对浅层地温能的认识

对浅层地温能的认识

10050931班张小明学号：1005093128

摘要：随着近年来全国城市地区对浅层地温能的逐渐深入的研究，浅层地温能已经在城市生活中得到较为充分的利用。浅层地温能资源是一种分布广泛、储量巨大、清洁环保、可以再生的新型能源，它的利用和开发已经成为实现可持续发展的一条重要途径。但现在大部分城市关注浅层地温能，更多的是关注其中的热泵技术，而不是浅层地温能资源本身，而且有很多从事浅层地温能利用的公司对浅层地温能的认识也不够，这直接导致浅层地温能的利用效果受到影响。用浅层地温能来取暖制冷，在全国范围内刚刚兴起，因此，我们应该重新对浅层地温能有更深刻的认识。

关键词：浅层地温能取暖制冷新型能源热泵技术

引言：

浅层地温能是赋存在地球表层岩土体中的低温地热资源，是一种新型的优质清洁能源，具有可再生、分布广、储量大、清洁环保、经济实惠、安全性强和可用性强等特点。浅层地温能是指地表以下一定深度范围的岩土体内（一般为恒温带至200 m埋深），温度低于25℃，其来源以太阳辐射为主，还有一小部分来自地心热量，主要采用热泵系统（包括水源热泵和地源热泵两种）进行开发利用。浅层地温能资源丰富，分布广泛，温度稳定，开发技术臻于成熟，在我国城市地区正逐步应用于供暖和制冷及生活热水供应。浅层地温能是地热资源的一部。随着地源热泵技术逐步推广，浅层地温能日益受到人们的重视，成为目前城市地区地热能利用新的途径。浅层地温能可持续利用，可以作为化石能源的替代资源，减少温室气体的排放。浅层地温能利用系统具有绿色环保、运行成本低、技术成熟、不消耗地下水等特点，应用前景广阔等优点。

浅层地温能开发工程技术，按冷热源工程分类可分为土壤源热泵系统和地下水源热泵系统。其中，土壤源热泵系统是在浅层地层中设置人工管道，通过循环水在管道中的运行来实现同地层的冷热源转换，土壤源热泵系统又分为水平盘管系统、桩中深管系统和竖埋管系统；地下水源热泵系统即是利用井孔开采地下水，冬灌夏用，夏灌冬用，实现同地层冷、热源交换和反季节储能。根据井群类型地下水源热泵系统分为同层对井系统、异层采灌系统、井组对井组系统、单井多层采灌系统、单井多层成井对井采灌系统等。

浅层地温能是一种清洁无污染的能源。浅层地温能在利用的过程中，它不像化石燃料那样在获取能源和生产电力的同时排放大量的燃烧产物，对环境造成严重污染，引起温室效应、酸雨、土地沙漠化等问题。由于浅层地温能资源无处不在，人们可以就近利用，就地取（排）热，为建筑物供暖或制冷，而地下水的水质、水量不发生任何变化。与传统能源相比，可节省大量运输、传输和存放成本。

在北京召开的全国浅层地温能资源开发利用高级研修班暨学术研讨会，汪民指出，国土资源部十分重视浅层地温能勘查评价和开发利用工作。2006年开始浅层地温能勘查评价试点工作；2007年国土资源部在北京组织召开了全国地温能(浅层地热能)开发利用现场经验交流会，中国地质调查局在北京市地勘局成立中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心；2008年国土资源部下发了《国土资源部关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》（国土资发〔2008〕249号），全面部署我国浅层地温能资源的勘查评价、规划编制和地质环境监测工作；2009年国土资源部在天津召开了全国浅层地热能和地热能资源管理工作会议，颁布了《浅层地热能勘查评价规范》；中国地质调查局委托中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心、北京市地勘局举办了两届全国浅层地温能勘查评价和开发利用高级研修班。最近，徐绍史部长要求要突出浅层地温能开发利用这一重要工作，将加强浅层地温能与地热资源评

价、规划和开发利用作为开拓新领域、延长工作链的一项重要工作予以支持，完善措施，强力推进，尽快形成新的局面。由此可见，全面加强浅层地温能勘查评价和开发利用的局面即将形成。

全国浅层地温能利用现状：

用于开发浅层地温能的热泵技术是1912年由瑞士人提出的，1946年第一个热泵系统在美国俄勒冈州诞生。1974年起，瑞士、荷兰和瑞典等国家政府逐步资助建立示范工程。20世纪80年代后期，热泵技术日臻成熟。在国际社会中，由于其在减少二氧化碳方面得到普遍认可而受到广泛关注。利用热泵技术开发利用浅层地热能较好的国家有美国、瑞典、瑞士和德国，已有大量装机的国家有加拿大、奥地利、法国和荷兰，开始重视和推广应用的国家有中国、日本、俄罗斯、英国等。热泵增长较快的主要还是在美国和欧洲地区。我国1965年研制成功国内第一台水冷式热泵机组，随后发展缓慢。直到20世纪80年代末，相关领域才开始了一些研究，在热泵模型仿真、试验装置、能耗评价以及系统材质等方面取得了一些进展。

我国起步较晚，九十年代才引入地源热泵技术。清华大学徐秉业教授把这项技术引入中国，从此开启了地源热泵技术在中国的发展潮流。我国利用地源热泵技术开发浅层地热能与国外相比，虽然起步晚，但发展很快，其范围之广、规模之大已远超国外。据初步统计，目前在全国范围内，除港澳台地区外，31个省、市、直辖市、自治区均有开发浅层地热能的地源热泵系统工程。应用浅层地热能供暖制冷的建筑物面积1.4亿m2，浅层地热能供暖、制冷的单位（住宅小区、学校、工厂等）约3400个，80%集中在华北和东北南部地区，包括北京、天津、河北、辽宁、河南、山东等省市。北京约有2000万m2的建筑利用浅层地热能供暖和制冷，沈阳已超过4300万m2。据估算，2010年浅层地热能的开发利用，使我国二氧化碳减排约2200万吨。

据专家测算，我国地下近百米深度内的土壤每年可采集的低温能量是我国目前发电装机容量4亿千瓦的3750倍，而地下百米内地下水每年可采集的低温能量也有2亿千瓦。北京地区浅表层年平均温度为13度～15度，其能量的来源主要是吸收了地面约40%的太阳辐射热能。若北京平原区按6900平方千米计算，每年可开采浅层地温能的资源量相当于1.4亿吨标准煤，为2003年北京供暖能源消耗的1100万吨标准煤的12倍。浅层低温地温能通过采集并略加提升后，不但可以满足供暖（冷）的需求，同时还可以实现供暖（冷）区域的零污染排放，直接改善适用区域的大气质量。

据测算，1平方米建筑投资约250元～380元，比同样满足供暖、制冷和生活热水条件的燃气和空调系统等降低20%～30%，其运行费用明显低于其他清洁能源，且就地取能，免于运输、传送。

据了解，利用地源热泵技术，每平方米地面空间可提供200瓦～300瓦的能量，可为4平方米～6平方米的住宅类建筑（按50瓦/平方米的负荷指标计算）供暖，若结合30%～50%调峰热源，可为8平方米～10平方米建筑供暖。

下面将详细的从政策推广、浅层地热能资源调查评价、可再生能源建筑应用项目示范及城市示范、现阶段存在问题等几个方面阐述浅层地温能的现状。

（一）政策推广

我国浅层地热能资源十分丰富。最新数据表明，我国287个地级以上城市浅层地热能资源量为每年2.78×1020J，相当于95亿吨标准煤。每年浅层地热能可利用资源量为

2.89×1012kWh，相当于

3.56亿吨标准煤。扣除开发消耗电量，则每年可节能2.02×1012kWh，相当于标准煤2.48亿吨，减少二氧化碳排放6.52亿吨。到2015年，我国利用的浅层地热能资源量将达到

4.26×1011kWh，相当于5269万吨标准煤（占我国浅层地热能可利用资源总量的14.8%）。

为促进浅层地热能开发利用，北京市、沈阳市和国家有关部门先后出台了有关文件。2006年5月，北京市发改委等九个部门联合印发了《北京市关于发展热泵系统的指导意见》，对选用地下（表）水地源热泵的每平方米补助35元，选用地埋管地源热泵和再生水地源热泵的，每平方米补助50元。2007年７月，沈阳市出台了《地源热泵系统建设应用管理办法》，凡符合城市供热规划和地源热泵技术推广应用规划要求，并具备应用地源热泵技术条件的新建、改建、扩建项目，以及耗能大的单位，应当建立地源热泵系统。

2009年7月，财政部、住房城乡建设部下发了《关于印发可再生能源建筑应用城市示

范实施方案的通知》，对纳入示范的城市，中央财政将予以专项补助5000万元；对推广应用面积大，技术类型先进适用，能源替代效果好，能力建设突出，资金运用实现创新，将相应调增补助额度，每个示范城市资金补助最高不超过8000万元。《通知》中的“可再生能源”即为太阳能和浅层地热能。此外，各地方政府也先后出台了一系列发展地源热泵技术的相关政策和措施。如下表一所示。

表一政府推广地源热泵政策（部分）

（二）浅层地热能资源调查评价

浅层地热能资源调查评价是浅层地热能利用的基础工作，决定浅层地热能利用的科学性和可持续性。2008年，国土资源部在全国启动了浅层地热能调查评价试点工作，并于当年

印发了《关于大力推进浅层地温能开发利用的通知》，发布了《浅层地温能勘查技术规范》，成立了浅层地温能研究推广中心。国土资源部在2009年制定的《国土资源系统应对全球气候变化工作方案》和2010年印发的《关于做好“应对全球气候变化地质响应与对策”有关工作的通知》中，又对浅层地热能调查评价与开发利用工作进行了再部署。

自2008年国土资源部下发了开展浅层地热资源调查工作通知后，全国各省（自治区、直辖市）市根据《浅层地温能勘查技术规范》分别对辖区内适宜开发利用浅层地热能的主要大中城市，以及经济发展规划区开展浅层地热能调查。

目前，此项工作已经在各省、自治区、直辖市国土资源系统进行。现已经完成的有北京市、河北省、天津市和南京市等。下面以南京市为例简单介绍下浅层地温能现阶段研究所取得的成果。

重要成果：近日，由江苏省地质工程勘察院完成的《南京市浅层地温能资源调查与开发利用研究》研究项目，首次对南京市浅层地温能资源储量及开发利用成效进行量化。这一研究成果，填补了南京浅层地温能资源应用领域的空白。

今年4月27日，江苏省国土资源厅组织专家对江苏省地质工程勘察院承担的《南京市浅层地温能资源调查与开发利用研究》项目成果进行评审。专家评审认定，该成果分析研究了南京市浅层地温能形成的地质、水文地质背景条件、分布规律及特征，首次提出了浅层地温能适宜性分区的原则和标准，采用层次分析法对浅层地温能资源开发利用进行适宜性分区，为发展新型可再生能源和合理开发利用浅层地温能资源提供了科学依据。

项目计算得出了南京市浅层地温能资源的静储量为 1.70×1016KJ,可开采量为

3.636×1014KJ,折合成标准煤为1241×104吨，若每年能够利用资源量的十分之一，预测南京市每年可减排烟尘约2.1万吨；二氧化碳排约310万吨；二氧化硫排约 2.11万吨；氮氧化物约0.81万吨。节能减排和社会效益显著。

专家组一致认为，该研究成果数据翔实可靠，分析计算方法合理，对江苏省浅层地温能资源勘察和开发利用起到指导性的作用，填补了省内空白，达到国内先进水平。

专家认为，我国是碳为主要能源的国家，在能源的生产和消费中，煤炭的比例占70%以上。燃煤产生的大量粉尘、CO2和SO2造成严重的大气污染，产生大面积的酸雨，加剧了大气的温室效应，对我国的生态环境产生严重威胁。因此，开发利用浅层地温能资源，不仅能够弥补能源的不足，而且能极大地改善大气环境质量。

为促进南京市开发利用浅层地温能资源，改善城市生态环境质量，促使南京市在基础设施建设及重大工程方面，开发新型、节能、环保能源，尽早实现现代化。为此，江苏省国土资源厅以"关于下达2008年度省地勘基金项目（地质勘查类）任务的通知"号文，其中"南京市浅层地温能资源调查与开发利用研究"项目任务下达到江苏省地质工程勘察院。要求该院结合南京市浅层地温能开发利用现状，基本查明南京市浅层地温能地质条件，为南京市合理开发利用浅层地温能资源和保护地质环境提供地质依据。

项目组在充分收集已有勘查资料的基础上，主要完成了地面地热地质调查约4200KM2，综合性试验钻探孔16个，完成岩土物理性质、热物理性质室内试验千余组；完成地埋管双U热响试验16组；建立了土壤源地源热泵热对流数值模型等。基本查明南京市浅层地温能资源形成的地质背景条件和浅层地温能资源的分布特征与规律。

浅层地温能研究工作是地质学中的边缘学科，涉及学科范围广泛，课题难度高、容量大。为了保证研究的可行并最终达到预期目标，江苏省地质工程勘察院精心组织地质、水文地质、物探测试、钻探、数学分析、计算机等多学科的科研力量进行联合攻关。在课题研究过程中，他们凭借严谨的科研态度，不断探索创新，出色地完成了项目研究任务，取得了具有创新性和实用性的研究成果，也为推动南京市浅层地温能安全、合理、科学地开发利用做出了贡献。

（三）可再生能源建筑应用项目示范及城市示范

住房城乡建设部2006年启动了可再生能源建筑应用示范项目，示范项目具有典型性、代表性，技术类型上以太阳能和浅层地热能为主。到现在为止成功实行了四批示范项目。四批示范项目371个，第一批25个，第二批57个，第三批130个，第四批159个，总补贴金额约26亿元。

住房城乡建设部2009年启动了可再生能源建筑应用城市示范，对纳入示范的城市，中央财政将予以专项补助。目前，纳入示范的城市有44个，资金补助基准为每个示范城市5000万元，具体根据2年内应用面积、推广技术类型、能源替代效果、能力建设情况等因素综合核定，切块到省。推广应用面积大，技术类型先进适用，能源替代效果好，能力建设突出，资金运用实现创新，将相应调增补助额度，每个示范城市资金补助最高不超过8000万元；相反，将相应调减补助额度。

（四）存在问题

由于浅层地热能利用较传统地热资源利用发展晚，且涉及多领域、多行业，开发利用过程中也存在一些问题。

1.工程前期未进行浅层地热能资源勘查评价

《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366-2005)强制要求地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地现状调查，并对浅层地热能资源进行场地勘察。然而，很多工程设计前都没有进行勘察工作，一方面在地下水地源热泵不适宜区采用了此换热方式，造成系统建成后产生耗电量大、系统COP低、运行不稳定、回灌困难，甚至系统报废等问题；另一方面根据其经验布设换热孔，导致大量浪费。

2.设计参数依据不足

部分地源热泵工程由热泵提供方进行设计，一些商家在设计时，完全凭借经验，以最简单的估计模式去设计系统，不少企业在设计时并没有做负荷分析，只是简单地选择一个经验数据。由于设计参数依据不足，导致一些系统设计出现“大马拉小车”或者设计负荷不足的现象。

3.缺乏可靠的技术支撑

第一，地下水回灌技术不够完善，成井工艺有待提高。地下水地源热泵工程的成井口径、填砾层厚度、滤水管类型及滤料的选用对回灌量均有较大影响，大多数施工单位未掌握回灌井施工技术，特别是成井口径、填砾层厚度、滤水管类型及滤料的选用等，造成许多井不能正常回灌。

第二，部分用户取水系统的设计、安装存在一些问题。部分用户设备安装不配套（无测压管、多无精滤装置）。热泵系统安装密封性差，回灌困难，大部分单位每年都需洗井。

第三，部分用户水源井地层层位确定存在较大的问题，特别是选用第1I含水组地层做为采灌井利用层位时，普遍存在水位偏浅，回灌困难的问题。

第四，部分热泵运行管理不够完善，导致回灌运行管理不规范。一些单位缺乏基本的常识，近三分之一工程运行不回扬，多数工程运行记录不完整（多无抽水及回灌水水温、水量、水位），有些工程存在混层采灌水的问题。

4.管理体制不健全

浅层地热能开发利用行政监督管理主体不明确，监督管理所依据的法律、法规、政策、标准欠缺，造成浅层地热能开发利用秩序混乱。主要表现在项目没有报批登记手续，不按地质条件开发，施工队伍资质、施工过程监管空白，验收标准不统一。

5.缺乏对浅层地热能资源开发利用动态监测

近年来，全国各地建成了大量的地源热泵系统，但尚未建立地源热泵地下换热系统监测体系，缺少对地源热泵系统中温度、水位、水质等动态变化的监测，无法评价浅层地热能资源开发利用对地质环境的影响；大多数地源热泵工程系统中都没有安装必要的节能计量装置，如温度表、流量计、功率表等，使得项目的节能计算工作存在一定困难，同时也不便于管理部门的进一步节能评定工作。

针对以上浅层地温能所存在的问题，专家给出了以下建议：

1、继续加大政府对地源热泵技术推广应用的支持力度，逐步建立相关鼓励政策和健全工程建设的技术审批和工程运行的监督管理制度。

2、对设计、施工和监测部门建立专项设计施工资质管理制度，实行市场准入制和工程的监理制，以及技术人员的培训上岗制。

3、应逐步开展结合我国特征的、较详细的相关规程规范编制工作。地热泵技术的跨学科性（如，暖通空调、水文地质、系统控制等），应组织各领域的专家，从各自的专业领域出发，结合地热泵系统的特点，编制综合性的技术规程规范，以指导地热泵行业的健康发展。

4、建立国家专项基金，大力支持地热泵技术的研发力度，如研制统一的、简便的计算方法及其模型；完善地热泵系统施工工艺，开展地下水抽灌动力学及能量平衡研究，解决抽水井与回灌井的最佳距离和配比问题，研究保证地下水源热泵正常运行；深入研究地源热泵系统地下换热系统对岩土的热、含水量以及地下水组分迁移的影响；浅层地温能的综合评价方法；研究对污水源、海水含盐高;海洋生物;潮汐和波浪，泥砂，淤积等对海水源热泵系统运行，管线的防腐处理，水质处理等方面的研究。

5、在规程规范中，应明文规定任何地热泵工程都必须建立地下水（岩土）监测系统，并开展定期监测，以保证对地质环境的了解和地热泵系统的正常运行。

6、在全国主要大中城市和经济发达地区，开展浅层（100m以上）的岩土热物性参数的

测试工作，建立全国的与地热泵工程有关的水文地质数据库。

7、广泛开展地热泵技术的宣传和推广活动，举办多种形式的地热泵技术展示、研讨会，对施工和管理技术人员开展不同程度的技术培训。

浅层地温能开放利用的趋势：

（一)继续推进浅层地热能资源调查评价工作

推进浅层地热能资源调查评价工作是地源热泵技术发展的基础，“十二五”期间，浅层地热能资源调查评价与开发利用工作将继续成为城市地质工作的重点。工作的主要任务是查明我国主要城市浅层地热能分布特点和赋存条件，评价资源量及开发利用潜力，编制开发利用规划，建立监测网络，推动浅层地热开发利用示范城市建设。

国土资源部“十二五”工作部署中，2012年前将完成省会级城市调查评价工作，2015年前完成地级市和部分重点县级城镇调查评价工作。2011年29个省会级城市浅层地热能调查评价项目年内分两批实施。第一批实施的城市包括石家庄、呼和浩特、沈阳、长春、杭州、合肥、济南、郑州、重庆、西安、兰州、乌鲁木齐等12个城市。第二批实施的城市包括太原、哈尔滨、上海、南京、福州、南昌、武汉、长沙、广州、南宁、海口、成都、贵阳、昆明、拉萨、西宁、银川等17个城市。其目标是：（1）初步查清主要大中城市的浅层地热能赋存、分布特征及相应的水文地质工程地质特征，测试岩土体热物性参数，估算可利用资源量。（2）开展浅层地热能利用工程（地下水、地源热泵系统）适宜区划分。（3）选择有代表性的1～2个城市建立监测实验区。对已运行工程进行地下（岩土、水）温度场的监测（至少1个运行周期）工作，评价地源热泵工程对地质环境的影响，同时记录运行工况和能耗，计算换热能效比，检验项目节能效果。（4）制定相关技术标准，建立浅层地热能开发利用适宜区划分、评价数据库。为合理开发利用浅层地热资源提供基础数据，为政府宏观规划与科学管理提供决策依据。（5）在调查评价的基础上，结合当地行政区域可再生能源开发利用中长期目标，编制完成主要城市（镇）浅层地热能开发利用专项规划。

（二）加大科研实力和技术创新

加强相关技术研发与投入，提高浅层地热能利用效率。

（1）加强浅层岩土热物性测试的研究；

（2）建立不同地层热物性数据库；

（3）开展不同换热方式地下传热模型的模拟试验；

（4）建立地温场长期观测，包括换热井及周围地层温度、水位、水质以及换热（换冷）情况，了解（监测）其变化规律，特别是换热井回灌能力和温度恢复情况；

（5）观测地下换热系统的实际换热（换冷)效果，测量地层热流值及热传导系数。

（三）积极参与示范城市建设，带动浅层地热能资源开发利用

在对当地浅层地热资源调查评价的基础上，结合工程的具体地质环境，积极开展地源热泵技术的推广应用，建立符合本地实际需求的示范工程，并摸索方法，总结经验，逐步推广。积极申报“可再生能源示范城市”，参与示范城市建设，用好国家专项资金，稳步推进以城市为单位的浅层地热能开发利用工作。

利用地源热泵技术开发浅层地热能资源，为建筑物供暖制冷，是符合国家节能减排这一历史进程的。随着这项技术的不断发展，我们将进一步认识到，不断加强地热资源调查评价工作，加大科研力度和技术创新，积极参与示范城市建设将是一项具有重大意义并值得持续推进的长远工程。

结语：

浅层地温能又称浅层地热能，是一种可再生的新型环保能源，也是一种特殊的矿产资源，利用前景广阔。开发利用浅层地温能对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标的实现具有非常重要的现实意义。

在全世界大力提倡低碳节能、环保的大趋势之下，浅层地温能的开发以及利用乃大势所趋，地源热泵技术由于其自身的优势和特点，促使地源热泵技术的推广和利用，为全世界所瞩目。国土资源部在29个省会级城市启动浅层地温能调查评价和开发利用工作。据测算，通过规划实施，我国每年探明的浅层地温能可以替代2.6亿吨标准煤，减少排放意义重大。

浅层地温能可以说是一种取之不尽用之不竭的绿色新能源。浅层地温能推广本身具有诸多优势，潜力巨大。

第一：储量惊人。据专家测算，我国近百米深的土壤每年可采集的低温能量约是我国目前发电装机容量10亿千瓦的1500倍，而百米内地下水每年可采集的低温能量也有2亿千瓦。经计算仅北京规划区2000平方千米浅层地温能的储量相当于1.07亿吨标准煤，如果把目光投向全国，显然数字将变得更为巨大。

第二：利用浅层地温能主要是运用地源热泵技术，根据地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，通过输入少量的高品位电能，将低品位热能向高品位转移，来实现建筑物的供暖和制冷，其效能比可达到3，因此其在经济上比较合算。1平方米建筑投资约为250元至380元，比同样满足供暖、制冷和生活热水条件的燃气和空调系统等降低20%～30%，其运行费用明显低于其他清洁能源，几年就可收回设备的初始投资，可见其可用性极强。

第三，可循环再生。浅层地温能的能量主要来源于地球内部的热能（少部分来自太阳辐射能），而这两种能源相对人类历史来说为可再生资源，从利用该种能源的角度来讲，冬季从地层中取出热量给建筑物供暖，夏季吸收建筑物的热量释放到地层中储存，这样，全年建筑物冬季采暖所需的热量，总体上可与来自地球深部的热传导和夏季储存的热量实现平衡，使浅层地温能得以能够持续循环地利用。

参考文献：

1.中国建筑科学院主编，《地源热泵系统工程技术规范》2005，北京：中国建筑工业

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2.韩再生冉伟彦城市地区浅层地温能评价方法探讨；

3.王秉忱“我国地温资源与地源热泵技术现状与发展趋势”报告；

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9.中国网浅层地温能：亟待规范发展的新能源；

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11.艾凯数据研究中心等待深度开发的绿色可再生能源—浅层地温能(17121)；