地热（GEOTHERMAL）一词来自希腊 ，由 GEO（地球）以及 THERMAL（热）两个词组成，直观的表达了地热能就是储存在地球内部的热量。众所周知地球的内部是个大火炉，越深部温度越高，到达地核处的熔岩温度高达 6000-8000 摄氏度。一般认为地球核心的热量主要来自漫长的地质历史过程中地球内部由于放射性元素衰变而产生的热量，这种能量时时刻刻通过各种方式向地球表面传播并散发到大气中，或喷出地表形成火山，或在地球最薄弱的地区渗出成为温泉，还有许多的热量蛰伏地下等待先进的科技发掘，来为人民服务。

一、 地热从哪儿来

   “地热”是地球中蕴藏的天然地热资源，通常是指封闭在地壳浅部范围内可被经济开采的热能资源。与传统的石油、天然气、煤等矿产资源不同，地热能源具备数量大、可再生和不污染环境的优点，此外地热能除了携带的热量外，其伴生的流体化学组分也有理疗用途。李四光先生说过“地球是一个庞大的热库”，那么热量是从哪里来的呢？

      关于地热能的来源，有很多的假说。主流的假说认为其来自漫长的地质历史过程中地球内部由于放射性元素衰变而产生的热量，据估计这部分热量平均为每年达到 5 万亿亿卡（即卡路里）。另一种假说认为，地球自转能、太阳辐射、重力分异、化学反应、岩矿结晶释放的热能也为热量蓄积出了贡献。除此之外，岩石圈阻隔了地球内部热能和化学能的外泄，使地球内部物质的相互作用处在一个相对封闭的体系中，在保温方面也功不可没。

二、 形形色色的地热

        我国是世界上温泉最多国家之一，也是温泉利用最早的国家之一，地热资源分布广泛， 类型多样，在我国颁布的《地热能开发“十三五”规划》中根据资源的性质、赋存埋深状态和温度，将其分为三种类型：浅层地热能、水热型地热资源和干热岩资源。

我国水热型地热资源主要以热水的形式赋存在地下 200-3000m 深的高渗透型孔隙或裂隙介质中，含有多种矿物成分和化学元素。根据温度主要分为三类高温地热资源(≥150℃)， 中温地热资源(90~150℃)和低温地热资源(<90℃)。我国水热型地热资源的总储量相当于燃烧标准煤 12500 亿吨，可供全国人民消耗 340 年，其中中低温地热资源在地热资源总量中占绝大多数，在可持续开发利用的前提下每年可供开采的资源量相当于燃烧标准煤 18.5 亿吨，占我国一次能源消费量的一半。

     浅层地热能顾名思义，是蕴藏在地表附近至 200m 埋深的岩土体和地下水中，一般低于25℃的热能。浅层地热能的能量来源以太阳辐射为主，还有一小部分来自地心热量。这部分热量虽然温度不高，但埋藏相对最浅，聪明的工程师想出了一个绝妙的方式对这部分热量进行了开发，他们从地面向下打井挖槽，然后将管道埋在地底下，闭路循环，注水并抽回。通过地下和地表的存在的温差来提取和置换浅层岩土体中的能量，这种方式称为地埋管地源热泵技术。同样的，水源便利的地区，将管道建在水体中，利用水体和地表的温差来提取置换能量，这种方式称为地下水地源热泵技术。由于地下温度恒定，可作为夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的热源。中国地质调查局进行过调查，全国 336 个地级以上城市浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤 7 亿吨，可替代标准煤 11.7 亿吨/年，占我国一次能源消费量的32.3%。

   干热岩是地热家族的后起之秀，却是储量最大的地热资源类型，被认为是地热能发展的未来。2018 年国家能源局颁布的《地热能术语》中对干热岩进行了明确定义，是指“不含或仅含少量流体，温度高于 180℃，其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体”。经初步估算，地下 3-10 千米范围内储存的干热岩资源折合标准煤 860 万亿吨，假设仅仅可以利用其中的 2%，也可以供全国人民消耗 4000 年。世界各国从 20 世纪 70 年代陆续开展了研究，然而截止目前，世界上仅有不到 5 个国家实现了真正干热岩商业化运行。我国从上世纪 90 年代以来对干热岩进行研究，目前尚处于起步阶段。

三、 地热资源服务人民生活

 人类很早以前就开始利用地热能，说起地热的用途，人们首先会想到温泉沐浴、医疗、地热水供暖、温室养殖、洗浴和旅游服务等产业，其实这远远没有发挥出地热资源宝藏的全部作用，在地热资源的开发中还有许多方面，可以用来服务改善我们的生活。

1. 地热用于制冷

 地热还能来制冷？说起地热都知道可以用来供暖，但是它同样可以用来解决建筑制冷的问题。浅层地热能埋藏深度上距离我们最近，人们可以就近利用，就地取热、排热，为建筑物供暖或制冷，而地下水的水质、水量不发生任何变化。我们该如何利用这种比人类体温还要低很多的能源呢？这就回到我们之前提到的地源热泵技术。因为我们居住的室内环境和地层土壤中的温度一般情况下具有一定的温差，科技人员采用了热泵原理，冬季时，利用热泵可以把地下的热能提取出来，供给室内采暖；夏季时，再把室内的热能排放到地下，达到制冷的效果。在这个过程中电能只是用来传热，而不是用来产生热，因此热泵只需消耗较少的能量便可以提供较多的能量，通常情况下热泵每消耗 1000 瓦的能量，就可以得到 4000 瓦以上的能量，是笔稳赚不赔的买卖。实际上在地源热泵产业方面，我国已走在世界前列。截至

 2017 年，我国地源热泵装机容量达 2 万兆瓦，连续多年位列世界第一。

图1 热泵机房管道系统

2. 地热用于工业生产

 地热能除了利用自身的热量进行常规的烘干、蒸馏，以及各种采矿和原材料处理工业的加温和除冰工作外（图 1），在某些情况下，地热流体本身也是一种有用的原料，具有工业利用价值，如某些热水含有的各种盐类和其他化学物质，以及天然蒸汽中的不凝气体等。我国中西部地区的地热水中含有许多贵重的稀有元素、放射性元素、稀有气体和化合物，比如溴、碘、钾盐等，是国防工业、原子能工业、以及农业不可或缺的原料。冰岛是世界上的地热利用大国，在冰岛南部 Grimsnes 地区 Haedarendi 地热田的一个工厂，利用地热流生产商业上使用的液态二氧化碳，每年产量可达近 2000 吨。

3. 地热用于道路融雪

     下雪天道路积雪难行怎么办，环卫工人在路上铲雪又辛苦又费时，这时候可能会想，如果道路可以自己把雪化开就好了。没错，地热就有这项黑科技，除了为建筑供暖之外，地热还有一个特殊的供热领域——加热路面和融化积雪。其实原理很简单，首先在路面内平铺上管道（图 2），地热作为一种清洁能源，可以通过自身热量，或将温度较低的热水通过热泵提升后，把温度较高的流体输送到路面内的排管里面。高温热流体在排管内流动时，把热量通过对流换热方式，传入路面。当路面的温度达到 0℃以上时，其表面上的冰雪就会融化， 从而达到融雪化冰的目的。

图2 地热用于工业生产

      近年来，美国、日本以及瑞士、冰岛、挪威、波兰等国家开展道路热融雪研究比较多。在瑞士 A8 高速公路路面上开展了太阳能－地热道路融雪系统试验运行，在冬季有效提高路面平均温度 10℃左右，路面换热效果很好，大幅度地提高融雪的性能，而且由于路面温度的升高，减轻冻裂板结。在夏季，系统又可降低路面峰值温度 15～20℃，减轻路面暴晒风化和热蚀损害，提高路面的使用寿命。冰岛首都雷克雅未克市中心地区的人行道和街道地下安装了雪融化系统（图 3），该系统所消耗的能量主要来自地热供热系统的回流水,雷克雅未克地区雪融化系统的总面积约为 55 万平方米，占冰岛全国雪融化系统的总面积的 74%。冰岛凯夫拉维克机场的融雪跑道则是世界上利用地热融雪的典范。

图3 冰岛铺设地暖融雪

4.地热用于发电

地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。地热发电的原理是利用地热能中的地热水或蒸汽，通过发电机组转化为机械能，再转化为电能。这个转化过程中， 不存在任何化学燃料燃烧，也不消耗宝贵的化石能源，是利用可再生能源进行发电的新能源模式。这个过程基本上是物理过程，也是人类理想的能源利用方式。目前地热发电主要利用大于 150℃的高温地热，但高温地热资源在地热资源中比较少见，主要集中在我国滇藏和台湾地区（图 4），我国东部大部分地区为中低温地热资源，利用中低温地热发电理论上也是可以的，但由于温度较低，所能进行的换热量不大，因此导致效率普遍不高。目前世界各国都在积极研发新型发电技术装备，可以使用更广泛分布的中低温地热进行发电。

图4 地热用于发电

       地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，地热能开发利用具有供能持续稳定、高效循环利用、可再生的特点，可减少温室气体排放，改善生态环境，在未来清洁能源发展中占重要地位，有望成为能源结构转型的新方向。随着对地热资源开发利用技术的逐步发展和成熟，地热能或将成为未来能源的重要组成部分，更好的为人民服务。

本文由自然资源部地质调查项目(编号:DD20190128)“全国大地热流测量与靶区优选”资助。