地熱能是一種天然熱能，它是由地殼抽取的，地球內部的熔岩是這種能量的主要來源方向，它的存在形式是熱力，它的能量可以讓火山及地震發出它們的威力。地球內部的溫度高達攝氏7000度，而在80至100公裏的深度處，溫度會降至攝氏650度至1200度。地下水的流動和熔岩是地球內部溫度的表現渠道，它能在離地麵1公裏至5公裏的地殼表現出溫度的熱量，熱力得以被轉送至較接近地麵的地方。高溫的熔岩將附近的地下水加熱，這些加熱了的水最終會滲出地麵。直接取用這些熱源，或者說利用它的能量是地熱能的利用最簡單的方法，而且它的成本效益也是沒法比的。
第一節 地熱能的概括
地熱能在很早就被人們利用了，像生活中的利用溫泉沐浴、醫療，利用地下熱水取暖、建造農作物溫室、水產養殖及烘幹穀物等這些例子都是利用地熱能的表現。不過在20世紀中期以後，人們才對地熱資源有了更為詳細的了解，並在此基礎上對它進行了更大範圍的開發和利用。
地熱發電說通俗一點的話，就是把地下的熱能轉變為機械能，然後再將機械能轉變為電能的能量。現在人們所認識的地熱資源主要有蒸汽型和熱水型兩類，因此，地熱發電也分為兩大類。地熱蒸汽發電有一次蒸汽法和二次蒸汽法兩種。一次蒸汽法直接利用地下的幹飽和（或稍具過熱度）蒸汽或者利用從汽、水混合物中分離出來的蒸汽發電。二次蒸汽法包含了兩方麵的意思，一方麵是指比較髒的天然蒸汽，也就是一次蒸汽不被人們先天利用，先讓它在換熱器的幫助下淨化出潔淨水，最後一步才是利用潔淨蒸汽也就是通常所說的二次蒸汽進行發電;另一方麵，把第一次汽水、分離出來的高溫熱水做減壓擴容，由此二次蒸汽就形成了，這樣大氣壓力比原來壓力低，和一次蒸汽分別進入汽輪機發電。地熱水中的水，按常規發電方法是不能直接送入汽輪機去做功的，必須以蒸汽狀態輸入汽輪機做功。目前對溫度低於100℃的非飽和態地下熱水發電，有兩種方法：一是減壓擴容法。利用抽真空裝置，使進入擴容器的地下熱水減壓汽化，產生低於當地大氣壓力的擴容蒸汽，然後將汽和水分離，排水，輸汽充入汽輪機做功，這種係統稱“閃蒸係統”。由於低壓蒸汽的比容一般都比較大，所以阻礙了汽輪機的單機容量，它就不能正常工作了。不過它還是能在比較安全的狀態下完成運行。另一種是利用低沸點物質，如氯乙烷、正丁烷、異丁烷和氟利昂等作為發電的中間工質，地下熱水通過換熱器加熱，使低沸點物質迅速氣化，利用所產生的氣體進入發電機做功，做功後的工質從汽輪機排入凝汽器，並在其中經冷卻使係統降溫，又重新凝結成液態工質後再循環使用。
這種方法稱“中間工質法”，“雙流係統”或“雙工質發電係統”都是這種係統的名字。但有一點，這種發電方式的安全係數沒有保障，一旦發電係統的封閉有一點漏洞，工質就會逸出，發生事故的可能性比較大。20世紀90年代中期，以色列奧瑪特（Ormat）公司在原來的基礎上將地熱蒸汽發電和地熱水發電兩種係統合二為一，由此新的發電係統就問世了，它叫聯合循環地熱發電係統，該機組已經在世界一些國家安裝運行，效果很好。聯合循環地熱發電係統的最大優點是，可以適用於大於150℃的高溫地熱流體（包括熱鹵水）發電，經過一次發電後的流體，在保障不低於120℃下，雙工質發電係統就在這之後進行開啟，二次做功就出現了，地熱流體的熱能通過這些很完美地被利用，它的完美利用不僅能提高發電的效率，同時還可以將先前經過一次發電後的排放尾水再次利用，讓它再次發揮作用，從而資源的使用量就能降低了。
有探測發現，在地球表麵5000米深的地方，1岩石和液體的總含熱量在15℃以上，有人曾經作過計算，這些熱量大概有145×1025焦耳，這些熱量和4948萬億噸標準煤的熱量是相當的。地熱主要是地球內部長壽命放射性同位素熱核反應產生的熱能。地熱資源有蒸汽型、熱水型、地壓型、幹熱岩型和熔岩型五種類型，這是根據它的儲存形式來劃分的。中國的地熱地區一般都高於150℃，這是依據地熱資源的溫度來劃分的，所以中國的地熱區屬於高溫地熱，這些地區的高溫的用處就在於它能發電。如果溫度不在150℃以上的就屬於中地熱能。
低溫地熱雖然沒有高溫地熱的威力，但它也有它的作用。在采暖、工農業加溫、水產養殖及醫療、洗浴等方麵都離不開低溫地熱。截止到1990年年底，發電的總裝機容量在世界地熱資源開發利用中占有相當的比例，大概是588萬千瓦，地熱水的中低溫的直接利用大概是1137萬千瓦。
構造板塊邊緣一帶是地熱能的集中分布區也是火山和地震多發區。假如熱量補充的速度比熱量提取的速度快，就意味著地熱能可再生。地熱能在世界很多地區應用相當廣泛。有研究發現，每年大約都會有100皮瓦時的熱量從地球內部傳到地麵。但是，地熱能的分布具有比較分散的特性，相比較其他的能量來說，往往具有很大的開發難度。據美國地熱資源委員會（GRC）1990年的調查，世界上18個國家有地熱發電，總裝機容量582755兆瓦，裝機容量在100兆瓦以上的國家有美國、菲律賓、墨西哥、意大利、新西蘭、日本和印尼。我國也有著很豐富的地熱資源，不過也是和其他地方具有相同的特點，那就是開發利用程度不是很高。我國的雲南、西藏、河北等省區有地熱資源比較多。全世界的地熱資源從整體上看集中在以下5個地熱帶：
1、環太平洋地熱帶。與美洲、歐亞、印度板塊的碰撞邊界就是世界最大的太平洋板塊，同時從美國的阿拉斯加、加利福尼亞到墨西哥、智利，還有從新西蘭、印度尼西亞、菲律賓到中國沿海、日本都是這一太平洋地熱帶的分布地區。這個地熱帶有著眾多的地熱田，可以說世界上大部分的地熱田都在這個地方，如美國的蓋瑟斯地熱田、墨西哥的普列托、新西蘭的懷臘開、中國台灣的馬槽和日本的鬆川、大嶽等。
2、地中海、喜馬拉雅地熱帶。這一地熱帶分布在歐亞板塊與非洲、印度板塊的碰撞邊界，它的大致範圍是從意大利直到中國的滇藏。意大利的拉德瑞羅地熱田、中國西藏的羊八井和雲南的騰衝地熱田就是這個地熱帶的典型地熱田。
3、大西洋中脊地熱帶。這一地熱帶在大西洋板塊的開裂部位，冰島和亞速爾群島的一些地熱田就是這個地方的地熱田。
4、紅海、亞丁灣、東非大裂穀地熱帶。這一地熱帶的範圍很廣，肯尼亞、烏幹達、紮伊爾、埃塞俄比亞、吉布提等國的地熱田都是這一地熱帶的代表。
5、其他地熱區。不僅板塊邊界可以形成地熱帶，其他的地方也能形成地熱帶，板塊內部緊挨邊界的部位也是地熱帶的形成區，在一定的地質條件下有高熱流區，可以蘊藏一些中低溫地熱，中低溫地熱帶有中亞、東歐地區的一些地熱田以及我們熟悉的中國的膠東、遼東半島及華北平原的地熱田都是在這種情況下形成的。
從大體上看，地熱能的利用有地熱發電和直接利用兩大類，不同溫度的地熱流體可利用的範圍也是不一樣的，它們的範圍大概是這樣的：
1、在200℃～400℃時可以直接發電或者綜合利用；
2、150℃～200℃時一般用於雙循環發電、製冷、工業幹燥、工業熱加工；
3、100℃～150℃雙循環發電、供暖、製冷、工業幹燥、脫水加工、回收鹽類、罐頭食品；
4、50℃～100℃時適宜於供暖、溫室、家庭用熱水、工業幹燥這方麵的用途；
5、20℃～50℃時，一般情況下用於沐浴、水產養殖、飼養牲畜、土壤加溫、脫水加工等。目前世界上有很多的國家為了把地熱利用率進一步提高，都盡最大努力，最終梯級開發和綜合利用的辦法可以為這一目的更好地服務，像熱電聯產聯供、熱電冷三聯產、先供暖後養殖等都是在這一方法的利用下人們發現的用於生產和生活的例子。
地熱能被人們利用於生產和生活不是一天兩天的事了，生活中利用溫泉沐浴、醫療，利用地下熱水取暖、建造農作物溫室、水產養殖及烘幹穀物等都是人們從一開始就在認識發現的情況下利用的結果。不過，要說地熱資源確實進入人們的生活，或者說它被全世界的人們開發利用那就是20世紀中葉的事了。
地熱發電：其實，在這麼多的地熱利用中，地熱利用的最重要方式還要數地熱發電。最初被應用於發電的是高溫地熱流體。在原理上，地熱發電和火力發電有異曲同工之妙，都是利用蒸汽的熱能在汽輪機中轉變為機械能，然後帶動發電機發電。所不同的是，地熱發電不像火力發電那樣要裝備龐大的鍋爐，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地熱能。從簡單的方麵去說，進行地熱發電時，地下熱能先是被轉變為機械能，進而機械能又轉變為電能，這一過程就是在這一相互轉換的基礎上進行的。要利用地下熱能，首先需要有“載熱體”把地下的熱能帶到地麵上來。目前，能夠被地熱電站利用的載熱體，主要是地下的天然蒸汽和熱水。地熱發電的方式實際上有蒸汽型地熱發電和熱水型地熱發電兩大類，這兩大類是在照載熱體類型、溫度、壓力和其他特性不同的基礎上進行歸類的。
（1）蒸汽型地熱發電從字麵上理解，它是在蒸汽田中的幹蒸汽直接引入汽輪發電機組的前提條件下進行發電的，不過發電機組在沒有幹蒸汽的進入時，必須分離出蒸汽中所含的岩、屑這兩種物質。這種發電方式最為簡單，不過幹蒸汽地熱資源的分布並不是很多，往往在較深的地層才能找到它們，這就代表了要對它的開采是需要有一定的技術作為基礎的，因此說背壓式和凝汽式兩種發電係統的發展是停滯不前的。
（2）地熱發電的主要方式就是熱水型地熱發電。現在熱水型地熱電站主要采用兩種循環係統，一是閃蒸係統高壓熱水從熱水井中抽至地麵的時候，在壓力降低部分，熱水會沸騰並“閃蒸”成蒸汽同時，蒸汽送至汽輪機做功就是這一原理的體現。而分離後的熱水可繼續利用，然後排出，再回注入地層是最好的方式。另一種是雙循環係統。雙循環係統的流程其實就是這樣的，熱交換器最先流的水是地熱水，將地熱能傳給另一種低沸點的工作流體，使之沸騰而產生蒸汽。蒸汽進入汽輪機做功後進入凝汽器，再通過熱交換器而完成發電循環。地熱水則從熱交換器回注入地層。含鹽量大、腐蝕性強和不凝結氣體含量高的地熱資源是非常適合這種係統的，是這種係統的最主要特點的代表。雙循環係統的發展和進入市場最重要的就是開發高效的熱交換器，有了這一條件的保障，要開發就不難了。
地熱務農：農業中利用地熱的地方也是非常多的。最常見的就是利用溫度適宜的地熱水灌溉農田，這一利用可以使農作物早熟增產；還可利用地熱水養魚，在28℃水溫下可加速魚的育肥，提高魚的出產率；利用地熱建造溫室，育秧、種菜和養花；利用地熱給沼氣池加溫，提高沼氣的產量等。我國在農業中利用地熱能的越來越多，北京、天津、西藏和雲南等地都建有麵積大小不等的地熱溫室。還有很多地方發展養殖業也是利用地熱資源，像培養菌種、養殖非洲鯽魚、鰻魚、羅非魚、羅氏沼蝦等都是利用地熱資源的例子，並且這些例子都取得了積極的效果。
地熱行醫：醫療領域中利用地熱，表明了地熱在這一領域中的應用有著光明的未來。現在人們都認為熱礦水的作用也很大，都視它如寶，世界各國都把它擺在非常重要的位置。由於地熱水從很深的地下提取到地麵，除溫度較高外，常含有一些特殊的化學元素，從而使它具有一定的醫療效果。像含碳酸的礦泉水能調節胃酸、平衡人體酸堿度；如果飲用含鐵礦泉水，缺鐵貧血症就可以得到治療。此外氫泉、硫水氫泉洗浴還有治療神經衰弱和關節炎、皮膚病等的功效。由於溫泉的醫療作用及伴隨溫泉出現的特殊的地質、地貌條件，使溫泉常常成為旅遊勝地，吸引大批療養者和旅遊者。在日本就有1500多個溫泉療養院，每年吸引1億人到這些療養院休養。在很早的時候就有利用地熱治療疾病的例子，這是因為我國有著很多的含有各種礦物元素的溫泉，所以我國對地熱的醫療作用給予積極的重視，要發展溫泉療養行業是一件具有很大價值的事。在不久的將來，與地熱利用相關的高新技術被人們進一步開發利用的程度加深，在這一基礎上，人們要查明更多的地熱資源是不用費力的，而且能鑽更深的鑽井將地熱從地層深處取出，因此地熱利用也必將進入一個飛速發展的階段。人們在利用地熱能時，地表的熱應力承受能力是需要注意的，覆蓋率要維持平衡，不可以有很大的覆蓋率出現，否則非常不利於地表溫度和環境的平衡！
天然熱能是在地殼抽取的過程中形成的，這種能量來自地球內部的熔岩，是以熱力的形式存在的，是引致火山爆發及地震的能量。地球內部的溫度高達7000℃，而在80~100千米的深度處，溫度會降至650℃至1200℃。透過地下水的流動和熔岩湧至離地麵1~5千米的地殼，熱力得以被轉送至較接近地麵的地方。附近的地下水會被能量加熱，這種情況下，地麵就會滲出加熱的水。
地熱能雖有著美好的前景，但是現實危機是不容忽視的。現在世界上的人們都在呼籲節能減排，而且這種呼籲越來越多，淺層地熱能作為一種非常重要的新型能源，它的開發利用成為實現可持續發展的一個重要途徑，淺層地熱能的利用和開發最大的基礎就是地源熱泵技術的發展。
有專家推測說，在“十二五”節能減排力度進一步加大的前提下，地源熱泵會有一個更大的發展空間和前景。不過，在對這些資源進行調查時得出這樣的結論，地源熱泵技術也存在維修困難、標準兼容難等不少問題，這些問題都會影響地源熱泵技術的發展過程。“地熱麵臨著難得的發展機遇，但遇到的問題也不容忽視，要想全麵推廣地源熱泵技術任重而道遠”，些企業和這一領域內的研究人員這樣說道。
還有的人說“作為目前成熟的淺層地熱利用方式的地源熱泵技術，有著獨特的低碳環保特征，其能效比其他常規供暖製冷技術可節能50%～60%、運行費用可降低30%～70%，而且不排放任何廢棄物，越來越受到各方關注”。
淺層地熱能從定義上來說，就是在地下200米以內土壤裏和地下水中所蘊藏的地溫熱能，這一地溫熱能在熱泵技術的利用基礎上對它抽取加以利用，既可以滿足人們生活中的供暖，又能滿足人們生活中的製冷。淺層地熱能具有分布廣泛、可循環再生、儲量巨大、可就近利用等區別於其他能源的優點，正因為它是一種清潔能源，所以它的優點和其他能源的優點是不一樣的。
我國屬北溫帶地區，基本上很多地區都在這一範圍內，一般它有著較淺的凍土層，在地下的80米到100米左右的土壤、岩層，水的溫度平均在16℃～17℃，在很多地方這種淺層地熱能的資源條件都說明了它們是能進行開發的。據估算，我國287個地市級以上城市淺層地熱可利用資源能量相當於每年35億噸標準煤。有人設想，地熱資源的充分利用，每年就會有標準煤25億噸可以利用於其他的地方，而且會有5億噸的二氧化碳不會汙染空氣，所以說淺層地熱的開發利用是有著非常好的發展勢頭的。
據山東的某些領域專家說，山東是一個產煤的大省，大量的地下水是需要在這一過程中進行抽取的，而且這些水的溫度都在17度左右。另外，該省眾多企業在生產過程中排放大量20度到35度的廢水，資源量大麵廣。有了熱泵技術再加上這些資源，夏季降溫或冬季采暖都是很容易的，能達到雙贏的目的，這樣一次性能源的消耗就不會太大，並且對建築節能也具有重要的意義和作用。
還有研究發現，建築能耗現在相當於我國總能耗的大約30%，而且這個比例一直是處於增長的態勢。因此，在建築節能領域推行太陽能、地熱能等可再生能源前景廣闊、近年來，發展的態勢較好。“目前，我省也在積極推進淺層地熱勘探、開發，推廣應用也取得了快速發展。”山東省這一項目中心的研究人員說。這一中心從成立以來就加緊開展全省淺層地熱能的勘查評價、開發利用技術研究和推廣，因此地熱能資源的開發利用速度不斷加快。
市場規模有快速放大的前景。在“十二五”期間，世界上對地熱資源的開發利用有了追逐的態勢，而且地源熱泵產業模式也有著加深的趨勢，並且這一趨勢將會發展得更快。除了會促進地源熱泵設備製造和銷售外，有關地熱利用的能源服務產業也會有進一步的發展。這是從山東的有關人士中了解到的。亞特爾集團是一個山東省很早進入地源熱泵行業的企業，到現在為止，全國二十餘個省區市都有它地源熱泵應用項目，足百個。
“據測算，未來五年內，我國整個地熱能開發利用的總市場規模接近一千億元。”有專家人士這樣說。依現在的市場方麵來說的話，全國的地源熱泵市場銷售額都在80億元以上，並以每年20%以上的速度在增長。同時，地源熱泵係統的初裝費也大幅度下降，如果先前的建築麵積每平方米需要400元到450元，則現在隻需要220元到320元，與此同時，人們在地源熱泵的認知上又有了一個進步的層次。
雖然說山東的地源熱泵的應用比其他地方要晚，但是它的發展是可圈可點的。截至2010年年底，全省采用該方式進行製冷與供熱的麵積達到800萬平方米，多用於學校、醫院、辦公場所、展覽館、住宅小區。其中，濰坊、日照、臨沂、棗莊、淄博等地應用較多。山東省科學院還特別組織專家對山東省的地源熱泵應用情況進行了一個係統，全麵的了解。技術應用的進一步擴大令人備感欣慰，山東現在的地源熱泵生產企業已經有了21家的超大規模，產品涉及水源、土壤源、汙水源熱泵機組。其中，德州、濰坊相對集中，尤其是煙台富爾達、德州貝萊特等企業在全國同行業占據了前5名的名次。