让李四光心心念念的地热能源，究竟是什么？一文读懂
01
地热资源是什么？
地热是指贮存在地球内部的可再生热能，一般集中分布在构造板块边缘一带，起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。
由于地热能是储存在地下的，因此不会受到任何天气状况的影响，并且地热资源同时具有其它可再生能源的所有特点，随时可以采用，不带有害物质。
关于地热的来源，有多种假说。一般认为，地热主要来源于地球外部热源和内部热源。外部热源包括太阳辐射等，内部热源包括放射性元素生热、地核热量等。根据测算，地核的温度达6000 C左右，地壳底层的温度达900~1000 C，地球表面恒温层(距地面约15米)以下约15千米范围内，地温随深度增加而增高，平均增温率约为3 C/100米。不同地区地热增温率有差异，接近平均增温率的称正常地温区，高于平均增温率的地区称地热异常区。地热异常区是研究、开发地热资源的主要对象。地壳板块边沿，深大断裂及火山分布带等，是明显的地热异常区。
02
地热与其他资源的区别
地热能通过各种方式向地球表面传播热量至人们可以采集到的地壳上层，就形成了人类可以开发利用的地热资源，它是一种与地球同在、取之不尽用之不竭的热能源，而且地热能不受时间和地域限制，随时都在、到处都有。
地热资源和煤、石油、天然气及其它传统矿产资源不一样，埋藏于地下且可以吸收、传导、蕴藏地热能的水、岩石等物质皆可称之为地热资源，人们可以通过它们获取地热能，一旦它们脱离了地下地热能的供给，其体内蕴藏的热量将很快散去。就像风能蕴含于风速中、太阳能通过空气辐射一样，地热能是通过地壳内各种介质传导至地面上来的，人们能够借助于某种媒介有效地采集和利用时才能称其为资源。
03
地热资源如何开采？
勘查深度可根据主要热储类型、埋藏深度、当前的开采技术经济条件和市场需要确定，对于天然出露的带状热储类型，勘查深度一般控制在1000m内；隐伏的盆地型层状热储，勘查深度一般不超过4000m。
地热勘查应实行“探采结合”的原则，地热地质勘查钻孔能成井开采利用的，应按成井技术要求实施；地热开采井的钻井地质编录、测井、完井试验与地质资料收集整理除按成井技术要求实施外，还应按地质勘查要求，取全取准各项地热地质资料。
1、井深 钻井越深，成本越高。
2、地质因素 钻井中地质构造的复杂程度 地质构造越复杂，变径越多，成本越高。
3、钻井的地理位置 这决定了钻井设备的搬运方式和动力来源，进而影响钻井成本。
4、钻机的进尺、动力大小和开孔直径 一般来说，进尺越深，要求的动力越大，成本也越高。
04
地热资源为何不是新能源主力？
从理论上来说，干热岩的储量是非常丰富的，只是，现有的勘探技术，还无法钻取到地球比较深层的地方，只能针对埋藏比较浅、地形地貌比较简单的干热岩进行开采。
并且，工作人员在对干热岩进行开采之前，还需要提前确定这些岩石缝隙的走向，这样才有利于更加高效地提取热量。
如果是想要进行大规模的提取，还需要对整个干热岩资源的分布，以及岩石缝隙做一个非诚清晰、全面的了解，目的是降低能源开采的成本，提升能源的利用价值。
由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等联合出版的《中国地热能发展报告（2018）》（下称《报告》）指出，中国大陆336个主要城市浅层地热能年可采资源量折合7亿吨标准煤，可实现供暖（制冷）建筑面积320亿平方米，其中黄淮海平原和长江中下游平原地区最适宜浅层地热能开发利用。
地热能产业曾被寄予厚望。作为中国首个地热开发利用专项规划，2017年发布的《地热能开发利用“十三五”规划》（下称地热“十三五”规划）预计，2016-2020年，地热能供暖可拉动投资约2200亿元，地热发电可拉动投资约400 亿元，合计约为2600亿元。
市场规模达2600亿的地热能，为何发展如此缓慢？
“因地制宜开发利用地热能。”日前公布的国家“十四五”规划，对地热能发展基调作出如上表述。
地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点。目前，中国地热能主要包括地热发电和地热直接利用（供暖）两大途径，与清洁供暖和“双碳”目标高度契合。
地热能产业曾被寄予厚望。作为中国首个地热开发利用专项规划，2017年发布的《地热能开发利用“十三五”规划》（下称地热“十三五”规划）预计，2016-2020年，地热能供暖可拉动投资约2200亿元，地热发电可拉动投资约400 亿元，合计约为2600亿元。
然而，现实却很骨感。
中国能源研究会地热专业委员会专家委员会主任、中国地源热泵产业联盟专家委员会主任郑克棪曾撰文称，“十三五”期间，国内地热发电新增装机容量18.08兆瓦，占到“十三五”规划的3.6%；全国在运地热发电总装机量为44.56兆瓦，占到规划装机容量的8%左右。
郑克棪认为，地热发电没有完成规划任务，主要原因是地热没有享受《可再生能源电价附加分摊管理办法》的补贴。
以西藏羊易地热电站为例，该电站2018年并网发电，2019年上网，目前上网电价为0.25元/千瓦时，没有任何补贴，电厂运行艰难。
同样是可再生能源的风能和太阳能，均享受到了相关补贴，并在近年实现了跨越式发展。
此外，根据2020年9月1日施行的《资源税法》，将地热纳入了能源矿产类别税目，税率从价计征1%-20%或者从量计征每立方1-30元。这进一步遏制了地热在可再生能源中的竞争性，也抑制了资本大规模进入的积极性。
在地热直接利用领域，中国连续多年位居世界首位，但与“十三五”规划相比，也存在一定差距。
另外，地热能的初期投资、初装费高于煤炭和天然气。中国石化上述资料显示，假设燃煤锅炉房初投资为1，地下水源热泵系统初投资约为1.25-2.8；地源热泵的初装费将近万元。
这成为制约地热能供暖（制冷）应用的重要因素之一。
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河南电力设计院Henan Electric Power Design Institute
郑克棪
（中国能源学会地热专业委员会）
摘要：在世界地热能直接利用中，应用地热热泵开发浅层地热能已在近些年内独占鳌头，其装机容量和利用能量均以每年超过20%的速度飞速增长，因为它适应了高效节能和环境保护的需要，而且经济可行、普遍适用。由此分析预测地热热泵也必将在我国具有远大的开发前景。
1 前言
2006年1月1日起我国《可再生能源法》开始实施，作为可再生能源之一的地热能可以而且应当做些什么呢？伴随着20世纪70年代世界石油危机而掀起的地热新能源开发，在30多年的发展历程中又发现了新的亮点，那就是利用浅层地热能的地热（地源）热泵开发技术。近10余年来的这一股世界潮流给我们指引出一条光明大道，地热（地源）热泵史无前例的高效率和高环保效益，也必将在我国有巨大的发展前景。地热工作者应该获得先知，掌握市场，为地热（地源）热泵系统的大发展做好准备，为中国地热在世界上的贡献继续努力。
2 地热热泵在世界上的大发展
五年一次的世界地热大会总是给我们带来世界地热现状的最新消息。在1995年意大利的世界地热大会上，有几篇文章尝试着总结了井下换热器、热泵和地下储热的技术状况和发展水平。然而，2000年日本和2005年土耳其的世界地热大会上，这一技术和应用就出现了突飞猛进的新局面。
在2000年，地热热泵在世界26个国家中共安装了50万台装置，总装机5275兆瓦热量（MWt），是1995年的2.84倍，平均每年增长23.3%，占世界地热直接利用总装机容量的34.8%，首次超过了地热供暖的份额（21.5%）。
从地热热泵利用的能量来说，2000年达6465GWh，5年内增长了59.2%，平均每年增长9.7%，它在地热直接利用的能量中占12.2%，尚未超过地热供暖的份额（22.5%）。
至2005年，世界上33个国家已安装了130万台地热热泵装置，总装机15723MWt，是2000年的2.98倍，每年增长24.4%，占世界地热直接利用总装机容量的56.5%，已是地热供暖份额（14.9%）的3.8倍。从地热热泵利用的能量来说，2005年达到24076GWh，是2000年的3.72倍，每年增长30%。它在地热直接利用的能量中已占到最大份额为33.2%，远远超过了地热供暖的份额（20.2%）。
地热热泵和地热供暖的统计详见表1和图1。其规律为：
表1 世界地源热泵和地热供暖十年的发展对比
注：占百分比指占世界地热直接利用总量的百分比。
图1 地源热泵和地热供暖的装机与能量对比
（1）地热热泵和地热供暖的装机容量与利用能量都是逐年增长的，只是地热热泵的增长速度更大，因此后来超过了地热供暖。
（2）地热热泵的增长速度，在1995～2000年间虽已高于地热供暖，但仍显相对缓慢，而在2000～2005年间其装机容量和利用能量均有高速的增长。地热供暖在该两段时期的增长速度相当。
（3）地热热泵单位装机容量的利用能量小，而地热供暖单位装机容量的利用能量大。在图1中可看出前者的二组图表差别不大，而后者的二组图表差别显著。
3 地热热泵的优势所在
地热热泵能成为世界上发展最快的可再生能源之一，其原因就在于它的高效率和无污染，而且经济可行、普遍适用。
（1）热泵机组的高效率在供暖模式上用运行系数COP来表示，它是输出能量与输入能量（电能）之比，目前热泵机组的COP一般都能达到3～4。这等于说，热泵的效率是300%～400%，而我们知道，空调机（空气-空气热泵）的效率是200%，电的效率是100%，燃油的效率是90%，燃煤的效率是55%，因此热泵的效率是最高的。热泵的效率为什么这么高？因为它消耗电能之外，另从低温的地下水或土壤中吸取了大量的能量。
（2）专家称，热泵作为供热装量可以减少全球6%以上的二氧化碳排放量，它是目前市场上可获得的减少二氧化碳排放量最大的单项技术之一。虽然热泵本身不排放二氧化碳，但电厂发电时的二氧化碳排放有1/3至1/4要算在热泵的账上，但没有其它污染产生。
（3）地热热泵利用浅层地温的能源只需要钻50～100m深的钻孔，有的地方或许需要200m深，但比起地热井要钻1000～3000m来就经济、简易得多。
（4）浅层地热能的资源条件到处具备，不像地热井那样受到地域局限，它基本上是普遍适用于世界各地，哪怕是寒带也无妨。
4 地热热泵在我国的发展前景
当前世界上地热热泵发展最快的主要是美国和西欧、北欧等国家。中国虽然是发展中国家，但我们现在已经具备了地热热泵发展所需的各项条件：
（1）现在我国经济实力强大，电力供应基本充足，虽然一些地区电力紧张，但电力建设都在规划和实施之中，每年都有发展。相对20世纪70年代开发地热之初，天津大学教授就提出了热泵技术，但当初电力供应紧张，所以只能免谈了。
（2）我国有相当丰富的浅层地热能资源，国土地理位置主要在温带，无论浅层地下水或土壤中的温度，利用100～200m深度就足够我们消耗。不像地处寒带的挪威，为了利用热泵，将取热的钻孔钻到了400m深度。
（3）社会发展和人民生活水平提高之后，冬季供暖和夏季制冷的需求日益强烈，像过去黄河以南有不供暖的“规定”早就不成为约束了。为了办公和生活条件的舒适，愿意将资金投在这方面。
（4）我们已经掌握了地热热泵的各项相关技术，虽然热泵中的关键部件高压压缩机目前主要依靠进口，但我国已有了国产热泵工厂，有大、中、小型产品，能设计安装，也有了国家标准GB50366-2005，也规定了应由具有勘察资质的专业队伍来承担工程勘察。这些都是有利于规范市场、有利于地热热泵产业发展的技术基础。
（5）适应于我国建设节约型社会和提倡环境保护的宗旨，地热热泵在世界上的公誉也必将在我国得到认可，得到大发展。
地热热泵在我国的发展现状，可以看一下北京的例子：北京地热勘查和开发进行了35年，地热供暖的面积现在共40万m2；但地热热泵在北京发展不足5年，现热泵供暖面积已超过400万m2。
5 结语
利用地热热泵开发浅层地热能的技术和资源条件已经具备，热泵的最高效率和高度环保更赢得世界的青睐，因此，热泵技术和产业正在世界上得到高速发展。我国也已具备相应的发展条件，发展前景非常看好。
参考文献
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John W.Lund and Derek H.Freeston.2000.World⁃wide direct uses of geothermal energy 2000.Proceedings World Geothermal Congress 2000，1～21
John W.Lund，Derek H.Freeston and Tonya L.Boyd.2005.World⁃wide direct uses of geothermal energy 2005.Proceedings World Geothermal Congress 2005，No.0007，1～20
R.Curtis，J.Lund，B.Sanner，L.Rybach，G.Hellstrom.2005.Ground source heat pumps ⁃geothermal energy for anyone，anywhere：current worldwide activity.Proceedings World Geothermal Congress 2005，No.1437，1～9
多吉1郑克棪2
（1.西藏地质矿产勘查开发局；2.中国能源研究会地热专业委员会）
摘要：西藏自治区首府拉萨市的冬季供暖水平很低，有供暖设施的建筑不到10%。西藏缺乏常规的化石燃料煤炭、石油、天然气资源，传统以自然采光集热勉强过冬，普通居民以烧牛粪、柴薪取暖。利用浅层地热的地源热泵或水源热泵技术，完全有能力解决拉萨市全部建筑物的冬季供暖。
1 前言
拉萨是西藏自治区的首府，虽然年最低气温－16℃，但冬季供暖水平很低，具供暖设施的建筑不到10%。西藏缺乏常规的化石燃料煤炭、石油、天然气能源资源，生活水平较高的家庭现用电采暖，传统则以自然采光集热勉强过冬，普通居民多靠燃烧牛粪、柴薪取暖。曾考虑过利用羊八井地热发电的尾水输送至拉萨可用作建筑物的冬季采暖，但当前更简捷的方法是利用浅层地热，靠地源热泵或水源热泵技术完全有能力解决拉萨市全部建筑物的冬季供暖。
2 拉萨市冬季供暖现状
拉萨市总面积2.95万km2，人口约50万人；拉萨市区建成面积逾50km2，人口超过20万人。拉萨位于西藏高原中部，受喜马拉雅山脉北侧下沉气流影响，全年多晴朗天气，降雨稀少，冬无严寒，夏无酷暑，属高原季风半干旱气候。年最高气温 29℃，最低－16℃，年平均气温7.4℃，采暖设计室外温度－6℃，供暖期室外平均温度0.7℃，全年低于5℃者149天。这是设计标准的供暖天数。
拉萨是国务院首批公布的24个历史文化名城之一，布达拉宫已列入联合国教科文组织的《世界文化遗产名录》，虽作为祖国西南边陲的重要城市，但拉萨的经济还不够发达。拉萨市现有住宅面积279万m2，人均居住面积约10m2，另有公共建筑面积94万m2，原有建筑大多为单层和二层，少数为三层，新建的机关和企事业单位公共建筑以及商品房为多层建筑，很少有高层建筑。拉萨的城市供暖长期没有统一规划，过去基本没有冬季供暖设施，多数建筑以自然采光取暖为主，即传统的集热墙、集热窗、暖廊等形式，在白天靠采集阳光积聚一定热量，可维持室温10℃左右，勉强过冬；近年来拉萨一些新的公建开始配建供暖设施，有小型锅炉、空气热泵（空调机）和水源热泵，这部分建筑不到总建筑面积的10%；当地新建民居在生活水平较高的家庭采用多种形式的电采暖；大部分普通居民家庭在旧式房屋燃烧牛粪和柴薪取暖，不但人居质量低下，而且污染环境，影响景观，不利于城市的可持续发展。
3 热泵系统利用浅层地热能供暖
按国际能源利用分类，地源热泵属于可再生能源的地热能利用，也称为地热热泵。国内将利用抽水井和回灌井从水源提取热量的“开系统”地源热泵称之为水源热泵；将利用循环管线从土壤中提取热量的“闭系统”称之为（狭义的）地源热泵。拉萨市位于拉萨河北岸呈东西向长条形延伸，地貌上属于拉萨河冲积和洪积形成的阶地，这样的水文地质条件对于水源热泵或地源热泵都是适宜的，是对解决拉萨供暖的最佳选择。
3.1 热泵系统节能高效环保
近10余年来世界上地（水）源热泵的技术和应用都得到飞速的发展，1995～2000年世界地（水）源热泵应用每年累进增长9.6%，2000～2005年世界地（水）源热泵应用更每年累进增长30%。近几年来热泵系统在国内的发展也相当迅速。其原因有三。
（1）地（水）源热泵技术是可再生能源利用的一种新技术。地球上的石油、天然气、煤炭都属于化石燃料能源，终有一天它会耗尽，人类需要发现和应用新能源，特别是价格便宜的可再生能源。
（2）地（水）源热泵系统消耗1kW电能可以产生3～4kW的（热）能量，是任何其它能源利用技术都无法达到的高效率，因而其运行成本低廉。
（3）地（水）源热泵技术减少了原供暖锅炉的空气污染和废渣排放，也减轻了操作人员的劳动负担。
对于拉萨来说，这些优点全都成立，西藏缺乏常规能源，又打算建造可再生能源利用的示范，并保持良好的天然生态环境，因此利用少量电力发展地源热泵或水源热泵是完全可行的。从另一方面来说，是开发地（水）源热泵的利用具有资源保障。
3.2 浅层地热能资源保障
如果拉萨全市都用地（水）源热泵来解决供暖，对于391.1万m2现有建筑面积和60W/m2的供热指标，总计需要热负荷234.66MW。
按西藏水源热泵利用5℃温差考虑，对于水源热泵需要水井提供40354m3/h的总出水量。这不是难题，拉萨河阶地上单井出水量可达80m3/h，所以共计需要504 眼开采井，加上同样数量的回灌井，总计需要1008眼井。按拉萨市区现建成面积51km2摊算，井密度不足20井/km2；即使按市中心区14.15km2折算，则71 井/km2，相当于井距120m，对于在拉萨河阶地上松散层中取水，这样的密度是许可的，井与井之间不会产生明显干扰。
对于狭义的地源热泵，通常用5m×5m的网格状布置地温热交换孔，相当于25m2钻一个孔，钻孔深度200m。我们采集地温5℃温差，按土壤和岩石的热导率通常是2.1W/m·℃考虑，则一个钻孔中的U形管道可采集4kW的热量，按60W/m2的供热指标，它可以解决67m2的房屋供暖，相当于说每1m2的土地面积，安装地源热泵后可解决2.7m2的建筑供暖。按此计算，即使拉萨391.1万m2建筑全部采用闭系统地源热泵，也只需要实际占地1.5km2布置5m×5m的地温热交换孔，拉萨市中心区有14.15km2，完全能满足需要。
我们在这里采用的供暖热指标60W/m2是比较保守、可靠的，取采集5℃温差也是很容易做到的，总之，在这样的保险系数下，在拉萨市利用水源热泵或地源热泵的浅层地温资源都是有保障的。
4 热泵系统利用浅层地热能的经济分析
依靠热泵系统利用浅层地热能供暖的一次性投资略偏高，但其运行成本较低，因此在供暖方案选择中仍然是有竞争力的。
4.1 初投资估算
水源热泵的建设费用在北京、天津地区，供暖和制冷面积在1万m2以上者，可以摊低总费用至300元/m2；若面积太小则单位成本会增高。在西藏拉萨已经做了个别地源热泵工程，面积在1万m2左右，其单位成本为440元/m2。
按此计算，利用水源热泵解决拉萨全部391万m2的供暖，需要投资17.2亿元。一般来说，利用浅层地下水的水源热泵系统的造价相对较低，埋管利用土壤温度的地源热泵系统造价要相对高些。
4.2 运行成本对比
参照内地目前运行状况，热泵系统估算的年运行成本肯定比传统燃油、燃气锅炉便宜得多，甚至可以低于燃煤锅炉，因为燃煤锅炉所烧的全部煤燃料全部要长途运输进藏。西藏多种方式供暖运行成本的具体比较见表1。
表1 西藏多种方式供暖成本比较 单位：元/m2
5 建设西藏可再生能源示范样板
拉萨的冬季供暖可以利用拉萨城区就地的常温地下水或土壤、岩石中的低温热量，用水源热泵或地源热泵装置就能采集到足够的热量作为供暖所需。这种地热供暖的一次性投资成本与传统燃油燃气锅炉基本相当，但运行费用很低。
利用水源热泵或地源热泵解决拉萨供暖的重大意义还在于这是在西藏进行的可再生能源利用。可再生能源利用可以解决122万km2西藏（除交通车辆外）的能源需要，这将是世界上最大的可再生能源利用示范基地。拉萨有太阳城之称，但太阳能的优势主要在太阳灶和热水器等小型利用，虽已有试验利用储水罐将太阳能加热的水循环用于供暖，然而效率较低，成本较高。西藏的风能资源以藏西为佳，拉萨风能的品位和潜力在解决供暖问题上尚有欠缺。拉萨所在的藏中电网以水电为主，西藏水电的主要缺陷就是冬季河水流量骤减，不能满负荷发电，因此冬季电采暖依赖水电是勉为其难。由此综合比较，依靠水源热泵或地源热泵的浅层地热能利用可以说是解决拉萨冬季供暖的最佳选择。
参考文献
中国国际工程咨询公司，2005，拉萨城市供热研究。
中国能源研究会地热专业委员会，2006，西藏地热能开发利用咨询报告。
具体你可以看参考资料。
