浅层地热能开发利用与地质气候的影响

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  2010年4月,为贯彻落实党中央、国务院应对全球气候变化的重要战略部署,国土资源部办公厅下发《关于做好“应对全球气候变化地质响应与对策”有关工作的通知》(以下称《响应与对策》)。通知指出,在浅层地热能开发上,计划用三年时间查清我国浅层地温能和地热资源开发利用潜力。中国浅层地热能的分布状况与开发特点是什么?浅层地热资源推广与利用情况怎样?浅层地热能与地质气候关系如何?带着这些问题,《地球》杂志专访了中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心副主任冉伟彦。中国浅层地热能的分布状况和开发特点
  “浅层地热能是指蕴藏在地表以下一定深度(一般小于200米)范围内岩土层、地下水和地表水中具有开发利用价值的一般低于25℃的热能,它是深层地热能与太阳能共同作用的产物。2011年国土资源部在重庆召开的国土资源系统应对全球气候变化和节能减排工作成果新闻发布会上给出一个明确的定义,按照埋藏深度,200米以内的称为浅层地温能,即我们通常所说的相对于传统地热而言的浅层地热能。”
  冉伟彦介绍,传统地热能是赋存于热储中(一般大于25摄氏度),存在于热矿水中可发电或直接利用的高品位热能,大多存在于地层的深都,但也有存在于浅部(200米以浅)裂隙对流型或火山型的热田中,如云南的腾冲、西藏的那曲、新疆等地。它的存在必须有三个基本条件:—是有特殊地质构造的通道,比如岩层破碎带;二是有储蓄层,高孔隙度的砂岩,三是表面有盖层。所以需要特殊地质条件的地热田,是一个比周围地层正常增温率高的异常场,在城市地区分布较少,能够直接供暖的只有北京、天津、西安这三个城市。而浅层地热能却不受这些因素的影响,属于正常增温场,符合正常的增温梯度,分布广泛。
  谈到浅层地热能的开发特点,冉伟彦表示,首先因为它的分布范围广,所以储量巨大。据有关专家测算,我国每百平方公里(相当于一个中等城市的面积)近百米深度内的土壤每年可采集的地温能量是1560×104千瓦,而百米内地下水每年可采集的地温能量也有21×104千瓦。其次,浅层地热能可就近利用。由于它不受特殊地质构造的限制,资源遍布,所以利用工程可以就地取(排)热、就地取材,与传统能源相比,可节省大量运输、传输和存放成本。在一定程度上可以改善能源结构。最后浅层地热能开发可以实现节能减排。浅层地温能资源的开发利用只通过消耗少量的电能,能够从浅层岩土体、地下水中提取大量的热量或冷量,而地下水的水质、水量不发生任何变化,在城区没有废弃物与大气污染物排放,对外界环境影响极小。与电采暖相比,将近节省一半的高品位能源。可以说浅层地温能资源的开发利用起到了节能减排的作用,一举两得。
  浅层地热能的推广与利用
  我国近年来浅层地温能开发迅速,市场化推动为主,由于浅层地温能资源调查、评价滞后,技术标准和开发利用相关技术研究的薄弱,仍存在开发利用地区发展不平衡等问题。因此开展浅层地温能勘查评价是政府部门做好浅层地温能开发利用规划和管理的基础性工作。
  《响应与对策》发布后,2011年,中国地质调查局浅层地温能开发与推广中心部署29个省会城市浅层地温能勘测评价项目,作为“十二五”期间的重点项目,启动地热能调查与开发利用工程。“前十几年有关浅层地热能开发一直都没有系统立项,从2011年开始,才打破了这十来年的沉默。”提及此项目,冉伟彦颇为感慨。
  有关地温能的开采价值,相关研究结果表明,在地层中,存在比较恒定的温度与冬、夏两季外界空气存在较大的反向温差,这种温差即为潜在的可被利用的热能。浅层地温更接近于使人舒适的室温,当用热泵为建筑物供暖时,用热泵提温的幅度较小,使热泵机组运行工况更稳定、合理,所以当提供同样的热量时需要的电能较少;夏季制冷时,浅层地温能可提供比空气低得多的温度,使制冷机组的效率提高,因此节约电能。浅层地温能所赋存的空间有较大的热容量,且有较强的恢复能力,可在一个使用季节中通过暂时降低温度持续不断地输出热能,而在非使用期得到恢复,这种年内能够恢复的热输出量即为浅层地温能的合理开采量,这种多年可持续利用的热能就是浅层地温能的利用价值。
  谈到浅层地热能的应用,冉伟彦介绍,浅层地热能的开发利用主要是通过地下水源热泵系统和地埋管地源热泵系统来实现的。地下水源热泵系统受水文地质条件的限制,就是抽取地下水回灌时的问题,回灌需要一个限制,含水层丰富、孔隙度大、颗粒粗、地下水流通快的地方才容易回灌,而这些地方只是局部,比如冲积扇、河流的上游、河道地区。许多回灌不利的地方就偷偷将抽取的地下水当做废水排下去,这就与保护水资源的问题相悖,所以水务部门并不同意地下水取暖,既造成水资源浪费又会产生地面沉降的隐患。而地埋管热泵系统初期投资多,占地面积大,有些地方就将地埋管安置在建筑物地基下方,但是管道是有寿命期限的,到时候这些地埋管又得不到有效处理,成为城市废弃物;一旦泄漏,又会对地下水造成污染。所以国家鼓励将城市污水、江河湖海发电的工业用水的余热用热泵系统回收,把热量存储起来再循环供暖。
  “目前,国家开采浅层地热能主要代替燃煤用于建筑物供暖,北方利用较广,南方用来空调制冷,工业上,铁道部和通讯部站的机房主要用它来散热;农业上,北京有些地方的大棚试验基地用它保持恒温恒温。总体而言,浅层地热能的开发潜力与应用前景还是很广的。我们目前要及时完成的就是对它的分布状况进行勘测评价,而开发利用,是需要各部门机构在工农业生产上一条龙的协调运营。”冉伟彦这样告诉记者。
  浅层地热能开发与地质气候的影响
  目前结束的德班国际气候大会,来自全球各地的气候专家讨论气候变化问题,主要是指大气中以二氧化碳为主的温室气体的增加所产生的气候变暖问题。全球气候变化已给人类及生态系统带来了众多灾害:极端天气、冰川消融、永久冻土层融化、海平面上升、生态系统改变、旱涝灾害增加、致命热浪、地质灾害等等。因此,为减灾防灾,人们必须做好应对垒球气候变化的工作。
  针对浅层地热能的开发与地质气候关系。冉伟彦表示,应对气候变暖的两个主要途径,—是利用清洁能源减少二氧化碳排放,二是减少大气中二氧化碳的含量,把排放的二氧化碳收集起来。“其实大的地质变化本来就存在的,有关工业污染排放大量二氧化碳导致全球气候变暖问题,地质专家要寻求一个话语权。前面我们提到,浅层地热能能够在一定程度上起到节能减排的效果,所以这也正是它对全球气候变暖问题上所发挥的积极作用,虽然收效甚微,但是在整个循环利用和新能源的开发上,也是不可或缺的。我国开采浅层地热能面积在世界上仅次于美国,排在第二位。”
  浅层地温能是存在于地下隐蔽地质体中的一种无形自然资源,地质条件对开发利用起着举足轻重的作用,所以有必要采取专门的勘查方法对其进行资源量的估算和开发适宜性的评估。要发挥地质工作的专业技术优势,国家需要利用这一技术优势为节能减排工作服务,地勘单位应主动出击,把握机遇,履行责任、开拓市场,各地应该提高社会对浅层地热能开发利用的认识程度,有关部门加强浅层地热能开发利用的宣传工作,普及地热能工作,使浅层地温能资源的开发利用成为地勘单位一个新的经济增加点。
  专家介绍:
  冉伟彦,1978年毕业于原河北地质学院地球物理勘探专业,现任中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心副主任、中国能源研究会地热专业委员会副主任委员、北京地球物理学会副理事长,高级工程师。曾在北京市地质局101队、北京市地矿局物探队、北京市地质勘察技术院从事地球物理找矿、区域调查及地热普查等勘察、科研和技术管理工作。
  1996~2004年担任北京市地质勘察技术院总工程师期间,在水文地质调查、水文物探调查、地热资源勘查方面主持和参加的项目有几十项。90年代独立承担“微动(瑞雷波)探测技术应用研究”工作(获原地矿部三等奖)。表世纪初负责领导了“北京平原区望京地区、后砂峪地区、大兴榆垡地区、昌平白浮地区、昌平太平座——亚运村地区、延庆盆地中部地区地热普查”工作,并负责承担了北京市计委地热供暖示范工程中“立水桥地质大院”和“郭座北里”两个工程项目。1999年至今主要从事地源热泵系统技术开发及施工管理工作。公开发表论文著作十篇,参加北京市各委规划编制工作5项:市限制建设区规划(市规委);市“十一五”能源规划(市发改委);市“十一五”地热供暖规划(市政管委);市地温供暖规划研究、市地热供暖规划研究(市规委);北京市地热规划(市国土资源局)共2次。2005年参加中华人民共和国国家标准《地源热泵系统工程技术规范》的编写工作。
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