从温泉水说起
人们常见从地下和岩缝中冒出的水流，叫它为泉水。其中有的泉水还是热的，它的温度比当地的年平均温度还高，这就叫温泉。通常温泉的温度为25℃至40℃，高于40℃的称为热泉。有的泉水温度比当地水的沸点还高，常呈沸腾状，所以又叫沸泉。
温泉水流出地面，热气腾腾，有的在泉口附近形成池塘，这就叫热水塘，面积稍大的又称热水湖，还有顺坡而下流成河沟的，则叫它热水河。过去河北省的承德市曾是原热河省的省会，就因为承德避暑山庄内有一股热水泉，流出了一条汇入武烈河的热水河，所以取名为“热河”。这些形形色色的温泉水，给大地装点了许多奇特美丽的自然景观。
为什么地下会产生热泉水？据地质学家的研究，人类居住的地球是太阳系的一个行星，它和太阳一样有放射性元素进行不断的热核反应，所以具有非常高的温度。大约经过四五十亿年之后，表面逐渐冷却，形成了地壳。但是地球的内部仍然是炽热的，估计地球中心的温度约6000℃。这种高温的热量，透过厚厚的地层，每时每刻都在不断向太空释放，这种现象在地球物理学上就叫“大地热流”。尽管这种热量分散在辽阔的地球表面，人们已习惯地感觉不出来，但是实际总量是非常巨大的，据估算约为10.25×1020焦耳/年，这相当于20世纪70年代末全球煤、石油、天然气总耗量的3—4倍，真是惊人的数字。从现代地质钻探的资料也可以得知，从地表起，几乎每钻深100米，地温大约就要升高3℃。由此可见，地下水的活动是会受到地层温度的影响，特别是在特定条件下，例如经过地层高温岩石的加热，或在比较封闭的状况下，地下热水的贮存就像受热的水箱，天长日久，水温越来越高，若有水源补充，温泉就源源不断排向地面。实际上是地层的热能把一部分地下水加热了，这就变成了温泉水，也叫地热水。
地热资源的分布
地热资源是指在可以预见的未来时间内能够被人类开发利用的地球内部的热能资源。主要包括：地下的天然蒸汽、热水、热卤水等，以及由这些产物带出的与流体伴生的副产品。目前，国际上所指的地热资源，仅以地壳浅部深5000米以内贮存的天然热量14.2×1023千焦为依据，这相当于5000亿亿吨标准煤的热量。
地热资源分布要考虑它的质量、贮存条件和开发利用的可行性。根据地热资源的性质和贮存状态，可以分为五种类型：蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型。前两类统称为水热型，这是现在开发利用的主要地热资源。后两类可合称为干热岩型地热资源，属于今后地热大量开发利用的潜在资源。第三类地压型地热资源虽然生成条件不太普遍，但在地热发电中具有特别的优越性，而且它往往还贮存有甲烷之类的化学能，无疑会受到今后地热开发的格外关注。
地热发电
1904年世界第一座地热发电站在意大利的拉德瑞罗地热田建立，当时只是一个试验性装置，容量仅550瓦。后来意大利的地热发电竟发展到50多万千瓦。目前，世界上已有20多个国家建有地热发电站，总装机容量已达680万千瓦，其中美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰和日本等国的地热发电最多。我国从20世纪70年代开始发展地热电站，至1996年全国地热电站总装机容量3.2万千瓦（包括台湾0.3万千瓦），其中，主要为西藏羊八井地热电站2.5万千瓦。下表中为世界地热发电的统计。
地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，它涉及地质学、地球物理、地球化学、钻探技术、材料科学和发电工程等一系列现代科学技术，是一门新兴的能源工业。地热发电的基本原理与普通火力发电相似，也是根据能量转换原理，首先把地热能转换为机械能，然后又把机械能变为电能。现在大量应用的地热发电系统主要有两大类：地热蒸汽发电系统和双循环发电系统。另外，正在研究的地热发电系统还有全流发电系统和干热岩发电系统。
地热蒸汽发电系统
目前，世界地热发电中多数为地热蒸汽发电，因为它技术成熟，运行安全可靠。在此种地热发电系统中，根据地热蒸汽的状态不同，又可分为干蒸汽和热水扩容蒸汽发电两种形式。干蒸汽是从地热井中直接获得的纯蒸汽，用它来直接推动汽轮机运转，它与普通火电厂的发电情况差不多，只是地热中干蒸汽不多，往往都是有水有汽，需要汽水分离。
在物理学上，水的沸点温度与压力的关系成正比，即压力愈高，沸点温度也愈高。比如水在正常大气压力下的沸点温度为100℃，这时能产生100℃的蒸汽。如果环境压力变为0.5绝对大气压，则水加热到80.86℃就开始沸腾，即产生80.86℃的蒸汽。人们常见在高原山上烧开水，水沸腾得特别快，若是做饭不用高压锅，恐怕饭都烧不熟。根据这种道理，人们就可利用较低的压力环境，使地热水迅速汽化，并在汽化时使体积得到上千倍的扩大，这就叫扩容。产生这种扩大体积的设备就叫“扩容器”。由于它是在减低压力的情况下使容积扩大的，通常也称“减压扩容法”。通过扩容器产生的蒸汽同样可以进入汽轮机中做功，进而驱动发电机发电。对于地热温度不够高，没有大量的高压干蒸汽的地域，就用这种扩容的蒸汽来发电，这种技术比较成熟，在地热发电中常被采用，都算是蒸汽发电。我国西藏羊八井地热田的温度只有150℃左右，井中出来的地热流，有水有汽，高温蒸汽不足，就采用扩容法。扩容不限一次，可以根据温度合理安排，以实现多级扩容，争取获得更多的蒸汽来发电。目前日本、冰岛、新西兰、墨西哥和萨尔瓦多等国的地热电站都采用多级扩容法进行发电，装机容量可达10多万千瓦。
扩容法地热发电的关键设备是扩容器和冷凝器。扩容器实质上是一种特殊的蒸发器，目的是产生蒸汽，所以也叫“闪蒸器”。它的重要性能是要求蒸汽出口的干度大、压损小。如果蒸汽的干度低，含水分多，则蒸汽所携带的化学盐分就多，这将引起汽轮机结垢，使地热电站不能安全经济运行。现在较好的扩容器蒸汽干度应大于0.995，且压损非常小。冷凝器是将汽轮机排出的蒸汽冷凝为液体，并使汽轮机的排汽部分保持较低的压力，使机组的出力提高，尽可能提高热能的利用率。冷凝器的作用正好与蒸发器相反，都有壳体和管子，只是冷凝器的管子内不是流动热水，而是流动冷却水，是使乏汽遇到管壁迅速冷凝成水，然后将冷凝水排出。总之，扩容器要求多产蒸汽，冷凝器要形成大的压差，都是为了保证汽轮机的高效运转。至于汽轮机本身，地热电站与普通火电厂的汽轮机稍有不同，多采用凝汽式机组，特殊情况下也采用背压式机组。由于地热蒸汽的进汽参数低，蒸汽流量大，往往还带有一定的腐蚀性，需要有防腐措施。
地热双循环发电系统
地热双循环发电系统也称有机工质朗肯循环系统，它是以一种低沸点有机物为工质，使工质在流动系统中从地热流体获得热量，并产生有机质蒸汽，进而推动有机质汽轮机旋转，带动发电机发电。做完功的气体在冷凝器中还原为液态有机物，完成一个液相、气相的循环。地热流体在其中是供热的热源，当放热之后，地热流体仍回灌到地下去。换言之，对于地热，只用其热，不用其水。尤其是对含矿物盐多的地热水，这样就不会造成地面污染。所谓双循环，就是地热流体的封闭循环和有机工质的密闭循环，两个循环构成整个发电系统。
双循环发电有机工质的选择非常重要，它要求沸点低。常用工质多数为碳氢化合物或碳氟化合物，如：异丁烷（常压下沸点为-11.7℃）、正丁烷（-0.5℃）、丙烷（-42.17℃）和各种氟利昂等。为满足环保要求，尽可能不用含氟工质。所用工质可以是单纯的，也可以是由几种物质混合的，主要应考虑其热力性质和传输性质，还要注意在工作温度下的化学稳定性、易燃、易爆及毒性等，必须防止对环境的污染和对系统中其他物质的化学反应等，当然还有贮运安全和价格问题。
有机工质汽轮机是双循环发电的关键设备。它的基本原理和作用与蒸汽轮机相同，但是由于工质不同，设计制造的要求大不一样。大功率有机工质汽轮机多为轴流式或凝汽式，小功率机组则为单级辐流式。无论哪种机型，其轴端密封都是最关键部件，不能使工质漏失，一般小功率机组常采用无出轴全密封结构，大功率机组的密封要进行特殊设计。
热交换器在双循环地热发电系统中也是重要设备，它决定热能的传输效率，目前多采用管壳式热交换器。在整个设备系统中，热交换器的造价约占1/5，所以其经济性也不可忽视。尽管可供选择的热交换器品种不少，但由于有机工质所限，往往不能采用。可见热交换器是关键。
利用有机工质汽轮机发电不仅适合地热发电，而且在新能源发电中有许多温度不太高的热源也都是采用这种发电方式，如太阳池蓄热发电、海洋温差发电以及许多工业余热发电都可利用。目前，我国对有机工质汽轮机、特种热交换器等关键设备的制造技术尚与国外差距较大，将通过国际合作和技术引进逐步解决，并应在扩大地热发电的实践中进行消化吸收，建立自己的设备制造工厂。现阶段我国还只能生产地热蒸汽发电系统的成套设备。
地热水的直接利用
人类直接利用地热水的历史非常久，无论是古罗马或是中国，都有几千年利用温泉的记录。据我国古书记载，早在东周时代（公元前770年—前256年）我们的祖先就开始了利用温泉水洗浴治病和灌溉农田。时至今日，天然温泉和人工开采的地下热水仍是人们乐意利用的资源。据联合国1989年不完全统计，世界地热水的直接利用远远超过地热发电，其开发总量折合电功率计算，约为365亿千瓦·时，其中日本居首位，约87亿千瓦·时，我国居第二位，约56亿千瓦·时。但是，近年来我国地热水的直接利用总量已超过日本，跃居世界首位。20世纪90年代初，全世界安装的地热热力装置为1140万千瓦，相当于年耗597万吨标准煤的能量。1996年，中国地热直接利用的热量约相当于302万吨标准煤。这些数字表明，地热水的直接利用占有相当大的能源比重，与人们的日常生活关系密切。
现在地热水的直接用途非常广泛，主要有采暖空调、工业烘干、农业温室、水产养殖、旅游疗养等方面。过去地热水多为单一利用，浪费较大。现在已能做到一水多用，逐级开发，综合利用。有些地下热水还要回灌，避免地下有害矿物质污染地面。开发利用地热，必须注意环境保护。
地热采暖空调
地热水温度稳定，对建筑物供暖或代替电力制冷空调比较合适。我国北方冬季采暖多用分散的燃煤采暖，烟尘污染严重。近年来，北京、天津等大城市已开始利用地热水采暖，既节约燃料，又对环境保护有益。1996年，天津市地热采暖面积已超过了300万平方米，今后将继续扩大。国外如日本、冰岛、法国也都广泛地利用地热给建筑物供暖和提供生活用热水。
地热供暖的关键技术是要计算好地热田热水的可采量和建筑物供暖的面积，把采暖的高峰热负荷和年耗热量估算好。在已有常规供暖的条件下，可以将地热水供暖担负基本负荷，而把锅炉（燃煤）作为调峰用，这就可以扩大供暖面积，减少管道设施，节约投资。由于供暖有季节性，地热水却是常年有，因此要合理安排生活用热水，以提高地热的年利用率。
对于温度在60℃左右的低温地热水，若水质较好，含硫化氢等腐蚀性物质不大时，可以采用直接供暖方式，采暖后的余热水还可作其他利用。若地热水温度较高，或腐蚀性较强，则必须采取换热措施，不能用地热水直接供热。换热的办法有井口换热和井下换热两种方式：井口换热使用合适的热交换器，如板式热交换器，但交换器的材质要抗腐蚀；井下热交换器为管式结构，安装在地热井中，技术要求更高。
地热在工业上的应用
中低温地热水在工业上有广泛的应用。特别是轻纺、食品、造纸等行业多有烘干工序，地热水是难得的稳定热源，烘干质量好，可以避免过热而损坏产品。另外，在酿造业和大型沼气工程，也可采用地热水保温，使微生物繁育旺盛，提高产出率。有些地热流体含有较多的矿物盐类，在利用其热能之外，可以副产品的形式回收硫、硝、食盐等化工原料。
地热在农业和水产养殖方面的利用
低温地热水和经过发电、工业、采暖之后的地热水，可以在农业和水产养殖业方面进行综合利用，国内外已将一水多用作为地热开发的目标。有的还与太阳能热利用相结合，建立互补能源系统的现代化温室，它可以实现人工控制和模拟各种自然最优条件，进行农业育种、栽培、禽类孵化、牲畜越冬和水产养殖等多种经营。目前我国已有20个省、市、区建有地热温室，总面积超过200万平方米，其中河北省和京、津两市的地热温室占全国总数的一半。地热温室的温度稳定，易于控制，在农业和水产业方面容易推广。在南方地区，地热温室已作为人工养鳗、养甲鱼和珍贵水产的基地。
