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科技引領,向地下要熱能——記自然資源部淺層地熱能重點實驗室

發布日期:2022-04-01??來源:i自然??作者:趙寧 段金平 楊俊偉??瀏覽次數:31
核心提示:實驗室技術人員開展巖土熱響應測試培訓。自然資源部淺層地熱能重點實驗室 供圖近年來,全球氣候變化正廣泛而深刻地影響著人類社會的方方面面。作為新型能源的地熱資源,由于具有儲量大、分布廣、可持續利用和清潔環保等優點,越來越受到人們關注。大力推進地熱資源,特別是占供暖制冷主要份額的淺層地熱能資源開發利用,改善能源結構,對于減緩全球環境變化具有


實驗室技術人員開展巖土熱響應測試培訓。自然資源部淺層地熱能重點實驗室 供圖

近年來,全球氣候變化正廣泛而深刻地影響著人類社會的方方面面。作為新型能源的地熱資源,由于具有儲量大、分布廣、可持續利用和清潔環保等優點,越來越受到人們關注。大力推進地熱資源,特別是占供暖制冷主要份額的淺層地熱能資源開發利用,改善能源結構,對于減緩全球環境變化具有重要的意義。

自然資源部淺層地熱能重點實驗室(以下簡稱實驗室)前身為原北京市地勘局淺層地熱能實驗基地,始建于2009年;2014年至2018年依托北京市財政資助的“北京市淺層地熱能可持續利用研究及示范工程建設”項目,完成初步建設;2021年7月,獲批自然資源部重點實驗室,成為我國淺層地熱能領域首個省部級重點實驗室。近年來,實驗室面向國家新能源與可再生能源發展、科技創新發展的戰略目標和重大需求,開展了大量戰略性、前沿性的淺層地熱能應用基礎研究,并推動一系列關鍵技術獲得突破,為我國淺層地熱能的高效、可持續、大規模開發利用提供了科技支撐。

埋在地下的環保能源

地熱是指儲存于地球內部的熱量,是一種清潔、可再生的新能源。地熱能通常分為淺層地熱能、水熱型地熱能、干熱巖型地熱能。

其中,淺層地熱能指蘊藏于地表以下一定深度范圍內(一般為200米)巖土體、地下水和地表水中具有開發利用價值的熱能,其溫度小于25攝氏度,是近20年來被快速開發利用的清潔環保型新能源。

“淺層地熱能作為低溫資源,借助地源熱泵技術可廣泛用于建筑空調的取暖制冷等方面?!北本┦械刭|礦產勘查院副總工程師、實驗室學術委員會副主任李寧波介紹,淺層地熱能的特點是穩定而持續,是一種溫差勢能,其溫度一年四季相對穩定,冬季比環境空氣溫度高,夏季比環境空氣溫度低,是很好的熱泵熱源和冷源,也是理想的“綠色環保能源”。

我國地熱資源豐富,市場潛力巨大,產業發展前景廣闊。開發利用地熱能不僅對調整能源結構、節能減排、改善環境具有重要意義,而且對培育新興產業、促進新型城鎮化建設、增加就業均具有顯著的拉動效應。

近十年來,我國淺層地熱能開發利用取得較快發展,淺層地熱能利用量目前位居世界第一?!吨袊責崮馨l展報告(2018)》顯示,我國336個主要城市淺層地熱能年可采資源量折合7億噸標準煤,可實現供暖(制冷)建筑面積320億平方米,其中黃淮海平原和長江中下游平原地區最適宜淺層地熱能開發利用。

“建設淺層地熱能重點實驗室是研究制約淺層地熱能規?;_發利用關鍵科學問題的現實需要?!崩顚幉ū硎?。

“在北京建設淺層地熱能重點實驗室,是自然資源部和北京市政府貫徹落實習近平生態文明思想,助力‘雙碳’目標實現,加快推進建設國際科技創新中心的聯合舉措?!崩顚幉ㄕf,實驗室建設的目的是聚焦淺層地熱能應用基礎研究,不斷提升實驗室科學研究、實驗模擬、測試等功能,建成國內一流、國際領先的淺層地熱能科技創新平臺,并作為淺層地熱能監測評價系統、淺層地熱能教學實驗基地和科普基地為政府和社會提供服務。

研究成果廣泛應用

“實驗室成功獲批自然資源部重點實驗室,對于提高全國淺層地熱能行業科技創新能力,建設首都‘科技創新中心’有著重大意義。這也是部市共建工作的重要成果?!崩顚幉ū硎?,實驗室作為我國淺層地熱能理論研究和開發利用的領跑者,具有很強的創新能力和良好的工作基礎。近年來,北京市地質礦產勘查院依托自然資源部(原國土資源部)、中國地質調查局和北京市財政資助的多個公益性項目,牽頭開展了淺層地熱能資源開發利用及實驗室建設等相關工作,為自然資源部重點實驗室的后期申報和建設奠定了扎實的基礎。

說起實驗室團隊近年來的成果,李寧波如數家珍:創立了淺層地熱能地質學理論體系和勘查評價體系,首次開展了區域淺層地熱能資源量計算方法研究,確定了評價計算資源量所需的參數及其測試方法和技術要求,為我國淺層地熱能資源勘查評價工作提供了方法體系方面的有力支撐……針對淺層地熱能安全高效采集和高效轉化技術、資源可持續利用的經濟環境安全性等關鍵技術問題,實驗室團隊組織了系列的科技攻關并取得重大突破。例如:首次基于區域新構造、地形地貌、氣候條件、地質條件、水文地質條件,采用關鍵因子法,對全國淺層地熱能資源進行了區劃;首次采用層次分析法對北京市平原區淺層地熱能進行了適宜性分區,編制了北京市淺層地熱能開發利用規劃;建成了國內首個淺層地熱能綜合效能實驗平臺,實現了室外地埋管換熱影響因素實驗、室內空調末端選擇對比實驗和地下巖土體地溫場變化監測實驗三大功能;在淺層地熱能高效開發及應用技術研究方面,提出了地源熱泵系統評價體系,搭建了國內領先的地源熱泵仿真模擬實驗系統,開展了三維熱—滲耦合數值模擬研究;研發了再生水熱能利用能量—經濟—環境評價模型及評價軟件,提出了再生水熱泵系統的應用模式和再生水熱能取用距離的評價方法,開展了污水源熱能二次利用技術、熱管蓄能、自然蓄冰等技術研究。

在國家大力推行“互聯網+”的新形勢和北京智慧城市建設的新要求下,實驗室以淺層地熱能成因機理和賦存特點的研究為基礎,結合北京市淺層地熱能利用現狀,建立了北京市淺層地熱能利用動態監測網,全部實現遠程監控,極大地提高了監測精度及時效性,達到國內淺層地熱能監測最高水平。重點針對淺部地層原始地溫、淺層地熱能利用區域地溫場、水位、水質的動態變化,以及淺層地熱能利用項目的應用效果等進行監測,獲取淺層地熱能開發利用過程中對地質環境的影響程度和規律,建立了淺層地熱能利用動態監測信息平臺,實現了數據的自動采集和遠程監控,為合理、安全、高效開發利用淺層地熱能提供保障。

此外,結合多年研究成果和工作經驗,實驗室團隊編制了《淺層地熱能勘查評價規范》《地源熱泵系統工程技術規范》《地埋管地源熱泵系統工程技術規范》《再生水熱泵系統工程技術規范》和《省級淺層地溫能調查評價工作方案編寫要求》等十余項國家、行業、地方相關規范和技術要求,建立了我國淺層地熱能勘查開發標準體系,為全國開展淺層地熱能資源調查評價工作開展和行業的規范化發展提供了重要支撐。實驗室還研發了國內領先的巖土熱響應測試儀及相關的監測軟件,申請專利20余項。

科研服務社會。據李寧波介紹,實驗室研究成果已廣泛應用于北京城市副中心、北京世園會、北京大興機場、北京奧運村、北京用友軟件園、上海世博軸等重大工程項目,取得了良好的經濟社會效益,有力推動了我國淺層地熱能事業的發展。

聚焦三大研究方向

目前,實驗室由北京市規劃和自然資源委員會負責管理,以北京市地質礦產勘查院為依托單位,與中國地質大學(北京)、中國地質科學院、北京市華清地熱開發集團有限公司共同建設,形成地質、水文地質、暖通、自控等多學科交叉、產學研結合的研究優勢,為淺層地熱能資源勘查、規劃開發及利用管理等提供技術支撐。

李寧波介紹,針對淺層地熱能成因理論、資源勘查評價和開發利用技術有關的科學問題,實驗室確立了三個研究方向:

一是淺層地熱能地質學理論及方法。研究方向包含淺層地熱能成因機理和勘探評價方法體系研究。主要通過搭建淺層地熱能成因機理實驗平臺與數值模擬計算平臺,以動態化方法分析淺層地熱能的成因機理、傳熱過程。

二是淺層地熱能高效轉化及應用。研究方向包含巖土熱物性分析和換熱試驗研究、地埋管及地下水換熱系統研究、淺層地熱能利用系統測評方法研究和淺層地熱能利用系統仿真和優化設計研究。

三是淺層地熱能利用地質環境影響。重點研究淺層地熱能開發對地下環境影響規律和監測技術方法。

在人才建設方面,實驗室組建了多個創新團隊,其中碩博研究生占比68%,40歲以下青年研究人員占比53%,已納入省部級以上創新團隊1個,省部級以上領軍人才2人,省部級以上青年人才4人。

“接下來,實驗室將進一步加大人才培養力度,重點培養優秀中青年人才及后備學科技術帶頭人,重點加強基礎研究和綜合實驗能力建設,持續開展科學研究。同時,加強與國內外著名研究機構的交流與合作,吸收更多的高層次人才參與實驗室的科技創新?!崩顚幉ㄕf。

實驗室技術人員進行技術攻關。自然資源部淺層地熱能重點實驗室 供圖

來源:中國自然資源報

責任編輯:李沛真

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