新时代地源热泵行业发展思考

   当前,我国地热能产业正迅猛、飞速发展,地热能直接利用(非电)已连续多年位居世界首位。尤其是在刚刚过去的2017年,发生了很多大事件,“十九大”召开、“十三五”规划纲要发布、“雄安新区”设立等,使地热能的开发利用得到全面推广,发展进入黄金期。这既给了我们地热人极大的鼓舞,同时也鞭策着我们继续奋进。


      忆往昔,宝剑锋从磨砺出,地热行业取得的辉煌成就值得我们骄傲;瞻前路,竿头日进,我们更要保持自我,砥砺奋进,顺应新时代行业发展的潮流。借此,我也有很多亲历体会及感受要与大家分享,我们共同探讨、相互借鉴,一起努力将我们的地热能产业做大、做强,做成中国品牌。


一、“2017中国地热记忆”


      2017年对于中国地热人来讲,是个值得牢记年份。这一年,上至国家层面的方针、政策、规划,下至的众多重大地热项目的实施建设等,都揭示了一个重要信息——地热能的开发利用已经被国家、被社会真真正正地重视起来了。最深刻的感受莫过于以下几点:


1.1“十九大”记忆

      2017年10月18日,在中共“十九大”上,习近平总书记在报告中提出,加快生态文明体制改革,建设美丽中国。 其中“推进绿色发展”、“推进资源全面节约和循环利用”、“降低能耗”、“持续实施大气污染防治”“加大生态系统保护力度”等一系列重点词句都在向我们传达,生态文明建设被提升到新高度。我们要建设的现代化是人与自然和谐共生的现代化,是走尊重自然、顺应自然、保护自然的发展道路。而作为可再生能源的重要一员——地热能,清洁、高效、再生、循环、储量大、分布广泛、就地取材,合理开发利用地热能既节约资源又保护环境,将会在生态文明建设中发挥显著作用。国家发展重环保,环保提升需地热。


1.2“上位规划”记忆

      2017年1月23日,国家发展改革委、国家能源局、国土资源部联合发布了《地热能开发利用“十三五”规划》。这是地热行业发展首次纳入全国国民经济和社会发展规划。规划中提出,“十三五”时期,新增地热能供暖(制冷)面积11亿平方米,其中:新增浅层地热能供暖(制冷)面积7亿平方米;新增水热型地热供暖面积4亿平方米。新增地热发电装机容量500MW。到2020年,地热供暖(制冷)面积累计达到16亿平方米,地热发电装机容量约530MW。并将具体指标分解向各个省市。地热行业发展有了国家的专项规划,有了指导方针和目标,更有了国家的支撑和保障。这是我国地热工作一个具有里程碑意义的新突破。

      为了深入贯彻党的十九大精神,2017年12月5日,国家发展改革委、能源局、财政部、环境保护部等10部门联合印发《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》,旨在提高北方地区取暖清洁化水平,减少大气污染物排放。污染防治的重点区域是京津冀“2+26”个重点城市。规划提出,到2019年,北方地区清洁取暖率达到50%,替代散烧煤(含低效小锅炉用煤)7400万吨。到2021年,北方地区清洁取暖率达到70%,替代散烧煤(含低效小锅炉用煤)1.5亿吨。其中,地热供暖面积2016年底为5亿平方米,至2021年将增长到10亿平方米。市场前景十分广阔。

      这些规划共同为我们的地热产业构建了一幅美好的发展蓝图。


1.3“重大项目”记忆

      2017年,一批国家重大建设项目采用地热“两能”为建筑供暖、制冷,无疑是对地热能开发利用技术的肯定,同时也展现出地热能在规模化应用方面的优势——高效、节能。以我身边的大型建设项目为例:


      北京城市副中心核心办公区一期项目,为打造“近零碳排放”示范工程,采用地热“两能”为240多万平方米建筑供暖、制冷,大大降低了污染物排放和区域能耗。


      在北京新机场建设项目中,目前已确定有近250万平方米的机场配套建筑采用浅层地热热能进行供暖、制冷,有效提升了区域可再生能源利用率。


      地热能已露锋芒,未来,在“绿色发展”成为主题的时代里,越来越多的项目将采用这种成熟的技术,同时,区域能源智慧管理、互联网+新能源、热网融合等一些创新事物将值得我们研究和关注。


二、当前地源热泵行业发展特点


      我们国家的地源热泵行业是在进入21世纪后才有了较快速的发展,产业规模、产值、应用面积等增长速度非常快。政策、标准、技术、产品,每年都会有一些新的东西出现,每个时期也都有不同的发展特点。当下时期,又有与前几年行业发展不同的特点,主要体现在:


2.1地热空前热,加温地源热泵行业热

      众所周知,浅层地热能的开发利用通常是依托地源热泵技术得以实现的,而浅层地热能又属于地热能的一种。当前,地热行业的发展既有了上位规划的支持,又有了普通大众的接受,在可再生能源供暖中可算是No.1。“地热”概念已深入人心。其清洁、可再生、储量大等特点也深受社会大众的追捧。地热真的“热”起来了,同样,地源热泵行业发展也被带动起来了。全国地源热泵供暖面积,2000年10万平方米,2009年1亿平方米,2013年3亿平方米,2015年4.3亿平方米,2016年5亿平方米。从这样一组数字可以看出,地源热泵产业发展正在快速增长,地源热泵行业真正被地热“加热”了。


2.2北方地区清洁供暖和治理雾霾使地源热泵产业发展呈高速状态

      当前,我国北方地区冬季雾霾问题严重,京津冀地区尤为突出。2016年12月中央财经领导小组第十四次会议提出了北方清洁供暖问题。京津冀地区冬季燃煤供暖是造成雾霾的重要原因。京津冀地方政府都在出台相关政策,采用煤改电、煤改气等方式,实现供暖清洁化改革。地热供暖作为一种清洁化的能源必将在当前的形势下发挥更加重要且不可替代的作用。地源热泵供暖清洁、高效,已成为社会大众的共识。而之后出台的系列国家规划及地方任务指标分解,更是极大地推动了地源热泵产业高速发展。继国务院发布《大气污染防治行动计划》后,北京市于2013年也发布了《北京市2013-2017年清洁空气行动计划》。北京市地源热泵供暖面积,2010年为1957万平方米,2015年为4000万平方米,而在2020年,预计将达5000万平米以上(近年来,地下水源热泵系统应用受限)。治理雾霾,大力发展清洁能源,助力地源热泵产业的发展。


2.3鼓励政策密集出台,各级政府积极推动,全面利好地源热泵产业发展

      近几年,国家层面出台很多地热方面的规划和鼓励政策,地方政府也纷纷响应号召,制定落实方案。以北京为例,2016年3月3日,北京市人民政府办公厅印发《关于印发大气污染防治等专项责任清单的通知》;2016年4月18日,北京市发展和改革委员会印发《关于加大煤改清洁能源政策支持力度的通知》;2016年6月17日,北京市发展和改革委员会印发《关于进一步明确煤改地源热泵项目支持政策的通知》;2016年6月27日,北京市人民政府印发《北京市“十三五”时期城乡一体化发展规划》;2016年8月7日,北京市人民政府印发《北京市“十三五”时期节能降耗及应对气候变化规划》; 2016年8月10日,北京市人民政府办公厅印发《北京市“十三五”时期节能低碳和循环经济全民行动计划》;2016年8月15日,北京市人民政府印发《北京市“十三五”时期重大基础设施发展规划》;2016年9月26日,北京市发布《“十三五”时期新能源和可再生能源发展规划》;2016年10月31日,北京市住房和城乡建设委员会、北京市发展和改革委员会联合印发《北京市“十三五”时期民用建筑节能发展规划》;2016年12月28日,北京市人民政府印发《北京市“十三五”时期环境保护和生态建设规划》;2017年2月11日,北京市人民政府办公厅印发《2017年北京市农村地区村庄冬季清洁取暖工作方案》等等,包括北京市各区也出台很多相关政策,这一系列鼓励地源热泵发展的规划和政策相继出台,都表明要大力发展地源热泵系统建设,加大支持资金力度。重点区域、重点项目要用地源热泵,补贴金额从30%到50%,优惠电价等,支持力度空前强大。这也大大推动了地源热泵市场的发展,用户有需求、有补贴,设备商有销量、有市场,建设方有项目、有收益,政府调控有成效,环境保护有提升,一举多得,全面利好。


2.4重点区域、项目建设提供行业发展大平台

      以重点区域、项目建设为契机,综合运用多能互补模式和智慧能源技术,打造一批具有国际先进水平的新能源和可再生能源示范区,是当前政府大力倡导的能源建设发展模式。地源热泵产业发展成为该模式中不可或缺的组成部分。以案例说明:


      根据《北京市“十三五”新能源和可再生能源发展规划》,到2020年,北京城市副中心行政办公区率先建成“近零碳排放示范区”,新能源和可再生能源利用比重力争达到40%以上,城市副中心整体区域新能源和可再生能源利用比重力争达到15%以上。一方面,可再生能源指标的实现,地热能是绝对的主力军,尤其是浅层地热能,缺之不可。另一方面,运用创新的能源运行信息智慧调节技术,实现新能源和可再生能源与常规能源系统的智能耦合运行,打造国际先进水平的可再生能源示范区,这既是对地源热泵技术的创新,也是为全球区域能源发展树立了良好的典范。优秀的经验和技术得以传播,提升整个地源热泵行业发展,都得益于高水平的规划、先进的思路、重点区域和项目建设的良好契机,为行业发展提供更广阔的平台。


      同样,根据2018年1月2日召开的京津冀协同发展工作推进会上的消息,河北雄安新区规划框架基本成熟,未来,雄安新区将建设绿色智慧新城,只有实现新能源和可再生能源100%替代化石能源,才能建设真正意义上的绿色智慧城市。在去化石能源工作中,首先就是全力开发可再生能源,充分利用太阳能、地热能、风能等资源。雄安地区地热田面积达320平方公里,地热水储量821.78亿立方米,可替代66.3亿吨标准煤,但目前开发利用量仅占可采总量的6%,国土资源部已规划“打造全球地热利用样板”。因此,在不久的将来,地热能产业将在雄安新区这个舞台上大展拳脚。


三、新时代行业发展孕生优秀成果层出不穷


      当前,我们已迈入新时代中国特色社会主义道路,继往开来,新时代,新气象,新思路,新做法。“两个一百年”为我们指明了前进的方向和目标。顺应时代发展,创新规划、思路、技术、模式等,地源热泵行业也创造出许许多多的优秀成果,主要表现在以下几个方面:


3.1系统集成方面

      因地制宜,多能互补的“浅层地热能+”是近年来地源热泵行业大力发展的建设模式。充分考虑到了区域自然资源条件和特点,合理调配资源开发利用,真正做到了资源的集约、节约利用。总结为“四个结合”:


(1)深浅结合

      主要指浅层地热能与地下中深部的干热型或水热型地热资源的结合。充分利用浅部地层的能量,并以中深层地热能量作为补充。这种结合方式既可以解决浅地层能量不足的问题,又降低了能耗,提高了系统经济性,适用于北方寒冷地区。如北京市北苑家园供暖项目,利用地热水结合水源热泵系统,满足40.6万m2建筑群的供暖、制冷需求。


(2)天地结合

      主要指浅层地热能与太阳能或风能相结合。充分利用了太阳能热和风电,主要解决了太阳能光照时间限制、“弃风限电”等问题。一些地区也研发出全新高效的太阳能-地源热泵系统,将太阳能集热能量储存在地下,冬季供暖时,将储存热量提取,达到很好的节能效果;北京相关高校也在研究太阳能与地源热泵结合为一体的模式;而浅层地热能与风能的结合,将会在规模化应用上有更大发挥空间。


(3)调蓄结合

      以浅层地热能为主,深层地热为辅,其他能源(燃气、油等)做调峰,加上蓄能系统,既降低初投资,又保障系统运行稳定。如北京用友软件园土壤源热泵+冰蓄冷+水蓄能复合热泵系统,为47.2万m2建筑群的供暖、制冷。较常规供暖方式节能30%左右,节约1400吨/年标准煤。系统运行超过10年,十分稳定。该项目还获得国家能源局科技进步奖。


(4)表里结合

      以浅层地热能为“里”,地表水为“表”,“表里结合”的复合热泵系统,其适用地区更加广阔,系统运行稳定性也更好。运用地源+江水源热泵技术设计的上海世博轴“绿色空调系统”,实现100%的可再生能源运用,节能30%以上,并获得“亚洲国际地产投资与开发博览会”(Cityscape Asia)的重要奖项——最佳城市综合体奖。


      以上四种结合方式不是孤立的,而是可以相互结合的。总之要根据不同地区的资源条件,最大程度地利用好各种资源,提高资源的利用效率。


3.2技术创新方面

      为了满足地源热泵行业的快速发展需求,大量新技术应运而生,而技术的革新又推动了行业的进步。近些年,全国各地都在努力创新发展,一些好的做法和技术成果应用,产生了良好的效果,值得我们学习和推广。


(1)水热型地热资源的梯级利用

      一般来说,高于150℃的高温地热资源,可开采流体多属于蒸汽型,分布区域有限,主要用于发电;而对于我国大部分地区易开采的地热资源来说,都是低于150℃中低温地热资源,可开采流体属于水热型,多用于供暖、温泉洗浴、种养殖等。对于在封闭管路中循环的地热水,在被提取热量后,通常要回灌至地下,以保证地热资源的循环利用。而一些品质优良的地热水资源温度较高,在经首次提取热量后,仍保持较高的水温,40~50℃甚至更高,其中还有较多的热量,这种地热尾水如果直接回灌至地下,是一种能源资源的浪费。因此,对于这种品质较好的地热尾水,最好的做法就是,通过热泵系统对其再次或多次提取热量,将水温降至20~30℃后进行回灌。这种做法称之为地热水的梯级利用。一方面,提高了地热资源的利用率,单位水量供能量增大,系统效率提升;另一方面,使地热水用途更加广泛,多种温度需求可以同时满足。因此,对高品质地热水实行梯级利用是要大力推广的一种好方式。


(2)热泵技术+干热型地热资源

      干热型地热资源的特点是地下热层温度较高但无可开采流体。要开采这样的地热资源,我们采用新方法:从地上输水至地下热层进行充分换热,然后将热水抽取至地面,用热泵提取热水中的热量,取热后的尾水再输送至地下热层换热,如此循环。这样做的好处是,充分利用区域地热资源条件,在水资源缺乏的地区,只要地层温度满足,热储量足够,即可开采地热,并且不存在回灌和地下水资源量限制问题。目前,这种新方法在我国很多地区正在尝试,也有部分项目采用且效果良好,如西安等地。


(3)新型地埋管换热器

      传统地埋管地源热泵系统的地下换热器采用单U或双U型HDPE管。通常根据项目不同,地下换热器埋深多在几十米至150米之间。由于单个换热孔换热能力有限,一般一个地源热泵项目需建设地埋管换热孔少则几十个、上百个,多则几千个甚至上万个;按换热孔间距4~5米计算,占地面积也很大。尤其是在建筑群密集的城市中,可用土地面积更是极为有限。在这种状况下,一种新型地埋管换热器——同心套管换热器被国内一些研究者提出,并进行试验安装。换热介质水从套管夹层中进入,夹层管程中设有螺旋纹,保证了水与管外岩土充分换热,换热后的水从套管底部内管中被抽取上来,进入热泵机组换热,换热后的水再输回套管换热器,如此循环。通过试验证明,相同地埋管埋深条件下,单个换热孔换热能力明显提升,有效减少了地埋管换热孔的建设数量。未来,研究者们将继续研究相关技术,如埋管间距控制、夹层螺纹设置、管材选择、隔热等技术,力争更加完善研究成果并快速推广应用。


      另外,还有一些新的尝试值得我们肯定,如我国北方寒冷地区地热能的利用形式,浅地层岩土温度较低,其中的热量不能够满足建筑供暖需求,一些研究者便尝试突破浅层地热能200米的限制,从400~500米甚至更深层的地下岩土中寻求更多的热量源。再如一些大型地表水水源热泵项目也在推进实施,江、河、湖、海水皆可为我所用。城市再生水热能的利用,提升城市污水利用的新高度,等等众多案例,都在说明,为了顺应时代的发展,我们的研究者们正夜以继日地加快技术创新步伐,创新思路,做出前所未有的大胆尝试,推动我们的产业向前发展,引领了世界先进技术,成为了我们的骄傲。


3.3区域能源供给新模式

      当下,地源热泵项目已经从过去的“单打独斗”,单个项目,小规模,逐渐地发展成为集中成片的大规模建设。一些优秀的规模化应用案例也很多,例如前面提到的北京城市副中心、北京新机场项目,在规模上都是世界上数一数二的。未来,在京津冀协同发展区、雄安新区、2019北京世园会区域、2022年北京冬奥会区域、各地重点开发区、城市综合体等一些重大项目建设区域,地源热泵还会崭露头角,甚至成为万众瞩目。因此,我们现在更应该思考如何让地源热泵更好地适应区域能源供给模式,如何从资源、技术、施工、运营、资本、管理等各个环节与其他能源供给形式相互融合,如何与区域其他设施、功能相互融合,如何体现友好的人机环境,如何体现智慧化,这才是真正的高水平项目的体现。


四、关注相关问题

      我国地热行业发展至今,技术可行性和实操性是成熟的、没有问题的,但相关细节仍然值得我们斟酌、改进和完善,一些不可忽略的问题,需要我们重视起来,及早发现,及早解决,才能真正发挥地热能的作用,才能更好地为当前大力倡导的生态文明建设做出更大贡献。


4.1地热水回灌问题

      水热型地热资源的储热介质为水,根据区域资源条件不同,有的地方地下热水量丰富,有的地方水量很少,甚至没有。但即便地下水量丰富的地区,其可开采的热水储量也是有一定限度的。深层地下水不同于浅层地下、地表水,其补给速度多十分缓慢,一般地热项目的开采水的速度远大于其补给速度。若长期大量开采地下水而不进行有效补给,可开采地热资源将会越来越少,至慢慢枯竭。“可再生”也变为“不可再生”。而现在国内很多地区,对于开采的地热水,取完热后并不进行回灌,大量地下水被随意排放掉,导致地下水位急剧下降,后期甚至无水可采,山东、河北、河南等很多项目都存在这样的问题,一定要高度重视。这样粗放的开发利用方式不符合生态环境的保护,不能够做到能源循环利用,无异于杀鸡取卵,要坚决杜绝。


4.2管理问题

      有效、与时俱进的管理是推进行业发展前提。管理混乱、不到位,监管缺失等往往制约了行业进步。


(1)交叉管理

      目前,国内有些地方地热资源矿业权管理属于国土部门的职能,而地下水的取水许可是在水务部门审批,多部门交叉审批、管理也限制了地热行业的发展,也是现在地热水不回灌的主要原因。


(2)地热矿业权审批

      2010年起,矿业权设置方案开始实施,未经提前备案的矿权不得进行审批。从2011年《国土资源部关于进一步完善矿业权管理促进整装勘查的通知》(国土资发[2011]55号)的出台开始,矿权审批程序发生了较大调整,未经提前备案的矿权不得进行审批,很多市场需求受到不同程度的制约,2015年《国土资源部关于做好矿业权设置方案审批或备案核准取消后相关工作的通知》(国土资规[2015]2号)发布,矿权审批政策再行调整,单独的矿业权设置方案取消,纳入到“矿产资源规划”统一审批,新的“矿产资源规划”未正式发布,对市场需求的释放也会有一些影响。从矿业权设置方案的编制到矿产资源规划的修订,从政策出台到省市落地政策的实施以及审批程序的调整,往往都需要较长的周期,无形中限制了很多市场项目的实施。


(3)管理空白区

      近年来,中深层干热型地热资源兴起,各地也在积极、大胆尝试应用。但国内绝大部分地区对这种取热不取水的新型地热资源没有进行管理的相关部门。如何使其合理合法应用,管理服务部门如何分工、跟进,一直是行业追寻的问题。管理上的空白也影响了其健康发展。


(4)地源热泵施工监管问题

      目前,地埋管地源热泵系统的施工建设有相关的技术规范和标准,但在实际工程项目中,地埋管地下施工的监督管理却未有效进行,质量控制存在缺失环节,项目建成后,地下埋管属于隐蔽工程,无法检验、查看,大多项目只能靠施工方的良心工程。出现“豆腐渣”工程,损害行业声誉的事件也时有发生,不利于地热能的推广应用。


4.3相关建议

      (1)对于水热型地热资源的开发利用,可以推广“以灌定采”的开发理念,即根据地热水的回灌量决定其开采强度,做到100%回灌,资源可循环。


      (2)积极落实中央精简行政审批的精神,建议对于地热供暖项目,免征矿产资源税以及矿权出让费用;改变传统的资源开发利用审批模式,参照国土资源部地质灾害危险性评估管理经验,建议实行归口管理,避免多头无序化管理。采用备案制,简化审批手续,减少审批的环节和时间,同时加强后续监督管理。


五、2018年展望


      目前,国内地源热泵行业正处在飞速发展期,众多支持政策出台、社会大力推广、民众环保意识增强,决定了在接下来一段时期内,行业发展仍会保持高增长态势。由于新规划、政策的全面实施,预计2018年将迎来井喷式的大发展。未来,地源热泵市场广阔,“蛋糕”巨大。如何抓住这良好的契机,作为行业从业者,还应当从最基本的方面着手去做:首先,做好行业自律,踏踏实实,认认真真做好自己的每一件事,高标准、严要求、细劳作、出精品;发展眼光放长远,诚信经营,相互扶持,共同进步,单丝不成线,独木不成林。其次,要做到以“我”为主,兼收并蓄,各展所长,从业人员发挥自身专业领域特长,相互借鉴,齐头并进,共同迎接这一千载难逢的新时代。