西安地下两千米，有着取之不尽的热源 || 贞观TALK

2023-06-14 13:08:32

供暖季来临，西安将进入一年中空气污染最严重的几个月。事实上，雾霾俨然成为西安人生活、城市发展的“心肺”之患。供暖烧煤产生的排

供暖季来临，西安将进入一年中空气污染最严重的几个月。事实上，雾霾俨然成为西安人生活、城市发展的“心肺”之患。供暖烧煤产生的排放物是颗粒污染物的重要来源，但不烧煤或者少烧煤又如何保证同等强度的供暖？当下，我们需要找到一种新的清洁能源，可以既保护环境，又能稳定输出热能。

上周末，我们的线下知识分享活动「贞观TALK」顺利举办，这次我们请到了西安交通大学建筑节能研究中心主任王沣浩教授，他在现场为我们带来关于陕西清洁能源的新选择——中深层地热能无干扰清洁供热作为供热源，这种新技术可能是未来陕西清洁能源的发展方向。

以下是王沣浩教授讲座的内容实录。（有删节）。

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今天是个非常好的日子，感谢主办方邀请我参加这样一个分享沙龙，今天我们主要探讨的内容是关于清洁供热的发展和展望。

先来看一下我国建筑供暖的背景：我国目前建筑面积的总量大概是六百多亿平方米，分为城市公共建筑、住宅建筑和农村建筑，全年建筑能耗相当于标煤大概九亿吨。

北方集中供热的三北地区，也就是秦岭淮河以北的东北、西北和华北，又称为严寒寒冷地区，自然条件决定这些地区需要供暖。现在经济发达了，淮河以南的长江区域虽然不是传统供暖区域，但老百姓生活水平提高，也有一定的供暖需求。

所以现在来看需要采暖的建筑面积还是蛮多的，大概有两百多亿平方米，这还只算了北方集中供暖区域。

△感谢沣西能源对本次活动的支持

我们为啥要发展清洁能源

目前，建筑能耗占到能耗总体的不到三分之一。我国是个产煤大国，能源结构以煤为主，占到百分之六十左右。西方发达国家比如瑞典就能源结构来说，化石能源仅占到百分之二十左右，并且计划通过大力发展生物能、地热能等可再生能源在未来逐步将化石能源消耗量减为零。

我国虽然化石能源储备特别丰富，但煤的燃烧带来大气污染问题近年来特别突出，从长期发展战略角度来看，需要提升可再生能源比例。国务院于2018年6月印发了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，提出了2020年的空气质量改善目标，煤改清洁能源供热提上了日程。

西安市是汾渭平原上清洁供热的试点城市，西安市供热最早以燃煤锅炉为主，现在已经逐步改为以燃气锅炉为主。城市近年来发展很快、城市规模快速扩大，需要供热公司提供更多能源。早在好几年前，各热力公司已经向发改委提出供热容量不够，但是燃煤锅炉不能批建，政府说原则上也不增加燃气锅炉的容量建设。

现实的情况是现有的供热容量已经不能满足社会的供热需求，满足不了需求怎么办，那就只有考虑其他的办法。比如采用分布式能源不依靠市政，小区开发商自主解决。

最近西安市提出，新建项目能够采用地热能供热的，公共建筑大于两万平米建筑面积且有供热制冷需求的，原则上使用地热能供热。我们希望通过努力，能够完成北方地区2019年清洁采暖率达到百分之五十，替代七千四百万吨燃煤的任务要求。

大家一到冬天就会关注雾霾，也总提到清洁能源的应用，事实上清洁能源是一个蛮大的概念，实现低排放低能耗的技术都可以认为是清洁能源。建筑供热采用什么样的清洁能源是今天我们要探讨的话题。

热泵技术到底好在哪

先来谈谈热泵技术，热泵和生活离得有点远，那么什么是热泵？和水泵类似，水泵是消耗电把水从低位泵到高位。热量也有高品位和低品位之分，如果不依靠外力，一定是高温物体自动往低温物体散失热量。热泵是通过消耗电能，把热量从低温物体抽取出来送到高温物体的设备，与自然界的方向是相反的。

热泵已经有一百多年的历史了，我们一直在说热泵是一个节能技术，是和直接电加热相比较的。直接电加热的装置非常多，比如电热毯里边就是有电阻丝一通电就发热。如果设备功率一千瓦，通上电热毯以后能取得多少热量呢，也是最大到一千瓦。

但热泵是个节能设备，根据能源守恒定律，要满足释放到高温环境里的热量等于从低温物体抽取的热量加上电能。我们来看看热泵的效益，我们投入的是电能，收益是它和抽取热量的和，二者之比就是热泵的效率，是大于1的。

因此和电热毯之类的电热设备相比，热泵设备是节能的。举个例子，拿沣西能源公司的中深层地热能无干扰清洁供热的项目来说，设备能效我们取一个常见的性能系数6，就是通过一份的电能供了六份的热量，与电锅炉相比较，效率是电锅炉的六倍。

很多同志们想不明白，你提供了1份电拿了6份热，多出来的5份热是哪里来的，中深层供热项目来讲就是从地热里来的。

目前我国推行的绿色建筑标准中有一条，是要看看一个公共建筑有没有用直接式电热设备作为采暖设备，如果有，那么这个建筑就不是绿色建筑。现如今电锅炉的发展更多作用在调峰，就是夜间电力负荷低的时候，可以用锅炉来调峰蓄热。

所以我们说热泵是非常好的节能技术，热泵的种类包括空气源热泵、水源热泵、地源热泵。

空气源热泵顾名思义就是吸收的热量是从从低温空气环境里来的，这个技术其实比较贴近生活的应用就是空调。这几年空气源热泵发展很快，技术上来讲适合比较小的系统，比如别墅或者室外温度不是特别低的情况。存在主要的问题就是受室外温度不稳定的影响，供热可能不太稳定。

再来看水源热泵，低品位热源从水里来，比如海水、河水、地表水还有工业余热的废水。最早的水源热泵是东北地区大规模应用的，沈阳市专门成立了水源热泵推广办公室。沈阳地下水非常丰富，具体方案是打个一两百米的抽水井，把水抽上来提取了热能再灌回去，而且沈阳也具有不错的回灌条件。

深井水取热大规模推广应用以后发现，水温会逐年降低，水温降低以后热泵效率就变低了。因为在实际操作上，水源热泵从十几摄氏度提取热量比二十几度要更难。

包括后来在西安也应用了不少项目，我们碰到的主要问题是抽上来容易回灌难，就是水灌不进去，最后发展到一口井抽，两口井三口井四口井回灌都做不到百分之百。

近几年污水源热泵做得很好，原来从财政来讲污水处理厂是入不敷出的，要拿政府补贴生存，但是后来市场开始愿意自主发展污水处理厂，其中一个重要的原因是意识到它可以作为能源站，产能供周边区域使用。因为污水一年水温比较恒定，是很好的热源，现在对西安地区来讲水源热泵非常重要的来源就是污水。

还有一个方面是地源热泵，其实地源热泵是国外在70年代以后才发展起来，因为上个世纪七十年底出现了能源危机，从那以后各个国家非常重视节能工作。

我国最初的地源热泵，就是在浅层一两百米的地方打地埋孔，通过换热管从浅层岩土体中进行换热。我们国家是九几年开始研究，零零年以后才有一些试点，2013年在建的工程规模达到峰值。

到现在为止，我们在这个方面的设备制造、施工工艺、建成项目的运营管理，已经达到世界一流水平。因为我们是工程牵着技术走。国外的项目规模最多几千平方，我国是几万平方起到几十万单体建筑。碰到了很多西方国家没有碰到的问题，对技术的发展起到了促进的作用。

现在这个技术最大的问题是地下一两百米只有一二十度，这样的温度如果冬天采暖只是取热，很容易就出现基础地温逐年下降问题，使得供暖效果变差。解决问题的方法是地源热泵技术需要冬天采暖夏天供冷两个季节同时使用，基础地温才能保持平衡。高新区的都市之门用的就是地源热泵供冷供热。

现在大家基本达到共识，浅层岩土体不是一个热源而是一个蓄热体，应用时候要做到存取平衡。当时最初学术界是没有达到这样一个共识，甚至说一个城市基础地温下降一度相当于开采多少顿燃煤。现在这个错误观点基本已经纠正了过来。

我们说地源热泵技术绝对是一个好的技术，即使有不成功的案例，只能说明它拥有更大的改进空间，或者可能是哪个环节出了问题，但绝不能否认说技术不行。

无干扰地热供热是怎么实现的

现在我简单地来介绍下今天的主题，中深层地热能无干扰清洁供热技术。

传统的地热供热方式是把地热水从地底下取出来再灌回去，但是这个水灌不回去就成为一个污染源，因为它含有矿物质，直接排到下水道是有问题的。如果抽了水不给它补回去，又会产生地裂缝造成地质灾害。后来国家提出地热水适宜在经济效益好的行业里使用，比如老百姓喜闻乐见的足疗、洗浴之类等。

我们这个技术叫无干扰，主要就是区别于传统取热又取水的采暖方式。和其他的地源热泵技术比较，它没有冷热平衡的需求，本身就是个热源。中深层地下的热量是很高的，通过换热孔四周的热量补充，深层地核的持续产热，这种中深层地热能可以说是取之不尽的。

它首要的优点也是无干扰，这种地热换热系统是采用封闭的换热管进行换热，管内的的水和周围岩土体间接进行热交换，相当于只提取了热。

这种技术还有一个很关键的设备是地面的热泵，靠热泵的二次加热给建筑供热，这就是无干扰地热供热的技术原理。

第二个呢就是它没有大量的占地需求，一个换热孔能够带一万五以上的住宅面积。我国现在要执行一项新的严寒寒冷居住建筑节能标准，和之前的建筑比现在的建筑热耗能要减少百分之三十。今后一个换热孔带的面积会更大，一点八到两万都是有可能的。所以和浅层地埋管相比，它几乎没有占地面积，对城市的发展很合适。

第三个是取热不取水，不会破坏地下水资源也不存在污水回灌，得到政府和行业的广泛关注。

从2012年也就是这项技术的诞生元年，到现在在建的和已经建成的已经超过了一千万建筑面积。西咸新区沣西新城的西安交通大学创新港校区159万建筑面积，全部采用这种新型的地热供热技术。

2015年同德佳苑作为首个试点的小区，也是中深层地热能无干扰清洁供热的PPP项目，取得了很好的示范效果。我们课题组和清华大学课题组对很多已经建成的项目进行了监测，统计了五个住宅，统计以后我们发现这个系统平均能做到4.5到6.0，是更加节能的，也是长期的监测情况显示的。

接下来我们进行一个稳定性的分析，其实无论是地产商还是政府领导再到住户，都在担心这种新型供热项目能不能保证长期安全可靠的运行，能不能保证和建筑同寿命。

从已经建成的示范工程来说，2012年第一个建成的工程到现在已经七年，可以认为是很好地运行了。我们进行了一个理论推演，结果是这样的，换热器的出水在第十年达到30.32℃，第一年的这个数据是31.45℃，有微弱的逐年衰减，其中前三年衰减较快，到了第十年基本没有变化，从理论模拟研究的结果也可以看出这种技术还是能作为稳定可靠的供热热源的。

作为一个新技术，全行业都比较关注，目前在北方地区各个省都在建，冬奥会颁奖典礼的会场也采用了这个技术。未来几年，或者说一段时间，这个技术会有更广阔的市场，业内也希望制定相应的规范保证技术的良好应用。我们也编订了西咸新区的技术导则，不久后省里和国家的标准也会面世。

这个技术有没有什么限制发展的因素呢？有，那就是前期投资高的问题。对此我们也给省政府提出了一些建议，政府会提供一些补贴。我们相信这个技术也会给清洁供热领域带来更好的影响。

现场互动问题精选

Q:我们用户其实最关注的问题，还是采暖费会不会变高?

A:我们收取的都是当地政府规定的采暖费用，比如咸阳是五块四每平米每月，西安是五块八。随着成本下降，我们相信未来也会给到业主相应的优惠。