清华大学教授魏庆芃：加强基础科学研究 打造地热利用核心竞争力
2024-03-04 09:07:59 来源：河北省地热产业协会
专注地热利用科学问题，打造中国地热利用核心竞争力
一年之计在于春。春回大地之际，首先向《中国地热》的读者、作者、专家、学者致以新春的问候和最良好的祝愿！
中国地热“很热”，特别是在国家双碳战略目标提出以来，地热利用受到了方方面面的重视。研究“热”、讨论“热”、工程应用“热”，连我这个热能系毕业、只是学过一点工程热力学、传热学和流体力学皮毛的人，都被称为“专家”、在地热利用相关的国际国内学术会议、产业论坛上发言，我觉得非常惭愧，还没搞懂、需要深入研究的科学问题还有很多，真正管用的核心技术还有很多需要打磨，和人工智能、芯片、航天等高科技领域的发展还有很大差距。总结过去一段时间的研究与实践，有以下几点粗浅的认识，与各位读者和专家、学者分享，不当之处恳请批评指正。
地热作为能源、特别是热能资源的存在形式，大体可以分为两类，一是“资源型”地热，另一类是“温差型”地热。前者大家很熟悉，通常说的“地热利用”大多也是指对“资源型”地热的利用，相关的研究非常深入，研究成果丰富、研究体系成熟，从这个角度讲我真是个外行，要学习的东西太多了。“温差型“地热利用，也就是利用地下自然形成、可以恢复的温差，以传热的方式获取热量、为人类生产生活所用，这一利用过程算不算”地热利用“，这种在地下土壤、岩层中自然形成，并且可以从”周围“不断补充从而恢复的”温差“，究竟算不算”地热能“，一直都是有争论的。深入探究，其实连“能源”这个词，也有很多种不同的定义。例如中国的《能源百科全书》说：“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”《大英百科全书》说：“能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”。
在《中华人民共和国节约能源法》中所称能源，是指煤炭、石油、天然气、生物质能和电力、热力以及其他直接或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉，是自然界中能为人类提供某种形式能量的资源，也是人为定义的一个专有名词。那么“温差”是否可以被利用而产生有用能呢？显然可以，热力学第一定律明确指出，功和热是改变系统内能唯二的两种途径，有温差存在就有“做功的能力”，但必须有构成两个不同温度热源相连接的系统；于是热力学第二定律又补充道“热量只能从高温向低温传递”，热量的流动和利用是有“方向”的；后期统计力学和量子力学又进一步从微观、本质上解释了“热”。
可见，不论“资源型”地热还是“温差型”地热，都不过是存在于地表以下、可被转换为对人类生产生活有用的能量存在形式，只是“资源型”地热的能量品位更高、空间上更集中存在、同时也更稀缺，而“温差型”地热利用，相对来说能量品位低一些、做功能力弱，但普遍存在、不容易形成垄断、更容易被普遍利用。
所以，与其争论定义，不如花更多时间钻研能量利用过程的效率如何提升，如何减少损失，如何提高地下各种形式能量利用的系统效率，如何避免对地下环境的影响，甚至破坏，以及更多的学科交叉形成新的认识、新的知识、“硬核”的核心科技。从学科发展的角度看， “资源型”地热利用的研究总体属于地球物理学一级学科范畴，也是地球科学的主要学科之一，即通过定量的物理方法研究地球以及寻找地球内部矿藏资源的一门综合性学科，研究范围包括地球的地壳、地幔、地核和大气层。而“温差型”地热利用的研究总体属于工程热物理一级学科，这是一门研究能量以热的形式转化的规律及其应用的技术科学，也有着自己的基本定律，例如热力学的第一定律和第二定律、牛顿力学的定律、传热传质学的定律和化学动力学的定律等，是能源利用的主要基础学科，也是一个完整的学科体系。
我们欣喜地看到，近年来这两大基础学科的优秀学者和工程技术人员，在“中深层地热”利用等领域，开展了卓有成效的学科交叉与合作，例如“资源型”地热利用中的尾水不仅通过热交换器换热，而且通过热泵的方式再进一步“梯级利用”，将“资源型”地热利用中取出的高温热水尾水温度进一步降低，从而最大程度地利用宝贵的地热资源。而研究“温差型”地热利用的学者也通过地下超长换热器构建过程中的岩芯取样，了解不同地质构造对地下换热器的传热性能、热量补充、结构稳定、成孔工艺、成本与风险控制等的影响，形成地下岩层准稳态传热的解析解，可预判地球表面不同位置，甚至不同星球岩层温度梯度状况及地下自然形成的温差可利用性等。
开放、包容、交叉、创新始终贯穿于学科发展中，那么地热利用如何与信息技术结合、与人工智能结合、人工智能的芯片与地热利用是否可以结合，这些问题如果中国的科学家和工程技术人员可以突破或者解决，再与全世界学术界交流、工程界实践，让清洁可持续的地热利用“飞入寻常百姓家”，未来在全球各地、月球、火星，甚至外太空星球都可以持续利用地下的热量，那该是人类多么美好的愿景啊！
学术兴，产业兴，行业兴，事业兴！衷心祝愿致力于各种形式地热资源利用的专家学者、工程技术人员和热心读者，从中国的实践与深入的理论研究入手，为丰富人类对自然认知的知识体系、应对全球气候变化、构建幸福的人类命运共同体做出新的贡献。
作者：魏庆芃，教授，清华大学建筑学院，清华大学建筑节能研究中心
