朱 科
山东建筑大学
2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，是我国实现可持续发展的重大战略部署。全国碳排放权交易于2021年7月16日正式开市。在这一背景下，加快发展可再生能源成为我国发展战略的重要选择，同样也是我国实现“双碳”目标的最佳途径。在多种可再生能源当中，地热能优点突出，具有资源储量大、分布广、利用系数高等特点，在实现双碳目标任务中，地热能将发挥更大的作用。目前地热能已作为五大非碳基能源之一纳入到“中国碳中和框架路线图研究”路线中。
“十四五”期间，中国地热的发展将随着“碳达峰”“碳中和”目标的提出乘势而上。国家能源局日前发布的《关于促进地热能开发利用的若干意见》指出，到2025年，地热能供暖（制冷）面积比2020年增加50%；到2035年，地热能供暖（制冷）面积比2025年翻一番。
接下来的几十年里，各省市数将以万计的地热工程动工并投入使用。如果地热人能够不断进行技术提升和技术创新，将会进一步提高地热系统效率、增加减排量。而技术创新的源头是基础研究，年轻地热人更需要踏实努力的做好科学技术研究，为地热产业发展提供理论基础和实验数据。
在地热工程中，一些容易被忽视的技术细节的改进，往往可以对整个系统的改善起到重要作用。举一个例子来说，笔者近两年带领团队进行了地源热泵系统回填材料的研究（回填材料作为地埋管与岩土的传热介质，对于地源热泵系统的运行效率、使用寿命及周边地下环境的保护都具有重要意义），我们通过对国内外现行地源热泵系统工程规范中回填材料的主要成分、施工工艺、检测方式及要求等相关内容的对比与分析，发现国内的回填材料规范存在内容不完整、主要成分及回填要求的区域差异较大等问题。具体结果可以参考我们即将发表在《中国标准化》杂志上的一篇文章。通过大量的实验和数值模拟发现，在其他参数不变的情况下，加强导热型回填材料相比传统的水泥基回填材料，能让系统的换热能力提升约10%。更值得关注的是，回填方法不当造成的回填不密实，会严重影响地埋管的换热效率、增加运行成本，对地下环境也有潜在危害。
以上这些实验和模拟只是研究的第一步，接下来我们还应该完善从基础研究、应用研究、产品研发到市场应用的创新链条。在初期的对比实验中我们还发现，有些文献中提到的高导热性能回填材料存在流动度差、回填泵无法运转的问题，很难直接应用于实际工程。接下来，我们将开展进一步的实验研究与工程实践，改善回填材料的性能、完善回填工艺，希望研究的成果能够尽快应用到工程中。
例如，回填材料这样的相关技术在地热系统里面还有很多，一些小的改进不但可以提升整个系统的效率，还可以加强对环境的保护。即使仅应用于10%的高质量项目里面，可节约的能源和减排量也将十分可观。当然，地热能助力碳中和不仅仅要加强针对地热系统的基础研究，各种尺度的区域性地热基础研究对于“因地制宜”开发利用地热能也起到关键作用，需要我们进一步开展相关工作。
实现碳达峰、碳中和目标，既涉及能源结构的优化调整，又涉及能源利用效率的提升，这与地热能等减碳技术的应用密切相关。能源不仅仅作为一种资源而存在，它还需要不断优化、持续迭代，促使其效率越来越高、成本越来越低。只有当地热能等清洁能源在使用体验、成本等方面成为可与化石能源相比拟的技术时，才有可能实现大规模的替代使用。而要达到这种程度，需要大量扎实的基础理论研究为支撑，加快碳中和科技成果在重点领域、重点行业和重点区域的应用，实现绿色低碳技术重大突破，完善绿色低碳政策和市场体系，营造绿色低碳生活。
教育部近期印发《高等学校碳中和科技创新行动计划》通知中，要求“发挥高校基础研究主力军和重大科技创新策源地作用，为实现碳达峰碳中和目标提供科技支撑和人才保障。”作为青年地热人，我们是地热能助力双碳目标的主力军，更需要努力做好基础研究和科技创新工作，为早日实现“碳中和、碳达峰”目标贡献青年地热人的智慧和力量。
注：原文刊登于2021年8月《中国地热》。作者系山东建筑大学副教授、中国技术监督情报协会地热产业工作委员会青年委员会副主任
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