地热能介绍

引言

表 1　地热能的三种类型

本文按能源的五个基本特征——能量密度、空间分布、时间分布、利用方法、转化效率——逐项介绍地热能。每一节先引讲义对该特征的原始表述，再说明地热在这一维度上的表现与成因。

一、能量密度

过程性能源是"能量在流动中被利用"，不能储存、不能运输，只能就地、当时地用掉。地热属于后者。

两个层次的能量密度

地热的能量密度要从两个层次看：一是"空间上的密度"，即单位面积能取到多少热；二是"载体的密度"，即单位体积或单位质量的地热流体能带走多少热。

表 2　地热能量密度的两个层次

表 3　地热与含能体能源的能量密度对比

优点

• · 热量不需要我们搬运——它本来就在地下，我们只是把水送下去、再抽上来。
• · 低密度可以用大流量补偿。温差只有 50 K，但把流量做大，总功率依然可观：388 m³/d 的流量、温差 50 K，对应的热功率约 0.94 MW，足够支撑一个数千人社的供暖与热水。

二、空间分布

地热田形成条件

表 4　地热田形成的四个必要条件

四个条件同时满足的地方非常少，这就是地热资源高度集中的根本原因。地热田因此几乎总是沿着断裂带、火山带或地壳减薄带呈"带状"分布。

分布规律

在本项目所在的坝区，三个热异常条带分别为：高温条带（72–86 ℃，长 2 km × 宽 500 m）、中温条带（55–65 ℃）、低温条带（40–45 ℃，长 10 km × 宽 1.8 km）。

洱源全县的地热集中在三个片区，彼此差异很大：

　· 牛街—三营：水温一般 72–86 ℃，最高 100 ℃；可开采量 15,200 m³/d；天然温泉 2 处、温泉井 141 口。条带南北长约 2 km、东西宽约 500 m。

　· 茈碧湖：水温一般 55–65 ℃，最高 70 ℃；可开采量 3,700 m³/d；温泉井 59 口。

　· 右所下山口—西湖：水温一般 40–45 ℃；可开采量 7,200 m³/d；温泉井 130 口。条带长约 10 km、宽约 1.8 km。

三个片区合计资源储量 40.48×10¹⁴ kJ、可开采量 26,100 m³/d，水温一般 60–75 ℃、最低 36 ℃。其中只有牛街—三营具备集中供热的温度条件，我们的场地因此选在这里。

水质方面，三个片区均以 HCO₃-Na 型为主，普遍含偏硅酸、氟、锂，多数达到命名矿水浓度。这意味着地热水不能直接进入精密设备，全程采用板式换热器间接连接。

三类地热系统的空间尺度完全不同

表 5　三类地热系统的空间特征

空间分布决定了利用方式

• · 这决定了地热项目的设计顺序：先定热田位置，再定设施布局，而不是反过来。
• · 也决定了管网的重要性——管网是地热系统的"血管"，长度直接决定热损与泵耗。

三、时间分布

时间问题

需求侧问题：地热的出力是稳定的，但人的用热需求不稳定。供暖需求集中在冬季，夏季几乎为零。如果地热只服务于供暖，全年利用率会非常低。

供给侧问题

地热虽然是可再生的，但"可再生"的前提是热量能被补回来。如果只抽不灌，热储压力会下降、水位会下降、井口温度会逐年降低，最终把"可再生"变成"一次性开采"。同时，过度抽采还可能引发地面沉降。

表 6　地热两个时间问题的解决思路

三个时间尺度

地热在时间维度上的表现，需要分三个尺度看：日内看昼夜、季节看冬夏、年际看衰减。三者的矛盾性质与应对手段各不相同。

表 7　地热在三个时间尺度上的表现

尺度一 · 日内

计算：小时供热量 = 388 m³/d × 1,000 kg/m³ × 4.186 kJ/(kg·K) × 50 K ÷ 86,400 s = 940 kW ≈ 0.94 MW。

全天 24 小时恒定，日供热量 = 0.94 MW × 24 h = 22.6 MWh/d。

对照光伏：10.83 MWp 装机，正午峰值出力约 9.5 MW，夜间出力为 0。

→ 夜间（约 12 小时）的电力与热量全部由地热与储能承担 —— 地热的日内价值正在于"光伏停下来的时候它还在"。

尺度二 · 季节

用热需求随季节变化，而地热出力全年不变。以采暖为主的负荷为例，各月热负荷系数如下（1 月为 1.00）：

表 8　月热负荷系数（以 1 月为 1.00）

计算：全年需求 = 峰值月需求 × 6.76（系数之和），故平均负荷只有峰值月的 6.76 ÷ 12 = 56.3%。

地热出力全年恒定 0.94 MW。若按峰值月配足，全年利用率仅 56.3%；夏季（6–8 月）负荷只有峰值的 24%–26%，产出的大部分成为余热。

产出的大部分成为余热。

按 365 天逐日模拟：全年余热 2.02 GWh，集中在 4–10 月；全年缺口 2.02 GWh，集中在 11–3 月。两者数值相等，说明年平衡是平的，矛盾全在季节错配上。

但余热与缺口并不在同一温段：二级段（75.7–62.9 ℃）余热 0.655、缺口 0.592；四级段（51.3–42.8 ℃）余热 0.457、缺口 0.395；二级段与四级段只有余热、冬季没有对应缺口。同段可互补量只有 0.987 GWh——这才是跨季储热真正要搬的量。

尺度三 · 年际

计算：热储面积 = 2,000 m × 500 m = 1.0×10⁶ m²；自然热补给 = 大地热流 90 mW/m² × 1.0×10⁶ m² = 90 kW，

年补给量 = 90 kW × 8,760 h = 0.79 GWh/年。

年采出 8.23 GWh。回灌率 95% 时净采出 = 8.23 × 5% = 0.41 GWh/年 < 0.79 GWh/年

→ 自然补给即可完全补回，热储温度长期稳定。

若只抽不灌，净采出 8.23 GWh/年，扣除自然补给后仍亏 9.13 GWh/年；

按热储体积 1.0×10⁸ m³（厚 100 m）、水饱和岩石体积热容 0.625 kWh/(m³·K) 计，总热容 6.25×10⁷ kWh/K，

年温降 = 9.13×10⁶ ÷ 6.25×10⁷ = 0.146 K/年 —— 100 年下降约 14.6 K（井口由 85 ℃ 降至约 70 ℃）。

三种调节手段的量化效果

表 9　三种调节手段的量化效果

四、利用方法

地热在这一维度上表现得最为鲜明：它的利用方法不是由技术决定的，而是由温度决定的。同一口井出来的热水，温度不同，能做的事完全不同——温度就是地热的"用途说明书"。

温度分级利用

表 10　地热的温度分级利用

计算：本方案取水 388 m³/d，每 1 K 温降对应的年可供热量 = 388 m³/d × 1,000 kg/m³ × 4.186 kJ/(kg·K) × 365 d ÷ 3,600 kJ/kWh = 0.1647 GWh/(年·K)。

井口 85 ℃、回灌 35 ℃，ΔT = 50 K，井口取热 = 0.1647 × 50 = 8.23 GWh/年。以下各式均以此为准。

井口温度为什么取 85 ℃，而不是更高的 100 ℃

牛街片区的实测水温，一般是 72–86 ℃，100 ℃ 是全县的极值。极值不能当设计值用——它只在个别井出现，拿它做设计等于把运气写进方案。

井深也撑不住 100 ℃。我们设计的井深是 1,200–2,000 m。按当地大地热流 90 mW/m²、岩石导热系数 2.5 W/(m·K) 计算，地温梯度约 36 K/km；加上地表年均温 13.9 ℃，各深度推算温度如下：

　1,200 m → 57 ℃　｜　1,500 m → 68 ℃　｜　1,800 m → 79 ℃　｜　2,000 m → 86 ℃

2,000 m 的推算上限正好是 86 ℃，与实测的一般上限吻合。要到 100 ℃，井深得超过 2,200 m，或井位恰好落在断裂上升带上。

另有一项佐证：当地公开资料记载牛街温泉水温「最高可达 85.5 ℃」，与推算的 86 ℃ 几乎一致。因此取井口 85 ℃——既在实测范围内，又与井深自洽。

发电技术

本方案不发电，此处只作原理性说明。发电需要 90 ℃ 以上且水量足够的热源；本区水温 72–86 ℃、取水 388 m³/d，即便采用最适配的双循环机组，也只能从 85–75.7 ℃ 这一段发出约 0.2 GWh 的电，远不及把它直接用作高温供热。干蒸汽（>160 ℃）与闪蒸（90–160 ℃）两类技术要求的水温，本区都达不到。

直接利用谱系

直接利用是地热最具特色、也是效率最高的利用方式，覆盖了从供暖到养殖的整个温度谱：

• · 建筑供暖：把地热水送入换热站，与建筑采暖循环水换热，尾水继续梯级利用。

计算：取 75.7 → 62.9 ℃ 段（ΔT = 12.8 K），可供热 = 0.1647 × 12.8 = 2.11 GWh/年。按采暖热指标折算，与我们世界的供暖需求 2.11 GWh/年恰好相当。

• · 生活热水：全年 24 小时供应，是地热最稳定的基础负荷。

计算：取 62.9 → 51.3 ℃ 段（ΔT = 11.6 K），可供热 1.91 GWh/年。需求：2,500 人 × 40 L/(人·d)，自来水 10 ℃ 加热至 55 ℃，年需热同为 1.91 GWh。

• · 温室种植：用地热水加热温室，可显著延长生长季、提高复种指数。

计算：取 51.3 → 42.8 ℃ 段（ΔT = 8.5 K），可供热 = 0.1647 × 8.5 = 1.40 GWh/年。需求：屋顶玻璃温室 6,300 m² 加温泉汤池 0.26 GWh，合计 1.40 GWh。

• · 水产养殖：用地热维持鱼池水温，实现热带鱼种在寒冷地区的养殖。

计算：取 42.8 → 35.0 ℃ 段（ΔT = 7.8 K），可供热 = 0.1647 × 7.8 = 1.28 GWh/年。需求：地下昆虫养殖 16,000 m²，恒温 26–30 ℃，年需热 1.28 GWh。

• · 温泉康养：一处公共汤池加少量私密汤屋，集洗浴、康复与社交于一体。它的热耗由池体的恒定热损主导、而不是由人次主导 —— 这正是它能承担日常高频使用的原因。

计算：温泉康养的热耗不按人次算，而按池体的恒定热损算 —— 池子开着就要维持温度，跟当天来几个人关系很小。公共汤池（水面 150 m² / 池容 200 m³ / 40 ℃）：池面热损 = 150 m² × 150 W/m² = 22.5 kW；池壁池底按水面 30% = 6.8 kW；固定热损小计 29.3 kW。补水加热 = 20,000 kg/d × 4.186 kJ/(kg·K) × 25 K ÷ 86,400 s = 24.2 kW；洗浴废水余热回收（35 → 15 ℃）= 20,000 × 4.186 × 20 ÷ 86,400 = 19.4 kW，净补水加热 4.8 kW。公共池合计 34.1 kW × 8,760 h = 299 MWh/年 ≈ 0.30 GWh。加私密汤屋 6 间（源泉挂流，每次 4 m³ 加热 0.116 MWh，按每周 1 次共 312 次/年）0.04 GWh、足汤 0.01 GWh，合计 0.35 GWh/年（配比表按 0.36 GWh 预留）。关键点：固定热损占 85%，所以使用频率从每月 1 次提到每周 1 次，总热耗只增加约 10%（0.32 → 0.35 GWh）。

• · 工业干燥：48–90 ℃ 的低温热可用于农产品、中药材、木材、纺织品的干燥与低温加工。

计算：取 85 → 75.7 ℃ 段。需求：本世界每年干燥鲜货约 400 t（2,500 人 × 400 kg/人·年中的 40% 走干燥），含水率 80%，每吨蒸发水分 800 kg，汽化潜热与干燥热效率合计取 2.5 kWh/kg 水，年需热 0.80 GWh。

地源热泵

浅层地源热泵是另一条地热利用路线，靠 200 m 以内的岩土恒温层工作。本方案未采用——我们的热量来自 1,200–2,000 m 的深井，属于水热型地热的直接利用，与浅层热泵不是一回事。

梯级利用

把上面这些用途按温度从高到低串起来，就是"梯级利用"——同一股地热水依次经过高温直供、供暖、热水、温室、养殖，最后以尽可能低的温度回灌。这是地热利用的核心方法论：不追求单一环节的效率最高，而是追求整条链条的总体提取率最高。

表 11　地热五级梯级利用

表 12　五级梯级的可供热量分配（按 388 m³/d、ΔT 50 K 计）

计算：各级可供热量 = 0.1647 GWh/(年·K) × 该级温差；五级合计 8.23 GWh，与井口取热 8.23 GWh 相等，说明按 85 → 35 ℃ 分五级取热时，热量被完全利用、无废弃。

储热

地热还有一个独特的能力——它可以把热「存」回地下。把其他可再生能源（如光伏、风电）在富余时段产生的电转为热，注入地下储存，需要时再取出。这就是跨季储热：夏天把热存进去，冬天取出来用。中国科学院院士汪集旸把这一思路概括为「地球充电/热宝」。对地热而言，这既提高了其他可再生能源的消纳能力，又延长了地热系统的全年利用率。

计算：夏热补冬热的第一步不是算储热体大小，而是算「哪一部分余热能和冬季缺口对上」——余热与缺口分属不同温段，跨温段不能直接互补。以下按 365 天逐日模拟结果核算。

分温段核算：二级段（75.7–62.9 ℃）夏季余热 0.655 GWh、冬季缺口 0.592 GWh；四级段（51.3–42.8 ℃）余热 0.457 GWh、缺口 0.395 GWh。同段可互补量合计约 0.99 GWh——这才是跨季储热真正要搬的量，不是全年余热总量。

临界回收率：二级段 η* = 0.592 ÷ 0.655 = 90.4%；四级段 η* = 0.395 ÷ 0.457 = 86.4%。储热回收率必须高于这两个门槛，夏热才补得满。

三种储热技术的判定：岩土储能回收率约 94%，两个温段都过线，余量 3.8%–7.6%；含水层储能上限 85.8%，两个温段都过不了；硅胶吸附理论无热损，但放热温度只有 60 ℃，够不到一级段。

表 13　三种跨季储热技术的判定与取舍

定稿配置：二级段用岩土储能，年可互补量 0.592 GWh，按 94% 回收率需搬 0.630 GWh；但逐日模拟显示，储热体要在时点上累积到峰值才能补满冬缺，实际峰值需求为 0.803 GWh——储热体必须按峰值 0.803 GWh 设计，不能按年总量 0.630 设计。按 ΔT 20 K、体积热容 0.625 kWh/(m³·K) 计，需 64,240 m³。四级段用硅胶吸附储热，年可互补量 0.395 GWh、按 98% 需搬 0.403 GWh，峰值需求 0.613 GWh。两链合计容量 1.416 GWh。

不采纳的部分：含水层储能回收率上限 85.8%，低于两个温段的门槛；硅胶吸附因放热温度受限，只能用于中温段。

兜底与余量：两条储热链按峰值配足（岩土 0.803 GWh、硅胶 0.613 GWh），逐日充放后弃热为 0，
未覆盖缺口仅 0.06 GWh，是回收率损失，由尖峰热源兜底。
更关键的是系统层面的余量：地热自身确实没有备用井、没有多余取水，取水 388 m³/d 已达配额 92%；
但若全部用热负荷上浮，不足部分可由生物质锅炉补热（效率取 85%）。
按人均计入能耗 8,000 kWh 的上限反算，用热需求最多可涨到 123%——即地热这条链虽无余量，
系统整体仍有 23% 的容错空间。这是"单一热源不留余量、系统层面留余量"的分工。

五、转化效率

同一股 85 ℃ 的地热水，用来直接供暖的效率约 90%，用来发电只有 8% 左右。这不是技术差距，是热力学决定的：直接供热只是把热量传给用户，几乎没有中间损失；发电则要经过热—功—热两次转换，热源温度越低，能转成功的比例越小。本方案选择直接利用，因此下文只核算供热的效率。

表 14　同一股热水的不同利用效率

我们世界的实际效率核算

表 15　我们世界地热系统的实际效率核算

图 1　地热取热段的选择。本方案不设 ORC，井口 8.23 GWh/年全部按五级温位直供。

六、五个要素合起来说明了什么

表 16　地热能五维画像

结论

第一，地热的本质是"过程性能源"。能量密度低、不可储存、不可搬运——它的价值不在于"有多少能量"，而在于"能持续多久、能不能就地用掉"。

第二，地热的核心优势在"时间分布"。容量因子 76–90%，是光伏的三倍、风电的两倍，是唯一可以承担基荷的可再生能源。在由间歇性电源主导的能源体系里，地热的稳定出力是最稀缺、也最不可替代的属性。

第三，地热的效率高低完全取决于"怎么用"。同一股热水，发电 8%、供暖 90%，相差十倍。因此地热系统的设计原则应当是：只做热、不做电，五级梯级利用，回灌到底。

设计原则

• 1. 梯级利用：把温度从高到低串起来用，把回灌温度压到最低——等于把一份热用四次。
• 2. 只做热、不做电：低温地热直接利用的效率远高于发电，本方案把井口全部热量按五级温位直供，不设任何发电环节。
• 3. 回灌率不低于 95%：这是可持续性的底线。回灌不足会把"可再生"变成"一次性开采"，并引发地面沉降。

七、在我们世界里的落点

以上五个特征落到《百万立方未来世界》的具体设计，已经在配套的《地热能系统创新设计介绍》一文中展开。这里只列出关键落点，作为本文与设计文档之间的衔接。

表 17　五个特征在我们世界里的落点

附图：地热系统平面落位图

图 2　我们的世界 · 地热系统平面落位图（示意）。梯级设施按温度由北向南排列，生产井在北端、回灌井在南端，主干管沿热田条带与综合管廊并线。

资料来源

[1] 课堂讲义：《能源的五个基本特征》（能量密度、空间分布、时间分布、利用方法、转化效率）。

[2] 容量因子数据：美国能源信息署（EIA）年度发电数据；德国地热协会（Bundesverband Geothermie）"Capacity-Factor" 词条。https://www.geothermie.de/bibliothek/lexikon-der-geothermie/c/capacity-factor

[3] 地热发电效率与温度适用区间：造价通百科《地热干蒸汽发电地热田温度与热效率对比》。https://m.zjtcn.com/baike/drgzqfddrtwdyrxldb6340850

[4] 地热能分类与资源量：中国地质调查局水文地质环境地质调查中心《中国地热勘探开发利用的第二个春天已经到来》。http://www.chegs.cgs.gov.cn/ttxw/202111/t20211122_684788.html

[5] 本项目所在坝区的实测参数：云南省矿业协会《云南洱源县资源承载力估算案例》（依据 T/CMAS 0003—2022）；云南网《"媒体走进中国地热"采访团走进大理》。