地?zé)崮苤苯永冒ǖ責(zé)峁┡⒌責(zé)嶂评?、地?zé)岣稍?、溫泉洗浴和地源熱泵等。?jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，地?zé)豳Y源的直接利用已經(jīng)從小范圍單一用途利用，逐步演化為大規(guī)模綜合利用工程。目前，全球約有80多個(gè)國(guó)家直接將地?zé)崮苡糜诮ㄖ┡?或制冷)，或用于工農(nóng)業(yè)。其中，冰島是眾所周知的地?zé)崮芨咝ч_(kāi)發(fā)利用的典范。雖然緊臨北極圈、全年低溫，但憑借豐富的地?zé)豳Y源，全國(guó)有90%以上的家庭用地?zé)峁┡?。冰島首都雷克雅未克市的地?zé)峁┡延邪倌甑臍v史，市區(qū)主要采用地?zé)峁┡?，具?ldquo;無(wú)煙城”的美譽(yù)。據(jù)2020年世界低熱大會(huì)統(tǒng)計(jì)，2019年底，世界范圍內(nèi)88個(gè)國(guó)家的地?zé)豳Y源直接利用總裝機(jī)容量為107727MWt(圖3能量使用約為1020887TJ/年(283580GWh/年)。各種地?zé)嶂苯永梅绞降难b機(jī)容量變化趨勢(shì)及分布情況，如表1所示，可以看出，各種地?zé)豳Y源直接利用方式的裝機(jī)容量均有顯著的增長(zhǎng)，尤其是地源熱泵增長(zhǎng)十分迅速。隨著地源熱泵受到越來(lái)越多的重視，地?zé)豳Y源應(yīng)用的區(qū)域和規(guī)模不斷擴(kuò)大。

圖3 地?zé)嶂苯永媚芰繉?duì)比圖

表1 各種地?zé)嶂苯永梅绞降难b機(jī)容量(單位：MWt)

地?zé)峋C合梯級(jí)利用無(wú)疑提高了地?zé)豳Y源的利用率和經(jīng)濟(jì)效益，許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始紛紛采用這一技術(shù)，肯尼亞近年來(lái)在地?zé)岚l(fā)電方面發(fā)展很快，而其在地?zé)嶂苯永蒙弦埠苡刑厣?，肯尼亞Eburru項(xiàng)目利用2口淺層井中產(chǎn)出的地?zé)豳Y源依次用于干燥農(nóng)產(chǎn)品、溫室加熱、家禽孵化等，另外，冰島、奧地利、德國(guó)等也有相關(guān)的地?zé)崽菁?jí)利用項(xiàng)目。1995年首次世界地?zé)岽髸?huì)以來(lái)，中國(guó)地?zé)嶂苯永玫臒崃恳恢狈€(wěn)居世界第1位。2014年底，中國(guó)地?zé)嶂苯永冒l(fā)生了可喜的變化，地?zé)峁┡壤状纬^(guò)溫泉洗浴。2019年底，中國(guó)地?zé)嶂苯永醚b機(jī)規(guī)模40610MW，占世界總裝機(jī)的37.7%，年利用能量443492TJ/年，占世界總利用能量的43.4%。地?zé)峁┡浅卦礋岜弥庵袊?guó)最重要的地?zé)崂梅绞?，年利用熱量約占世界總量的55.6%。1990年，全國(guó)地?zé)峁┡娣e僅190萬(wàn)m2，2000年為1100萬(wàn)m2，2019年達(dá)到了4.78億m2。2019年，河北省水熱型地?zé)峁┡娣e達(dá)到1.6億m2，而雄縣也被打造成地?zé)峁┡?ldquo;無(wú)煙城”。在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，可以預(yù)見(jiàn)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用的速度將不斷加快。

地?zé)醿?chǔ)能利用

地?zé)醿?chǔ)能是一種利用地下含水層作為介質(zhì)以存儲(chǔ)熱能的儲(chǔ)能系統(tǒng)。它通過(guò)地下水井從含水層中注入和抽取地下水，實(shí)現(xiàn)熱能儲(chǔ)存和回收(圖4)。地?zé)醿?chǔ)能可以彌補(bǔ)能源供需在時(shí)間/空間分布的不平衡，能夠綜合利用多種可再生能源形式，減少對(duì)礦物燃料的依賴，為節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)提供了一個(gè)很好的解決途徑，也是助力中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有力手段。

圖4 地?zé)醿?chǔ)能模式概念

根據(jù)含水層深度，可將地?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)分為如下2類：(1)淺部地?zé)醿?chǔ)能，含水層深度在500m以淺，存儲(chǔ)熱水溫度一般低于50℃;(2)深部地?zé)醿?chǔ)能，含水層深度通常在500m以深，存儲(chǔ)熱水溫度一般在50~150℃。

淺部地?zé)醿?chǔ)能因溫度較低，其最主要的利用方式是建筑的供暖和制冷。國(guó)際上對(duì)淺部地?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際利用始于20世紀(jì)中葉。中國(guó)在利用淺部地下含水層進(jìn)行儲(chǔ)熱方面的實(shí)踐開(kāi)展較早，20世紀(jì)60年代，上海開(kāi)展了“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的地下含水層儲(chǔ)熱技術(shù)。截至目前，中國(guó)共有6座淺層地?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)已建成并投入使用。近年來(lái)，隨著新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，淺部地?zé)醿?chǔ)能的利用方式也更加多元化。目前在溫室農(nóng)業(yè)和大型數(shù)據(jù)中心，都有利用淺部地?zé)醿?chǔ)能的實(shí)際案例。

深部地?zé)醿?chǔ)能可儲(chǔ)溫度較高，有的甚至超過(guò)100℃，主要可用于發(fā)電和供暖。深部地?zé)醿?chǔ)能研究和利用始于20世紀(jì)80近年代，近年來(lái)，隨著能源需求日益增長(zhǎng)，深部地?zé)醿?chǔ)能技術(shù)又重新受到重視，關(guān)于深部地?zé)醿?chǔ)能技術(shù)的研究和工程實(shí)踐也越來(lái)越多。2018年，歐盟資助了地下儲(chǔ)熱項(xiàng)目HEATSTORE，總投資達(dá)到5000萬(wàn)歐元，9個(gè)國(guó)家參與(德國(guó)、法國(guó)、荷蘭、瑞士、比利時(shí)、丹麥、冰島等)，項(xiàng)目為期5年(2018—2022年)，共資助6個(gè)地下儲(chǔ)熱示范項(xiàng)目，其中包括3個(gè)深部地?zé)醿?chǔ)能項(xiàng)目。另外，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)資助的儲(chǔ)熱項(xiàng)目Geothermal Battery，總投資1000萬(wàn)美元，由猶他大學(xué)牽頭，愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合多家企業(yè)參與其中。中國(guó)在深部地?zé)醿?chǔ)能方向的研究開(kāi)展較晚，當(dāng)前以中國(guó)科學(xué)院地?zé)釄F(tuán)隊(duì)為主體承擔(dān)的深層含水層地下儲(chǔ)熱研究已從理論模型研究進(jìn)入到技術(shù)研發(fā)和示范工程建設(shè)階段。

地?zé)醿?chǔ)作為巨大的天然能源儲(chǔ)庫(kù)，最適宜在多能互補(bǔ)系統(tǒng)中承擔(dān)蓄能和實(shí)現(xiàn)熱能穩(wěn)定輸出的功能，可以把風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源儲(chǔ)蓄起來(lái)，實(shí)現(xiàn)高效規(guī)?；缂竟?jié)儲(chǔ)能利用，提高可再生能源的利用效率并克服可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，可以加快中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”發(fā)展目標(biāo)。據(jù)研究表明，通過(guò)對(duì)荷蘭74個(gè)淺部地?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)查顯示，從系統(tǒng)中每開(kāi)采1m3的地下水，可以實(shí)現(xiàn)平均CO2減排量為0.46kg。這對(duì)于一個(gè)小規(guī)模地?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)(功率在0.1~3MW)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于每年可以減少150t/a的CO2排放，而對(duì)于一個(gè)大規(guī)模系統(tǒng)(功率達(dá)到5~30MW)來(lái)說(shuō)每年碳減排多達(dá)1500t/a。相比之下，地源熱泵(GSHP)系統(tǒng)的平均CO2減排量在1.8~4.0t/a。據(jù)報(bào)道，埃因霍溫(荷蘭)科技大學(xué)校園內(nèi)全球最大的淺部地?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)每年可減排超過(guò)13000t的CO2，這相當(dāng)于800名美國(guó)公民或1300名德國(guó)公民的年平均碳排放。

同時(shí)，在一定條件下，地?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)與普通地?zé)嵯到y(tǒng)相比，具有更為顯著的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。典型地?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)的投資回報(bào)時(shí)間僅為2~10a。用于制冷的地?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)投資回報(bào)時(shí)間甚至更短，因?yàn)閮?chǔ)存的冷量可以直接使用，不需要借助熱泵。據(jù)研究報(bào)道表明，地?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)平均使用壽命可達(dá)到25~50a。

結(jié)論

目前，全球的淺層地?zé)豳Y源均通過(guò)地?zé)岜眉夹g(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，該技術(shù)是全球發(fā)展最快的可再生能源技術(shù)之一，也是地?zé)崂眉夹g(shù)中發(fā)展最快的部分。它們的增長(zhǎng)速度驚人，呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。深部地?zé)豳Y源可以直接利用，例如區(qū)域供暖、沐浴和游泳/保健、工業(yè)、農(nóng)業(yè)(尤其是溫室)和水產(chǎn)養(yǎng)殖。深部地?zé)崮艿母咝б?guī)?；_(kāi)發(fā)利用已經(jīng)在北方地區(qū)冬季清潔供暖以及緩解大氣霧霾中發(fā)揮了重要作用，地?zé)峁┡夹g(shù)已趨于成熟。深部高溫水熱系統(tǒng)只存在特定的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中，相對(duì)稀缺，嚴(yán)重制約高溫地?zé)岚l(fā)電的增長(zhǎng)。因此，在有條件的地區(qū)發(fā)展各種地?zé)嶂苯永眉夹g(shù)，采用綜合梯級(jí)利用提高地?zé)豳Y源利用效率。

雖然地球是一個(gè)龐大的熱庫(kù)，但地?zé)豳Y源分布極不均勻。往往在有需求的地區(qū)沒(méi)有足夠的可開(kāi)采的地?zé)豳Y源，在需求量較小的地區(qū)地?zé)豳Y源非常豐富。另外，中國(guó)西北、東北、華北的部分地區(qū)均見(jiàn)有棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，有些地區(qū)棄風(fēng)率高達(dá)50%以上，除此以外，工業(yè)余熱、核能余熱等其他形式的熱量均可以存儲(chǔ)在地球介質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)高效規(guī)模化跨季節(jié)儲(chǔ)能。因此，如何將這些廢棄的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)并加以充分利用，是擺在地?zé)峤缫灾琳麄€(gè)新能源和可再生能源界的大問(wèn)題。事實(shí)上，規(guī)?；缂竟?jié)儲(chǔ)能是能源行業(yè)的重大科學(xué)問(wèn)題，當(dāng)前可利用方式主要為抽水蓄能，但抽水蓄能面臨能源利用效率低、場(chǎng)地要求高等難題，亟需探索新的規(guī)模化儲(chǔ)能技術(shù)，而地?zé)醿?chǔ)能提供了極大的可能性。