地热专家蔡义汉谈天津地热开发现状、经验及问题

● 蔡义汉说：“人们对于地热利用有一个误区，就是认为温度要很高才可以被利用，实际上只要两个物体有温度差就能进行热能的传导。”

● 地源热泵的应用可使地热能冬天制热，夏天制冷。目前，这项技术已经运用到我市很多项目中，其中包括人们熟知的中新生态城和文化中心项目。

可用可控：地热资源开发利用现状、经验及问题

关注点：

● 8类型问题可治可控

● 违规出售地热水多用于洗浴

记者：在以往一些相关报道和研究报告中，提到地热水开发利用过程中，可能会对环境造成一定危害，那么您作为我国最早一批进行地热能研究的专家，对此是如何看待的？

蔡义汉：首先，这些问题的确存在，是不容忽视的，在几十年的开发利用过程中有过经验教训，但是，以现在的技术水平，是可以解决或控制的。此外，人们的正确认识、必要的资金投入、建立健全相关法律，也对解决这些问题起到十分重要的作用。面对我国能源现状，这些问题是不会成为开发利用地热资源的阻碍的。

记者：地热开发过程中可能会产生哪些环境问题呢？

蔡义汉：首先要说明一点，地热水，更确切地讲是地热流体，只是地热能开发利用的一部分。由于地热水开发利用较为广泛，所以被人们熟知。如今常常被提到的地热能开发利用引发的环境问题主要集中在地热流体上，地热流体温度高低不同，一般来讲，高温地热流体，其开发对环境造成的影响比中低温地热流体要大、要严重。所以，国内外要利用高温地热资源建造地热电站，首先要对是否会造成环境污染或环境影响进行很严格的可行性论证，已经不仅仅是一般所指的水污染、热污染、土壤污染等。

目前京津地区的地热资源多是中低温地热，以100摄氏度以下地热水的开发利用为主，涉及的因素相对少，影响环境的因素大致有以下几类：

1.资源破坏。这是大问题，地热资源的开采是有限量的。当前如何能保持地热资源的可持续开发利用是必须引起足够重视的。

2.水污染。地热水中，一方面含有医疗、工农业利用中的有益成分；另一方面，也含有有害的元素。比如汞、镉、砷等，这些元素如超标对人体伤害很大。

3.气体污染。有些地热水在地下时，由于压力较大，其中含有一些气体成分，一旦暴露在地表，就可能扩散到空气中。污染比较严重的是硫化氢。

4.固体污染，特别是地热水对土壤的危害。地热水中都含有大量的盐类，对于矿化度高的水，如直接排入农田，会造成严重的土壤板结和盐碱化。我市和河北省都曾有将地热排水直接浇灌菜地遭失败的例子。

5.热污染。在开发利用过程中，必然会向周围大气和水体排放大量热量，使水体和空气的温度上升。如果将温度较高的水直接排放到地表水体内，可能会造成排放区域微生物大量繁殖，导致富营养化，出现赤潮等现象。所以现在我国环保部门规定地热排水的水温不得高于35摄氏度。

6.地下文物破坏。由于天津是退海之地，地下文物的保护问题还没有这么突出，但是在全国范围内来讲，这一点就比较重要了。比较典型的例子是西安，地下有大量文物，地热资源也很丰富。如不事先勘察，不经过文物局审核，就很有可能一口地热井打下去，造成不可估量的文物损失。

7.地面沉降和地震诱发。地面沉降多出现于在沙土和黏土层开采的地热井。简单地讲，水被抽得多了，形成空隙，沙土和黏土质地软，就会补充到这些空隙中，久而久之形成地面沉降。而在较深的岩石层开井，由于岩石质地坚硬，这种现象则不多见。以天津为例，以前发生沉降的多是最初开凿的800米以上的地热井，如今开凿的一般是1000米以下的地热井，到达岩石层。

记者：我在采访时，有很多群众反映，自家“温泉小区”无温泉，原因是设备腐蚀严重，有的无法运转，有的经常停运维修，还有的因为无力维修，只好将井与设备废掉。

蔡义汉：腐蚀与结垢是地热开发利用过程中比较普遍存在的问题，特别是地热水对金属的腐蚀。因而设备选材很重要。地热水中普遍含有多种腐蚀成分，如硫酸根离子和铁离子，在与空气接触后更加剧对金属的腐蚀，使金属设备和管道使用寿命缩短，维修工作量增加，严重影响系统正常运行。

记者：在全国范围内，很多地方都出现过违规开采地下水的情况，从以往的经验来讲，违规开采、出售地热水，会对地热资源可持续利用带来哪些影响？

天津市国土资源和房屋管理局的相关负责人：近年来，我市地热资源的开发利用需求逐步增大，如不加强规范化管理，势必会造成地热热储压力下降趋势的加快，波及地热开采单位的开发利用行为，进而影响到百姓的冬季供暖需求。

记者：这些违规开采的地热水多被使用于哪些方面？地热水的乱用，是否会对人们的健康和环境带来不利影响呢？

天津市国土资源和房屋管理局的相关负责人：按目前掌握的情况来看，在天津范围内，违规出售的地热水多被用于洗浴行业用水。地热水是地热资源的主要赋存形式，地热水中含有一些对人体有益的微量元素，经常使用地热水进行沐浴，可对某些皮肤病有一定的辅助疗效。因此这一部分地热水，一般不会对人们的身体健康产生不利的影响。

但是，地热资源的开发利用过程中，如果管理不到位，容易导致地热资源的流失和环境污染。容易出现问题的主要环节为：地热开采单位在利益的驱动下，擅自拆改地热计量设施、在计量设施前设置旁通管以及未经批准擅自出售地热水的现象等，造成地热资源的流失。而出售地热水时，由于噪声扰民、车辆占道等现象也可能对百姓正常生活产生影响。

正确采用：居民用水看水质分析

关注点：

●地热水用途因成分而定，乱用恐有危害。

●回灌可解决大多数问题，天津打井必打回灌井。

记者：目前，解决这些问题有没有比较好的办法呢？

蔡义汉：刚才我说过，以现在的技术水平，这些问题是可以解决或控制的。最好的办法就是打回灌井，利用地热水中的热量，将其收集起来直接输送回地下，使地热水在循环封闭的系统里，不与地表物质接触，既保护资源，又不对地面造成污染。水污染、气体污染、固体污染、地面沉降等问题都可以解决。

在防止地面沉降问题上，北京小汤山的表现较为突出，由于多年坚持回灌，现在地表不但不降，反而有所上升。天津目前的管理力度很大，开凿采水井时必须要打回灌井。

目前，回灌有一个问题，由于地下形势复杂，开凿一口回灌井，可能回灌的结果不一定是回灌井所在地受益，一口取水井的旁边也不一定是最好的回灌点，甚至由于地下压力的变化根本无法回灌。回灌点的选取必须经过大量勘察研究。一个地方一个样子。可能相隔数米的两口井，回灌效果都大不一样。在国外，计算机模拟技术被应用得很广泛，前期通过详细地质勘察，掌握大量地质资料，将这些数据输入计算机模拟系统，自动生成一年、两年，甚至几十年后的回灌效果，并可给出地热水温度变化趋势。这样为制定回灌方案提供了有效的参考。国内由于资金的限制和地质资料的相对不足，现在只有部分重点工程可以运用这一技术。所以，考虑到一些地方的经济和资源条件，在所有地方硬性规定回灌不现实，不过一定要考虑回灌的问题。

对此我有个建议，对于现在不具备开凿回灌井条件的地区，可以在开凿采水井时，由政府部门收取一定“回灌基金”，将这一部分钱管理起来，条件具备后，统一打回灌井。

记者：对于设备的腐蚀和结构问题如何解决？此外，有些居民对地热水的水质十分担心，觉得它既然能够腐蚀金属，那么还能作为日常生活用水吗？

蔡义汉：关于腐蚀问题，现在人们意识到这个问题了，新项目一般都不采用金属材料。现在多用的是玻璃钢，150摄氏度以下的地热水就没有问题。而且它还有一个优点，就是膨胀系数小，只有钢材料的几分之一，不容易变形，重量轻，易于运输。此外，cpvc、pb等材料也经常被使用。有些也采用钢管内涂防腐材料的做法。管道的防腐问题是比较好解决的，因为地热水中的很多元素不见氧气是不发生氧化反应的，不反应就不会腐蚀。问题比较严重的是井口的防腐，虽然现在大多地热能利用项目井口都是密封的，但是一些井为了测水位、水温和水质等等，井口处就会暴露在空气中，还有的地热能项目，并不是常年开启，在时断时续的过程中，空气就容易进入机器和管道中。现在的解决方式一般是将自动测量仪器密封在系统中，通过远程控制，测量仪自动采集传输数据；还有另一种方法是向系统中充入氮气，从而阻止氧气进入。

对于居民对水质担心的问题，我觉得，开发商开凿地热井后，是必须要做水质分析的，地热水能否作为某种用途的水源，或用于某种用途时造成的污染程度如何，主要依据水质分析的结果。这份分析结果，也并不是一直有效，水质在利用过程中的动态监测是十分重要的。由于用途不同，要求控制的水质指标标准是不一样的。例如总溶解固体对于灌溉影响很大，而对于养鱼的影响相对小。同理，用于采暖的地热水可能不适宜沐浴，用于沐浴的地热水可能不适宜饮用。擅自改变地热水用途是危险的、也是不被国家法律法规允许的。

此外，我要强调，在开发地热资源的过程中，必须进行综合分析和整体规划，因地制宜，将地热水资源进行充分、合理的利用。具体情况具体分析。对于那些水质过差，没办法解决，或者解决起来技术上可行但经济上不可行的就不开发。通过综合分析结果和整体规划，也可以决定是不是必须回灌。西藏那曲地区的一口地热井结垢很严重，每天要结2毫米，科研人员研制了一种药，对防止结垢非常有效，但是由于药中含有磷，如果将地热水直接排放，容易出现周围水体的富营养化问题，但当时实现回灌的确有困难。规划人员发现，井旁的河道有旺水季和枯水季之分，旺水季水量很大，磷元素很快被稀释不会产生污染，而枯水季，河道两旁有大面积湿地，长满芦苇，芦苇正可以吸收大量磷元素，将尾水排入芦苇地同样不会造成污染。

加强法制：规范地热开发利用

关注点：

●9月27日，天津市国土资源和房屋管理局发布了《关于进一步加强出售地热水的通知》。

●10月1日由中华人民共和国住房和城乡建设部发布的《城镇地热供热工程技术规程》正式实施。

记者：9月27日，天津市国土资源和房屋管理局发布了《关于进一步加强出售地热水的通知》，其意义是什么？

天津市国土资源和房屋管理局的相关负责人：我局出台《关于进一步加强出售地热水管理的通知》的主要目的为严格控制地热资源开采量，减缓地热热储压力下降速率；加大对出售地热水的限制条件，保证地热资源的回灌，避免因出售地热水的行为影响正常的地热资源开发利用秩序。此外，我局在审批出售地热水行为时，需地热开采单位提交环保部门出具的环评报告，再办理出售地热尾水变更许可。

记者：天津地热资源的开采利用在全国范围内走在前列，那么在管理方面，有哪些法规和措施来规范监督地热资源的开发与使用？

天津市国土资源和房屋管理局的相关负责人：按照国家和我市相关法律法规的要求，我们制定了一整套规范地热资源开发利用管理的制度、标准，如探矿权有偿取得制度、地热从业单位备案制度、规范出售地热水行为的制度、地热矿产资源补偿费收取标准、地热站工程标准范本等，涵盖了从申请开凿地热井到取得地热采矿权后的日常监管的全部工作，有效规范我市地热资源开发利用行为。为保证我市地热资源开发利用正常秩序，我局组建了一支地热督察员队伍，负责协助进行全市地热井的监督检查工作，及时上报违规现象，我局将对上报的信息进行排查和查处。

记者：蔡教授，10月1日由中华人民共和国住房和城乡建设部发布的《城镇地热供热工程技术规程》正式实施，该规程是由您组织起草的，您当时为什么想到要制定这样一份规程？

蔡义汉：我研究地热几十年，见到或者亲身参与的地热开发项目太多了，其中利用得好的是清洁能源可持续利用，不好的是污染环境浪费资源，差距太大。技术上，我只能提建议供参考，但很多次，开发者由于经济利益或者缺乏长远考虑的原因，还是采用了不适当的开采利用方法，造成了不良的后果。特别是三年前，我看到一个地热井口装上冷却塔，我问这是做什么用的，管理人员解释是水温太高，要先降温才能用，对地热能的浪费让我非常痛心。这让我感到依法管理对这个行业发展的重要性。正好有个机会，就参加了这部规程的起草。由于有之前的经验和教训，所以在起草时特别注意了规程的可操作性。

地热利用，我们才刚刚迈进大门

关注点：

●上世纪70年代初，李四光：“你们若是能只取热，不取水，那才算是迈进了地热能利用的大门。”

●我市大批重点工程使用地源热泵技术进行室内控温。

当被问及，如今地热能源利用的最新科技时，蔡义汉教授并没有直接回答记者的问题，而是讲述了上世纪70年代初，李四光先生与天津地热会战的故事。

相关史料上记载，1970年10月，著名地质学家李四光先生专程对天津地热工作进行考察，对天津地热的发展高度重视，要求把天津地热利用作为一个试点和样板，并责成当时的国家计委地质局对天津的地热勘察工作给予组织上和技术上的支持。按照李四光先生的指示和要求，我市于1970年12月召开了上千人参加的全市地热会战誓师动员大会，成立了“地热会战指挥部”，在市建设局组建了第一支地质勘探队，并相继开展了重力勘测、地温测量、钻井勘探、利用试验等工作。在市区及近郊1000多平方公里的范围内，发现王兰庄和万家码头两个地热异常区，为我市地热勘探评价提供了基础和依据。

在蔡教授这位亲历者口中，这件事多出了许多戏剧色彩：1969年到1970年，由于天津搞备战，挖了很多井用于储水，后来挖着挖着就挖出热水井了。李老当时是国务院科教组组长，听说以后非常重视，来天津考察。后来开了全市地热会战誓师动员大会，天大派了四个人参加会议，在会上我第一次听说地热能。当时，李老派了地质部的军代表来参加会议，军代表在会上说：地球就像一个大熔炉，地下的热能有多少呢？是如今全世界能开采到的煤所产生热量的1.7亿倍。当时我坐的位置比较靠前，军代表这话一出，我就听到后面一阵骚动，不一会儿就有人开始向前传纸条，向他提问：您说的是1.71倍还是1.7亿倍？军代表又重复了一次：是1.7万万倍。全场惊呼。地热会战誓师动员大会后，我当时被分在发电组，研究用地热发电。后来我们会战取得成果，到李老家里汇报，李老对我们讲：“现在，要将地下的热取出来，要靠水作介质，你们要研究一种方法，若是能只取热，不取水，那才算是迈进了地热能利用的大门。”

“那我们迈进地热能利用的大门了吗？”记者问。蔡教授点了点头：“现在我们有地源热泵和水源热泵技术。”

蔡教授接着说：“人们对于地热利用有一个误区，就是认为温度要很高才可以被利用，实际上只要两个物体有温度差就能进行热能的传导。简单说，地源热泵和水源热泵就是利用了室温和周围土壤或是水体的温度差来进行热能利用的。冬天可制热，夏天可制冷。不过地源热泵的利用需要注意，设计时要尽量做到冬天吸收的热量和夏天释放的热量相等，防止周围土壤温度的变化。”

后来，在记者调查中发现，地源热泵技术已经运用到我市很多项目中，其中包括人们熟知的中新生态城和文化中心项目。

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专家蔡义汉简介：

男，1932年1月生，浙江宁波人。天津大学天津地热研究培训中心教授。历任天津大学热工教研室副主任，热工试验室主任，天津地热研究培训中心主任。曾任国家长远科技发展规划能源组地热能分组组长，国家教委工程热物理专业教材委员会委员，中国能源研究会理事、名誉理事，天津市换热技术学会副理事长，天津市能源学会理事，天津市自然科学基金评委，天津宁波经济建设促进会副会长，国际地热协会教育委员会委员，美国地热资源委员会会员兼中国特约通讯员，英国国际传记中心顾问委员会名誉委员。曾主持制定了中国地热能发展政策和科技发展规划。

关键词：地热

指埋藏在地壳内岩石和流体中能被经济合理地开发出来的热能。地热资源隐伏埋藏于地下岩层中，由地质作用形成，具有相对独立的储存空间和渗流系统，它的形成、分布和运移主要受地质条件控制，它的勘察与开发具有很强的专业性和技术性。在《矿产资源法实施细则》中，地热被列为能源矿产；在《可再生能源法》中,地热也被列为可再生能源。

关键词：地源热泵

是利用地球表面浅层水源(如地下水、河流和湖泊)和土壤源中吸收的太阳能和地热能，并采用热泵原理，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高温位能源(如电能)，实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地下去。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。