地热开发是指对贮存在地球内部的可再生热能进行开发来达到利用的目的。地热是一种特殊的资源,首先既像其他资源一样能被人们开发利用、造福人类,同时它又与别的资源有着巨大的差异。在其开发利用的过程中,它不像有些资源那样会破坏生态环境,恰恰相反,合理地利用地热资源能有效地保持生态环境,这就是为什么近年来各国都了十分注重开发利用地热资源的原因之一。详细介绍国了内外地热能开发利用的现状、开发过程中的环境问题、环境保护措施、以及国内地热开发利用项目实例。

地热能(Geothermal Energy〕是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热能形式存在，是导致火山爆发及地震的能量。

地热来源：主要是地球内部长寿命放射性同位素热核反应产生的热能。

地热资源种类繁多，按其储存形式，可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型5大类；按温度可分为高温（高于150℃）、中温（90 ℃ -150 ℃ ）和低温（低于90 ℃）地热资源。

从总量上来看，我国主要是以中低温地热资源为主的。

地热能是指贮存在地球内部的可再生热能，一般集中分布在构造板块边缘一带，起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。全球地热能的储量与资源潜量十分巨大，每年从地球内部传到地面的热能相当于100PW h,但是地热能的分布相对比较分散，因此开发难度很大。由于地热能是储存在地下的，因此不会受到任何天气状况的影响，并且地热资源同时具有其他可再生能源的所有特点，随时可以采用，不带有害物质，我国主要沉积盆地储存的地热能量为736亿亿千焦耳，相当于标准煤2500亿吨。全国地热可开采资源量为每年68亿立方米，所含地热量为973万亿千焦耳，折合每年3284万吨标准煤的发电量。

目前，我国地热资源开发利用已初具规模，年利用地热能为100亿千瓦时，并且地热开发利用量以每年近10%的速度增长。全国已经基本形成以西藏羊八井为代表的地热发电、以天津和西安为代表的地热供暖、以东南沿海为代表的疗养与旅游和以华北平原为代表的种植和养殖的开发利用格局。但是，我国地热在能源结构中占的比例还很小，因此，加快地热资源开发利用的速度和步伐势在必行。

一.地热发电技术

1904年，意大利在拉德瑞罗地热田建立了世界上第一台热力发电机组。到2002年底，世界上已有21个国家利用地热发电，总装机容量达8438MW，生产电力约50000GWh，其中以美国、菲律宾、意大利、墨西哥、印度尼西亚、日本、新西兰等国较多。估计全世界尚有热力发电站潜力97061MW。

二.地源热泵技术

1912年，瑞士Zoelly首次提出利用浅层地热能作为热泵系统低温热源的概念。现今，地源热泵已在北美、欧洲等地广泛应用，技术也趋于成熟。美国正在实现每年安装40万台地源热泵的目标；在瑞士、奥地利、丹麦等北欧国家，地源热泵在家用的供暖设备中占很大比例。

三.地热供暖技术

世界很多国家对地热供暖广泛运用。冰岛地处北极圈边缘，气候寒冷，一年中有300—340天需要取暖，其主要能源中地热能占48.8%。

地热是匈牙利主要资源之一，分布范围极广，总面积约为9.3×104km2，占全国总面积的2/3.

我国的高温资源主要分布在西藏、滇西及台湾地区,分属于地中海喜马拉雅环球地热带及环太平洋岛弧地热带。而中低温地热资源广泛分布于大陆地壳隆起区和沉降区。我国的地热开发利用始于70年代,20多年来,在地热勘探和开发利用方面积累了丰富的经验。

现已发现地热点近3 000处,勘探地热面积3 677 km2,成井2 000余眼,建成43个地热田(包括台湾)。利用范围包括发电、医疗、采暖、养殖、工业利用等十余个行业,我国地热发电主要集中在西藏:羊八井电站装机2.518万kW,到1991年累计发电3.7亿kW.h,占拉萨电网的40%～50%;羊易热田计划首期装机15 MW。云南腾冲地热田目前投资1 400万元进行电站前期工作,计划装机上万千瓦级。目前,全国地热电站共有6个,总装机容量31MW。除电力利用外,地热的直接利用也相当广泛,总热容量达1 945 MW。

我国地热直接利用还包括疗养、养殖、采暖。全国有8省市利用地采暖,总面积131.4万m2,其中北京、天津两市占120万m2,节煤3万多吨,少向大气排放废气粉尘三千多吨。塘沽供暖面积62万m2,服务人口10万。据1988年8月统计,有13个省市建有地热温室,总面积378 288 m2),其中河北省189 150 m2,占49.9%。全国17个省市利用地热水养鱼,总面积1.119 Mm2,其中陕西2个面积为13万m2和6.6万m2的鱼场规模最大,福建养鳗有20多处,近466 704 m2。我国温室疗养地超过150处。地热直接利用居世界第二位。

在开发地热能的过程中,热流体中所含的各种气体和悬浮物将排入大气中,对周围环境造成影响。对环境影响较大的气体主要有H2S、CO2。H2S气体对人体危害较大,浓度低时能麻痹人的嗅觉神经,浓度高时可使人窒息而死亡。CO2也有一定的窒息作用,最主要的是其对气候的温室效应。

较高的H2S含量一般发生在高温地热田中。中低温热田中的H2S含量较少。在利用高温蒸汽发电时,大量的H2S气体逸出。H2S气体在通风条件较好的地方,一般不会造成事故,但在井口随意放喷时,使热流体中的H2S气体散布于大气中,在较长的时间段,不但对人体有害,还对电气设备及其它设施造成腐蚀。含H2S的地热尾水直接排入水体,鱼类和藻类的生存也将受到影响。现在一些国家,对新建的地热发电站,要求引入保护环境的表面接触式冷凝器,设置除H2S的装置,并要求对污渣进行处理。

CO2是地热排汽中不凝气体的主要成分,且含量高达80%～95%,如果任意向大气排放,也会增加温室效应的产生。还会由于大气中CO2气体含量过多造成高空臭氧层出现“空洞” ,引起太阳辐射流强度增加,对大气环境产生巨大的不良影响。

另外,人们还担心H2S、CO2是否会引起酸雾,但至今为止,还没有证明这种影响的存在。

地热水的形成一般为大气降水经过地下深循环,与围岩进行化学物质交换,围岩中各种化学组分进入水体,使地热水中含有对环境有益和有害的常量成分、微量成分及放射性成分。通过不同地区的地热开发,我们发现在这些成分中对环境和生态造成污染的主要有:盐类的污染和有害元素的污染等。

(1)盐类的污染

地热水大多数矿物质的溶解度随温度的升高而增大,因此在地热水中,一般含有较高的总固体、氟化物、氯化物等物质。这些高盐度的地热水和上述有关的环境标准比较,均超过标准中所规定的含量。如果地热能被利用后,弃水作为灌溉水来源,高盐度的水将引起土壤盐渍化和土地板结。高盐度的热水在回灌和供暖时,随着温度的降低,将产生结和化学垢沉淀物,使管径缩小而被堵塞。

(2)有害元素的污染

由于长期的水岩作用,使地热水中含有多种重金属元素和其它微量元素,其含量超过饮用水水质标准或其他一些标准。这些热水给环境和生态带来不利影响,如F、B、As等。柑桔及其它水果对含量低达0.5 mg/L的B的敏感性早有明文记载。有的热水中F含量高达10～20 mg/L,硼化物含量>100 mg/L,As高达<10 mg/L,都严重超过许多种标准中规定的含量,未经处理,不仅不能饮用,如果进行灌溉和养殖,对粮作物及鱼类也有害,即使排入河流和其他水体中,对水体也将造成污染。还会由于水体、鱼类、粮作物中有毒物质的长期富集并通过食物链直接或间接地对人体和生物造成危害。

目前我国的地热资源大多以单一利用为主,当热能利用后,尾水温度仍很高。在我国西藏羊八井热田,由于弃水温度高达70～80℃ ,自1978年开始开采,到1992年,地热电站二分厂厂部附近约2 000 m2的地面,温度升至40～90℃。华北有些地区,如天津、河北雄县废水温度达40℃。这些尾水的排放,促使局部空气和水体的温度升高,改变生态平衡,影响环境和生物生长,造成热污染。

噪声污染一般是由钻探和地热井放喷造成的。在钻探过程中,各种机械噪声高达90dB,干热田钻进的噪声可能达80 dB(相当于喷气式飞机起飞的水平),这对居民区和钻工的身体造成影响。另外地热井放喷时其噪声值可达120 dB以上,虽然时间较短,但其尖声也使人的耳朵受到伤害,使野生动物和家禽受到影响。

在地热开发利用过程中对地面的干扰较小,主要表现在地热开发过程中,由于挖掘引起的地面破坏及地面不整洁,且由于地热开发及地热发电场地局限,而且场地固定,不象燃料发电,占用大量的土地,并需采矿、运输和废渣处理。因此,地热地面干扰没有燃煤开采和水力发电那样强烈。

几乎从任何热储中长期抽出流体都有可能导致可以监测到的地面沉降。地热流体也是一样,当地热流体的抽出量超过天然补给量时,地面沉降发生,其实际沉降量取决于抽出的流体量和热储岩石的强度。具有最佳地面沉降记录材料的一例是新西兰的怀拉基地热区,,这个地区在1956年井孔试验开展以后就开始了地面沉降的测量工作。1964～1974年期间的地面沉降量最大,大约为4.5 m,影响范围达65 km2。并且发生了水平运动,最大水平移动为0.4 m。在加利福尼亚盖瑟尔斯也观察到了向心沉降的相似背景。且局部水平运动的幅度与垂直下沉的幅度大体一样,这说明了热储由于内压力的降低在垂直和水平方向上都发生了收缩。我国天津市根据市区沉降测量表明,开采300 m深度以下地下水,对地面沉降影响约占总沉降量的35%～50%。长期的超量开采地热能及水位下降引起盐水入侵,造成热泉和喷气孔等地面自然现象消失,地面活动改变。我国羊八井著名的热泉消失是很好的一例。

地热异常区多数是现代火山、近代岩浆活动地区或近代地壳构造运动活跃地区。这意味着地热资源开发一般发生在自然断裂通道和活断层上,即地热资源开发大部分在区域地震活动性强的地区内进行。当抽取和注入流体时,一旦流体压力超过启动断层运动所需的临界值时,就会诱发地震。根据世界上许多国家的地热区长期的监测和美国地质局在1969年确定诱发地震和阻止地震发生的条件有控实验(Raleigh等,1976),确定流体的注入有可能诱发地震的条件是:存在断层,而且横断断层已经积累了相当大的剪切应力;流体向断层带的注入压力超过了启动断层运动所要求的临界值。不过现有的资料表明,由于地热流体的抽取或回灌而诱发的明显地震比较罕见,而且即使地震发生,一般是轻微的,不会对地面设施生影响。

针对地热开发利用中可能产生的环境问题,需要在开发之前进行环境评价,在开发和利用过程中要对地热尾水等进行必要的处理和合理的排放。

各国在这方面都愈来愈重视,制定有关的法规,以规范地热开发活动,对新的地热工程项目要求提交影响评价报告,建立监测计划以观测地热开发过程中所有的可能的环境效应。美国严格禁止向地表环境排放地热水,地热公司如果没有严格的环境保护措施,将不得进行地热电站建设和运转,地热勘探开发之前必须要有环境与经济影响评估报告。在菲律宾,地热开发的每个阶段,包括地质调查、地质勘探(公路建设、房屋建设、砍伐树木等)、生产井钻探阶段和资源开发阶段,都必须获得有关部门颁布的环境许可证才能进行操作。其它国家如日本、新西兰、德国、冰岛、意大利等都有相应的一系列法规来约束和减小地热开发对环境的影响。我国《地热资源、开发利用管理条例》第五章第二十四条规定:在制定地热开发利用规划时,必须包括对开发利用后所产生的环境影响进行评价和预测,并提出防治和解决措施,否则计划主管部门不予批准。在地热资源勘探规范中我国也明确规定要进行地热流体

质量和环境质量评价,但在整个地热流体开发过程中相对于资源的勘探来说显得薄弱,在环境意识逐渐加强和保证可持续发展的要求下,完善和规范对地热开发的环境影响的评估是当务之急。

地热废水、废气的回灌　目前被认为是各个国家普遍应用经济有效的处理方法。其优点是将地热废水回灌地下,既可保护环境,又维持储层压力,同时又可以将热储固体的热再汲出,延长热田的寿命,这不仅使环境得到了保护,也使地热储层得到了保养。缺点是回灌产生局部含水层泄漏,并可能诱发地震,但选择合适的场地可以避免上述问题。回灌的难点是由于弃水的温度变化,某些矿物沉淀破坏热储层或回灌井,目前各国都在回灌前对弃水进行预处理以减小这种风险。

CO2和H2S处理　地热流体中向环境排放的重要气体是CO2和H2S。关于CO2的温室效应正在与其它常规能源进行对比研究,而H2S的排放对环境的影响是较大的。在美国的加州,从地热蒸汽中除其H2S是强制性的。一系列的去除过程已被开发出来,目前的方法多是燃烧产生剩余的硫酸产品。

解决热污染的方法　对于热污染,控制和解决的方法较多,最好的方法是尽量采用梯级多次利用热资源,提高热水的利用率,降低排放尾水的温度。其次是回灌和蒸发,蒸发比较经济。如回灌困难,则可采用坑塘蒸发,同时坑渗也可以处理废水,但可能由于SiO2沉积而影响渗入量,并可能造成土地废弃。

地热弃水的处理还有其它化学和生物处理方法。

噪声污染的防治　主要是地热钻探和地热电站,钻探要求钻工戴防耳罩。蒸汽井噪声主要是通过安装消音器来消除。

土壤源热泵变风变水量空调系统

该土壤源热泵系统是利用地热能作为低位热源土壤耦合热泵系统，通过热交换器，热泵系统夏季向土壤中释热，冬季从土壤中取热（释冷），与水源热泵系统相比，该热泵系统同样具备了能效比较高的优点，且运行管理简单，被称为21世纪的一项以节能和环保为特征的最具有发展前途的空调和采暖技术，也是国际上空调和制冷行业的前沿课题之一。该系统具有环保、节能、可靠等显著的优点，是一种理想的“绿色空调”技术。

该课题以10000平方米温室为研究对象，利用地热井80℃以上的热水为基本热源，结合温室各种特性和环境条件，研究温室热负荷计算方法、温室地热能蓄热与太阳能蓄热结合技术及尾水综合利用和转换技术，完成高地热利用率农业温室供热系统研究。该课题建立了温室微气候的零维稳态和非稳态数学模型，完成了温室动态热负荷计算软件的研究与开发。该软件热负荷预测值与两个实际温室相应实测数据基本相符。并对高地热利用率供热系统进行了系统的研究，提出了复合式温室地热供热系统的工艺流程，并进行了技术经济分析。同时利用天津市华泰现代农业示范园区地热井，进行了地热高利用率温室供热系统示范。

项目简介：该项目建立以70～75℃地热热水为热源，采用热水型溴化锂两级吸收式制冷机的地热制冷空调系统，制冷量为100kW，在冷却水温度为30℃的条件下，提供为9℃的空调用冷冻水。在冬季该系统为建筑物提供采暖；建立以60～65℃地热热水为热源的地热干燥装置，日干燥农副产品为500kg；地热制冷或地热干燥排放的约50～60℃的地热水用于洗浴、温泉泳池的热水；利用洗浴和温泉排放的约30℃的热水为热源，建立养殖池，养殖适合的鱼类，如甲鱼等；利用鱼池热水，保持鱼池周围土地的温度，种植适合于旅游环境的热带观赏性植物和花草。该项目对我国调整能源结构、促进经济发展、实现城镇化战略等有重要的意义。

项目简介：地源热泵空调系统是一种以地热作为热源的热泵空调技术，其工作原理是依靠消耗少量的电力驱动压缩机完成制冷循环，利用土壤温度相对稳定的特点，通过深埋土壤的管路系统进行热量交换，夏天向大地释放热量，冬天向大地吸收热量，从而实现室内制冷或供暖的要求，由于系统采取了特殊的换热方式，在消除热岛效应(夏季)及“冷岛”效应方面，以及在利用可再生能源(土壤蓄放热量)方面，都具有普通空调系统不可比拟的

优点。

项目简介：该系统以>70℃的地下热水为动力，以溴化锂-水为工质，输出7～9℃的冷冻水，用于室内空调，机组的电耗只有制冷机组输出功率的3%，地热水经过制冷机后的温度降到约60℃，经过换热，可为用户提供约55℃的生活热水。同时该系统利用广泛存在于地球浅表层的地能(土壤、地下水、地表水)，在采暖季节作为热泵运行的热源，在夏季时制冷空调。

项目简介：该项技术主要借助于地热泵通过封闭的或开放的特殊地下循环系统，在冬季把地层中的热量提取出来，供给予室内取暖；在夏季把室内的热量取出来，送回地层中，使室内制冷。通过消耗1KW的电能，同时可以获得4KW以上的热量或冷能。该项技术的特点主要是封闭式的地下循环系统，克服了开放式循环系统的不足，如不污染地下水，适用于无地下水区，地下循环系统寿命长，维护费低等。该技术可广泛应用于任何地区，为学校办公楼、医院、宾馆、饭店、超市、幼儿园、别墅和居民区等提供中央空调系统，并同时提供生活热水，其市场前景非常广阔。

项目简介：该项目通过充分利用不同工质热力学性质的差异，将两种或几种工质组合起来(混合工质由二元或多元组成，分为共沸混合物和非共沸混合物)，互相取长补短，作为热泵工质。混合工质可以改善热力循环，提高循环效率，同时可以扩大温度区域，能较好地满足中高温热泵的要求。该项目在研究阶段分别建立了两套示范系统，根据用户要求的温度范围，完成了适用较大范围(40～80℃)混合工质的筛选与研究，使热泵系统的供水温度可达70℃，系统的COP超过3.0。目前已建成几个规模大小不等的工程，例如德州两座小别墅的供暖供冷的热泵工程，山东滨州油田某工厂的热泵供热工程等。

项目简介：该项目主要综合了对地热供热系统设备及现代化管理运行方式的研究。该项新技术研究具有较高的工程实用性，有很好的利用和推广价值，该项目采用变频调速控制系统，能节约地热资源，用电量与未使用变频调速装置比可节电57%，节地热水27%、单位采暖面积运行费可下降15%。该项目研制的旋流式除砂器的现场采样分析表明，地热水中含砂量为0.8mg/l。自动监测系统能直接反映运行状态的参数井提供累计参数。其软件的思路、结构和接口均具有可移植性。该项目在国内地热采暖系统中首次将线性极化技术应用于地热现场进行腐蚀研究，实现瞬时腐蚀速度的监测。