基于调查的能源岩土结构实施推进中的关键挑战研究

《Geothermics》：A survey-based investigation of key challenges in advancing the implementation of energy geostructures

　　

能源岩土结构（EGs）在技术上已成熟，但其大规模实施仍然有限。经济约束、专业知识差距和指南不足是关键障碍。EGs项目、培训计划和设计指南正在增长。更强的社会参与和政策倡导对于促进采用至关重要。

**能源岩土结构实施的关键挑战：基于问卷调查的实证研究**

**研究背景与问题**
自20世纪90年代以来，全球CO₂排放量增加超过46%，导致平均气温显著上升。若所有可持续发展承诺得以有效实施，本世纪末温度预计升高2.8°C，将加剧干旱、强降水等极端事件，威胁建筑与基础设施安全。欧盟（EU）旨在2030年前将温室气体（GHG）净排放量减少至少55%，并于2050年实现碳中和。供暖与制冷能耗约占欧盟总能源消耗的50%，但可再生能源渗透率仅接近25%，凸显对创新高效技术的迫切需求。能源岩土结构（Energy Geostructures, EGs）是一种兼具结构支撑与热交换功能的多功能技术，通过将换热管道嵌入桩、墙、隧道衬砌等岩土构件中，利用地热实现低焓地源热泵系统。尽管EGs在技术上已成熟，但全球范围内其大规模实施仍极为有限——欧洲新住宅建筑中仅约0.015%采用了EGs（含能源桩与能源板），而其他地区占比更低（2%-7%）。这一巨大差距表明，从理论可行性到实际部署之间存在显著脱节。因此，本研究旨在系统评估当前阻碍EGs广泛采用的关键障碍，为政策制定、培训指南和标准化建设提供实证依据。

**研究方法**
研究团队基于COST Action FOLIAGE（CA21156）工作组的框架，设计并实施了一项国际在线问卷调查。问卷涵盖四个部分：参与者背景（包括所属机构、教育水平、专业经验等）、设计相关挑战（如分析工具缺乏）、执行阶段障碍（如设备协调）以及监测与维护方面。调查通过国家岩土组织、专业社交网络及已知活跃从业者定向分发，最终回收155份有效问卷。样本主要来自欧洲（占多数），兼有北美及其他地区，覆盖学者、工程师、承包商和决策者等多种角色，其中52%来自私营企业，37%为公共部门人员，8%为学生。尽管存在地域偏差（欧洲集中），但当前EGs实施也主要集中于欧洲，样本分布基本反映领域现状。

**研究结果**
**3.1 经济障碍**
在整个调查中，27%的受访者将经济约束视为主要障碍，但在未成功实施的项目中此比例升至31%，而在成功实施的项目中降至23%。这表明经济因素在初期决策阶段尤为关键，但一旦项目推进，其他障碍的相对重要性上升。现有文献中，经济分析案例（如Cousin等，2019）显示，能源隧道的最佳设计不一定实现最低的平准化能源成本（Levelised Cost of Energy, LCOE），而低效设计会损害经济吸引力。研究呼吁加强经济评估的传播，以证明EGs的可行性。

**3.2 培训与专业知识障碍**
无论项目是否成功，23%的受访者将缺乏专业知识列为关键障碍，90%的受访者认为急需设计及执行相关的培训。尽管46%的受访者认为存在用于能源桩的全面且用户友好的设计工具，但24%不知晓此类工具，30%认为不存在。在提及具体工具时，COMSOL Multiphysics被引用最多（36%），但多为学术背景使用者；简易工具如GeoPile和ThermoPile引用较少，反映从业者可能过度依赖复杂数值模拟，忽视简化方法。此外，58%声称知晓工具存在的受访者无法具体命名，表明知识缺口显著。

**3.3 指南与标准的可用性**
对于各种EGs类型（桩、墙、板、隧道等），大多数受访者要么不知道存在设计/执行标准，要么断言不存在。即使在已有国家指南（如瑞士SIA标准、法国CFMS建议、中国技术标准等）的国家，71%的受访者仍不知晓这些文件。现有指南主要针对能源桩，对其他类型覆盖不足，且内容不统一。欧洲层面，Eurocode 7的下一个版本将专门增加EGs设计附录，欧洲大型岩土研究所平台（ELGIP）也正在制定推荐规范。

**3.4 法律方面**
仅14%的受访者知晓本国存在要求安装监测系统的法律规定，超过50%回答“不知道”。法律问题在项目中止原因中仅占9%，表明立法未被广泛视为主要障碍。但不同国家法规碎片化（如地下水保护法与可再生能源促进法的冲突）仍需协调。欧盟层面，可再生能源指令（RED III）及建筑能效指令（EPBD）已间接支持EGs，但缺乏专门统一的国际标准。

**3.5 其他方面**
技术问题在成功项目中占15%，在未成功项目中占9%，说明技术挑战是可管理的工程难题而非致命障碍。组织协调不畅（如责任划分不清）是程序瓶颈，需早期规划。政治因素在未成功项目中占比更高（11% vs 5%），反映前期设计阶段存在顾虑。关于EGs维护频率，回答分散（多数“不知道”或“每年”），关于寿命，25%熟悉EGs的受访者仍表示“不知道”，11%误认为EGs寿命短于传统结构。这些误解源于缺乏长期运行数据，需加强实况反馈。

**总结与讨论**
本研究通过国际调查确认，EGs大规模实施的主要障碍并非技术成熟度，而是经济约束、专业知识缺乏及指南不足。成功项目经验表明这些障碍可被克服，但需多方协同：加强培训课程（如继续教育、硕士/博士课程）、完善设计指南并统一标准、提高政策支持（如明确纳入补贴计划、简化审批流程）。研究人员指出，提升社会参与度、增强公众和决策者对EGs潜力的认知，是推动其气候减缓贡献的关键。研究结论强调，应整合行业、专业协会与学术界力量，建立集中化信息平台，并倡导政策制定者将EGs明确纳入可再生能源与能效框架。论文发表在《Geothermics》。