什么是地热？

什么是地热？

2022/05/11

地热利用是一项由来已久的技术，但正是 20 世纪 70 年代的石油危机才使其在世界范围内传播开来。作为一种不需要使用煤油的加热方法，它在斯堪的纳维亚半岛、瑞士和美国特别普及，但在日本却并不为人所知，而且由于地质的复杂性，其广泛使用被推迟，直到东日本大地震后才受到关注。节能效果好，CO₂

地热和地热有什么区别？

　有一个与“地热能利用”类似的词叫“地热发电”。这是一种利用地下2,000m至3,000m深处的高温（200℃至300℃）水蒸气，并利用蒸汽使涡轮机旋转的发电技术。

　另一方面，地热利用利用地表以下20m～100m之间的地下温度恒定在10℃～25℃左右的特点，用于房屋供暖和制冷、热水供应、道路融雪、农业大棚供暖和制冷等。方法有多种，但我们以闭环热泵系统为例。在地面上挖一个洞，并在地下安装一个由 U 形管制成的热交换器。该管充满水或防冻剂，泵使液体循环以传输热量。

　使用地热有很多优点。首先，它比空调消耗更少的电力。在东京等大都市地区，地下50米的温度恒定在16至17摄氏度，因此如果夏天室外温度为35摄氏度，如果将热量排放到温度较低的地下，而不是直接排到地面，热泵的负担会小很多。冬季为房屋供暖时，当室外温度为 0°C 或低于冰点时，收集温暖的地热比从空气中收集热量更有效。

还有二氧化碳₂也是一个很大的优势。与一般供暖系统相比，可降低能耗40%至50%。而且，由于热交换器安装在地下，因此没有噪音。热泵可以放置在任何地方，包括室内，因此可以在室外空调机组无法放置在显眼位置的历史城镇中使用。

解决日本特有的困难并发挥优势

　纵观日本地热利用现状，2011年东日本大地震后，地热利用迅速上升，在日益受到关注的可再生能源中，呈现出前所未有的增长速度，仅次于太阳能发电。

　如果你看看全国地热能系统的分布情况，你会发现北海道和东北地区是最受欢迎的地区。其主要原因被认为是用于家庭取暖的煤油的减少。

　除了先进的普通住房之外，过去安装的例子还包括公共设施、工厂、大型家具店、食品服务行业的餐馆、学校的温水游泳池以及路边车站的融雪设备。福岛县也开始引入猪苗代町市政厅等行政制度。在我工作的福岛可再生能源研究所（FREA）所在的郡山市，该市与产业技术研究院的联合研究项目已将其引入到菊田交流中心的沐浴设施中（这里也展示了地热利用系统）。

　然而，全面传播尚未到来。地热利用在日本普及缓慢的主要原因被认为是因为地质并非像美国或欧洲国家那样导热性好的岩石，而是泥、沙、粘土、砾石等的混合物，不仅导热性低，而且开挖的人工成本也比较高。

另一方面，日本的地质也有一定的优势。日本的地质构造松软、沙质、泥质，空隙多，地下水丰富。

　地下水是流动的，这意味着在夏季，热泵倾倒到地下的热量不会停留在同一个地方，而是通过地下水输送到其他地方。相反，如果冬天在地下收集热量，地下水将始终提供热量。我认为日本的地热利用应该基于对地下水流的了解来规划。

　在开挖技术方面，日本的技术能力位居世界前列，青函隧道、东京湾Aqua Line等大型工程就是例证。这项技术和诀窍已应用于热交换器安装工作的挖掘工作中，并帮助我们克服了困难。

日本的地热利用技术与日本一样，具有适用于东南亚等地质非基岩、地下水丰富的国家的优势。事实上，AIST还与泰国和越南的大学和研究机构进行联合研究。我们希望起源于日本的地热能利用未来能够传播到亚洲。

有效的研究正在进行中，以利于未来的传播

　AIST正在对地热进行各种研究，以期在未来推广其利用。

具体来说，首先，我们将提供信息，作为引入利用地热的系统的指标。“地热潜力图”正在维护中。该地图显示了哪些地区适合地热利用，包括地下水的分布，也可以在 AIST 网站上找到。我们还积极与当地科研院所和大学开展联合研究。

　我们也在着手开发潜在地图。除了显示该地区的地热特性外，我们还显示了利用地热所需的热交换器的长度。这使得潜力图不仅可以显示地热潜力，还可以显示开发潜力。

　在实际利用地热时，必须测量“表观导热系数”（地质构造和岩石孔隙中的水流动时的导热系数）。如果您不知道这一点，您将无法确定该位置所需的热交换器的长度或数量。

传统上，为了测量表观热导率，需要实际安装热交换器、连接传感器并进行热响应测试。然而，仅此一项就需要300万至400万日元。

　当地方政府了解到地热能的好处时，他们往往会很兴奋地引入它，但成本往往是一个障碍，因此他们放弃了。

另一方面，福岛县的一家商业合作社正在与日本产业技术研究院（AIST）进行联合研究，提出了利用在建造建筑物时所需的地质调查过程中钻出的细孔（地质调查孔）的想法。于是我想了一个方法，尝试了一下，发现可以作为调查数据。如果该方法得以建立，初步的热响应测试将可能花费约70万日元，我们相信这将为地热的利用提供动力。

　此外，AIST目前正在开发一种无需进行热响应测试即可估算表观热导率的方法。这个想法是综合估计迄今为止积累的地质和地形数据，以及地下水流模拟，如果这成为现实，我认为地热利用将显着进步。

　除了这些研究之外，我们还致力于开发与传统系统不同的地热热交换系统。这是因为日本是一个南北延伸的狭长国家，地形地质复杂，地区差异大，需要针对每个地区优化的换热系统。 AIST与多家公司合作生产地下水平流系统、自流井利用系统、板材系统和水箱系统等系统。我们希望更多的企业继续参与。

地热利用是一项简单的技术，已经存在很长时间了，但它符合追求可持续发展和碳中和等现代趋势。唯一可用的资源是地下热量，可以随时随地使用，并且不受天气或气候的影响。它还可以为ZEB（零能耗建筑）和ZEH（零能耗住宅）的实现做出贡献。事实上，在某些情况下，它与太阳能发电相结合以提高其效率。

　然而，地热的热能利用从外部很难看到，也不引人注目。正因为如此，出现了我没有受到任何关注的情况。因此，我想继续努力，随着我的研究，让尽可能多的人知道，并希望这能带来进一步的发展。