衛(wèi)魏 易輝

（1.西藏農牧學院水利土木工程學院，西藏 林芝 860000；2.華中科技大學中歐新能源學院，湖北 武漢 430074）

1 地熱能概述

1.1 全球地熱資源及利用情況

地熱能是儲藏在地球內部的能量[1]，源于地球內部的熔融巖漿與地球內部的放射性同位素元素衰變產生的熱，因此地熱能也是由天然的核能轉化而來的，地熱資源是一種可再生的清潔能源，基本上不排放污染物[2]。地熱能分布廣泛、儲量巨大，使用起來清潔、穩(wěn)定、可循環(huán)，與太陽能、風能等清潔能源相比，不受季節(jié)、天氣、溫濕度等外界因素影響，是具有顯著優(yōu)勢的新能源。據估算，全球地熱資源約為6×106MW，其中32%的地熱溫度高于130℃[3]。距地殼深度3 km以內蘊藏的熱量約為4.3×1019MJ，如果計算地熱能的總量，則相當于煤炭總儲量的1.7億倍[4]。

發(fā)電和直接利用是目前地熱能開發(fā)利用的主要手段[5]。150℃以上的高溫地熱資源主要用于工業(yè)發(fā)電；90～150℃中溫和25～90℃的低溫地熱資源以直接利用為主，包括取暖、干燥、種植、養(yǎng)殖、溫泉等日常生活方面；利用地源熱泵對25℃以下的淺層地溫進行供暖、制冷。

1.2 地熱的優(yōu)勢

地熱資源[6]資源量巨大、熱源利用率高且連續(xù)穩(wěn)定、CO2減排顯著。（1）我國每年可開采水熱型地熱資源折合19 億噸標準煤，接近2015 年我國煤炭消耗量的1/2。全國中等規(guī)模以上地級市，每年可開采淺層地熱資源折合7 億噸標準煤，約為2015 年我國煤炭消耗量的1/5，地下3～10km 的干熱巖儲量折合856 萬億噸標準煤；（2）所有可再生能源中，地熱能發(fā)電能源利用率高達80%，可視為基礎能源；（3）與燃氣、燃煤鍋爐供暖相比，地源熱泵供暖其CO2減排50%以上；若供應熱泵的電力取自清潔能源，則實現CO2零排放，減少霧霾。

2 地熱資源利用

2.1 地熱能發(fā)電

目前，地熱發(fā)電多是通過鉆取地下的地熱流體（熱水、干蒸汽、以水為主或者以蒸汽為主的汽水混合物。）作為高溫熱源發(fā)電，發(fā)完電的余熱流體回灌到地下。目前主流的4 種地熱發(fā)電熱力系統(tǒng)：圖1（a）干蒸汽熱力系統(tǒng)、圖1（b）一次閃蒸蒸汽熱力系統(tǒng)、圖1（c）二次閃蒸蒸汽熱力系統(tǒng)和圖1（d）雙工質熱力系統(tǒng)[3]。

2.2 我國地熱發(fā)電概況

20 世紀70 到90 年代我國先后建成7 座地熱發(fā)電站。1970 年在廣東豐順利用92℃濕蒸汽建成我國第一座地熱發(fā)電站，裝機容量72KW。西藏1977 年在羊八井建成我國首座高溫濕蒸汽地熱發(fā)電廠，首臺試驗1MW 發(fā)電機組（目前已停產），此后羊八井高溫地熱電廠不斷增添8 臺機組擴充產能，至1991 年裝機總規(guī)模達到25.18MW，并延續(xù)至今，每年發(fā)電1 億度左右[7]。西藏阿里地區(qū)于1985 年建成朗久地熱電廠，投產2臺1MW 濕蒸汽地熱發(fā)電機組，最終因地熱井產汽量不足，導致停產。1994 年西藏那曲建成了一套1MW 雙工質機組地熱電廠，后由于地熱井口管道結垢嚴重，堅持到1999 年停運。目前，我國地熱發(fā)電裝機總規(guī)模維持在27.4MW。包括廣東豐順0.3MW 地熱電站（閃蒸）、華北油田0.4MW 雙工質螺桿膨脹機地熱發(fā)電站、西藏羊八井24.18MW 地熱發(fā)電站（閃蒸）、西藏羊八井2MW 螺桿膨脹機地熱發(fā)電站以及西藏羊易0.4MW螺桿膨脹機地熱發(fā)電站[8-9]。

2.3 我國地熱發(fā)展特點

2.3.1 我國地熱資源以中低溫為主要特征，利用方式以直接利用為主。目前我國僅有西藏羊八井和羊易2處高溫地熱田，其余都是中低溫地熱田。中溫地熱田（90～150℃）28 處，占比3.8%；低溫地熱田（25～90℃）共708 處，占比96%[10]。此外，由于淺層地溫能幾乎不受資源限制，且技術日趨成熟，在地熱資源品位相對較低的地區(qū)，利用地源熱泵開發(fā)淺層地溫能，進行供暖和制冷在我國各地區(qū)發(fā)展迅速[11]。

2.3.2 我國地熱發(fā)電發(fā)展緩慢。我國適合發(fā)電的高溫地熱資源主要集中在西藏，裝機容量25MW 的西藏羊八井地熱電站是我國唯一的高溫地熱發(fā)電站，除西藏羊八井和廣東豐順地熱電站目前仍處于運行階段外，20 多年來我國幾乎沒有再建新的地熱電站，多數中小型地熱電站或因管道結垢、蒸汽流量小、溫度低、回灌技術難度大、運行不經濟等原因而早早關停，發(fā)電規(guī)模和技術水平已遠落后于地熱供暖、制冷、地源熱泵等[12]。

2.3.3 我國地熱產業(yè)的發(fā)展趨勢。（1）中低溫地熱發(fā)電。我國中低溫地熱資源儲量巨大，地熱發(fā)電技術日趨成熟可靠，合理利用當地中低溫地熱發(fā)電，既可以為當地提供生產生活所需電力，提高新能源在能源消費結構中的比例，實現節(jié)能降耗，更能帶動當地的經濟發(fā)展，解決部分就業(yè)問題[12]。（2）地熱直接利用。中國在地熱資源直接利用方面一直持續(xù)增長，并呈現出規(guī)模化、產業(yè)化的發(fā)展趨勢[13]，熱泵通過消耗一小部分高品質能量，如電能、機械能、熱能等，利用熱力循環(huán)系統(tǒng)，實現熱能從低溫物體向高溫物體傳遞的能量轉移裝置。地源熱泵是利用地下淺層地熱資源（土壤、地下水）的低溫位熱能和它們蓄熱性能的一種熱泵系統(tǒng)[14-15]。地源熱泵作為經濟環(huán)保、高效節(jié)能、安全可持續(xù)的淺層地熱能開發(fā)手段[16]，實現了夏季制冷、冬季供暖、及提供日常生活熱水。2016 年底全國推廣應用面積已達4.78 億平方米，地源熱泵年均增長速度達到27%.

3 西藏地熱資源

3.1 西藏地熱資源分布與資源潛力

當今世界上構造活動最強烈的、舉世矚目的喜馬拉雅高溫地熱帶，南起喜馬拉雅山，北抵岡底斯山和念青唐古拉山，從西陲阿里向東經過藏南延伸至橫斷山脈昌都地區(qū)，折向南延于云南西部，形成2000 余千米的弧形地熱帶，這也是西藏蘊藏有豐富地熱資源的區(qū)域地熱地質背景[17]。

西藏中南部地處青藏高原喜馬拉雅山脈地熱帶，分布著許多強烈的高熱流值水熱活動區(qū)，形成高溫地熱水系統(tǒng)[18]，擁有高溫水熱對流系統(tǒng)61 處，可開發(fā)沸泉44 處，作為我國高溫地熱源資源最豐富的地區(qū)，可開發(fā)高溫地熱發(fā)電潛力達1930.11MWe30a[19]。

西藏高于沸點的地熱區(qū)占全國的50%，背景資源量達3.1×1018J，資源可開采量達2988MW[1]。西藏屬地中海—喜馬拉雅地熱活動帶，兩條異常強烈的地熱活動帶[20]分別沿雅魯藏布江北側以及尼木—羊八井—那曲分布。地熱活動帶內，地熱種類繁多[21]，水熱顯示區(qū)星羅棋布，據統(tǒng)計西藏地熱顯示區(qū)共700 余處，其中熱儲溫度超過150℃的水熱區(qū)110 余處，超過80℃的地表泉水50余處，西藏地區(qū)天然地熱熱流約為68 萬kcal/s，總流量超1000L/s；地熱資源背景量高達3096.50×1015kJ，其中可開采資源背景量為923.70×1015kJ，相當于完全燃燒31.53×109T 標準煤所釋放出來熱量，用于發(fā)電的高溫地熱資源總量為29.88×104kW，超過全國高溫地熱資源總量的80%，資源潛力與開發(fā)前景非常可觀[20]。

其中，位于青藏鐵路西側與那曲縣最南端的谷露地熱區(qū)，是一個脈動型沸泉群，泉水溫度高達92℃，其地下熱流體的平均溫度高達178℃，預估發(fā)電潛力達51MWe30a。另外，古堆地熱區(qū)作為西藏最大的地熱田，位于山南市首府澤當以南約80km，平均海拔4400～4600m。熱儲流體的平均溫度為245℃，預估發(fā)電潛力為266MWe30a。其次，過過窮地熱泉位于日喀則市謝通門縣通門鄉(xiāng)拉旺孜村，地形開闊，距離縣城較近，泉口溫度63℃，其地下熱流體的平均溫度高達172℃，預估發(fā)電潛力達14MWe30a。日喀則地區(qū)擁有沸泉18 處，超過150℃的高溫熱儲區(qū)39 處，在西藏地區(qū)占有絕對優(yōu)勢。從這些數據可以看出，西藏的地熱資源是一種分布廣泛、蘊藏豐富且潛力巨大的環(huán)境友好型能源。

3.2 西藏地熱資源分布條件

根據地理區(qū)位和顯示類型，將西藏地熱區(qū)劃分成五個類型區(qū)[22]。

3.2.1 藏北低溫區(qū)。該區(qū)位于班公湖—怒江活動構造帶以北，主要顯示溫泉地熱類型。

3.2.2 藏中中溫地熱區(qū)。該區(qū)位于岡底斯山脈北坡與念青唐古拉山以北的高原內陸湖區(qū)，主要類型是熱泉、溫泉。

3.2.3 藏南高溫地熱區(qū)。該區(qū)位于岡底斯山脈北坡與念青唐古拉山以南的高山峽谷區(qū)，顯示類型包括熱泉、溫泉、沸噴泉、沸泉等。

3.2.4 藏西中—高溫地熱區(qū)。該區(qū)位于岡底斯山脈西段，顯示類型主要包括熱泉、溫泉、沸噴泉、沸泉、間歇噴泉、水熱爆炸等。

3.2.5 藏東中—低溫地熱區(qū).該區(qū)包括昌都地區(qū)三江流域內的大部分地區(qū)，顯示類型以熱泉、溫泉為主。

上述五個地熱區(qū)的資源條件如表1所示[22]。

表1 西藏地熱資源分區(qū)條件表

3.3 西藏地熱特點

西藏地熱具有溫度高、類型多、分布廣、放熱強度大等特點［20］。西藏有多達36 處超過沸點的地熱顯示區(qū)，地熱顯示類型涵蓋溫泉、熱泉、沸泉、沸噴泉、間歇噴泉、地熱蒸汽等多種形式，星羅云布在西藏境內各縣，相對集中在藏東昌都三江流域內的大部分地區(qū)、喜馬拉雅地熱帶、雅魯藏布江沿線谷地，放熱強度居國內之首，一些地熱區(qū)的天然熱流量高達107～108kcal/s。

3.4 西藏地熱資源發(fā)電情況

西藏地熱發(fā)電量位居我國首位。地熱電站主要沿青藏鐵路沿線兩側分布，較大的有羊八井地熱電站和羊易地熱電站［1］。西藏電力供應長期以水電為主，風能、太陽能、地熱能為輔的電力結構，但對像拉薩這樣的省會城市，地熱能發(fā)電卻一直扮演著非常重要的角色。到2017 年底，我國地熱能發(fā)電裝機容量為27.28MW（主要是西藏羊八井地熱電站），發(fā)電1.35 億千瓦時/年，冬、夏兩季的發(fā)電量分別占拉薩電網的60%和40%，實現替代標煤4.13 萬噸/年，減排二氧化碳10.73萬噸/年。

3.5 西藏地熱資源綜合利用

目前，西藏豐富的地熱資源多用于發(fā)電（羊八井地熱電站），卻鮮有用于居室采暖、溫室種植、養(yǎng)殖、沐浴、地熱旅游等。因此，為緩解西藏電力緊張，應充分利用其得天獨厚的地熱資源，除新建和擴建地熱電站，多從地熱資源直接利用考慮進行房屋采暖、溫室種植和養(yǎng)殖，因地制宜［20］。

3.5.1 洗滌、沐浴。西藏是我國第二大牧場，羊毛（絨）年產量超過1萬噸，利用中低溫地熱水洗滌羊毛，對提升羊毛品質效果非常好，而西藏的地熱資源和畜牧資源條件都是得天獨厚的。同時人們可以用沸點以下的溫泉水來洗滌與沐浴，節(jié)約燃料資源。

3.5.2 浴療。地熱水中含有多種礦物質元素、稀有元素化合物，造就了不同的酸堿度。研究證實地熱水浴療對人體某些特定疾病具有較好的療效［23］，比如皮膚病、風濕性關節(jié)病、內分泌系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)疾病，療效顯著，起到緩解疲勞、促進新陳代謝、增強免疫力的同時，達到治病的效果。

3.5.3 種植。西藏大部分地區(qū)海拔高、氣溫低、濕度低，不利于農作物的生長，特別是瓜果、蔬菜這類經濟作物［24］。在地熱資源豐富地區(qū)利用地熱進行溫室種植各類瓜果、蔬菜，可大大提高農作物產量，增加農牧民收入，若利用地熱溫室大棚培育苗圃、種植花卉，其經濟效益更高。

3.5.4 養(yǎng)殖。西藏的冬季嚴寒且漫長，這個季節(jié)牲畜容易掉膘，也不利于牧區(qū)牦牛和綿羊的繁殖，利用地熱區(qū)的地熱資源修建溫室養(yǎng)殖場，可以提高牲畜的繁殖率，為牧民養(yǎng)殖增產創(chuàng)收。

3.5.5 居室采暖。西藏冬季長達5 個月之久，平均氣溫在-5℃左右，農牧民日常取暖多使用柴薪和牛糞作燃料，若采用地熱供暖，可以改善農牧民的生活居住條件，同時減少人們對森林的砍伐、草場的破壞、降低對環(huán)境的損害。

3.5.6 提取地熱水中的礦物質。地熱流體中富含稀有貴金屬及礦物質元素，如:銫、鋰、砷、硼、銣等，提煉出這些貴金屬礦物，既可以創(chuàng)造經濟效益，還可以減少地熱水中污染因子的排放。

3.5.7 地熱旅游。西藏是世界第三極，近些年“此生必駕318”這條國內景觀大道被網絡宣傳，吸引眾多國內外游前來，因此可以選擇適宜的地熱區(qū)開發(fā)地熱旅游，將西藏獨具特色的地熱資源景觀、千姿百態(tài)的地質現象打造成獨特的名片。

西藏種類豐富的地熱資源，按溫度梯級可開展項目繁多的開發(fā)。借鑒國外成熟的開發(fā)利用經驗和先進的技術手段，綜合利用西藏地熱資源前景廣闊［22］。

4 西藏地熱產業(yè)的發(fā)展目標與方向

西藏作為我國地熱資源最豐富的地區(qū)，不僅擁有我國唯一高溫濕蒸汽地熱發(fā)電站羊八井地熱電站，地熱發(fā)電位居我國第一位，還蘊藏極其豐富的淺層中低溫地熱資源。因此，今后在西藏地區(qū)大力發(fā)展中高溫地熱發(fā)電產業(yè)和中低溫地熱直接利用技術，將極大地促進西藏地區(qū)經濟發(fā)展，改善西藏人民生活質量。

4.1 低溫地熱及地熱尾水可通過熱泵技術提高其能源品質進行利用

地熱供暖主要分直接供暖和間接供暖［25］。直接供暖是以地熱水直接作為供熱工質，而間接供暖是利用中低溫地熱水先加熱某種低沸點供熱介質，再讓供熱介質循環(huán)供熱，如圖2 所示。地熱水直接供暖多用在水溫較低、水質較好的情況下。由于間接供暖前期投資較大（需要中間換熱器），并且中間換熱器增加了熱量損耗，因此地下水間接供暖多用在地熱水質差而水溫高的情況。

4.2 地熱直接利用技術

地源熱泵［26］，指的是陸地淺層能源通過輸入少量的高品位能源（如電能）實現由低品位熱能向高品位熱能轉移的裝置。按照埋藏深度，地熱能分為200m以內的淺層地熱能、200～3000m 的水熱型和3000～10000m的干熱巖型三種。

圖3 為地熱熱泵原理圖，與常規(guī)熱泵原理不同的是，地熱熱泵的熱源為低溫地熱水或地熱尾水［27］。熱泵工質先在蒸發(fā)器中吸收地熱水的熱能，經過壓縮機變成高溫高壓的氣體，再經過冷凝器放熱，提供生活用熱水，從而將低溫地熱水或地熱尾水的熱能級進行充分利用。目前，地源熱泵在在國內外地熱直接利用領域中應用最為廣泛［28］，技術也最為成熟。

4.3 地熱熱泵供熱經濟性分析

例如某工程的設計參數為：供熱量1500kW，地熱水用量為50t/h。計算電價取為0.38 元/kWh，地熱水費0.6 元/t，煤價800 元/t，天然氣價格2.8 元/Nm3，熱泵的性能系數為3.6，燃氣鍋爐的效率為85%，燃煤鍋爐的效率為70%，原煤熱值為20934kJ/kg，天然氣熱值為35588kJ/Nm3，全年供熱時間為1500h。其年運行費用見表2。

表2 全年供熱運行費用比較（萬元）

從表2 全年供熱運行費用對比結果可看出，在不考慮前期建廠投資費用情況下，地熱熱泵供熱的運行費用最低，燃氣鍋爐供熱的運行費用最高，而燃煤鍋爐供熱的運行費用介于兩者之間。在實際運行過程中，地熱熱泵供熱系統(tǒng)不僅運行費用低，并且使用管理合理，可以做到零污染排放，且能源可持續(xù)利用。

在地熱能的開發(fā)利用中，低溫地熱和供暖尾水不僅可用于養(yǎng)殖、溫室種植和洗浴，通過熱泵技術，對低溫地熱或地熱供暖尾水實現梯級綜合利用，提升其熱能品位，充分利用地熱資源，同時地熱尾水的再利用還可降低地熱水排放造成的熱污染。

5 結論

地熱能分布廣泛、儲量巨大，使用起來清潔、穩(wěn)定，與太陽能、風能等清潔能源相比，不受季節(jié)、天氣、溫濕度等外界因素影響，具有顯著優(yōu)勢的新能源。我國地熱資源多以直接利用的中低溫地熱資源為主，高溫地熱發(fā)電資源主要沿青藏鐵路兩側分布，集中在那曲、羊八井、羊易等地，尤以西藏羊八井地熱電站為主，其利用地熱資源發(fā)電位居我國第一位。

從2010年至今我國地熱發(fā)電幾乎停滯不前，地熱發(fā)電產業(yè)逐漸向中低溫地熱資源靠近，地熱直接利用、地源熱泵技術開發(fā)地熱資源發(fā)展迅速。目前中國已成為全球最大的地熱直接利用市場。而西藏作為我國地熱資源最豐富的地區(qū)，不僅擁有我國優(yōu)質的高溫地熱資源，還擁有極其豐富的淺層中低溫地熱資源，西藏地熱具有溫度高、類型多、分布廣、放熱強度大等特點，可以廣泛的應用于沐浴、洗滌、浴療、溫室種植、養(yǎng)殖、洗、染、居室采暖、地熱旅游等地熱綜合利用方面，這將極大地促進西藏地區(qū)經濟發(fā)展，從而改善西藏人民生活質量。