鲁达 最近，北京市副中心行政事务区建设办公室负责人张亚芹在第二届中美气候智能/低碳城市峰会上公开了北京市副中心行政办公室的各种低碳排放建设蓝图。
其中谈到，充分利用深层地热，浅层低温能地热“两能”能源。那么，地热是一种怎样的资源，可以怎样利用呢?
文/记者 李晶 图文编辑/刘昭
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地热能源进入北京城市副中心低碳办公蓝图
北京市城市副中心的行政办公区，位于通州区潞城镇，占地约6万平方公里的，是北京市委、市政府、市人大、市政协，和市属委办局办公的所在地。与以往行政办公的高墙深院不同，未来的北京城市副中心行政办公区和各楼宇之间将不设围墙，公共活动区域会面向市民最大限度的开放。除此之外，能源使用也将成为办公区的一个亮点。
“规划的目标是，清洁能源利用率达100%”，张亚芹介绍说。秉持低碳原则，北京市城市副中心的行政办公区将同时打造深层地热、浅层低温能、太阳能、燃气分布式能源互为融合的功能系统，实现可再生能源与常规能源的智能耦合运行。
其实，通州区与地热能源早有密切关联。2015年底，北京市通州区西集镇新打出一眼地热井，出水温度高达92℃，日最大出水量3072.64立方米，成为北京市现有出水量最大的中温地热井。这口井的发现，为西集地区和通州区的地热资源利用开启新的篇章。
根据今年4月“开发地热资源，服务新型城镇化建设”研讨会的内容显示，按照要求，2016年底禁燃区(通州区主城区和各乡镇中心区均属于禁燃区)将消除所有燃煤锅炉，取而代之的是清洁能源和可再生能源。
此外，城市副中心仅核心区新建建筑面积达380万平方米，在2017年北京市政府迁入通州区之际，按照要求，核心区40%建筑面积须采用地源热泵和深层地热供暖、制冷。
当时，北京泰利新能源科技发展有限公司的科研人员曾表示，调查研究发现，通州全区均分布有地热资源。大部分地区地热资源埋藏深度浅，地热水温度较低，适合温泉洗浴医疗用途开发;而于家务、永乐店、西集等地区地热资源埋藏深，是北京市温度最高的地热资源分布区，非常适合地热供暖，极具开发潜力。
▲“西集1号井”水来自3000多米地下深处，出水温度高达92℃，每天最大出水量达到3072.64立方米，是北京目前出水量最大的中温地热井。
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地热是一种怎样的资源?
实际上，地热资源离我们并不遥远。它来自高温火炉一般的地球深部，高达1200-1300℃的火山熔岩，和60℃以上的天然温泉，都是地热资源的具体表现。
人类对地热能的利用也有很长一段时间，包括利用温泉沐浴，建造农作物温室、水产养殖，以及地下热水取暖等等。目前，我国的地热资源利用方式主要有三种，即高温地热发电、中低温地热直接利用、浅层地热能供暖制冷。
由于地热资源禀赋以中低温为主，因而我国地热发电规模较小，但非电直接利用(包括供暖、制冷和生活热水等)已居世界首位。我国的非电直接利用实现了“三联供”，即冬天供暖，夏天制冷，一年四季供生活热水。
“截至2015年，全国地热能开发利用实现的供暖面积已达5亿平方米。其中，深层地热供暖1亿平方米，浅层地温能供暖达4亿平方米。”北京市地勘局副总工程师、中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心常务副主任李宁波介绍说。
他还进一步解释了所谓地热“两能”的含义。根据国土资源部此前明确的地热能概念显示：按照埋藏深度，200米以浅的称为浅层地温能，200米至3000米的称为常规地热能(主要为水热型地热资源)，3000米至10000米的称为干热岩。常规地热能的高温部分(一般指高于150℃)和干热岩资源供地热发电利用，常规地热能的低温部分和浅层地温能用作供暖和其它热利用。因而，人们常说的深层地热、浅层低温地能等地热“两能”，主要指的是后两者。
▲中国地热能分布示意图(图片来源：中国科技网站)
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为何利用地热能源?
中国是以煤炭为主要能源的国家，以往的供暖方式也主要依赖燃煤。近年来，出于节能减排和环境保护的考虑，“煤改气”“煤改电”等方式正在倒逼煤炭退出供暖行业。与此同时，不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰的地热资源，也成为具有竞争力的“去煤化”的新能源之一。
数据显示，在能源消费结构中，地热利用每提高1个百分比，相当于替代标准煤3750万吨，减排二氧化碳约9400万吨。
据中国地质科学院水文地质环境地质研究所王贵玲研究员介绍，京津冀地区的水热型地热资源每年可开采量折合标准煤2.51亿吨，京津冀地区13个地级以上城市浅层地温能每年可开发量折合标准煤0.92亿吨。
经计算，以上每年共计标准煤3.43亿吨的可开采量，相当于京津冀燃煤总量的87%。如果地热资源全部开发利用，可为5000万人提供制冷或供暖，同时，也将为减排二氧化碳做出8.18亿吨的贡献。
8.18亿吨二氧化碳是怎样的概念呢?如果将上述京津冀地热资源的减排量与森林吸收的二氧化碳量作个比较：林业部门最新研究结果显示，每平方米森林每天可以吸收二氧化碳1.6千克，那么8.18亿吨的二氧化碳需要14万公顷的森林用一年的时间来吸收，而北京市全市林地总面积2014年底时统计约100万公顷。“翻译”成更好理解的话就是，如果京津冀地区的地热资源全部开发利用，基本相当于把北京门头沟区变成了“森林”。
▲根据国际能源署2010年5月发布的《国际地热能市场报告》和国际地热协会网站资料翻译整理出的地热利用“世界十强”，冰岛和萨尔瓦多的地热发电量高达本国用电量的14，中国名列第18位
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地热能源怎么供暖制冷?
截至目前，我国的地热能源利用已形成不少成功模式，河北省的雄县就是其中之一。中国科学院院士、地质与地球物理研究所研究员汪集旸曾描述称，雄县全境内都有地热分布，地壳下方的一些基岩就像500多度的热锅炉，可以把地下的水烧至沸腾。
据李宁波介绍，雄县，是华北地区首个地热供暖代替燃煤的无烟城，采用间接供热、采灌结合等先进技术，可利用地热能提供90%以上的区域供暖，集中供暖面积达到380多万平方米。
所谓间接供热，是指通过热交换系统将热量从地热水中传递到供暖用的循环媒质水中。这种方式只需要地热水提供热量，并不参与供暖管道的循环，因而不存在直接供热中因地热水化学成分、含沙量、结垢、水汽含量等诸多限制。目前地热供暖发展的方向是间接供热。
因而，“取热不取水”也是雄县地热利用的核心技术。具体方式是，在地热采水井的合理距离再打一口回灌井，通过热交换站的方式，利用地热水中的热能，并将利用后的尾水回灌至地下，实施采灌平衡。
北方利用地热能供暖，那么南方该如何利用地热能?当然是制冷。那么，地热制冷又是如何实现的呢?解决这一问题需要使用地源热泵。以温泉之乡广东丰顺为例，其地下拥有80℃水资源，采用吸收式热泵(制冷)技术，将地热水制取成为7℃-9℃的冷媒水，就可供夏季空调使用。
热泵这么神奇吗?其实热泵的工作原理与制冷机完全相同。制冷机将房间作为低温热库，以室外的大气为高温热库，通过冷凝器向高温热库放热并通过蒸发器从低温热库吸热，循环往复达到降低房间温度的效果。
不仅如此，热泵还可双向交互，利用地下浅层地热资源(土壤、地下水和地表水等介质)，对建筑物供暖、制冷、并提供热水，也就是实现“三联供”。简单的说，“三联供”的地源热泵通过与土壤等介质中“四季恒温”的地下热能交换即可实现供暖与制冷。冬季把地热取出来，给室内供暖;夏季把室内热量抽出去，释放到地能中，完成热交换。
不过，因为热量不会自发从低温物体传到高温物体，因而要借助外界对系统做功，所以采用地源热泵技术需要输入电能。但地源热泵耗一度电，可产生相当于耗四度电的热能。
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浅层地温能前景广阔
李宁波表示，地热能应用于建筑供暖、制冷，技术上已较为成熟，国际上应用也较普遍。相较之下，浅层地温能的应用还具有一定优势。京津冀地区在浅层地温能方面，若采用热泵系统开发利用，将可实现夏季制冷面积35亿平方米，冬季供暖面积29亿平方米。
据了解，北京市首次大规模利用地热资源并将其用于现代化温室花卉种植的是北京国际鲜花港。该项目地源热泵与地热利用综合供暖系统共投资2.6亿元，建有42栋温室，总面积22万平方米，供暖总负荷4.6万千瓦。中国农大经济管理学院教授许惠渊曾表示，经有关部门测算，北京国际鲜花港采用地源热泵供暖，比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃煤锅炉节省1/2以上的能量，运行费用仅为普通中央空调的60%。
实际上，京津冀是我国利用水热型地热能最早的示范区，同时也是我国浅层地温能开发程度最高、规模最大的地区。据王贵玲介绍，京津冀利用地热资源进行区域供暖制冷面积为1.56亿平方米，占现状建筑物供暖面积约5%。
目前，利用地热能为建筑集中供暖，主要是政府投资运维和企业投资运维，涉及费用尚不统一。不过，中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院院长徐伟曾在报告中提到，地下水源热泵系统，系统初始投资约300-400元/平方米，地埋管地源热泵系统初始投资约为350-450元/平方米，与单一的供暖(或制冷)方式相比初始投资大，但与冷水机组加燃气锅炉或集中供热的造价相差不大。
此外，我国也相继出台鼓励地热能开发利用的政策。以北京为例，早在2006年就出台了第一个支持发展地源热泵的文件——《关于印发关于发展热泵系统的指导意见的通知》，并与2006年7月1日正式实施。该文件补贴标准为：地下(表)水源热泵35元/平方米，地埋管地源热泵和再生水源热泵50元/平方米。
除了初投资外，在后期的运行中，热泵主要使用的是电能。李宁波表示，相比传统空调来说，地源热泵供暖可节电一半以上。
中国能源研究会地热专业委员会郑克棪和陈梓慧此前的文章中曾对不同采暖方式的初期投资成本，以及运行成本和10年期总耗资做一对比。浅层地能的初期投资大于家用空调机、电热油汀、电阻/石英管加热等电取暖方式，但后期10年运行成本大大少于其他几种用电取暖方式。因而，从10年取暖总耗资角度来说，浅层地能(地埋管)和浅层地能(地下水)方式耗资分别为56112元，和44112元，家用空调机、电热油汀，和电阻/石英管加热耗资分别为45780元、72960元、和71360元。
不同采暖方式的初投资成本
不同采暖方式的运行成本和10年期总耗资
因而，从环境因素考虑，实施“去煤化”过程中，地热能源的开发利用具有较大优势。虽然需要电能启动，但相比空调对用电量少很多，且可结合蓄能调峰技术节省用电成本。所以说，地源热泵供暖是“少花钱，办大事”的一种途径。
▲浅层地温能开发利用能源示意图(图片来源：气象科普园地)
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地热能源好，为何应用少?
目前，京津冀地区水热型地热资源年开采量为0.4%，直接采用地热水进行供暖的建筑面积约7100万平方米(占全国80%);京津冀采用浅层地温能供暖制冷面积仅为8500万平方米(占全国约20%)。既然地热节能环保，优势明显，为何现阶段使用范围较小?
中国建筑学会暖通空调分会副理事长、北京市建筑设计研究院顾问总工程师吴德绳表示，从建筑供能角度来说，地热能源还是后起之秀，发展速度有限。这与建筑行业本身的特点有一定关系。建筑行业是一个长寿命、高投入的行业，因而对于新技术的引入态度相对保守。在建筑行业证明一项技术行与不行，一般要耗时数年，甚至更久。
李宁波则认为，地热能源的推广，也有体制机制不能适应新形式发展的问题。如，作为供暖替代能源的推广政策、地能供暖动力电价格等方面，仍需要相关政府部门尽快研定支持鼓励政策和管理办法，鼓励这一新兴事物的发展壮大。
值得关注的是，北京市发布的《“十三五”能源发展规划》已经提到了地热能源的开发和利用。并明确表示，北京市将立足首都资源禀赋，充分开发利用太阳能和地热能，有序发展风能和生物质能，到2020年全市可再生能源消费总量达到620万吨标准煤，占能源消费总量的比重达到8%以上。
实施千万平方米热泵、太阳能光伏发电、百万千瓦风能生物质发电等一批重点工程。打造北京城市副中心、冬奥会赛区、昌平新能源示范城市、顺义光伏应用等一批可再生能源高端示范区。
参考资料：
徐伟.地源热泵技术新进展与趋势——中国建筑科学研究院徐委员长学术报告摘要 [N].中国地能，2014(2)
郑克棪、陈梓慧.浅层地能是解决我国南方冬季供暖的最佳选择[N].中国地能，2014(4)
宫自强、张云鹏、侯艳.地热能供暖制冷技术及应用[A].
（本文由北京科技报社全媒体中心采编制作，原创作品，未经授权谢绝转载。新媒体编辑/黄珊）