□本报记者 徐文营 韩叙
到目前为止，“单井抽灌”、“中央液态冷热源环境系统”两项技术仍然属于恒有源科技发展有限公司，而这家诞生于北京中关村高科技园区的企业，也以其自主研发并拥有全部核心技术知识产权的浅层地能供暖技术，震动了整个国际能源界。地热权威们对这项来自中国的发明感慨不已。他们说，恒有源系统是原始性创新，它创造了浅层地能这一新能源的系统利用手段，为能源可持续利用打开了一个新世界。2003年10月，在享有盛誉的国际地热资源理事会年会上，恒有源科技以“单井抽灌”为主要内容的论文《浅层低温地热的开发与利用》获得了最佳论文奖，这是亚洲地热界惟一的一篇获奖论文。
打开绿色能源宝库
能源短缺和环境污染已成为全球性的两大难题，严重影响着人类的生存与发展。据联合国2001年统计，全球不可再生能源可开采期仅为：石油44年，天然气62年，煤炭230年。人类进入工业经济时代后所使用的大量不可再生能源的燃烧，已致使大气臭氧层破坏，大气温室效应加剧，全球气温升高，形成酸雨、飓风、沙化、赤潮，更导致了人类赖以生存的土壤结构恶化，水利资源污染、枯竭……
我国的能源状况也十分严峻，不可再生能源的过度消耗加剧了能源有限与需求无限的矛盾。自1993年起，我国已从净石油出口国变为石油进口国。目前，电力形势也很严峻，缺口增加。更严重的是，我国不仅能源储备不足，而且结构不合理，致使使用不可再生能源过程中造成了严重环境污染。
无数的事实表明，节约能源是必要的，但从战略上考虑，我们必须把目光转向新能源的开发利用上。毫无疑问，谁能率先“唤醒”“沉睡”的可再生能源，谁就掌握了未来经济发展的主动权，进而改变目前人类对不可再生能源“竭泽而渔”的现状，并减少大量有害物质的排放。
恒有源科技打开的可再生能源领域即浅层地能，广泛存在于地下数百米之内的恒温带中的土壤、砂石和地下水中，有别于传统概念上的深层地热，基本不受地域和气候的影响。以往这种能源因品位不高而被人们所忽视，但随着技术及设备的进步和完善，成熟的热泵技术使浅层地能的采集、提升和利用变为现实。
所谓浅层地能，就是指在太阳能照射和地心热产生的大地热流的综合作用下，存在于地壳下近表层数百米内恒温带中土壤、砂岩和地下水里的低温地热能。延安的窑洞、北京郊区的菜窖、温室以及利用防空洞为室内降温等等，都是浅层地能的原始应用。
据专家测算，地球表层全年获得的太阳能辐射热量达110万亿吨标准煤，相当于世界每年总能源消费的1万倍。浅层地能储量巨大，仅全球100米深度内的土壤、砂岩中可利用的能量就相当于16万亿吨标煤热量。2002年，我国能源消耗总量为14.8亿吨标煤。
有专家分析，我国浅层地能资源潜力也十分巨大，按照近百年来的均值测算，从土壤中每年可采集的低温能量相当于目前我国发电装机容量的3750倍。北京地下400米内土壤、砂岩中的浅层地能每年可提供40亿吨标准煤的热量，相当于2003年北京供暖能源1100万吨标准煤的364倍。我国大部分地区的土壤温度基本不受四季变化的影响，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，所以浅层地能是取之不尽用之不竭的热源和冷源。
此外，浅层地能还有另一个特点，就是再生速度快，一年四季在太阳的照射与地核传导热相互作用下，没有枯竭的一天。因此浅层地能可谓是取之不尽、用之不竭的“绿色能源宝库”。
突破世界级难题
2003年3月21日下午，国家大剧院景观水池利用恒有源科技发展有限公司“中央液态冷热源环境系统”调温成套工程签字仪式成功举行。
国家大剧院的一个关键设施之一是保证环绕大剧院主体建筑的一个占地35000多平方米的露天水池数九寒天不结冰。这个问题曾是被称为困扰国家大剧院工程的五大难题之一。
摒弃了采用锅炉加热这种既污染环境又昂贵的方式，恒有源科技运用的原理依旧是吸收可再生的浅层地能达到水面不冻的效果，这是过去从未有过的创举。该技术在国家大剧院的运用，将创造水池面积最大、蓄水量最多、环保要求最严、消耗能源最少、能量利用率最高等等很多第一。
发起研制这一独特技术的，正是恒有源科技总经理徐生恒。从2000年12月起，徐生恒带领一批优秀专家学者，开始了利用浅层地能为建筑物供暖、供冷、供生活热水“三联供”新型装置的探讨和研究工作。在研发过程当中，技术人员发现一个关键问题：地下低位能量一般靠抽取地下水采集，从上个世纪60年代开始，世界上许多国家采集和回灌地下水的做法是甲井抽水、乙井回灌，称为双井抽灌。这一技术普遍使用大口井回灌，长期运行不仅会降低地下水位，还会造成地下水交叉污染、移砂、回灌井淤塞、地面不均匀沉降等问题，而且使用麻烦，需要经常洗井，因此被一些地质水文专家批评为以破坏地下水资源为代价换取空气质量。美国、瑞士等国已经禁止使用这种抽灌方式。
徐生恒和专家们经过反复研究，形成了以“单井抽灌”取代“双井抽灌”的技术攻关思路。它用井口换热方式，以水为介质从土壤和砂石中提取热量，既不消耗水，也不污染水，更不会产生移砂和塌陷。恒有源科技使这项已衰落的研究课题重新展现出了勃勃的生机。在借鉴国外经验的基础上，他们发明了“单井抽灌”采集浅层地能的新技术，并进行了系统集成，攻克了国际上在浅层地能采集和利用上的最大难题。
这是一个主要为冬季采暖、夏季供冷、日常提供生活热水而设计的系统，主要由集热器、蓄能器、换热器、热能提升器和散热器组成。集热器的功能主要是把收集到的低品位热能储存起来；热能提升器的功能主要是把收集到的低品位热能提升至高品位热能；换向器的主要功能是把热能提升器的冷端和热端相互切换，达到用同一系统冬天采暖、夏天供冷的目的；换热器的主要功能是把自然界的冷热源液体和系统中的冷热源液体分开，只从环境中提取热能，而不取环境中的液体，做到无污染。
“通俗地讲，这就好比一个冰箱，里面制冷，后面散热。夏天的时候，把冰箱的门打开，冷气放在室内，热气被管线中的液体带走；冬天则把热散在室内，冷气被液体带走。”徐生恒这样介绍。
单井抽灌技术具有几大优势：不会破坏地质结构，不会造成井及周边地面的塌陷与沉降；由于具有流量上的平衡特性，不会破坏地下水的自然分布，也不会造成地下水的污染。更为重要的是，单井抽灌实现了严格意义上的“只用热不用水”，能最大限度地减少对地下水的依赖。
这套新技术能否满足大型建筑物的供暖制冷需要？率先“吃螃蟹”的北京市海淀外国语学校从中得到满意的答案。海淀外国语学校共拥有教学楼、科技楼、宿舍楼、体育馆、游泳池等8栋大型建筑，总面积达6万多平方米。自采用这套新技术后，学校的教室、宿舍等一般用房室内平均温度达到20.1摄氏度。游泳池在冬季正常开放。生活热水能满足1200名师生日常洗浴需要。据校方负责人介绍，这套系统运行稳定、安全，使用方便，节省空间，而且费用较低。如在运行费方面，根据2002年供暖期实际耗电计算，它的运行费用为每平方米19.14元，相当于北京市燃煤采暖费用水平(每平方米19～24元)，夏季制冷期的费用仅为每平方米5.93元。
恒有源系统在浅层地能利用方面除了具有保护水资源、实现区域零污染等特点之外，还具有初始投资省、运行费用低以及使用范围广等多种优点：初始投资比其他系统组合所需投资低20%～30%；由于能源的75%取自自然界中不花钱且四季恒温的浅层地能，取暖费用是电锅炉的1/4，制冷用电是分体空调的1/2；可应用于各类地区和各类建筑。
利用这一系统进行供暖制冷更大的意义在于它降低了人类对不可再生资源的依赖程度。徐生恒算了这样一笔账：如果在1000万平方米的建筑物中采用浅层地能，每个采暖季可节省37万吨标准煤，从而减少大量污染物的排放。如果代替柴油或天然气取暖，可以节省22万吨轻柴油、2.6亿立方米天然气。与电采暖相比，相当于节省了一个装机容量100万千瓦的中型电厂。由于单井抽灌技术在浅层地能开发应用方面所具备的突出优点，恒有源系统的推广应用面积每年翻番，目前已超过300万平方米。每年可替代燃煤6万吨标煤、替代天然气0.78亿立方米，减排颗粒物4800吨，减排二氧化碳28万吨。
北京市海淀区政府在经过科学论证后，除给了政策支持科研外，按照发达国家支持原创技术成果惯例，强制政策和市场行为相结合，在政策建设项目中优先采用该系统。海淀区政府办公楼位于万柳地区，总供暖面积58493平方米，采用中央液态冷热源环境系统为建筑冬季供暖、夏季制冷及日常提供生活热水。冷热源机房安装8台HT760型和1台HT380型地能热泵。浅层地能采集井有9口，井深82米～86米，井间距约10米。末端系统地下部分为新风系统、地上为风机盘管加新风系统。该系统的使用，使区政府办公楼的综合节能效益大幅提高。办公楼每季度用电量为231.22万度，而使用电锅炉每季度用电量为662.99万度；在用煤量方面，办公楼每季度消耗标煤590吨，而燃煤锅炉每季度用煤达2163吨。在烟气、颗粒物、二氧化硫等各项排放指标方面，系统以零排放显示出卓越的环保效益。从整体看，应用该系统的海淀区政府办公楼的能耗为每平方米8公斤标煤，达到欧洲同纬度建筑物能耗水平。
北京市高度重视能源新技术的推广，对恒有源科技取得的成果给予积极评价，有关部门从政策和措施上提供了大力支持。除北京外，恒有源系统还推广到上海、四川、新疆等10多个省区市。应用的建筑类型包括宾馆、住宅、别墅、商场、学校、医院、厂房、档案馆、展览馆、体育场馆、军队营房等。更为值得自豪的是，恒有源系统已走出国门。日前，他们与美国内布拉斯加州立大学签订了样板工程协议。
自恒有源系统问世以来，已申报各类专利89项，获国际发明专利8项，获国内发明专利15项、实用新型专利27项。徐生恒深有感触地说，我们这一技术是在北京申奥中推出，在筹办奥运中发展的，我们将以自身的努力，认真实践好北京奥运“绿色、科技、人文”三大理念。
向纵深领域拓展
随着研究的深入，恒有源还借鉴国际成功经验，提出了“虚拟电厂”的概念。所谓虚拟电厂，就是把用于电厂建设的投资改为对各种节能项目的补贴，通过对受益用户收取一定费用的方式偿还投资与运营成本。如果节约下来的电力需求等同于新建电厂的发电厂能力，就等于建立一个虚拟电厂。
恒有源科技的杨自强博士介绍说，某电厂安装了4台30万千瓦抽气凝气式发电机组，装机总功率为120万千瓦，平均每小时发电量为84万千瓦时。按照每度电平均煤耗335克标煤计算，该电厂平均的发电效率为36.7%，也就是说，有63.3%的热量是通过冷却水、烟囱和锅炉本身散发到周边的环境中，成为无效热量。由于循环冷却水中所含的余热超过电厂燃煤总热量的50%，因此，如果能回收一半的余热用于生产和生活，则可以使原电厂的燃煤效率提高25%以上；如果能把冷却水中的余热全部回收利用，则热电厂的综合效率将接近90%，从而极大地提高了发电厂的综合能源使用效率，减少了矿物燃料的消耗，同时也实现了能源的分级利用。
类似的探索，恒有源科技进行了很多。2003年10月，恒有源科技首例利用污水作为能源供热制冷的项目，在山西省太原市杨家堡污水处理厂附近的山西太原科伟通科技孵化器大楼工程开始试运行。同年年底，恒有源科技首例利用河水作为能源供热制冷的项目，在上海市吴塘河附近的福耀集团(上海)汽车玻璃有限公司办公楼工程开始试运行。恒有源科技还在技术研发上与国内外知名专家联合攻关，进行从岩石中提取能量的技术开发、利用，以使该系统具有更广泛的适用性。
在国际交往中，恒有源科技的浅层地能利用技术越来越受到各界的重视。今年4月，徐生恒应美国贝伦公司董事长托尼·瑞曼多先生的邀请，专程赴美国贝伦公司商讨恒有源系统在美国的推广方案。美国资深参议员尼尔森先生在听取了徐生恒的介绍后表示：“这项技术不但有利于中国建设，同时美国也可以受益。在开发和利用新能源技术中，中美两国是可以互相借鉴、相互合作的。”
在土耳其安培利亚世界地热大会上，美国能源部地热技术部主任罗伊·明克也对在美国设立示范项目和研究基地的设想表示全力支持。他说：“这项技术很有前景。美国像中国一样，幅员辽阔，一个示范项目可能不够，可以建2—3个，美国能源部将给予支持。” |
