人類很早以前就開始利用地熱能，例如利用溫泉沐浴、醫(yī)療，利用地下熱水取暖、建造農(nóng)作物溫室、水產(chǎn)養(yǎng)殖及烘干谷物等。但真正認識地熱資源，并進行較大規(guī)模的開發(fā)利用卻是始于20世紀中葉。

在地熱能的實際應(yīng)用中，地源熱泵是一個重要而成熟的方向。浙江地源熱泵系統(tǒng)制造商祝融環(huán)境的一名技術(shù)人員告訴記者，空調(diào)系統(tǒng)在建筑能耗中占比超過50%，在舉國治霾的背景下，其節(jié)能需求和潛力均十分巨大，而地源熱泵恰能很好地勝任這一角色。地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源，既能供熱又能制冷的高效節(jié)能環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)，通過輸入少量的高品位能源（電能），即可實現(xiàn)能量從低溫熱源向高溫熱源的轉(zhuǎn)移。

地熱能有四大優(yōu)點：“一是資源量巨大，不比太陽能、風能?。欢悄茉蠢眯矢?，是太陽能的5.4倍、風能的3.5倍，且發(fā)電穩(wěn)定，不是垃圾電；三是具有成本競爭力，至少沒有光伏那么費錢；四是干凈，減排優(yōu)勢很明顯，治霾為地熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了一個非常好的發(fā)展機遇。”

地熱發(fā)電

地熱發(fā)電是地熱利用的最重要方式。高溫地熱流體應(yīng)首先應(yīng)用于發(fā)電。 地熱發(fā)電和火力發(fā)電的原理是一樣的，都是利用蒸汽的熱能在汽輪機中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后帶動發(fā)電機發(fā)電。所不同的是，地熱發(fā)電不象火力發(fā)電那樣要裝備龐大的鍋爐，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地熱能。地熱發(fā)電的過程，就是把地下熱能首先轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后再把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。要利用地下熱能，首先需要有“載熱體”把地下的熱能帶到地面上來。目前能夠被地熱電站利用的載熱體，主要是地下的天然蒸汽和熱水。按照載熱體類型、溫度、壓力和其它特性的不同，可把地熱發(fā)電的方式劃分為蒸汽型地熱發(fā)電和熱水型地熱發(fā)電兩大類。

（1）蒸汽型地熱發(fā)電

蒸汽型地熱發(fā)電是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽輪發(fā)電機組發(fā)電，但在引入發(fā)電機組前應(yīng)把蒸汽中所含的巖屑和水滴分離出去。這種發(fā)電方式最為簡單，但干蒸汽地熱資源十分有限，且多存于較深的地層，開采技術(shù)難度大，故發(fā)展受到限制（參考《資源》欄目有關(guān)文章）。主要有背壓式和凝汽式兩種發(fā)電系統(tǒng)。

（2）熱水型地熱發(fā)電

熱水型地熱發(fā)電是地熱發(fā)電的主要方式。目前熱水型地熱電站有兩種循環(huán)系統(tǒng)：a、閃蒸系統(tǒng)。閃蒸系地能

當高壓熱水從熱水井中抽至地面，于壓力降低部分熱水會沸騰并“閃蒸”成蒸汽，蒸汽送至汽輪機做功；而分離后的熱水可繼續(xù)利用后排出，當然最好是再回注人地層。 b、雙循環(huán)系統(tǒng)。雙循環(huán)系統(tǒng)的流程如圖所示。地熱水首先流經(jīng)熱交換 器，將地熱能傳給另一種低沸點的工作流體，使之沸騰而產(chǎn)生蒸汽。蒸汽進入汽輪機做功后進入凝汽器，再通過熱交換器而完成發(fā)電循環(huán)。地熱水則從熱交換器回注人地層。這種系統(tǒng)特別適合于含鹽量大、腐蝕性強和不凝結(jié)氣體含量高的地熱資源。發(fā)展雙循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)高效的熱交換器。

地熱能在區(qū)域能源中的應(yīng)用及環(huán)保作用

1.1 在國際上的應(yīng)用

冰島是世界上少數(shù)幾個擁有十分豐富地熱資源的國家之一。20世紀70年代以來，大力發(fā)展了本國地熱能的開發(fā)與利用。至2018年，全國90%的采暖是由地熱能供應(yīng)的，90%的游泳池由地熱能加熱，地熱發(fā)電裝機容量755兆瓦。其中，首都雷克雅未克全部利用地熱采暖，該地區(qū)50多個地熱井，主要由該市能源公司運營，也是世界上最大最成熟的地熱供暖系統(tǒng)。另外，冰島還利用地熱資源養(yǎng)魚、除雪、溫室種植、工業(yè)生產(chǎn)等，已形成了資源開發(fā)與環(huán)境保護相協(xié)調(diào)的發(fā)展模式。

另一個地熱能利用示范案例的國家則是土耳其。截至2019年，全國11.6萬所住宅供暖，450萬m2溫室，4.64萬所酒店、康養(yǎng)設(shè)施，以及部分工業(yè)烘干、制冷等采用地熱能供給，地熱直接利用總量達3500兆瓦，成為地熱非電利用世界前四的國家。但其最受矚目的還是近些年在地熱發(fā)電領(lǐng)域的突飛猛進。土耳其地熱發(fā)電裝機容量經(jīng)十幾年的發(fā)展，已從2005年的20兆瓦、世界第16位，飛躍至2019年的1595兆瓦、世界第4位，增長近80倍，成功進入世界地熱發(fā)電強國行列。不但環(huán)境清潔了，而且還使企業(yè)、居民用上了價格低廉的能源。其主要原因之一就是政府立法，凡投資地熱發(fā)電的均給予政策優(yōu)惠。如基本激勵電價為10.5美分/千瓦時，額外激勵為2美分/千瓦時。極大地推動了社會資本參與地熱基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。未來，該國還將繼續(xù)在干熱巖領(lǐng)域發(fā)展突破。

還有一些地熱開發(fā)強國，如美國、菲律賓、德國、瑞士等，都能很好地利用地熱為區(qū)域能源供給服務(wù)。在一些歐洲城市，幾乎所有需要的供暖和制冷都是通過地區(qū)熱、冷網(wǎng)提供的。而當前，全球碳排放問題也給世界地熱發(fā)展帶來了新的機遇，為地熱區(qū)域供能開辟了一條快速通道。

1.2 在我國的應(yīng)用

區(qū)域能源在我國發(fā)展由來已久，只是人們更習慣稱之為“集中供暖”。2015年，中國就已建成世界最大的區(qū)域供暖系統(tǒng)，覆蓋建筑面積達85億m2。而地熱能則是在近幾年才在區(qū)域能源領(lǐng)域發(fā)力、發(fā)揮作用，但發(fā)展形勢良好。一些典型案例也值得借鑒和參考。

（1）地熱發(fā)電案例

西藏地區(qū)中高溫地熱資源豐富。1977年，我國最大地熱發(fā)電站——西藏羊八井高溫地熱發(fā)電成功。截至2014年底，羊八井地熱電站裝機容量24兆瓦，累計發(fā)電30.6億千瓦時，折合標準煤約95萬噸，減排二氧化碳260萬噸。還一度占到拉薩整個供電的60%，解決了區(qū)域供電問題（蔣勇，2014）。這是典型的地熱發(fā)電在區(qū)域能源中的應(yīng)用。

（2）中深層地熱（水熱型）供暖案例

雄安新區(qū)是我國中東部地熱資源開發(fā)利用條件最好的地區(qū)，是自然資源部“打造地熱資源利用的全球樣板”的示范區(qū)。目前，其地熱資源利用已形成統(tǒng)一政策、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一開發(fā)的“雄縣模式”（王少勇等，2017）。截至2018年底，雄安新區(qū)的雄縣和容城地熱供暖面積達700萬m2，基本實現(xiàn)了雄縣、容城城區(qū)地熱集中供暖全覆蓋。這是典型的地熱供暖在區(qū)域能源中的應(yīng)用。

（3）淺層地熱能的開發(fā)與利用案例

北京城市副中心行政辦公區(qū)一期建設(shè)面積236.5萬m2，實現(xiàn)以淺層地熱能為主，中深層地熱為輔，其他清潔能源補充的方式，為建筑供暖和制冷。目前，該淺層地熱能復(fù)合系統(tǒng)已投入運營，效果良好。這是典型的地熱供暖/制冷在區(qū)域能源中的應(yīng)用。

（4）旅、養(yǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展案例

山東臨沂成立湯泉旅游度假區(qū)管委會，統(tǒng)一規(guī)劃、建設(shè)、管理區(qū)內(nèi)地熱資源的開發(fā)利用。近年來招商引資200億元，建設(shè)規(guī)模300萬m2，利用地熱開發(fā)的溫泉、旅游、療養(yǎng)、種養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大。特色學校、聯(lián)合辦學培養(yǎng)地熱開發(fā)利用專業(yè)人才，帶動就業(yè)，推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。這是典型的地熱旅、養(yǎng)產(chǎn)業(yè)在區(qū)域能源中的應(yīng)用（臨沂市人民政府，2018）。

這些實際案例都證明：只要地熱能應(yīng)用科學合理，是可以支撐區(qū)域能源系統(tǒng)運轉(zhuǎn)、解決區(qū)域供能問題，甚至能夠成為系統(tǒng)的主力軍。

1.3 服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)

近些年，地熱能在我國著力的大氣污染防治方面發(fā)揮重要作用。一份由清華大學學者完成的《2013—2017年間中國PM2.5空氣質(zhì)量改善的驅(qū)動力》報告指出，中國范圍內(nèi)所有城市空氣污染水平在2013—2017年間從61.8mg/m3降至42mg/m3，下降了32%。其中，燃煤鍋爐整治和民用燃料清潔化分別使PM2.5濃度下降了4.4mg/m3和2.2mg/m3（Zhang et al., 2019）。而地熱能在其中發(fā)揮很大作用。

如北京市，2017年地熱及熱泵利用總量約67.6萬噸標準煤，減少46萬噸碳粉塵、168.5萬噸二氧化碳、5萬噸二氧化硫、2.5萬噸氮氧化物的排放，為北京地區(qū)降低PM2.5做出顯著貢獻。從圖1可以看出，近些年，北京市空氣質(zhì)量在不斷提升，空氣污染細顆粒物指數(shù)在逐年下降。而北京市地熱能開發(fā)利用量也在不斷增長，并在其中發(fā)揮重要作用。地熱清潔取暖真正服務(wù)了生態(tài)文明建設(shè)。

地熱供暖

將地熱能直接用于采暖、供熱和供熱水是僅次于地熱發(fā)電的地熱利用方式。因為這種利用方式簡單、經(jīng)濟性好，備受各國重視，特別是位于高寒地區(qū)的西方國家，其中冰島開發(fā)利用得最好。該國早在1928年就在首都雷克雅未克建成了世界上第一個地熱供熱系統(tǒng)，現(xiàn)今這一供熱系統(tǒng)已發(fā)展得非常完善，每小時可從地下抽取7740t80℃的熱水，供全市11萬居民使用。由于沒有高聳的煙囪，冰島首都已被譽為“世界上最清潔無煙的城市”。此外利用地熱給工廠供熱，如用作干燥谷物和食品的熱源， 用作硅藻土生產(chǎn)、木材、造紙、制革、紡織、釀酒、制糖等生產(chǎn)過程的熱源也是大有前途的。目前世界上最大兩家地熱應(yīng)用工廠就是冰島的硅藻土廠和新西蘭的紙槳加工廠。我國利用地熱供暖和供熱水發(fā)展也非常迅速，在京津地區(qū)已成為地熱利用中最普遍的方式。

地熱務(wù)農(nóng)

地熱在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用范圍十分廣闊。如利用溫度適宜的地熱水灌溉農(nóng)田，可使農(nóng)作物早熟增產(chǎn)；利用地熱水養(yǎng)魚，在28℃水溫下可加速魚的育肥，提高魚的出產(chǎn)率；利用地熱建造溫室，育秧、種菜和養(yǎng)花；利用地熱給沼氣池加溫，提高沼氣的產(chǎn)量 等。 將地熱能直接用于農(nóng)業(yè)在我國日益廣泛，北京、天津、西藏和云南等地都建有面積大小不等的地熱溫室。各地還利用地熱大力發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)，如培養(yǎng)菌種、養(yǎng)殖非洲鯽魚、鰻魚、羅非魚、羅氏沼蝦等。

地熱行醫(yī)

地熱在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用有誘人的前景，目前熱礦水就被視為一種寶貴的資源，世界各國都很珍惜。由于地熱水從很深的地下提取到地面，除溫度較高外，常含有一些特殊的化學元素，從而使它具有一定的醫(yī)療效果。如合碳酸的礦泉水供飲用，可調(diào)節(jié)胃酸、平衡人體酸堿度；含鐵礦泉水飲用后，可治療缺鐵貧血癥； 氫泉、硫水氫泉洗浴可治療神經(jīng)衰弱和關(guān)節(jié)炎、皮膚病等。 由于溫泉的醫(yī)療作用及伴隨溫泉出現(xiàn)的特殊的地質(zhì)、地貌條 件，使溫泉常常成為旅游勝地，吸引大批療養(yǎng)者和旅游者。在日本就有1500多個溫泉療養(yǎng)院，每年吸引1億人到這些療養(yǎng)院休養(yǎng)。我國利用地熱治療疾病的歷史悠久，含有各種礦物元素的溫泉眾多，因此充分發(fā)揮地熱的醫(yī)療作用，發(fā)展溫泉療養(yǎng)行業(yè)是大有可為的。

未來隨著與地熱利用相關(guān)的高新技術(shù)的發(fā)展，將使人們能更精確地查明更多的地熱資源；鉆更深的鉆井將地熱從地層深處取出，因此地熱利用也必將進入一個飛速發(fā)展的階段。

地熱能在應(yīng)用中要注意地表的熱應(yīng)力承受能力，不能形成過大的覆蓋率，這會對地表溫度和環(huán)境產(chǎn)生不利的影響！

因此，需要我們充分計算！