邢 偉

(山西省保障性安居工程投資有限公司，山西 太原 030013)

淺析地熱供暖及其在天津的發(fā)展

邢 偉

(山西省保障性安居工程投資有限公司，山西 太原 030013)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對生活品質(zhì)的要求越來越高，傳統(tǒng)采暖方式污染嚴重、溫度不均勻、安裝不方便、舒適性差、能源消耗大、社會效益低下，已經(jīng)無法滿足人們對現(xiàn)代生活品質(zhì)的追求，以及環(huán)境友好型和資源節(jié)約型社會的建設(shè)需要，而地熱供暖作為一種環(huán)保、清潔、舒適的供暖方式逐漸被普及開來。分析了地熱供暖的原理、優(yōu)勢及環(huán)境效益等，結(jié)合天津地區(qū)地熱資源的開發(fā)和利用現(xiàn)狀，分析地熱供暖的可持續(xù)發(fā)展。

地熱供暖，地熱資源，開發(fā)利用,環(huán)保,可持續(xù)發(fā)展

地熱資源作為一種清潔、環(huán)保的可再生資源在近年來得到了廣泛應(yīng)用，通過對國內(nèi)外地熱資源開發(fā)實踐觀察發(fā)現(xiàn)：綜合開發(fā)利用地熱資源可以帶來較高的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。在我國，地熱水被應(yīng)用于洗浴、發(fā)電、供暖、溫室、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等各個領(lǐng)域，其中，將地熱井水用于供暖不但環(huán)保、節(jié)能，在工藝技術(shù)上也相對簡單可行。近年來，地熱供暖在我國天津、北京等地得到逐漸推廣，其供暖效果、環(huán)保效益取得了社會各界的廣泛認可。

1 地熱供暖

1.1 地熱供暖的技術(shù)原理

低溫輻射地板采暖利用埋設(shè)于地板下的導電管或鋁塑復合管(加熱管)，使地板的表面溫度加熱到18 ℃～32 ℃，然后使熱量均勻地輻射到室內(nèi)，從而完成室內(nèi)的采暖。同時可以通過分戶式氣體加熱爐、市政熱力管網(wǎng)、社區(qū)鍋爐房等各種各樣的方式提供熱量[1]。

1.2 地熱供暖的優(yōu)勢

1.2.1 環(huán)保節(jié)能

與煤炭、石油相比，地熱能源是清潔的、可再生的，深層地下水有著自身的循環(huán)系統(tǒng)，地熱水被抽上來用于供暖后，再循環(huán)到地下，整個水循環(huán)系統(tǒng)基本上是不消耗水的。

根據(jù)測試結(jié)果顯示，在實際中，中國的民用住宅建筑使用的地熱采暖系統(tǒng)的參數(shù)與目前工程設(shè)計中的常用參數(shù)存在著不小的差距，大約有31%～33%。這一差距表明，采用地熱資源供暖在節(jié)能方面仍有很大的潛力。與設(shè)計規(guī)范中同類別建筑物熱指數(shù)參考值的上限值最接近的是圖書館的平均熱指數(shù)。說明地熱采暖設(shè)計中，在不包括新風荷載的情況下，可參考使用設(shè)計規(guī)范中定義的熱指數(shù)。根據(jù)目前鍋爐采暖實際情況統(tǒng)計，大部分高層封閉式建筑采暖熱指標的設(shè)計約為每平方米120 W～150 W。如果使用地熱采暖，可以把實際加熱指數(shù)降低至大約每平方米100 W[2]。

采用地熱資源供暖可以帶來顯著的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益。地熱資源清潔高效，避免了使用常規(guī)能源帶來的環(huán)境污染,減少了由于燃料的燃燒所產(chǎn)生的排放物造成的污染。污染的減少勢必會大大節(jié)約環(huán)境治理的社會成本,提高了人民生活質(zhì)量和健康質(zhì)量。

1.2.2 經(jīng)濟高效

雖然地熱供暖初期投資較大，但地熱供暖系統(tǒng)中所消耗的維護費用、運行費用相對于傳統(tǒng)集中供暖形式大大減少，長期來看，地熱供暖經(jīng)濟性較強。傳統(tǒng)集中供暖一次性投資量大，而運行過程中燃煤、燃油耗費的成本巨大，由于石油、煤炭資源供不應(yīng)求，今年來煤炭、石油價格一直居高不下，可見傳統(tǒng)集中供暖長期運行經(jīng)濟性較差。

1.2.3 技術(shù)簡單可行

地熱供暖通過打地熱井、提取地下熱水并用于供暖系統(tǒng)而實現(xiàn)，整個工藝流程相對簡單可行，對水溫的要求也相對寬松，15 ℃～180 ℃的地熱水均可用于供暖，而對于溫度較高的地熱水，可免去加熱直接用于室內(nèi)供暖，進一步簡化了供暖流程，并減少了供暖過程中的熱能損失，最大程度發(fā)揮地熱資源效用。另外，隨著國內(nèi)外地熱井水供暖技術(shù)的不斷發(fā)展，地熱井水工藝技術(shù)不斷成熟和完善起來，在實踐運行過程中體現(xiàn)出良好的可行性、合理性、科學性。

1.3 地熱供暖的綜合利用

綜合利用地熱資源供暖在建筑工程的實際應(yīng)用中有很多方案，較為常見的有以下三種：第一種，在直接供暖的情況下，地熱井開采的地熱水溫度和流量能為其所負擔的建筑的供暖提供充足的負荷，而且在供暖的同時，把供暖尾水進行除錳除鐵等水處理，達到相應(yīng)的標準，然后把地熱水用作生活熱水、溫泉、洗浴等其他用途。第二種，在直接供暖的情況下，地熱井開采的地熱水溫度和流量能為其所負擔的建筑的供暖提供充足的負荷，并且地熱水也不作其他用途，那么對供暖尾水就進行直接回灌。第三種，在直接供暖的情況下，地熱井開采的地熱水溫度和流量不能為其所負擔的建筑的供暖提供充足的負荷，這種地熱水直接供暖的尾水大約是30 ℃～40 ℃，把它作為地熱熱泵所用的熱源水，然后利用地熱熱泵機組把溫度較低的熱源水變?yōu)榭梢詽M足供暖需要的熱媒水，大約60 ℃～70 ℃，就可以用于散熱器的供暖或地板輻射供暖。如果地熱水溫度太高，那么第一級采用散熱器供暖，第二級采用地板輻射供暖，兩級供暖串聯(lián)即可。

2 天津地熱供暖的發(fā)展

2.1 天津地熱形成機理

目前，在眾多的資料和文獻中，可以看到一個比較一致的看法：在地球內(nèi)部的礦物和巖石中，可以找到一些放射性元素，如鈾235、鈾238、鉀40和釷23,它們生熱率較高、具有足夠的豐度且半衰期與地球年齡相當。雖然在第三系中有多層熱儲，但是這些元素的原子核在衰變的過程中都會釋放一定的能量，是構(gòu)成地球內(nèi)部的主要熱源之一[3]。

根據(jù)地球活動板塊劃分的規(guī)則，中國的華北斷裂帶位于距塊體俯沖帶數(shù)千公里的歐亞板塊內(nèi)部，這一地區(qū)是一個非常典型的剛體巖石圈，具有古老的裂谷特點，這里的地殼減薄，地幔上穹。由于上地幔上升隆起，地處較低的高溫地熱能源從華北斷裂帶的底部向上流動，帶來了豐富的熱能。因此，上地幔的高溫熱流將會轉(zhuǎn)移到淺地殼，從而形成地殼淺層的第二個熱源[4]。

總而言之，華北地區(qū)在其地理構(gòu)造演化進程中，造成了本地區(qū)的地殼花崗巖厚度增加、頂板埋深變淺，內(nèi)部的一些半衰期較長且具備足夠豐度的放射性元素在漫長的歷史衰變中所聚集的熱能，使得地球內(nèi)部有了明顯的增溫；較高溫度的上地幔熱流在較為活躍的冒地槽與古老的地盾和之間的地臺上，能夠以較短的路徑向外不斷地傳遞。因而，天津地區(qū)屬于地熱正常區(qū)，要想形成局部的地熱異常區(qū)，必須提供一定的水動力條件和構(gòu)造條件[5]。

2.2 地熱資源概況

經(jīng)地質(zhì)勘測發(fā)現(xiàn)，豐富的地熱資源就蘊藏在華北斷陷盆地的地下。經(jīng)過勘察，天津地區(qū)的寧河—寶坻斷裂帶的南側(cè)，地熱資源分布面積為8 700 km2，估算可知，這個區(qū)域可開采的地熱資源量85.41×108m2。如果按照蓋層平均地溫梯度每100 m大于3.5 ℃進行劃分，一共可以劃分出10個地熱異常區(qū)。由此可見，這一地區(qū)蘊藏著豐富的中低溫的地熱資源[6]。

2.3 開發(fā)利用現(xiàn)狀

天津地熱資源的開發(fā)可追溯到20世紀30年代法國人在天津市老西開鑿成的第一眼自流熱水井，直到20世紀70年代，天津地區(qū)地熱資源開發(fā)在我國著名地質(zhì)學家李四光的倡導下大規(guī)模展開。今天我們可以看到，天津市已經(jīng)形成了我國的一座“地熱城”，在全國而言，這里的地熱資源綜合開發(fā)利用的規(guī)模最大，而且對于地熱資源開發(fā)的研究程度也是最高的。形成了王蘭莊、塘沽、武清、大港、山領(lǐng)子等熱田資源，市區(qū)、塘沽、大港、武清地區(qū)的地熱資源開發(fā)規(guī)模最大。其中，塘沽作為濱海新區(qū)的核心區(qū)，是中國地熱能源綜合利用最大區(qū)域，現(xiàn)有地熱井40余眼，地熱供熱建筑面積約350萬m2。塘沽地區(qū)地熱資源埋藏總量約為3.03×1019J，相當于大約8.28億t的標準煤，其中，可以綜合利用地熱資源量為5.54×1018J，相當于大約1.89億t的標準煤[7]，地熱資源量非常可觀。

天津地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展十分迅速，對于資源的開發(fā)需求與日俱增。豐富的地熱資源的綜合開發(fā)和合理利用對天津的經(jīng)濟和社會發(fā)展做出了突出貢獻，地熱資源的開發(fā)已經(jīng)成為天津經(jīng)濟社會發(fā)展不可或缺的重要部分。

從2012年年底的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，天津市境內(nèi)，登記在冊的地熱開采井共有285眼，采灌系統(tǒng)90個。2012年地熱資源的總開采量為3 250萬m3，折合成標準煤，節(jié)約26.5萬t，折合成原煤，節(jié)約37.1萬t。由于地熱資源的清潔性，有效減少了約63.2萬t二氧化碳排放量，大大減少了環(huán)境污染。2012年年底，天津市采用地熱供暖的住宅和公建面積占全市集中供暖總面積的5%，約為1 553萬m2。在全國，天津已經(jīng)成為利用地熱資源供暖規(guī)模最大的城市[8]。

2.4 天津地熱供暖存在的問題

2.4.1 地熱資源利用率低

不同的熱儲層，它的流量、水溫、水質(zhì)都有所不同，從而導致了其利用地熱資源的效率各不相同。目前，地熱資源利用率低是一個瓶頸，其主要原因是：第一，利用地熱的技術(shù)、工藝及配套設(shè)備有待進一步完善優(yōu)化；第二，地熱利用的結(jié)構(gòu)比較單一，綜合程度較低，導致了地熱資源大量耗費；第三，地熱供暖排放的尾水溫度很高，大量熱能流失[9]。

2.4.2 地熱回灌率低

回灌是指將利用了地熱水中儲存的熱能之后，利用回灌系統(tǒng)將原始的地熱水循環(huán)回注到熱儲層。這樣一來，實現(xiàn)了地熱資源由靜態(tài)到動態(tài)的轉(zhuǎn)換，地熱資源真正成為再生能源。同時，地熱回灌可以使得地熱田使用年限大大地延長，有效地避免供熱尾水排放對土壤造成的污染[10]。所以，目前地熱回灌率低應(yīng)該得到進一步的解決。

2.5 可持續(xù)發(fā)展

為了實現(xiàn)天津地熱供暖的可持續(xù)發(fā)展，可以采取以下對策。其一，重視低溫地熱能的利用。一般高于45 ℃的地球熱能被稱為地熱能，而熱能技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展使地熱能概念得到擴展，淺層地下水中的熱能也可以通過熱泵加以利用，此外，由于以往地熱供暖中，尾水溫度高于40 ℃，因而進一步加快低溫地熱能利用技術(shù)的發(fā)展，對尾水溫度進行提取利用，是地熱供暖中提升資源利用率的重要途徑。目前，在供暖實踐中將尾水作為生活熱水進行重利用，這對于提升地熱資源利用率，是一種簡便可行而經(jīng)濟性很強的途徑；其二，強化對地熱供暖系統(tǒng)的防腐。地熱供暖管道的腐蝕不但會影響地熱供暖系統(tǒng)的正常工作，也使地熱供暖系統(tǒng)的維護成本大大增加，因而做好地熱供暖系統(tǒng)防腐十分重要，可以利用非金屬材料解決腐蝕問題；可以采用前置換熱器處理含Cl-的地熱水，使用間接供暖方式；為了防止空氣(氧氣)進人地熱供暖系統(tǒng)中，從開采到利用的全過程可以采用密閉系統(tǒng)；其三，回灌技術(shù)。在地熱資源開發(fā)地區(qū)，不同程度地出現(xiàn)了地面沉降與尾水造成的環(huán)境熱污染問題，目前地熱供暖企業(yè)逐漸開始注重環(huán)境保護和資源再生，采取回灌對策是解決地面沉降和尾水污染的有效途徑，不僅如此，回灌水經(jīng)地加熱，溫度上升補充熱儲，利于對地熱資源的可持續(xù)開發(fā)。

3 結(jié)語

地熱供暖作為一種復合資源節(jié)約型社會和環(huán)境友好型社會建設(shè)要求的環(huán)保、節(jié)能供暖方式，大大提升了供暖的環(huán)保性、清潔性、節(jié)能性、經(jīng)濟性，帶來十分理想的室內(nèi)供暖效果和良好的環(huán)境效益。近年來，作為全國地熱資源最為豐富和集中的地區(qū)之一，天津地區(qū)在地熱資源的開發(fā)利用方面做出了諸多有益的嘗試和應(yīng)用，極大地帶動了我國北方地區(qū)地熱資源開發(fā)與利用產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，為全國地熱供暖技術(shù)的發(fā)展和地熱資源的開發(fā)利用提供了豐富和寶貴的經(jīng)驗。地熱供暖憑借其良好的環(huán)保性、舒適性、經(jīng)濟性取得了廣泛認可，在環(huán)境友好型社會和資源節(jié)約型社會的建設(shè)背景下更是有著廣闊的發(fā)展空間。

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OngeothermalheatinganditsdevelopmentinTianjinCity

XingWei

(ShanxiGovernment-SubsidizedHousingEngineeringInvestmentCo.,Ltd,Taiyuan030013,China)

With the rapid development of economy, people increasingly demanding the quality of life, the traditional way of heating serious pollution, uneven temperature, installation is not convenient, poor comfort, energy consumption, social benefits, has been unable to meet people’s modern life quality of the pursuit, as well as the construction of environmentally friendly and resource-saving society needs, and geothermal heating as an environmentally friendly, clean and comfortable way of heating is gradually popularized. This paper analyzes the principle, advantages and environmental benefits of geothermal heating. Based on the development and utilization of geothermal resources in Tianjin, this paper analyzes the sustainable development of geothermal heating.

geothermal heating， geothermal resources, develop and use, environmental protection, sustainable development

TU832

：A

1009-6825(2017)24-0133-03

2017-06-12

邢 偉(1982- )，男，助理工程師