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淺層地溫能開發利用前景廣闊

更新時間:2016-08-04      瀏覽次數:855

淺層地溫能開發利用前景廣闊

隨著我國國民經濟的快速增長,能源形勢日趨嚴峻。淺層地溫能是一種清潔、價廉、豐富且可再生的新型環保能源,也是一種特殊的礦產資源,利用前景廣闊。開發利用淺層地溫能對構建資源節約型和環境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現有能源結構、促進國家節能減排戰略目標的實現具有非常重要的現實意義。本版邀請中國地調局淺層地溫能研究與推廣中心主任衛萬順和總工程師冉偉彥為讀者講解淺層地溫能的有關知識,介紹資源開發利用狀況和今后一段時期的重點工作,以期對大家有所幫助。

  問:地質工作在淺層地溫能開發利用中的作用是什么?
  答:淺層地溫能是存在于地下隱蔽地質體中的一種無形自然資源,地質條件對開發利用起著舉足輕重的作用,所以有必要采取專門的勘查方法對其進行資源量的估算和開發適宜性的評估。因此,要發揮地質工作的專業技術優勢,國家需要利用這一技術優勢為節能減排工作服務,地勘單位應主動出擊,把握機遇、履行責任、開拓市場,使淺層地溫能資源的開發利用成為地勘單位一個新的經濟增加點。

  問:圍繞淺層地溫能勘查評價和開發利用國土資源部門做了哪些主要工作?
  答:國土資源部十分重視淺層地溫能勘查評價和開發利用工作。2006年開始淺層地溫能勘查評價試點工作;2007年國土資源部在北京組織召開了全國地熱能(淺層地熱能)開發利用現場經驗交流會,中國地質調查局在北京市地勘局成立中國地質調查局淺層地溫能研究與推廣中心;2008年國土資源部下發了《國土資源部關于大力推進淺層地熱能開發利用的通知》,全面部署我國淺層地溫能資源的勘查評價、規劃編制和地質環境監測工作;2009年國土資源部在天津召開了全國淺層地熱能和地熱能資源管理工作會議,頒布了《淺層地熱能勘查評價規范》;中國地質調查局委托中國地調局淺層地溫能研究與推廣中心、北京市地勘局舉辦了四屆全國淺層地溫能勘查評價和開發利用研修班。徐紹史部長要求,要突出淺層地溫能開發利用這一重要工作,將加強淺層地溫能與地熱資源評價、規劃和開發利用作為開拓新領域、延長工作鏈的一項重要工作予以支持,完善措施,強力推進,盡快形成新的局面。近,由北京市地質礦產勘查開發局、中國地質調查局淺層地溫能研究與推廣中心組織編寫的《中國淺層地溫能資源》正式出版,汪民副部長為該書寫了序。該書的出版,對全國淺層地溫能調查評價和開發利用工作具有重要的指導作用和參考價值。由此可見,全面加強淺層地溫能勘查評價和開發利用的局面即將形成。
  問:今后一段時期的重點工作是什么?
  答:針對目前淺層地溫能開發利用中存在的一些問題,今后一段時期的重點工作主要是盡快開展淺層地溫能勘查評價工作,摸清資源家底;關注淺層地溫能開發利用對地質環境的影響;制定優惠政策支持淺層地溫能開發利用;提高淺層地溫能資源的社會認知程度。

*節
淺層地溫能概念、特點及利用價值

  淺層地溫能(又稱淺層地熱能)是指蘊藏在地表以下一定深度(一般小于200米)范圍內巖土體、地下水和地表水中具有開發利用價值的一般低于25℃的熱能。淺層地溫能是深層地熱能與太陽能共同作用的產物。
  淺層地溫能利用價值在于地層中比較恒定的溫度與冬、夏兩季外界空氣存在較大的反向溫差,這種溫差即為潛在的可被利用的熱能。淺層地溫更接近于使人舒適的室溫,當用熱泵為建筑物供暖時,用熱泵提溫的幅度較小,使熱泵機組運行工況更穩定、合理,所以當提供同樣的熱量時需要的電能較少;夏季制冷時,淺層地溫能可提供比空氣低得多的溫度,使制冷機組的效率提高,因此節約電能。淺層地溫能所賦存的空間有較大的熱容量,且有較強的恢復能力,淺層地溫能可在一個使用季節中通過暫時降低溫度持續不斷地輸出熱能,而在非使用期得到恢復,這種年內能夠恢復的熱輸出量即為淺層地溫能的合理開采量,這種多年可持續利用的熱能就是淺層地溫能的利用價值。
  毋庸置疑,淺層地溫能可以在一定的開采強度、合理的系統分布情況下,在冬、夏兩季數月內連續為水源熱泵機組提供穩定的低溫熱源(或熱匯),例如冬天供暖時,淺層地溫能為水源熱泵機組提供的熱能占到了熱輸出的70%~80%,在當前經濟技術條件下具有很大的利用價值。所以根據以上定義,淺層地溫能無疑是一種無形自然資源中的新能源。
  淺層地溫能具有如下特點:
  一種新型戰略資源。淺層地溫能資源既是清潔能源,又是可再生能源,所以開發利用淺層地溫能資源是保障國家能源安全的必然選擇,是確保我國能源結構調整的需要,是實現節能、減排戰略目標的重要手段。
  分布廣泛、能量巨大。淺層地溫能資源廣泛分布于除了赤道附近和高緯度地區之外的廣大區域,尤其在中緯度、四季氣溫變化明顯的地區有較高的利用價值。據專家測算,我國每百平方公里(相當于一個中等城市的面積)近百米深度內的土壤每年可采集的低溫能量是1560×104千瓦,而百米內地下水每年可采集的低溫能量也有21×104千瓦。
  可循環利用。淺層地溫能經過一個冬季的連續開采利用后,在換熱區域內造成了局布地溫場異常,存在一定的熱虧損。由于異常區與周圍正常地溫存在一定的地溫梯度,因而產生恢復性熱流,這種熱流可在其他三個非使用季節使換熱區的熱虧損得到自然補充,逐步恢復到平衡狀態;有制冷需求的工程則可在夏季制冷時的反向利用(放熱)中得到人工補給,使開發利用工程年內總的熱開采量和補充量基本達到平衡。所以,淺層地溫能在季節性利用后可通過自然和人工補給或冬、夏兩個季節的反向溫差利用后基本保持地溫場的動態平衡,從而可長期循環利用。
  可就近利用。由于資源無處不在,利用工程可以就地取(排)熱、就地取材,與地源熱泵系統緊密結合為建筑物供暖和制冷。與傳統能源相比可節省大量運輸、傳輸和存放成本。如果大量采用則可提高資源的本地化水平,在一定程度上改善能源結構。
  可實現節能減排。淺層地溫能資源的開發利用只通過消耗少量的電能,能夠從淺層巖土體、地下水中提取大量的熱量或冷量,而地下水的水質、水量不發生任何變化,在城區不向大氣排放二氧化碳等氣體及灰塵,對外界環境影響極小。與傳統的鍋爐供暖相比,地源熱泵系統對一次能源利用率可以達到90%,而中型鍋爐房則僅為65%左右,相對節能約38%。可以說淺層地溫能資源的開發利用即達到了節能又起到了減排的作用,一舉兩得。淺層地溫能資源的開發利用為解決建筑節能減排提供了一條重要途徑。

第二節
破解淺層地溫能勘查滯后的難題

發展淺層地溫能資源是大勢所趨
    大力發展淺層地溫能資源可有效地緩解我國化石燃料緊張局面。《北京市平原區淺層地溫能資源地質勘查》項目成果得出,在北京平原區地溫降低1℃時,3米~150米深度內靜態資源量為每年1.94×1015千焦,折合標準煤0.662億噸;冬季可利用資源量為每年4.48×1014千焦,折合標準煤0.153億噸,可供暖面積約9.6億平方米;夏季可利用資源量為每年8.95×1014千焦,可供冷面積約16.0億平方米。據北京市總體規劃目標,到2020年北京市供暖總面積才達到10億平方米。若大力發展淺層地溫能可優化能源結構,有效緩解化石燃料緊張局面。
  大力發展淺層地溫能資源可有效地緩解我國環境的巨大壓力。如按北京市2008年底已實現供暖/制冷面積1300萬平方米計算,與燃煤+冷水機組相比,每年可減少煙塵排放量0.055萬噸,二氧化硫0.52萬噸,二氧化碳35.4萬噸,氮氧化合物0.2萬噸;與蓄熱式電鍋爐+冷水機組相比,每年可減少煙塵排放量0.2萬噸,二氧化硫1.9萬噸,二氧化碳130.6萬噸,氮氧化合物0.7萬噸。同樣利用淺層地溫能供暖/制冷,如按可供暖面積9.6億平方米計,與燃煤+冷水機組相比,每年可減少煙塵排放量4.09萬噸,二氧化硫38.33萬噸,二氧化碳2610.13萬噸,氮氧化合物14.43萬噸。
  大力發展淺層地溫能資源可明顯提高我國節能效果。如按北京市2008年底已實現供暖/制冷面積1300萬平方米計算,與燃煤+冷水機組相比,每年可節約能耗折合標準煤14.8萬噸;與蓄熱式電鍋爐+冷水機組相比,每年可節約能耗折合標準煤54.7萬噸。同樣利用淺層地溫能供暖/制冷,如按可供暖面積9.6億平方米計算,與燃煤+冷水機組相比,每年可節約能耗折合標準煤1090萬噸。
  淺層地溫能勘查滯后的難題亟待破解
    勘查評價是淺層地溫能科學開發利用的基礎。淺層地溫能是蘊藏在地表以下一定深度內的低品位的地熱資源,其分布狀態、運移規律、品位高低、開發利用方式及規模等均受到地質體富水性及導熱性能等的制約,認識、了解淺層地溫能存在的地質條件十分重要,特別是淺層地溫能開發利用工程中采集和釋放熱的能力和強度與當地地質環境組成、地質環境中流體部分的活動能力和巖土固體顆粒部分的熱傳導能力有直接關系。因此,在談到一個地區淺層地溫能潛力及其開發利用前景時,首先需要掌握該地區的區域地質背景,從宏觀上把握淺層地溫能地質條件和地溫場分布,以便為開發利用奠定基礎。
  淺層地溫能存在的本質是冬、夏兩季地層中比較恒定的溫度與外界空氣存在較大的反向溫差。在合理布局、科學開采的情況下,淺層地溫能是一種取之不盡、用之不竭的自然資源。熱泵技術使淺層地溫能的開發利用成為可能,可供人類長期使用。任何資源都有可采資源量和開采強度的限度,特別是大多數可再生能源都具有分散、低品位的特性,有些還受季節或再生周期的限制,因此資源的勘查評價是科學開發利用的基礎。淺層地溫能是存在于地下隱蔽地質體中的一種無形自然資源,地質條件對開發利用起著舉足輕重的作用。所以有必要采取專門的勘查方法對其進行資源量的估算和開發適宜性的評估。
  據介紹,我國近年來淺層地溫能開發迅速,市場化推動為主,由于淺層地溫能資源調查、評價滯后,技術標準和開發利用相關技術研究的薄弱,仍存在開發利用地區發展不平衡等問題。因此開展淺層地溫能勘查評價是政府部門做好淺層地溫能開發利用規劃和管理的基礎性工作。

第三節  
摸清主要城市淺層地溫能資源家底

    充分發揮“北京平原區淺層地溫能資源地質勘查”成果的示范作用
    2006年4月,北京市地勘局向北京市政府提交了《北京市淺層地溫能開發利用現狀、問題與對策戰略研究》成果的報告。報告得到北京市政府的高度重視,北京市財政局同意開展淺層地溫能資源地質勘查工作。該成果明確提出淺層地溫能屬于資源范疇,科學厘定了淺層地溫能概念及其資源特點;建立了淺層地溫能調查評價體系,為國內其他城市開展同類工作具有重要的示范指導作用;計算了北京平原區3米~150米深度范圍內的淺層地溫能資源量,初步分析了北京平原區淺層地溫能資源潛力;采用GPRS無線遠程傳輸系統和網絡化管理的方法,初步建立了淺層地溫能資源開發利用對地質環境影響監測系統框架;對淺層地溫能資源量計算方法進行系統分析研究,確定了淺層地溫能資源量計算方法;對淺層地溫能資源量評價的相關參數進行了系統研究;利用ARCGIS技術建立了北京平原區淺層地溫能資源專項地質勘查數據庫;初步查明北京地區淺層地溫能資源開發利用工程現狀;詳細分析了淺層地溫能資源開發利用的能耗,淺層地溫能開發利用與傳統供暖、制冷相比節能明顯。這一成果意義重大,對北京市新能源的開發利用提供了強有力的科學支撐。
繼續完善淺層地溫能勘查—評價—開發—監測方法理論體系
    “北京平原區淺層地溫能資源地質勘查”項目已獲得一系列成果:查明了北京平原區6400平方公里范圍內地表下3米~150米的淺層地溫能資源特征和分布規律,研究評價了淺層地溫能的資源量,并進行了開發利用方式適宜性區劃,為確保應用的可持續性,初步建立了從資源賦存地質條件調查、適宜性區劃、資源量計算、潛力評價、效益分析和環境監測等的資源勘查—評價—開發—監測方法理論體系。成果內容居世界科學前沿,總體達到先進水平。為全面開展淺層地溫能資源勘查—評價—開發—監測提供了理論基礎和方法保障。
盡快摸清我國主要城市淺層地溫能資源家底
    2008年12月,國土資源部下發了《關于大力推進淺層地熱能開發利用的通知》,從調查評價、編制規劃、加強監測三個方面,對大力推進我國淺層地溫能資源的開發利用進行了部署。國土資源部這一部署是非常及時和必要的,表明我國的淺層地溫能資源開發利用將駛入科學化、規范化軌道。面對全國的發展形勢和需求,國土資源部地質環境司、中國地質調查局借助中國地質調查局淺層地溫能研究與推廣中心這個平臺,連續三年成功舉辦了四期全國性的淺層地溫能資源勘查評價和開發利用研修班暨學術交流會,為在全國范圍推廣利用淺層地溫能工作儲備了人才。因此,各地區都應積極利用這些優勢,及時開展淺層地溫能的調查評價工作,查清淺層地溫能資源分布特點等,為今后科學開發利用淺層地溫能、編制專項規劃提供依據。

第四節
關注地溫能開發利用對地質環境的影響

    淺層地溫能開發利用主要有兩種方式,即地下水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統。隨著使用淺層地溫能項目的增多、規模的擴大,不同利用方式在其發展過程中出現了一些問題,如地下水源熱泵系統地下水回灌難,造成水位下降,地面沉降;系統整體不節能;水質污染;地溫場的變化等問題。
  地下水熱泵系統是通過抽取地下水,利用地下水全年溫度恒定的特點,與水源熱泵的冷凝器或蒸發器進行熱交換,或通過板式換熱器與冷凝器產生的高溫熱水(夏季工作時)或蒸發器產生的低溫冷水(冬季運行時)進行熱交換。然后將置換冷量或熱量后的地下水全部回入同一含水層中。目前地下水連續、實時回灌的技術尚不成熟,多為自然回灌,造成回灌量降低的原因主要是回灌井的堵塞現象。造成堵塞的原因包括物理、化學等原因。如果成井工藝不當,可能造成水中含沙量較多,造成井的物理堵塞而影響回灌。另外,抽/灌水溫度的不同和壓力的變化,使水中一些物質析出、沉淀也是造成井堵塞的原因之一。在大多數情況下,回灌井的堵塞不可避免。回灌不利又可造成水資源浪費,并且是造成地面沉降的隱患。淺層地溫能開發利用可能造成水質污染是因為不同水質的含水層水混抽混灌引起的。對于直接進入機組的地下水工質、潤滑油的泄漏也是水質污染潛在的危險。目前,由于缺乏必要的地質環境影響監測系統,淺層地溫能開發對地質環境的影響沒有定論。所以需要對地下水位、水質、水溫進行長期監測,以便及時發現問題。
  地埋管地源熱泵系統由于采用埋管的閉式循環進行換熱,對地下水影響不大,但需要較大的換熱溫差和較高的埋設密度,對局部地溫場的干擾比較大。因此有必要在土壤換熱孔內不同深度和周圍土壤中布置測溫元件,采集其溫度場,測得土壤層內溫度變化動態,更好地為優化設計、計算換熱量和評價環境影響提供可靠的實驗依據。當換熱管內的傳熱介質含有防凍劑時,如果泄漏,也可能造成對地下水的污染。施工中如果換熱孔穿透不同水質的含水層,也有可能造成地下水水質的改變。因此,有必要對地下水、地溫場采取一定的監測措施。
  《北京平原區淺層地溫能資源地質勘查》成果采用GPRS無線遠程傳輸系統和網絡化管理的方法,建立了地下水式地源熱泵系統監測站1處、地埋管式地源熱泵系統監測站1處以及20個地源熱泵系統監測點,實現了現場數據的遠程傳輸,系統運行各項數據的實時監控,取得了部分監測數據。利用ARCGIS技術建立了北京平原區淺層地溫能資源專項地質勘查數據庫。在實施《北京市平原區淺層地溫能資源地質勘查》項目的過程中,北京市地勘局在平谷建立了一個關于淺層溫能開發利用的實驗平臺。
  各地在開發利用淺層地溫能的同時應建立淺層地溫能地質環境影響監測網。對不同深度的地溫場、地下水水位和水質、地面標高等項目實施長期監測,及時掌握地溫變化動態、水土質量和地面變形情況,一旦發現地溫長期持續單向變化,或水土污染、地面沉降,應立即采取有效措施加以解決,防止產生地質環境問題。為了對淺層地溫能開發利用方法、技術等方面加強示范引導,各省(區、市)應選擇有代表性的城市建立若干監測實驗區。

第五節  
推進淺層地溫能開發利用的快速發展

    淺層地溫能開發利用需要優惠政策支持
  淺層地溫能開發利用明顯受經濟成本與效益制約。淺層地溫能資源開發利用的主要方式是地源熱泵技術。因此,地源熱泵項目的經濟效益分析和研究對于淺層地溫能開發利用具有十分重要的意義。地源熱泵系統經濟分析的主要費用構成是項目初投資、運行成本和投資回收周期。
  工程初投資:工程初投資包括熱泵機房、室外換熱系統和室內末端系統三個部分。影響地源熱泵空調系統初投資的因素很多,如氣候條件、地質條件、建筑類型、建筑密度、材料和勞動力價格水平等。從初投資上看,全國不同類型的項目,從南到北,氣候不同,使用功能不同,會有較大的差距。
  運行成本:熱泵系統運行成本包括年消耗能源費用、熱泵系統管理維護人員工資和熱泵系統維修費三部分。
  影響運行成本的因素主要有,地下換熱器的影響;土壤特性對地源熱泵的運行特性有重要的影響;熱泵機組性能、容量和循環泵的類型;地下換熱器設計不當的影響;運行管理策略、運行方式和日常維護的合理性。
  根據實際工程運行統計,在地質條件適宜,系統配置合理的情況下,地源熱泵與傳統的中央空調系統相比,冬季采暖運行成本可以節約30%以上,夏季可以節約10%以上。
  投資回收周期:投資回收周期是工程增量成本與年節約運行費用的比值,它是評估能源利用是否合理的主要指標之一。地源熱泵系統靜態投資增量回收期大概在4~10年不等,伴隨著地源熱泵技術逐步推廣應用,政府補貼的逐步完善,產業化規模不斷加大,生產廠家和集成商逐漸增多,市場競爭逐漸加劇,地源熱泵系統初投資將會進一步降低,這將有利于費用年值降低和投資回收期的縮短,更有利于地源熱泵技術在全國的推廣應用。
  為應對經濟發展與能源短缺的矛盾,一些國家自20世紀80年代開始,在大力開展替代能源技術研究與創新的同時,大力開展制度創新,運用各種經濟手段鼓勵和促進可再生能源的發展。國外的做法主要包括政府直接投資,設立專門機構負責推廣可再生能源,另外,政府出資開展資源調查與評價,同時為商業化發展提供免費的信息服務;政府也會給予適當的補貼扶持可再生能源的發展;通過稅收、價費優惠措施也是激勵可再生能源發展的手段之一。通過收集我國及各省(區、市)從2004年至2008年的各類實施意見、管理辦法、指導意見、規劃、標準。已出臺政策的省份(城市)以北方為主,說明開發利用主要集中在北方地區。地源熱泵系統用在供暖解決能源及大氣污染問題需求更迫切。政策及規范的制定以建設主管部門為主,另外,已有政策較分散,對地下資源的合理利用關注不足。對地下水源熱泵管理嚴格,為保護地下水資源安全,如北京、天津、武漢對地下水源熱泵發展有管理規定,審批較嚴格。一方面保護了水資源,但在一定程度也限制了水源熱泵系統的開發利用,大多數城市趨于對地下水資源的保護,采取謹慎態度。從中不難看出,淺層地溫能開發利用的快速發展與政府政策扶持力度的逐步加大息息相關。
  根據北京市能源規劃和地熱規劃的要求,“十一五”期間,北京市利用淺層地溫能面積將達到3500多萬平方米。為進一步優化北京能源結構,提高能源利用效率,加強和規范熱泵系統的管理,促進城市的可持續發展,2006年5月,北京市政府印發《關于發展熱泵系統的指導意見》,對選用地下(表)水源熱泵,每平方米補助35元,選用地源熱泵和再生水源熱泵的,每平方米補助50元。
  2009年財政部、住房和城鄉建設部下發了《關于印發可再生能源建筑應用城市示范實施方案的通知》。《通知》指出,為貫徹國務院關于節能減排戰略部署,深入做好建筑節能工作,加快可再生能源在城市建筑領域應用,對納入示范的城市,中央財政將予以專項補助5000萬元,具體根據2年內應用面積、推廣技術類型、能源替代效果、能力建設情況等因素綜合核定,切塊到省。推廣應用面積大,技術類型先進適用,能源替代效果好,能力建設突出,資金運用實現創新,將相應調增補助額度,每個示范城市資金補助高不超過8000萬元。《通知》中的“可再生能源在建筑中的應用”主要指太陽能和地源熱泵技術,其中地源熱泵包括土壤源熱泵、淡水源熱泵、海水源熱泵、污水源熱泵等技術。
  近年來,雖然一些地方政府以極大的熱情和力度來推廣淺層地溫能,但仍存在市場不規范、地區發展不平衡等問題,亟待政府相關部門制定一系列優惠政策,進一步鼓勵、引導和規范行業的有序發展,促進我國淺層地溫能的科學、有序的開發利用。
    淺層地溫能資源的社會認知程度亟須提高
  淺層地溫能開發利用在國外發展了幾十年。在我國該項技術起步較晚,只有十多年的歷史,盡管目前淺層地溫能供暖在我國已經有了大量的應用實例,在我國也有多家研究機構和企業對淺層地溫能開發利用技術進行性能研究和工程實踐,但由于社會各界包括開發商及相關部門管理者對這一技術相關知識了解不夠,對技術的經濟性和穩定性還不了解,認知程度還遠遠不夠;一些設計單位由于認知不足,缺乏經驗,還沒有接受這項技術,采取敬而遠之的態度。這些都嚴重制約了淺層地溫能開發利用的推進。
  因此,各地應提高全社會對淺層地溫能開發利用的認知程度。有關部門應加強淺層地溫能開發利用的宣傳工作,普及淺層地溫能知識,推進學科間的溝通互動,促進這一新能源的開發利用。在這一點上,國土資源管理部門責無旁貸,大有可為。我們應該抓緊時機,利用媒體,組織專題報道和科普宣傳,尤其是把一些開發利用較好的項目作為示范向全國推介,大力宣傳其節能減排的實際效果,使這一綠色環保新型能源真正深入民心。各地應進一步提高認識,積極行動起來,營造一種大力推進淺層地溫能開發利用的良好社會氛圍。
  此外,為更好地開發利用這項技術,各大專院校、科研單位、專業協會及相關單位應發揮各自專業優勢,組織開展淺層地溫能調查評價及開發利用相關技術培訓和技術交流。針對技術難題,進行科技攻關,不斷提高淺層地溫能開發利用的科學技術水平。
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  總之,淺層地溫能是一種可再生的新型環保能源,瞄準淺層地溫能資源是大勢所趨,要緊緊盯住關鍵問題,大力推進淺層地溫能開發利用的快速發展。必須破解淺層地溫能資源勘查滯后的瓶頸問題,盡快摸清我國主要城市淺層地溫能資源家底;超前關注淺層地溫能開發利用對地質環境的影響;積極降低經濟成本,制定優惠政策,提高開發利用淺層地溫能的積極性;加大宣傳培訓,提高全社會對淺層地溫能資源的認知程度。

 

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