科技引领，向地下要热能——记自然资源部浅层地热能重点实验室

近年来，环境变化正广泛而深刻地影响着人类社会的方方面面。作为新型能源的地热资源，由于具有储量大、分布广、可持续利用和清洁环保等优点，越来越受到人们关注。大力推进地热资源，特别是占供暖制冷主要份额的浅层地热能资源开发利用，改善能源结构，对于减缓环境变化具有重要的意义。

自然资源部浅层地热能重点实验室（以下简称实验室）前身为原北京市地勘局浅层地热能实验基地，始建于2009年；2014～2018年依托北京市财政资助的“北京市浅层地热能可持续利用研究及示范工程建设”项目，完成初步建设；2021年7月，获批自然资源部重点实验室，成为我国浅层地热能领域省部级重点实验室。近年来，实验室面向国家新能源与可再生能源发展、科技创新发展的战略目标和重大需求，开展了大量战略性、前沿性的浅层地热能应用基础研究，并推动一系列关键技术获得突破，为我国浅层地热能的高效、可持续、大规模开发利用提供了科技支撑。

埋在地下的环保能源

地热是指储存于地球内部的热量，是一种清洁、可再生的新能源。地热能通常分为浅层地热能、水热型地热能、干热岩型地热能。

其中，浅层地热能指蕴藏于地表以下一定深度范围内（一般为200米）岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能，其温度小于25摄氏度，是近20年来被快速开发利用的清洁环保型新能源。

“浅层地热能作为低温资源，借助地源热泵技术可广泛用于建筑空调的取暖制冷等方面。”北京市地质矿产勘查院副总工程师、实验室学术委员会副主任李宁波介绍，浅层地热能的特点是稳定而持续，是一种温差势能，其温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和冷源，也是理想的“绿色环保能源”。

我国地热资源丰富，市场潜力巨大，产业发展前景广阔。开发利用地热能不仅对调整能源结构、节能减排、改善环境具有重要意义，而且对培育新兴产业、促进新型城镇化建设、增加就业均具有显著的拉动效应。

近十年来，我国浅层地热能开发利用取得较快发展，浅层地热能利用量目前位居世界。《中国地热能发展报告（2018）》显示，我国336个主要城市浅层地热能年可采资源量折合7亿吨标准煤，可实现供暖（制冷）建筑面积320亿平方米，其中黄淮海平原和长江中下游平原地区最适宜浅层地热能开发利用。

“建设浅层地热能重点实验室是研究制约浅层地热能规模化开发利用关键科学问题的现实需要。”李宁波表示。

“在北京建设浅层地热能重点实验室，是自然资源部和北京市政府贯彻落实习近平生态文明思想，助力＇“双碳＇目标实现，加快推进建设国际科技创新中心的联合举措。”李宁波告诉记者，实验室建设的目的是聚焦浅层地热能应用基础研究，不断提升实验室科学研究、实验模拟、测试等功能，建成国内、国际领先的浅层地热能科技创新平台，并作为浅层地热能监测评价系统、浅层地热能教学实验基地和科普基地为政府和社会提供服务。

研究成果广泛应用

“实验室成功获批自然资源部重点实验室，对于提高全国浅层地热能行业科技创新能力，建设首都“科技创新中心＇有着重大意义。这也是部市共建工作的重要成果。”李宁波告诉记者，实验室作为我国浅层地热能理论研究和开发利用的领跑者，具有很强的创新能力和良好的工作基础。近年来，北京市地质矿产勘查院依托自然资源部（原国土资源部）、中国地调局和北京市财政资助的多个公益性项目，牵头开展了浅层地热能资源开发利用及实验室建设等相关工作，为部重点实验室的后期申报和建设奠定了扎实的基础。

说起实验室团队近年来的成果，李宁波如数家珍：创立了浅层地热能地质学理论体系和勘查评价体系，首次开展了区域浅层地热能资源量计算方法研究，确定了评价计算资源量所需的参数及其测试方法和技术要求，为我国浅层地热能资源勘查评价工作提供了方法体系方面的有力支撑……

针对浅层地热能安全高效采集和高效转化技术、资源可持续利用的经济环境安全性等关键技术问题，实验室团队组织了系列的科技攻关并取得重大突破。例如：首次基于区域新构造、地形地貌、气候条件、地质条件、水文地质条件，采用关键因子法，对全国浅层地热能资源进行了区划；首次采用层次分析法对北京市平原区浅层地热能进行了适宜性分区，编制了北京市浅层地热能开发利用规划；建成了国内浅层地热能综合效能实验平台，实现了室外地埋管换热影响因素实验、室内空调末端选择对比实验和地下岩土体地温场变化监测实验三大功能；在浅层地热能高效开发及应用技术研究方面，提出了地源热泵系统评价体系，搭建了国内领先的地源热泵仿真模拟实验系统，开展了三维热一渗耦合数值模拟研究；研发了再生水热能利用能量-经济-环境评价模型及评价软件，提出了再生水热泵系统的应用模式和再生水热能取用距离的评价方法，开展了污水源热能二次利用技术、热管蓄能、自然蓄冰等技术研究。

在国家大力推行“互联网＋”的新形势和北京智慧城市建设的新要求下，实验室以浅层地热能成因机理和赋存特点的研究为基础，结合北京市浅层地热能利用现状，建立了北京市浅层地热能利用动态监测网，全部实现远程监控，极大地提高了监测精度及时效性，达到国内浅层地热能监测__水平。重点针对浅部地层原始地温、浅层地热能利用区域地温场、水位、水质的动态变化，以及浅层地热能利用项目的应用效果等进行监测，获取浅层地热能开发利用过程中对地质环境的影响程度和规律，建立了浅层地热能利用动态监测信息平台，实现了数据的自动采集和远程监控，为合理、安全、高效开发利用浅层地热能提供保障。

此外，结合多年研究成果和工作经验，实验室团队编制了《浅层地热能勘查评价规范》《地源热泵系统工程技术规范》《地埋管地源热泵系统工程技术规范》《再生水热泵系统工程技术规范》和《省级浅层地温能调查评价工作方案编写要求》等十余项国家、行业、地方相关规范和技术要求，建立了我国浅层地热能勘查开发标准体系，为全国开展浅层地热能资源调查评价工作开展和行业的规范化发展提供了重要支撑。实验室还研发了国内领先的岩土热响应测试仪及相关的监测软件，申请专利20余项。

科研服务社会。据李宁波介绍，实验室研究成果已广泛应用于北京城市副中心、北京世园会、北京大兴机场、北京奥运村、北京用友软件园、上海世博轴等重大工程项目，取得了良好的经济社会效益，有力推动了我国浅层地热能事业的发展。

聚焦三大研究方向

目前，实验室由北京市规划和自然资源委员会负责管理，以北京市地质矿产勘查院为依托单位，与中国地质大学（北京）、中国地质科学院、北京市华清地热开发集团有限公司共同建设，形成地质、水文地质、暖通、自控等多学科交叉、产学研结合的研究优势，为浅层地热能资源勘查、规划开发及利用管理等提供技术支撑。

李宁波介绍，针对浅层地热能成因理论、资源勘查评价和开发利用技术有关的科学问题，实验室确立了3个研究方向：

一是浅层地热能地质学理论及方法。包含浅层地热能成因机理和勘探评价方法体系研究。主要通过搭建浅层地热能成因机理实验平台与数值模拟计算平台，以动态化方法分析浅层地热能的成因机理、传热过程。

二是浅层地热能高效转化及应用。研究方向包含岩土热物性分析和换热试验研究、地埋管及地下水换热系统研究、浅层地热能利用系统测评方法研究和浅层地热能利用系统仿真和优化设计研究。

三是浅层地热能利用地质环境影响。重点研究浅层地热能开发对地下环境影响规律和监测技术方法。

在人才建设方面，实验室组建了多个创新团队，其中硕博研究生占比68％，40岁以下青年研究人员占比53％，已纳入省部级以上创新团队1个，省部级以上领军人才2人，省部级以上青年人才4人。

“接下来，实验室将进一步加大人才培养力度，重点培养优秀中青年人才及后备学科技术带头人，重点加强基础研究和综合实验能力建设，持续开展科学研究。同时，加强与国内外著名研究机构的交流与合作，吸收更多的高层次人才参与实验室的科技创新。”李宁波说。