greatly promotes the development of shallow geothermal in China. It is worth to think about that how to make “two geothermal” be greater contribution for the ecological civilization construction of Beijing-Taijin-Hebei Economic Zones. Basing on years’ experience and study of Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau in the shallow geothermal, we advocated that it must be further implemented “Five Concepts”for development, combining with development and innovation for eff i cient use of “Two Geothermal” in Beijing-Taijin-Hebei Economic Zones.

Development; Innovation; Shallow geothermal

P314

A

1007-1903（2017）01-0001-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.001

李寧波（1962- ），男，高工，地熱、淺層地溫能勘查開發(fā)研究。E-mail：dkjlnb@163.com