地热能利用技术研究进展综述

百科 2024-12-16 10:10 北京

[中文]夏晴,郭帅,马静晨,等.地热能利用技术研究进展综述[J].太阳能,2024,(07):109-117.

摘要：地热能作为5大非碳基清洁能源之一，具有储量大和分布广泛等特点。概述了地热能利用技术分类及发展现状，并进一步介绍了浅层地源热泵技术、水热型供热系统、中深层地埋管供热技术以及增强型地热系统的基本概念及发展应用现状。对国内外现今地热能利用技术研究进展及最新研究方向进行综述，从行业重难点问题攻关、多场景地热能利用适应性方案开发、地热储能技术探索等方向对中国未来地热能利用技术的研究与发展做出展望，以期为中国地热领域从业人员提供指导建议与意见参考。

关键词：地热能；利用技术；地埋管换热器；建筑供热制冷；增强型地热系统

中图分类号：TK529/TM616 文献标志码：A

气候变化和能源安全一直是全球经济社会发展过程中需要面对的严峻课题。随着全球对碳排放的重视，寻求能源结构转型、降低碳排放已成为经济社会发展和变革的主要推动力。自20世纪以来，多数发达国家已陆续将碳减排纳入国家发展议程[1]。开发清洁可再生能源，是低碳社会发展的必由之路[2]。地热能与太阳能、风能、水能、核能并称为5大非碳基能源，地热能因其储量巨大、分布广泛、稳定性强等特点，近年来受到了国际社会广泛关注。

中国是目前世界最大的地热能资源利用国[3]，推动地热能利用技术发展对保障国家能源资源安全、构建清洁低碳安全高效能源体系和实现碳中和目标而言意义重大。近年来，中国在国家层面已出台多项政策从顶层设计角度推动可再生能源技术发展，特别是地热能利用技术。2020年，中国在第75届联合国大会一般性辩论上向全世界郑重宣布：承诺力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。2022年6月，国家发展改革委员会、国家能源局等9个部门联合印发《“十四五”可再生能源发展规划》，明确提出积极推进中深层地热能供暖制冷及浅层地热能的开发[4]。国家、省、市等多个层面密集出台的地热能供热利好政策，不仅是地热能供热技术进步的强心剂，也是地热产业发展的压舱石。

本文对国内外现今地热能利用技术研究进展及最新研究方向进行综述，从行业重难点问题攻关、多场景地热能利用适应性方案开发、地热储能技术探索等方向对中国未来地热能利用技术的研究与发展进行展望。

1地热能利用技术分类及发展现状

1.1地热能利用技术分类方式

地热能利用技术的分类方法多样，主要基于地热地质条件、资源潜力和开采方法等进行分类。分类依据主要包括：地热能分布位置及赋存状态[5]、地热流体焓值[6-8]、储层孔隙度和渗透性[9]、地热系统能量转移方式[10]等内容。从历史发展角度看，人类对于地热能的利用可追溯到约1万年前[11]。中国是世界上开发利用地热能资源最早的国家之一，其温泉利用的历史可追溯至先秦时期[12]。地热能利用技术发展史示意图如图1所示。

随着勘探、提取和利用技术进步，地热能在全球范围内被广泛应用于各种领域，包括：传统地热能利用技术领域和非传统地热能利用技术领域(本文统称为“地热能利用新兴技术”)[13]。

传统地热能利用技术包括水热型地热系统和浅层地源热泵技术。自20世纪70年代以来，随着钻井技术和热储改造技术等人工干预手段不断进步，地热能利用技术领域逐渐涌现出EGS、中深层地埋管闭式换热等新兴技术，使深层干热岩和低渗透性热储地热资源的开采和利用成为可能。

1.2地热能利用技术发展现状

地热能利用技术的发展可以追溯到古代文明时期利用地热温泉进行浴疗。自19世纪末以来，各类中深层及深层地热能利用技术不断涌现，呈现出百花齐放的发展状态。以下主要针对不同地热能利用技术在中国和海外的技术发展及应用现状做详细介绍。

1.2.1浅层地源热泵技术

回溯浅层地源热泵技术的发展历程，可追溯到20世纪初。1912年，瑞士工程师Zoelly首次提出利用浅层地热能的热泵供能技术，并申报了相关专利，标志着浅层地源热泵技术的诞生。

到20世纪中叶，美国俄勒冈州首次试点应用了这一技术，主要用于为单体别墅提供供冷、供热服务，并逐渐在欧美国家推广实践[14]。随后，美国、瑞士和德国等国家开始探索将浅层地热应用于小规模工业和家庭的采暖、制冷需求[15]。20世纪70年代的世界石油危机极大地促进了浅层地源热泵技术在建筑供暖和制冷领域的发展，特别是在北美洲和欧洲，随着钻井技术的进步，这一技术的应用范围迅速扩大[16]。20世纪90年代后，热交换器设计技术的不断改进与热泵制造技术的日益成熟，进一步增强了浅层地源热泵技术的实用性及环保性，使该技术得到显著发展，巩固了其在建筑供暖制冷技术中的地位。

进入21世纪，中国开始在北方地区试点使用浅层地埋管换热器耦合热泵机组为建筑供冷供热，随后这一技术在中国得到广泛推广。得益于庞大的建筑面积及建筑供能需求，中国在浅层地热能直接利用量、供热面积、装机容量等方面均位居世界第一[17]。

1.2.2水热型地热能利用技术

水热型地热系统是一种高效利用地热能的技术，通常由几个关键部分组成：生产井(直井或定向井)、回注井(直井或定向井)、热储层和地面设施。生产井抽取热水并输送至地面换热器，由其提取热能，然后用于电厂发电或区域供热。使用后的地热流体通过回注井重新注入地层，与热储层岩土接触后再次被加热，形成一个可持续的循环过程，循环往复提取地热能。热储层是水热型地热资源开采的关键要素[18-19]，其涵盖地温、渗透率和地热流体等概念。水热型地热系统的热储层通常为基质渗透率较大的孔隙型热储或裂隙型热储。

水热型地热系统因结构简单、操作便捷及取热量高的优势，在国内外地热能开发领域得到了广泛应用。美国、冰岛和日本等国家利用该系统进行发电已有超过100年的历史，技术较为成熟。近年来，随着清洁供暖需求的不断增加及钻井和回灌技术的迅速发展，中国水热型地热能的直接利用规模不断增长，直接利用量已连续多年位居世界首位[20]，年增长速度达到10%。

尽管水热型地热系统具有诸多优点，其在实际应用中仍面临挑战，主要是如何保证地热储的可持续利用。其关键在于保证地热储内部的采灌平衡，防止热储温度衰减、生态平衡破坏、地表水污染及地层下沉[21]等问题。此外，地热水中含有各种溶解物质，会导致水热型地热系统在运行过程中产生腐蚀和结垢[22]，影响系统效率和寿命。上述问题可通过地热尾水处理、回灌及管道/设备防腐蚀结垢等技术手段解决。

1.2.3中深层地埋管供热技术

中深层地埋管供热技术的发展历史可追溯到20世纪末。1995年，苏黎世联邦理工学院的Rybach教授和卡尔斯鲁厄理工学院的Kohl教授首次提出利用同轴深孔换热器提取深部岩土热量的概念[23]，其初衷是将油气钻井开发中的废弃干孔再利用，并在瑞士维吉斯进行了实际项目测试，且在美国夏威夷、德国亚琛等地也有试点工程[24]。然而，由于废弃井资源有限、钻新井成本高昂及缺乏运行经验(大多数运行场景为直供且连续运行)等因素，该技术此后并未得到进一步重视及发展，未出现任何商业化应用案例报道。

2012年，陕西省工程技术人员及科研人员组成的团队基于浅层地源热泵概念，探索了使用中深层同轴套管式地埋管换热器与热泵机组耦合为建筑供热的可行性，并成功实现了商业化应用[25]。该技术的热源侧采用封闭式换热器，通过地埋管换热装置提取热能，无需提取地下水。由于热源侧取热点较深，系统基本不受当地气候环境影响，能够为热泵机组长期提供高品质的低温热源，确保系统稳定高效运行[26]。

在中国北方城镇地区，由于人口密度大、供热需求旺盛，中深层地埋管供热技术展现出了独特优势，包括：灵活性强、占地面积小、取热不取水等。这些特点使其适用于不具有市政或余热供热且不具备水热抽采回灌资源条件或浅层地埋管群布设场地的工程场景，目前全国推广应用面积已超过2500万m3，未来有望成为北方城镇清洁供热场景中的重要解决方案。

1.2.4EGS

EGS也称为增强型地热系统，其开发利用对象主要为干热岩。干热岩是指位于地壳深部(通常在3km以下)、温度大于180℃且内部无流体或仅存在少量地下流体的高温岩体[27-28]。作为一种新型的热能利用方式，EGS技术旨在解决传统地热能开发利用过程中存在的系统输出功率小、应用面窄等局限性。

EGS技术的核心在于通过人为方式在干热岩中建立热交换系统，从而将地下热能提取出来。通过水力压裂或化学溶蚀等手段在地下高温岩石中建立人工裂缝系统，使注入的冷水有效地与岩石进行热交换，然后将加热后的热水或水蒸气回抽至地表用于发电或供热[29]。EGS系统由两部分组成：注水井和生产井。地表冷水经回灌井注入地下，经过高温岩体加热后产生200～300℃的高压水或汽水混合物，通过生产井将这部分流体抽回地表，用于将地热能转化为电能或热能。利用后的温水通过回灌井注到干热岩中，从而实现循环利用。

尽管EGS技术具有巨大的开发潜力，但目前该技术仍处于发展期，由于其对资源禀赋要求高，大规模商业化应用尚存难度。

2技术研究现状

2.1浅层地源热泵技术

浅层地源热泵技术指以浅层土壤、浅层地下水或地表水作为低品位热源，通过浅层地埋管换热器为核心的地下换热系统与热泵设备耦合，付出一定量电能代价将低品位热能提升至高品位热能。该技术在冬季为建筑供热；夏季则通过四通换向阀将系统运行方向调换，将建筑室内热能排至低品位热汇，实现制冷。

目前，国内外研究人员将研究重点逐步转移至系统层面的土壤热物性参数辨识算法[30]、耦合辅助系统性能分析[31]及技术经济性评估体系[32]等课题，从而针对浅层地源热泵开展运行性能优化。

对于浅层地源热泵系统而言，能够准确评估其核心部件——浅层地埋管换热器，对于系统性能优化而言至关重要[33]，因此，浅层地埋管换热器的性能仿真计算方法一直是国内外研究人员的研究重点，相关技术方法涵盖：解析解[34]、半解析解(即g函数)[35]及数值解[36]等。自学者Kelvin提出线热源模型[37]后，逐步发展出了无限线热源模型[38]、有限长线热源模型[39]和无限长柱热源模型[40]。在2D传热模型[41]基础上，刁乃仁等[42]提出了钻孔内竖直U型管地热换热器的准3D传热模型。

浅层地源热泵技术在实际工程应用过程中，由于单根浅层地埋管换热器的换热量有限，常规规模的项目通常需要布置数百甚至上千根浅层地埋管换热器[43]。基于此，Hefni等[44]提出了多孔换热器3D空间解析模型，可准确预测和评估单个或多个地热钻孔系统的热性能。尽管解析解在面对较复杂的边界条件设置及多管耦合交互问题时较难得到准确数学表达式，但Eskilson[45]提出了g函数方法，通过获取脉冲热作用下岩土温度响应结合杜哈梅尔定理可处理各类浅层地埋管计算需求。相比解析解方法，数值解可较为便捷地处理复杂边界条件和设置各类运行工况下的参数。近年来，随着取热不取水技术的不断发展，浅层地埋管换热器的研究与应用逐渐向中深层[46-47]、复杂数值解[48-49]发展。

展望未来，浅层地源热泵技术将更加侧重大规模浅层地埋管群中岩土热平衡控制的理论研究和工程实践[50]；其次考虑搭载热泵单元[51]及大型浅层地埋管群之间的耦合机制[52]，以实现更高效、经济、环保的能源利用。

2.2水热型地热系统

水热型地热资源是最早被人类开发利用的地热资源[53]，其应用领域广泛，包括：取暖、医疗康养、农业种植和工业发电等[54]。中国水热型地热资源丰富，可采储量折合当量标准煤18.65亿t[55]。近年来，国内外学者对水热型地热开采技术的研究主要围绕地层参数分析和开采方案优化。

热储层储能量主要受生产井所在热储层的各项水文地质参数的影响[56]，基于此，Schout等[57]、Drijver等[58]和Jan等[59]的研究表明：中深层热储层储热系统具有较高的热回收效率，系统的储热效率最高可达80%。值得注意的是，由于在中低温(25～150℃)地热资源开发利用过程中，携带热能的地热流体枯竭速度远高于热能消耗速度[59]，因此尾水回灌是开发和保护地热资源的关键措施。河北雄安新区相关实验测试验证了，利用动态监测及模型预测等方法规划水热型地热系统开采方案，具有显著的优越性，研究确定了布井方向、最小采灌井距、最大采灌量及最低回灌温度[60]，科学地解决了流量和热量失衡问题，同时尽可能不破坏地下原生态的平衡。

中国科学院地质与地球物理研究所孔彦龙团队提出了一种综合考虑产热量、初投资和运营成本的水热型多井采灌系统经济性评价指标，并将其应用于渤海湾盆地曹妃甸废弃油田的地热开发[61]。研究发现：考虑钻井和抽水成本后，经济优化井距相较于仅考虑产热量时大幅减少。该方法不仅适用于井距优化，还可用于优化流量等运行参数，为地热能开采提供了实际策略。哈尔滨工业大学的研究团队对比了抽、灌同井和单井循环两种形式，发现抽、灌同井累积负荷不平衡会导致源汇井效率降低，影响取热效果[62]。

2.3EGS

EGS概念最早于20世纪70年代由美国提出，并在1977年启动了全球第1个EGS项目——FentonHill项目。该项目位于新墨西哥州，通过多年的研究和试验，验证了在渗透率很低的岩层中通过人工压裂方法建立储层的可行性[63]。随后，全球多个国家也开始了EGS技术的研究和开发，比如：英国的Rosemanowes项目、法国的Soultz-sous-Forêts项目、澳大利亚的CooperBasin项目和德国的Landau项目等，这些项目都是EGS技术领域的重要探索。其中，Soultzsous-Forêts项目是目前世界上最成功的EGS示范项目，该项目于1987年启动，其地热井的最大井深约为5000m，储层温度约为202℃，热储岩性为花岗岩，热水产量为30L/s；项目对储层压裂过程中的相关微震开展了监测工作，是该项目的创新点[64]。在2010年，该项目利用1口注入井和2口生产井，建成了世界上第1个EGS示范电站，装机容量为1.5MW。目前，Soultz-sous-Forêts地热能电站已稳定运行，待项目后期规划部分最终完成后，装机容量有望达到5～6MW。

近年来，随着技术的不断进步和能源需求的增长，EGS项目在全球范围内得到了越来越多的关注。美国、欧洲及中国等地区在EGS项目上都取得了积极的进展。美国在EGS技术上的研究较早，FORGE项目位于犹他州，是一个重要的EGS研究平台，旨在通过公私合作推动EGS技术的发展。欧洲在冰岛和匈牙利等地都开展了新的EGS项目。中国虽然在EGS技术的研究和应用起步较晚，但近年来取得了显著进展。2017年，中国在青海省共和盆地启动了EGS示范项目，其中，GR1井底温度达到236℃，是中国迄今为止钻获的温度最高的干热型地热资源，标志着中国在干热型地热资源勘查方面取得了突破[65]。此外，中国于2021年在唐山市马头营凸起区首次实现了干热岩试验性发电。

尽管EGS技术展现出广阔的前景，但其发展仍然面临一些高挑战，包括成本高、工程技术复杂和环境风险等挑战。当前，国内外研究重点主要包括提高压裂效果、优化热交换效率、降低钻井和维护成本及环境影响评估等[66]。随着技术的进步和经验的积累，EGS技术有望在未来克服这些挑战，成为可靠的低碳能源解决方案，为全球能源供应提供长期稳定的支持。

2.4中深层地埋管供热技术

上世纪末，国外部分学者探索了使用废弃井进行深井换热的可能性，但由于系统未耦合热泵且长期连续运行，导致系统性能系数(COP)不理想，使相关研究陷入沉寂。自2012年，中国的工程技术人员及科研工作者开始对这项技术进行深入研究及工程实践探索。

西安交通大学王沣浩团队及中国科学院广州能源研究所卜宪标团队，开展了相关模拟研究，并进行了系统设计和稳定性优化分析[67-68]。中国科学院地质与地球物理研究所孔彦龙团队与德国亥姆霍兹环境研究中心邵亥冰团队合作，首次量化评估了中深层地埋管换热器的热量提取能力，为实际工程应用提供了重要指导[69]。清华大学魏庆芃团队则针对中深层地埋管供热技术进行了大量工程实测，证明了该技术的COP较传统浅层地源热泵高出约50%以上[70]。

此外，山东建筑大学方肇洪和崔萍团队、华中科技大学罗勇强团队，以及长安大学、中国石油大学、中国科学技术大学、中国建科院、天津大学、香港理工大学等研究团队也分别从数值模拟[71-74]和解析解模型构建[75-77]等方向开展了相关研究，给出了各设计参数的敏感性分析结果。

当前，国内外研究主要集中在单根中深层地埋管换热器的长期稳定性研究及其与深部岩土耦合的高效仿真计算模型开发。西安交通大学王沣浩团队与德国亥姆霍兹环境研究中心邵亥冰团队合作，首次开发了中深层地埋管群换热模型，并针对管群热交互问题进行了研究，相关结论为工程设计提供了直接参考[78]。未来中深层地埋管供热技术的研究重点将集中在耦合建筑动态负荷设计方法、定向管群换热性能影响因素分析及针对不同建筑使用场景(矿区[79]、工业园区等)的适应性与多能互补系统优化研究上。此外，将中深层地热与浅层系统结合，开展多时空尺度取热-储热协同长期性能分析优化[80]也将是未来技术攻关的重要目标。

3结论与展望

在“双碳”目标驱动下，中国地热能产业迎来了高速发展的黄金时期。随着国家、省、市、地区相关利好政策不断出台，地热能将成为中国清洁能源利用及能源结构转型的重要支撑。对于地热领域科研工作者而言，大力发展地热能高效利用技术赋能新质生产力是责任也是使命。

然而，当前中国地热能产业和地热能利用技术发展仍面临诸多挑战，包括：技术应用成本高、全产业链上下游联动不足、产学研结合不够紧密、缺乏颠覆性领跑性技术及国际地热行业话语权有待提升等。为应对以上问题，助力中国地热能利用技术水平进一步跃升，行业发展动能进一步提振，未来可针对以下内容继续开展科学研究及工程实践：

1）开展政产学研协同攻关。针对地热能开发中的重点与难点问题，比如：大型浅层地埋管群耦合热泵长期岩土热平衡动态调控、水热型地热系统多井联动抽采回灌、中深层地埋管高效换热参数优化等问题，进一步探索增强型地热系统及低成本地热发电的商业化可行性。

2）多场景适应性分析。面向煤田热害治理及煤热共采、油气田废弃井改造利用、零碳园区能源系统规划设计、农业温室大棚节能改造等具体场景，引入大数据及人工智能结束，开展地热能高效利用技术的多场景适应性分析及学科交叉研究，提出适配不同场景需求的专属“地热+”解决方案。

3）积极开展地热储能技术研究及工程示范和综合能源系统构建。在清洁能源转型大背景下，中国当前光伏发电及风电占比逐年提升，清洁电力调峰需求迫切。可充分发挥地热能利用系统稳定性强、输出功率不受天气时间等影响的优势，探索含水层储能、浅层及中深层地埋管储能等多种技术形式，实现地热为核心的综合能源系统多能耦合协同运行及电网需求侧灵活动态响应。

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