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北京市浅层地温能技术应用推广综述

2018-12-11 21:26admin中国电力时空网

城市让生活更美好,但作为城市的生命线——能源,却往往要依赖外部供应。如何提高城市“生命线”的保障能力,就成为城市化进程中人们不得不考虑的问题。北京市的探索实践表明,浅层地温能技术的应用推广,实现了城市能源的就地供应。

北京市浅层地温能技术应用推广综述

当代万国城土壤源热泵系统外观

能源就地供应,使城市能源可以自我“造血”

人们在参观北京奥运村时,会看到一块由美国绿色建筑协会颁发的绿色环保金奖——“能源与环境设计先锋金奖”。而这,只是北京浅层地温能技术大规模应用典型案例中的一个。目前,北京以浅层地温能技术进行供暖供冷的建筑面积已达4000万平方米,约为全市建筑总面积的4.4%。这就是说,北京已部分实现了能源的就地供应,且这一比例正在逐年提高。

卫万顺,中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心主任。谈起这一技术在北京的逐年走俏,他坦言,这是问题引导和需求拉动、政府支持相结合的结果。

据他介绍,早在1999年,北京市地勘局就确立了以城市地质为主的发展思路。他们在研究现代城市需求后发现,除能源生产型城市外,其他城市的能源供应——煤、电、气,几乎全部要依赖外部供应。一旦外部供应出现问题,城市就会丧失生存机能。

解决这一问题的办法,显然就是增加能源的就地供应,打造城市能源供应的自我“造血”功能。按照这一思路,北京市地勘局在研究国外文献时发现,瑞典当时开发了浅层地温能技术。他们在组织技术人员深入研究后发现,这一技术的核心其实就是提取浅层岩土体的温差、再辅以少量电力为建筑物供暖供冷。而对浅层岩土体的研究,正是地勘队伍的强项。

于是,北京市地勘局在该局所属地质勘察技术院院内开展了试验,并于1999年建成了应用这一技术对院办公楼进行集中供暖供冷的中央空调系统。随后,利用提取温差的基本原理,以地勘局办公楼院内的自备水井为取温介质,于2001年成功对局办公楼进行了中央空调系统改造。在两例成功案例的示范下,北京市地勘局开始把浅层地温能等清洁能源作为主业发展方向,重点承担浅层地温能等新能源的公益性和商业性工作,并成立了北京市华清地热开发有限责任公司,加大了市场的开拓力度。

北京市浅层地温能技术应用推广综述

上海世博轴土壤源+江水源热泵系统外观

“政府的支持则体现在两方面。”卫万顺说,一是业务主管部门的技术支持。2006年,国土资源部开始了浅层地温能勘查评价试点工作;2007年,在北京召开了全国地温能(浅层地热能)开发利用现场经验交流会。同年,中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心在北京市地勘局挂牌,浅层地温能的开发利用上升到国家层面;2008年,《国土资源部关于大力推进地热能开发利用的通知》印发,全面部署我国浅层地温资源的勘查评价、规划编制和地质环境监测工作;2009年,在天津召开全国浅层地热能和地热能资源管理工作会议,颁布了《浅层地热能勘查评价规范》。浅层地温能技术,也由北京单打独斗式的探索走向全国全面应用推广的新阶段。二是政府的政策支持。北京市政府曾于2006年5月印发了《关于发展热泵系统的指导意见》,对这一技术的应用提供明确的资金支持:选用地下(表)水源热泵的,每平方米补助35元;选用地源热泵和再生水源热泵的,每平方米补助50元,使浅层地温能技术在全市得到迅速推广。据统计,2006年以后,北京浅层地温能技术供暖供冷面积保持了每年约150%的增长速度。2013年,随着国家能源局等四部委联合制定《关于促进地热能开发利用的指导意见》的印发,对浅层地温能的政策支持也上升到国家层面。

在业务主管部门的支持下,中国地调局浅层地温能研究与推广中心以为城市植入更多的能源“绿色干细胞”为己任,大力开展了从学科的创立到各环节关键技术的研发,使浅层地温能技术的取温介质从初期单一的浅层土壤、地下水,发展到地热水、城市中水、地表水等多种形式。

这些资源能满足城市多大能源需求?对这一疑问,卫万顺用北京的数据进行了说明:经勘查,北京市平原区浅层地温能热容量为1.95×1015千焦,折合标准煤6670万吨,可供暖面积7.2亿平方米;截止到2013年底,全市公民用建筑物总面积约9亿平方米。“如果再考虑城市中水、地表水等其他介质的热容量,资源保障是没有大问题的。”卫万顺说,“重要的是,这些资源除就在当地外,还都是可再生的。”

在加大关键技术研究的同时,中国地调局浅层地温能研究与推广中心还加大了全国推广应用的力度。自2007年成立以来,中心已成功举办了九期全国高级研修班和两期学术交流会,累计培训全国技术骨干1000余人;在全国成立了3个中心的分支机构,开展不同地质因素对浅层地温能开发利用的影响研究和在当地应用推广;多次派专家前往开展技术扶持与技术交流工作,带动了当地城市浅层地温资源开发的步伐。万国城地埋管地源热泵项目、用友软件园复合式地源热泵项目、奥运村再生水源热泵项目、上海世博轴江水源地源热泵项目等一批成功案例,如星星之火正引燃各地的应用热情。据不完全统计,截至2014年底,全国利用地源热泵技术开发浅层地温能供热制冷的建筑物面积已超过3.3亿平方米,预计到“十二五”末期将达到5亿平方米。

能源就地供应,不再是一个美丽的梦。

自主创新,浅层地温能资源利用模式“百花齐放”

地处北京望京的金茂府,是全国知名的高端住宅品牌,其中央空调系统搭载的就是由中国地调局浅层地温能研究与推广中心试验研究过的毛细管网辐射技术。

如果细数,在浅层地温能技术的开发上,浅层地温能研究与推广中心已实现了从引进到自主创新的根本性转变,形成了以地源热泵为基础,冰蓄冷、水蓄冷、水蓄热、大温差风盘等的综合能源利用方式;基于多年的工程实践与理论研究,凝练出“地源热泵、置换式新风、毛细管网辐射”三大核心技术,实现了地源热泵与室内环境的无缝对接,并在末端毛细管网和农业设施领域取得了长足的发展。

谈到这一转变,卫万顺说,主要得益于浅层地温能研究与推广中心成立后一直秉承加强人才队伍建设和自主创新理念。

据他介绍,研究与推广中心成立后,就以人才队伍建设为基础,大力开展相关基础理论和关键技术的自主研究工作。

在人才队伍建设上,中心采取了三管齐下的办法。一是明确了人才培养的机制。坚持“高级人才重点培养,优秀人才优先培养,紧缺人才加快培养,后备人才全面培养”的方针,根据每位技术人员的特长和业务发展的需要,分别对每位技术人员提出专项研究内容。二是在政治和工作生活上,营造有利于人才成长的环境。经常开展思想交流、野外拓展等活动,增强了大家的工作热情和进取精神;贯彻人文关怀理念,特别是在吃、住、行等方面,尽可能帮助大家解除后顾之忧;注重营造尊重人才、鼓励创新的环境,公开平等、竞争择优的制度环境。三是实施人才培养计划。按照计划,中心通过专业培训、野外试验操作以及继续教育等形式对科研人员进行系统培养。邀请相关专业的专家教授,对科研过程中遇到的难题进行一对一指导,或者以讲座、野外指导的形式进行培训。选派技术人员到各合作高校进行短期学习或进修,提高基础理论水平。划出专项经费,鼓励科研人员发表科技论文;定期组织专题研讨会。目前,中心有20余名技术骨干纳入中共北京市委组织部优秀人才培养团体资助项目——《提高浅层地温能开发利用综合效能实验研究中人才培养与科研团队建设》。

在自主创新上,中心长期与清华大学热能工程系、中国地质大学(北京)水环学院建立合作研究关系,逐步形成了以高校为科研支撑、以解决实际问题为目标的自主创新机制。在这一机制下,中心技术团队完成了关键性技术设备研发、浅层地温能综合效能实验室建设及一系列有影响力的重大工程技术推广服务工作,形成了通过试验—开展研究—进行监测—指导实践的工作体系。

作为一个新生事物,随着浅层地温资源开发规模的逐年扩大,这一开发模式是否会引发新地质环境问题,逐渐进入人们的视野。为此,中心加大了实验和监测两个环节的工作力度,以用数据说服人。

在实验方面,针对浅层地温能资源热储量计算方法中的许多相关参数还不能做到实地测量的情况,2007年,中心开展了浅层地温能热冷响应测试系统研制工作。该测试系统能够模拟地埋管换热器夏季的运行工况(向地层释放热量)和冬季的运行工况(从地层中取热),直接测定地埋管换热器的吸热能力和排热能力,可用于指导单项工程设计和进行区域浅层地温能资源量的评价。

2009年,北京市地勘局、浅层地温能研究与推广中心和北京市华清地热开发有限责任公司共同出资建设了浅层地温能综合实验室。目前,实验室已初步具备浅层地温能开发利用中基本参数的实验测试功能,获取的部分测试及监测数据,以及综合效能研究的阶段性成果,对于指导实际工程设计具有重要意义。

在监测方面,已在北京建成2个监测站和40个监测点以及监测中心,形成了北京浅层地温能资源开发利用监测站网,加强了浅层地温能开发利用的地质环境监测工作,为建设浅层地温能开发利用对地质环境影响预警预报系统打下基础,为预测北京市浅层地温场变化趋势以及评价浅层地温能开发利用对地下环境影响提供了依据。同时,也为开展浅层地温能高效转化研究,以及合理、安全、有效地开发利用浅层地温能资源提供了数据支撑。其中,2014年在通州张家湾地面沉降监测站开展的《浅层地温能开发利用换热机理实验平台建设及研究》正在进行中,其结果将为浅层地温能的可再生性、科学合理高效利用提供基础监测研究资料。

基础理论和关键技术的创新,带来了以地源热泵技术为主的浅层地温能资源利用模式的“百花齐放”。2000年以来,以江水源+地源热泵技术的上海世博轴项目,再生水热泵冷热源技术的奥运村,复合式能源系统的北京国际鲜花港、用友软件园等一批典型项目先后面世后,人们有关于城市能源的认识,也醍醐灌顶般地觉醒:原来,城市的能源就在城市自身,“生命线”是可以靠城市自身来解决的。经计算,仅北京规划区2000平方公里浅层地温能的储量,就相当于1.07亿吨标准煤。

理论与实践相结合,两大体系的建立为浅层地温能资源开发利用提供了理论和技术支撑

“在收获一个个成功工程案例的同时,我们还创立了自己的浅层地温能地质学理论体系和浅层地温能资源勘查评价体系。”指着办公桌上的《北京浅层地温能资源》、《中国浅层地温能资源》和《浅层地温能资源评价》3本专著,卫万顺自豪地说,“两大体系的建立,为我国浅层地温能资源的开发利用,提供了理论和技术支撑。”

那么,这两大体系到底解决了哪些问题?又包括哪些内容?卫万顺一一道来。

随着浅层地温能资源开发规模的逐年扩大,一些制约这一产业发展的问题就陆续出现:从认识上看,存在着“资源和非资源”两种观点的争论;从方法技术上看,勘查评价工作如何做、以什么规范做、应开发哪些关键技术等现实课题亟待解决;从环境影响看,浅层地温能资源开发到底有没有环境隐患的顾虑,需要有理论解释和监测数据的支撑。

奥运村污水源热泵系统机房

针对这一现实,中心组织技术人员按照研究指导—工程实践—提炼升华的路线,再辅之以实验、监测的技术手段,在全国率先组织开展了浅层地温能勘查评价工作。在总结、提炼工程实践经验的基础上,编写了《中国浅层地温能资源》、《浅层地温能资源评价》、《北京浅层地温能资源》3部专著和《浅层地温能开发利用中的关键问题研究》、《北京平原区浅层地温场特征及其影响因素研究》等20余篇有关浅层地温能勘查开发的论文,系统回答了3类问题:

——浅层地温能不仅是资源,而且潜力巨大、可循环利用。勘查结果表明,北京平原区浅层地温能冬季可开采利用量折合标准煤为0.667亿吨,约是北京目前建筑物供暖制冷消耗的1.6倍,可供暖面积7.2亿平方米。31个省会城市浅层地温能开发利用总能量折合标准煤2.8亿吨,约是全国目前建筑物供暖制冷消耗的0.8倍。

——先后编制了《浅层地热能勘查评价规范》、《地源热泵系统工程技术规范》(2009版)、《省级浅层地热能调查评价工作方案》、《北京市地埋管地源热泵系统工程技术规范》和《北京市再生水热泵工程技术规范》,解决了勘查评价和开发利用上无据可依的状况。

——针对专家和公众的环境担忧,两大体系则从两方面进行了阐述。一方面,站在地质学理论的高度,浅层地温能的能量主要来源于地球内部的热能(少部分来自太阳辐射能),而这两种能源相对人类历史来说为可再生资源;另一方面,则从利用原理上阐述,说明开发浅层地温能就是冬季从地层中取出热量给建筑物供暖、夏季吸收建筑物的热量释放到地层中储存,总体上实现了来自地球深部的热传导与换热量的平衡,不存在一些学者提出的“热堆积”或“冷堆积”的情况。

两大体系的创立,给政府大力推广应用以极大的信心。以北京为例,自2006年以来,北京市政府、中国地调局等部门先后委托中心实施了《北京市浅层地温能开发利用现状、问题及对策战略研究》、《北京示范区浅层地温能初步评价》等项目,进行了《北京市浅层地热能资源利用规划》、《北京市再生水热能利用研究及规划》等规划的研究编制工作,在能源消耗上明确了地热、浅层地温能及再生水热能“三能”综合应用的理念。浅层地温能资源的开发利用也渐入佳境:截至2012年底,北京已建成地源热泵项目1111个,应用面积达3435万平方米;地下水地源热泵项目911个,约2446万平方米,地埋管地源热泵项目149个,应用面积649万平方米;再生水及污水源热泵项目38个,应用面积140万平方米;深层地热+热泵项目13个,应用面积200万平方米。每年可节约运行费用 3亿元,每年约可替代标准煤46万吨,并大大减少了空气中污染物的排放。《北京市地源热泵应用调查评价研究》研究数据表明,浅层地温能的开发利用,每年可替代煤炭用量约90万吨。

“90万吨是什么概念呢?”卫万顺算了一笔账:以每个车皮的最大载重量70吨、一个专列最大编组50个车皮计,把90万吨煤炭运进北京需要257个煤炭专列。“也就是说,每一天半就要有一个煤炭专列进京才行。”

正是看到了浅层地温能资源开发利用巨大的综合效益,2013年,北京市政府进一步加大了对这一技术应用的政策支持力度。目前,由北京市发改委、财政局、国土资源局、环保局、规划委和水务局联合制定的《关于北京市进一步促进地热能开发及热泵系统利用的实施意见》已经印发,决定对2013年到2017年建成或新建的浅层地温能利用项目提供政策支持:新建的再生水(污水)、余热和土壤源热泵供暖项目,对热源和一次管网给予50%的资金支持,既有燃煤、燃油供暖锅炉实施热泵系统改造项目,对热泵系统给予50%的资金支持;市政府固定资产投资全额建设项目,新建或改造热泵供暖系统的按现行政策执行。专业化能源公司投资、建设和运营的热泵供暖项目,可享受上述资金支持。

在这一政策支持下,北京市地勘局局长刘辉表示将在通州城市副中心、新机场、冬奥会主办地延庆等区域大力推广使用浅层地温能,优先利用再生水热能,有条件的地区要加强地热、浅层地温能及再生水热能的综合利用工作。浅层地温能等清洁可再生能源必将在未来京津冀协同发展、生态文明建设中发挥更大的作用。