科学研究 - 秋田大学探索在塔吉克斯坦利用“地源热”供能与脱碳化

无论盛夏还是严冬，地下十几米深处的温度几乎不会发生变化。利用这种稳定的“地源热”的供暖制冷系统，作为降低对化石燃料的依赖、实现脱碳社会的重要手段，正在受到全球的关注。

秋田大学国际资源学部2021年开始在中亚国家塔吉克斯坦推进利用地源热供能的项目。该项目不仅验证了此前被认为难以在干旱地区利用的地源热的应用潜力，还致力于当地人才培养、制度设计，以及构建日本与塔吉克斯坦之间的信任关系。

记者采访了项目负责人、秋田大学大学院国际资源学研究科科长兼国际资源学部学部长稻垣文昭，以及地下水分析小组负责人、该研究科特任教授石山大三，请他们介绍了该项目迄今取得的成果以及今后的展望。

照片左：在塔吉克斯坦安装地源热交换器的情景（供图：日本地下水开发公司）；照片右：示范工厂安装的地源热热泵（供图：稻垣教授）

地源热热泵系统可节能30%～50%

夏天接触地下水会觉得凉，冬天接触则会觉得暖。这是因为地下十几米深处不易受到地表气温变化的影响，全年基本维持在15摄氏度左右。这种热能被称为地源热，将其作为供暖和制冷的热源加以利用的，就是“地源热热泵系统”（GSHP）。通过让防冻液或地下水在埋设于地下的管道（即地源热交换器）中循环，释放热量或吸收热量，从而调节室内温度。

普通空调需要与室外空气进行热交换，因此在室内外温差较大的盛夏和严冬，效率会降低。相比之下，GSHP以温度变化较小的地源热为热源，可发挥较高的能源效率。据稻垣教授等人介绍，与原有的供暖制冷系统相比，预计可将耗电量降低约30%～50%。

在日本国内，秋田市政府办公楼、羽田机场等场所已经采用了这一系统，在寒冷地区还被用于道路融雪系统。随着提高能源自给率的需求不断增加，该技术作为有效利用可再生能源的手段之一，也备受期待。

地源热热泵系统（GSHP）的工作原理（日本环境省提供）

有些家庭一个冬天要烧掉5吨煤

专业领域为中亚政治和能源政策的稻垣教授自2007年以来，几乎每年都会前往塔吉克斯坦。他在那里亲眼看到了冬季供暖能源不足这一严重课题。

塔吉克斯坦被群山环绕，还拥有冰川，发电量的约96%依靠水力发电。然而，在气候严寒、供暖需求旺盛的冬季，因融雪水减少、河流结冰，导致发电量下降。当地居民只能燃烧煤炭取暖，一个家庭一个冬天消耗5吨煤也并不罕见。当地依赖苏联时期遗留下来的老旧基础设施，冬季停电也频繁发生。

利用地源热被认为是解决这些问题的有效手段。这种做法不仅能够稳定供应能源，同时还可以降低对煤炭等化石燃料的依赖，从而减少二氧化碳排放量。

稻垣教授与地源热研究领域的权威、秋田大学研究生院教授藤井光，以及专门研究资源环境领域的石山教授等人展开了合作。2021年，他们依托日本国立研究开发法人科学技术振兴机构（JST）和日本独立行政法人国际协力机构（JICA）作为政府开发援助（ODA）实施的国际共同研究项目“应对全球问题的国际科学技术合作计划”（SATREPS），启动了“利用地源热构建脱碳型热能供应系统”项目。

塔吉克斯坦首都杜尚别。城市被群山环绕，来自冰川的地下水资源丰富（供图：稻垣教授）

分析地下水成分，为水资源管理提供帮助

该项目目前主要围绕三大领域推进研究，分别是“利用示范工厂开展GSHP长期供暖制冷试验”、“利用人工智能（AI）构建地源热能潜力地图”以及“包括资金筹措在内的制度设计”。

在中亚干旱地区，由于地下水位较深、土壤含水量较低，此前一直没有地源热的应用案例。然而，对塔吉克斯坦首都杜尚别的地下水分布进行调查后，研究人员发现当地适合采用GSHP。由于杜尚别位于盆地，周边山区冰川为其提供了丰富的地下水，同时地下温度也较为稳定。

对示范工厂开展验证试验所得的数据进行分析后，稻垣教授表示：“制冷的节能效果方面，最初按照最保守估计为30%，但实际确认达到了41%。由此发现，即使在中亚地区，地源热也具有充分的利用潜力。”

此外，研究人员还在杜尚别周边约130个地点进行了地下水分析。石山教授解释说：“这项调查原本是为了利用地源热而开展的，但也获得了能够用于水资源管理的数据。”研究人员分析了地下水中的钙含量、碳酸成分以及铀浓度等，获得了饮用水管理所需的重要数据。

在杜尚别，随着城市化导致人口增加，确保饮用水供应成为必要条件，水资源管理也成为一项课题。不过，此前塔吉克斯坦没有地下水分析设备，因此一直无法着手开展水质调查。此次建立的水质相关数据库也有助于今后的公共卫生和水资源行政管理。

石山教授（最左）指导当地人员开展地下水调查方法（供图：石山教授）

文理科研究人员携手推动成果落地

项目将于2027年春季结束。项目启动之初受新冠疫情扩大导致的出行限制影响，此后又因俄乌冲突造成物流停滞等，面临了各种困难。此外，由于塔吉克斯坦行政体系复杂等原因，研究所需地质数据的获取也迟迟难以推进。研究人员通过耐心的努力以及在当地进行细致沟通，逐一克服了这些障碍。

稻垣教授和石山教授都表示，经过近6年的努力，越来越认识到有必要加强面向年轻人的理工科教育和人才培养。当地年轻学生虽然有着强烈的学习意愿，但由于塔吉克斯坦从前苏联独立后，又经历了内战，被迫从零开始建设国家，因此支撑研究工作的基础教育环境尚未完善。

石山教授表示，“我还听到过有人说自己从来没有见过温度计”。研究人员有时甚至需要利用当地能够采购到的材料，手工制作实验装置。因此，该项目不仅要针对地源热利用开展专业技术指导，还持续通过线上方式，细致指导当地人员，尤其是年轻研究人员使用电子表格软件Excel进行数据管理，以及开展研究的方法。

设置于塔吉克斯坦科学院的手工制作的离子交换式纯水制备系统。这是制备用于尖端化学分析的高纯度纯水时不可或缺的设备（供图：石山教授）

稻垣教授表示，“如何在塔吉克斯坦推广GSHP，以及如何让它纳入国家能源政策体系，这一点非常重要”。不过，他也苦笑道：“其实，地源热并不是我的专业领域。”由专攻政治学与国际关系这一文科领域的研究人员担任项目负责人开展SATREPS项目的情况并不多见。但石山教授表示：“要实现的不仅是技术转移，还要为研究成果走向社会应用铺平道路，因此，让能够从社会学视角审视项目的研究人员参与其中，意义非常重大。”