有關(guān)地?zé)衢_發(fā)利用的一些思考

我國對國際社會的“雙碳“承諾給各行各業(yè)的能源工作者帶來了壓力與挑戰(zhàn)，也帶來了通過能源技術(shù)創(chuàng)新，求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一種動力。是”開源“重要(提高清潔能源利用占比)，還是”節(jié)流”重要(提高主要能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)或設(shè)備效率)，基于從業(yè)者的專長與經(jīng)歷的不同會有不同的認(rèn)識與結(jié)論。在此作者僅憑多年來在地?zé)衢_發(fā)利用方面的研究經(jīng)歷談一些地?zé)嵛磥戆l(fā)展的粗淺看法，歡迎同行們的批評指正。

實(shí)事求是，避免盲目的“樂觀”與“悲觀”

以往多數(shù)地?zé)釄蟾嬷袝峒暗責(zé)崮艿木薮髢α繑?shù)字，而反觀其已被開發(fā)利用的數(shù)據(jù)難免不令人沮喪，其中的原因何在?我們是樂觀還是悲觀?這需要我們對地?zé)崮芗捌涮攸c(diǎn)有正確的科學(xué)認(rèn)識。幾十毫瓦級的大地?zé)崃髦凳翘栞椛淠芰鞯募s10^4分之一，這與我們所期望的開發(fā)利用熱流密度相差甚遠(yuǎn)。盡管如此，單眼100m左右的地埋管換熱器可以提供幾個千瓦的熱(冷)負(fù)荷，人們很少選擇太陽能實(shí)現(xiàn)冬季供熱。若將地埋管的取熱換算為來自大地?zé)崃鞯难a(bǔ)給，那么單根地埋管換熱器將需要近10^5平米的占地，實(shí)際上地埋管的影響半徑也就是3m左右。顯然，淺層地?zé)崮艿睦门c大地?zé)崃鲙缀鯚o關(guān)，是利用了地層強(qiáng)大的蓄熱(冷)能力。因此，淺層地?zé)崮艿囊?guī)劃設(shè)計(jì)更應(yīng)關(guān)注鉆孔位置處地層的熱物性、水文滲流特征，以及結(jié)合用戶的冷熱平衡問題。而所謂“摸清家底”百公里尺度地質(zhì)構(gòu)造論證對其經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性幫助甚微，也可謂舍本求末。即使是單向熱利用(只取熱)的中深層閉式單井套管換熱系統(tǒng)，較低的地層導(dǎo)熱能力使其熱影響半徑也不過30m左右。另一方面，若以地層較低的導(dǎo)熱能力，得到地?zé)崮懿豢沙掷m(xù)利用的結(jié)論也是錯誤的。我們知道低于地面10m左右的地下幾乎感知不到一年四季的周期性溫度變化，同樣，我們站在地面的這一端想感知深度N米以下地層溫度的周期變化，這一周期可達(dá)到(N/10)²年。在這一周期內(nèi)，除了放射性熱源外，包括地震、火山噴發(fā)等地下活動可能已發(fā)生多次了，地球內(nèi)部熱運(yùn)動驅(qū)使的周期性或擬周期性地表構(gòu)造變化是一個人類活動無法改變的事實(shí)。

“不忘獲取熱能初心,牢記為民服務(wù)使命”

導(dǎo)熱模式的地?zé)崂么_實(shí)影響半徑小，影響半徑的大小也間接地反映出取熱功率的大小。以往的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，若采取地?zé)崴?ldquo;采灌“動態(tài)平衡利用模式，取熱功率會增加幾個數(shù)量級，影響半徑也會由幾十米增加到幾百米。從這點(diǎn)可以看出，無論是深層干熱巖、還是傳統(tǒng)水熱型地?zé)崂茫叵铝黧w起到將熱儲內(nèi)熱能輸送到地面的重要作用，可以比擬為人體的”血液“。粗放的單采”抽血“模式不僅影響地下環(huán)境，也不可持續(xù)。地?zé)崮荛_發(fā)利用的核心問題或最大目標(biāo)不是單純的打井、壓裂、增滲等技術(shù)工藝，而是如何利用更經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段，將熱儲層內(nèi)的熱能開采出來。所有的努力也應(yīng)是如何克服在這一“取熱”過程中各種障礙，同時保持地下流體的總質(zhì)量與壓力的動態(tài)平衡。換句話說，無論是地?zé)岚l(fā)電還是地?zé)嶂苯永?，地?zé)崮艿拈_發(fā)利用應(yīng)以獲得”熱“為最終目標(biāo)，而非其它。

牢記如何通過技術(shù)創(chuàng)新，獲取可持續(xù)綠色“地?zé)?ldquo;能源的同時，也應(yīng)考慮 ”熱“的用途或去處。地?zé)崮苁撬行问娇稍偕茉粗形ㄒ灰詿崮苄问酱嬖诘那鍧嵞茉础Ｈ粢詣?chuàng)造人居舒適溫度環(huán)境(18~24℃)目的來講，地?zé)崮鼙绕渌魏涡问降目稍偕茉炊季邇?yōu)勢，因?yàn)榫哂羞@一溫度的地層構(gòu)造就在我們腳下，距離我們并不遠(yuǎn)。但若利用地?zé)釋?shí)現(xiàn)發(fā)電，與其它形式的可再生能源相比，目前為止尚不具備技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，主要是由于深井鉆探費(fèi)用較高，以及存在以溫度高低衡量其品味高低的熱力學(xué)效率。因此，利用地?zé)崮芙鉀Q我國北方居民冬季供熱問題具有天然優(yōu)勢，宜熱用熱，應(yīng)是目前科研優(yōu)先選項(xiàng)。我國建筑用熱統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，地?zé)崮苷急炔坏?%，即使個別地?zé)崂幂^好的地區(qū)或城市，地?zé)峁嵴急纫膊贿^10%，這與冰島島國95%的占比相比相差甚遠(yuǎn)，即使考慮到與冰島天然熱儲條件的差別，我國的地?zé)峁嵴急热杂写蠓奶嵘臻g，研發(fā)綠色環(huán)保地?zé)峁峒夹g(shù)應(yīng)是我國地?zé)嵛磥戆l(fā)展的重點(diǎn)。

因“地”制宜，追求“個性”創(chuàng)新

開發(fā)利用地?zé)釋⑸婕暗募夹g(shù)領(lǐng)域比較廣，包括：地質(zhì)、地球物理化學(xué)、水文、鉆探、制造、熱工等多學(xué)科。所研究的科學(xué)問題涉及多幾何尺度、多時間尺度、多物理場與多相流傳熱傳質(zhì)等。因此，要想獲取適用于某一熱用戶需求的最優(yōu)設(shè)計(jì)，不僅要了解普適的共性規(guī)律，更應(yīng)關(guān)注共性規(guī)律外的個性部分，只有做到真正的“量體裁衣”才能獲得地?zé)崂玫募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)，才具有市場競爭力，地?zé)岚l(fā)展也才具有真正的生命力。與此同時，我們也不能將具有特殊地?zé)釛l件的、很難復(fù)制的工程夸大為普適的應(yīng)用環(huán)境，誤導(dǎo)消費(fèi)者，這對我們地?zé)岬陌l(fā)展很不利。我們應(yīng)當(dāng)尊重客觀規(guī)律，避免出于各種商業(yè)目的的虛假宣傳，搶占標(biāo)準(zhǔn)制訂，無效專利注冊等內(nèi)卷虛功。努力把握兩碳政策對地?zé)衢_發(fā)利用的利好機(jī)會，地?zé)嵫芯砍晒麘?yīng)落實(shí)到實(shí)地，經(jīng)得起時間的考驗(yàn)、實(shí)踐的檢驗(yàn)。

加強(qiáng)環(huán)保意識，提倡科學(xué)管理

地?zé)豳Y源是一種特殊形式的有限定條件的可再生資源，這一限定條件取決于如何對待起到“血液“作用的地?zé)崃黧w。無論是以”行政區(qū)域“劃分，還是以”地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域“劃分，我們應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域熱儲的資源評價與管理工作，當(dāng)然地?zé)釋W(xué)者更喜歡有物理邊界的后者。國家層面應(yīng)頒布統(tǒng)一實(shí)施和管理標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)全民的地下環(huán)境保護(hù)意識，為綠色環(huán)保地?zé)衢_發(fā)利用創(chuàng)新技術(shù)提供適當(dāng)?shù)恼邇A斜和資金支持。鼓勵多學(xué)科研究領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，積極開展地?zé)衢_發(fā)利用領(lǐng)域的開挖鉆探技術(shù)、換熱取熱技術(shù)、人工智能和大數(shù)據(jù)管理技術(shù)等。近些年頻現(xiàn)的極端天氣迫使我們不僅要關(guān)注雙碳指標(biāo)如何達(dá)成，也應(yīng)關(guān)注地球天氣變化背后的物理機(jī)制，居住在地球村的居民應(yīng)該首先學(xué)會如何利用地球的自然熱，若如是，相信地球也會更健康。(文/戴傳山)

注：原文刊登于2021年7月《中國地?zé)帷冯s志