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中國科學(xué)院院士汪集暘:地?zé)崆鍧嵢∨笥锌蔀?/h1>

2020-09-10 17:14  來源:中國科學(xué)報(bào)  瀏覽:  


中國科學(xué)院院士汪集暘
 

地?zé)崾且环N清潔低碳、分布廣泛、資源豐富、安全穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)可再生能源,對(duì)于我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型發(fā)揮著重要作用。

我國北方地區(qū)、高原寒冷地區(qū)乃至南嶺以南部分地區(qū)冬季氣溫低,建筑取暖需求大。近10年來,由于化石燃料使用過多,霧霾頻發(fā)。對(duì)此,國家大力提倡利用包括地?zé)崮茉趦?nèi)的清潔能源取暖,霧霾天數(shù)逐年減少,大氣環(huán)境呈現(xiàn)向好趨勢(shì)。

但隨著地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)的發(fā)展,一些新的問題不斷涌現(xiàn)。我國地?zé)崛∨a(chǎn)業(yè)潛力有多大?未來應(yīng)當(dāng)朝什么方向發(fā)展?如何引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)地發(fā)展?本文基于以上問題進(jìn)行探討,并針對(duì)制定我國地?zé)崛∨a(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略提出建議。

我國地?zé)豳Y源潛力巨大

地?zé)豳Y源按深度劃分為淺層、中深層和深層地?zé)豳Y源。淺層地?zé)崮芡ㄟ^鉆孔熱交換器(BHE)及熱泵得以開發(fā)利用,其深度范圍一般為200米以淺,包括土壤層及淺層含水層。中深層地?zé)豳Y源一般介于 200米和 3000米之間,開采系統(tǒng)還可細(xì)分為水熱系統(tǒng)中的對(duì)流換熱系統(tǒng)(在含水層中布置開采井和回灌井)和傳導(dǎo)換熱系統(tǒng)(深井換熱系統(tǒng)-DBHE)。深層地?zé)豳Y源埋深通常超過3000米,可分為干熱巖、水熱系統(tǒng)。

在板塊構(gòu)造格局的影響下,我國主要沉積盆地的地?zé)岜尘坝蓶|至西,依次為熱盆、溫盆和冷盆分布。東部的松遼盆地、渤海灣盆地、蘇北盆地等屬于熱盆,地?zé)豳Y源相對(duì)豐富。在沉積盆地地?zé)嵯到y(tǒng)中,主要熱儲(chǔ)類型有砂巖孔隙型熱儲(chǔ)和基巖裂隙—巖溶型熱儲(chǔ)。其中,基巖裂隙—巖溶型地?zé)醿?chǔ)的熱流體循環(huán)條件更加優(yōu)越,開發(fā)利用潛力更大。

我國碳酸鹽巖的分布總面積占陸地面積的1/3,裸露面積約為90萬平方千米,隱伏面積達(dá)250萬平方千米以上。基于巖溶發(fā)育程度的差異,以雄縣地?zé)嵯到y(tǒng)和蘇北地?zé)嵯到y(tǒng)為參照,采用類比法估算了全國巖溶熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源潛力,結(jié)果為5000~50000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,可見潛力巨大。雄安新區(qū)和北京市副中心均在巖溶型熱儲(chǔ)分布的渤海灣盆地內(nèi),實(shí)測(cè)大地?zé)崃髦碉@示出了雄安新區(qū)極好的構(gòu)造熱背景。未來,在雄安新區(qū)和北京市副中心清潔取暖中,地?zé)豳Y源均將大有作為。

淺層地?zé)崮艿睦檬加?0世紀(jì)60年代,近10年來,地源熱泵系統(tǒng)在建筑物空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展,并取得了良好的節(jié)能效果。由于淺層地?zé)崮軆?chǔ)量巨大和清潔環(huán)保,利用熱泵技術(shù),幾乎適用于任何建筑物。長三角淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)條件優(yōu)越,適宜開發(fā),在國家政策和市場(chǎng)需求的推動(dòng)下,長三角地區(qū)地?zé)崛∨a(chǎn)業(yè)必將得到快速發(fā)展。

地?zé)崆鍧嵢∨夹g(shù)發(fā)展迅速

北方地區(qū)清潔取暖比例較低,特別是部分地區(qū)冬季大量使用散燒煤及熱效率低下的小型燃煤鍋爐,大氣污染物排放量大,迫切需要推進(jìn)清潔取暖。這與廣大群眾生活水平的提高和生活環(huán)境的改善息息相關(guān)。

地?zé)崛∨抢玫責(zé)豳Y源,使用換熱系統(tǒng)提取地?zé)豳Y源中的熱量,向用戶供暖的方式,其技術(shù)模式按照所利用地?zé)豳Y源、賦存介質(zhì)特征及換熱技術(shù)的不同,可以分為淺層地?zé)崮苋∨ㄖ评洌┠J健⑺疅嵝偷責(zé)崮苋∨J?、中深層地源熱泵取暖模式?br />
地源熱泵技術(shù)是一種利用淺層地?zé)豳Y源的低品位熱源、既可供熱又可制冷的高效節(jié)能的空調(diào)技術(shù)。它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)建筑物三聯(lián)供系統(tǒng)的能源供給,是淺層地?zé)崮茏钪饕拈_發(fā)利用方式。地源熱泵主要分為地埋管熱泵、地下水熱泵和地表水源熱泵等。

中深層水熱型地?zé)豳Y源一般深度在3000米以淺,由地下水作為傳熱載體,可以通過抽取熱水或者水汽混合物提取熱量。水熱型地?zé)崛∨夹g(shù)通過開采井抽取地?zé)崴?,通過換熱站將熱量傳遞給供熱管網(wǎng)中的循環(huán)水,輸送給用戶,溫度降低后的地?zé)嵛菜ㄟ^回灌井注入地下,實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

中深層地源熱泵技術(shù)基于同軸雙套管水循環(huán)原理,將地?zé)峋畠?nèi)換熱器加熱循環(huán)出來的熱水作為熱源進(jìn)入高溫?zé)岜脵C(jī)組,通過高溫?zé)岜脵C(jī)組的提升,達(dá)到建筑物供熱所需的供水溫度,實(shí)現(xiàn)向建筑物穩(wěn)定供暖。它具有節(jié)能環(huán)保、應(yīng)用靈活和穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì),是實(shí)現(xiàn)地?zé)峥沙掷m(xù)利用的一種重要途徑。但是,單井每延米取熱能力有限,單一熱源的供熱能力有限。該項(xiàng)技術(shù)僅在我國個(gè)別地區(qū)試驗(yàn)性應(yīng)用,未來的研究重點(diǎn)是通過鉆孔與儲(chǔ)層的關(guān)聯(lián)強(qiáng)化、供熱系統(tǒng)效率的優(yōu)化來提高單井每延米的取熱能力。

地?zé)崆鍧嵢∨a(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,我國建筑面積預(yù)計(jì)至2050年達(dá)到500億平方米,北方冬季取暖是剛性需求,南方有空調(diào)制冷的需求。建筑取暖和制冷市場(chǎng)巨大,在數(shù)萬億元人民幣規(guī)模。隨著人們生活水平的提高,對(duì)于清潔取暖的追求與日俱增,強(qiáng)大的內(nèi)需不斷拉動(dòng)能源消費(fèi)市場(chǎng)。

在國家層面,政府把清潔取暖提高到國家生態(tài)安全的高度來看待,政策導(dǎo)向勢(shì)必不斷推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和取暖方式的變革。此外,技術(shù)進(jìn)步也為資源利用市場(chǎng)發(fā)展提供動(dòng)力。清潔取暖技術(shù)與新風(fēng)技術(shù)的融合,是現(xiàn)代建筑風(fēng)氣的普遍追求目標(biāo),而這兩項(xiàng)技術(shù)都比較成熟。新興技術(shù)也為今后地下、地上結(jié)合形成高效可持續(xù)的清潔取暖成套技術(shù)體系,創(chuàng)造了支撐條件。未來,技術(shù)的不斷發(fā)展還將帶動(dòng)資源類型的不斷擴(kuò)展。比如,地表水源熱泵的大量采用、海水源熱泵的提升,為淺層地?zé)崮艿睦脦硇碌木薮蟀l(fā)展空間。

我國地?zé)豳Y源的開發(fā)利用在“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”的共同努力下進(jìn)展迅速,成績斐然。但是,在地?zé)衢_發(fā)熱潮下,也產(chǎn)生了一系列問題,如管理政策不完善、發(fā)展方向不明確、人才不足等。

為促進(jìn)地?zé)崆鍧嵢∨a(chǎn)業(yè)發(fā)展,筆者建議,首先應(yīng)加強(qiáng)地?zé)崮荛_發(fā)的頂層設(shè)計(jì)。地?zé)嶂皇强稍偕茉创蠹彝ブ械囊粏T,必須放在可再生能源發(fā)展的大局中去規(guī)劃。要在國家層面上,充分考慮我國各個(gè)地區(qū)的地?zé)岱A賦與冷熱需求,做好宏觀規(guī)劃。同時(shí),還要在管理政策上加以完善,制定地?zé)峁芾磙k法,明確管理部門,避免多頭管理。出臺(tái)優(yōu)惠措施,鼓勵(lì)和保護(hù)企業(yè)實(shí)施地?zé)崛∨?;加?qiáng)監(jiān)管,對(duì)違法違規(guī)企業(yè)加大處罰力度,規(guī)范市場(chǎng)。

其次應(yīng)明確地?zé)豳Y源開發(fā)思路,“熱”“電”并舉、西“電”東“熱”——在高溫地?zé)嶝S富的西部地區(qū)優(yōu)先發(fā)展地?zé)岚l(fā)電,在東部地區(qū)則優(yōu)先發(fā)展地?zé)崛∨?ldquo;深”“淺”結(jié)合、由“淺”及“深”——從淺層地?zé)豳Y源開發(fā),逐步深入;“干”“濕”有度、先“濕”后“干”——現(xiàn)階段不宜不計(jì)成本地開發(fā)干熱巖,而應(yīng)優(yōu)先用好水熱資源;“天”“地”合一、“動(dòng)”“靜”結(jié)合——充分發(fā)揮“地?zé)?”的模式,與太陽能、風(fēng)能等可再生能源互補(bǔ)聯(lián)動(dòng)。

最后應(yīng)全面推進(jìn)人才隊(duì)伍建設(shè)。自20世紀(jì)70年代以來,我們已經(jīng)培養(yǎng)了一批專業(yè)技術(shù)人才,為我國地?zé)岙a(chǎn)業(yè)發(fā)展做出了顯著貢獻(xiàn)。但我國地?zé)崾袌?chǎng)規(guī)模巨大,相關(guān)企業(yè)有數(shù)千家之多,隨著未來地?zé)崆鍧嵢∨袌?chǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)大,從科研、管理到技術(shù),人才匱乏現(xiàn)象愈發(fā)顯著。因此,高校和企業(yè)應(yīng)當(dāng)加大地?zé)釋I(yè)人才培養(yǎng)力度,打造常態(tài)化和可持續(xù)化的人才培養(yǎng)體系,為地?zé)岙a(chǎn)業(yè)提供充足的人才支撐。

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