浅层地热能（地源热泵）的属性和利用

  摘要浅层地热能是热能的一种形式，是地热资源的一部分。浅层地热能从不同角度可以划归为：可再生能源、清洁能源、非燃料能源、新能源、过程能源、低品位能源和非商品能源。浅层地热能既是一次能源，又是二次能源。浅层地热能还是生态环境的重要组成部分。

 

  深入分析浅层地热能的热源必须区分天然和人工干扰两种不同的状态。利用浅层地热能可以部分替代化石能源，用于供暖和制冷，减少温室气体的排放，是节能减排的有效措施。为了减少开发风险，取得浅层地热能开发利用最大的社会经济效益和环境效益，保证资源的可持续利用，必须进行浅层地热能勘查评价。

 

  关键词浅层地热能；地源热泵；属性；利用。

 

  近1年来，很多专家针对地源热泵所利用的热能提出了看法，各方面有很多不同的意见，甚至不理解浅层地热能的存在，对浅层地热能勘查评价对地源热泵工程的意义表示疑惑。为了统一对浅层地热能的科学认识，促进地源热泵工程的健康发展，有必要在这里就浅层地热能的属性、热源、利用以及勘查评价对地源热泵工程的意义，做一个完整的论述。

 

  1  浅层地热能的属性。

 

  浅层地热能是指蕴藏在地表以下一定深度（一般为200 m）范围内的岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能。浅层地热能是热能的一种形式，是地热资源的一部分。浅层地热能也可以称为浅层地温能。

 

  能源是自然界中能够直接或通过转换提供某种形式能量的物质资源，它包含在一定条件下能够提供某种形式的能的物质或物质的运动，也指可以从其获得热、光或动力等形式的能的资源。不同形式的能量可以相互转换，且在转换中数量守恒。

 

  世界能源委员会推荐的按能源的形态、特性分类，分为：化石燃料、水能、核能、电能、太阳能、生物质能、风能、海洋能、地热能。

 

  此外，根据能源其能否循环使用分类，分为“可再生能源”和“不可再生能源”。可再生能源可以在循环中有规律地得到补充，不致因不断开发而枯竭。按使用性能分类，分为：燃料能源和非燃料能源。按对环境的影响程度，分为“清洁能源”和“非清洁能源”。按照利用状况分类，分为：常规能源和新能源。按资源形态分类，分为：载体能源和过程能源，载体能源指提供能量的含能物质，如各种燃料、蒸汽等可以直接储存和运输的物质。过程能源指提供能量的物质运动，如水流、风力、潮汐、波浪等。按照转化为功的难易程度分类，分为：高品位能源和低品位能源。按经济流通状况分类，分为：商品能源和非商品能源。按能源形成条件可分为一次能源和二次能源。一次能源指从自然界取得的未经任何改变或转换的能源。在人类社会生产和生活中，常有必要对一次能源进行加工或转换使之成为二次能源，包括煤气、焦炭、汽油、煤油、柴油、重油、电力、蒸汽、热水、氢能等。一次能源无论经过几次转换所得到的另一种能源，都被称作二次能源。在生产过程中的余压、余热，如锅炉烟道排放的高温烟气，反应装置排放的可燃废气、废蒸汽、废热水，密闭反应器向外排放的有压流体等，也属于二次能源。二次能源一般比一次能源有更高的终端利用效率，也更清洁和便于输送、使用，随着科学技术的进一步发展和社会生活的日益现代化，二次能源使用量占整个能源消费总量的比重必将与日惧增。

 

  浅层地热能是热能的一种形式。浅层地热能从不同分类角度可以划归为：可再生能源、清洁能源、非燃料能源、新能源、过程能源、低品位能源和非商品能源。浅层地热能既是一次能源，又是二次能源。

 

  除了作为能源的一种形式以外，浅层地热能还有一个不容忽视的重要属性，即是生态环境的重要组成部分，人类赖以生存的生态系统对浅部地温有着基本的需求，可以称为生态基热”。冻土地区生态环境很脆弱，地温过低的“冷田”和地温过高的“热土”

 

  于农作物和其他生物生长都不利，而地表水体的温度更是直接影响着水生生物的生存。因而在利用浅层地热能的过程中，必须避免生态环境的恶化。

 

  地热资源是指蕴藏在地表以下岩石和地下水中的热量。一般的地热资源的温度高于当也平均气温10℃以上。在地表以下浅部的岩土体、地下水和地表水中的浅层地热能的热能品位低，难以转换为有利用价值的功。因而在很长时期内没有被看做是地热资源。1912年瑞士Zoelly首次提出利用浅层地热能作为热泵系统低温热源，并申请了专利。随着用于建筑物的供暖和制冷的热泵技术的发展和日趋成熟，使得这部分热量具有开发利用价值。

 

  国际地热界早已公认将浅层地热能作为地热资源的一部分。

 

  全世界的地热地质专家近20年来对浅层地热能的关注和研究迅速增长，并将其纳入电热地质研究的重要内容。从1995年意大利召开的世界地热大会上的几篇有关换热技术色文，到2000年在日本和2005年在土耳其召开的世界地热大会上有关浅层地热能各方面向研究突飞猛进。主要集中在地下换热技术、热量评价、地温场模拟计算等方面。关于开殳利用浅层地热能可以节约能源、减少温室气体排放和改善环境的认识是一致的，没有争仑。我国地热地质工作者近10年来积极引进和发展了地源热泵技术开发利用浅层地热能，并取得了显著的成果。

 

  浅层地热能的热源。

 

  浅层地热能的概念是以热能的赋存状态定义的，并没有限定热能的补给来源，类似于“地下水”的概念，没有限定水的补给来源。对浅层地热能的热能来源．有不同的解释，  成为近年来一些人争论的焦点。把这个问题讨论清楚，对于科学评价浅层地热能是有意义的。

 

  热力学第二定律指出，能量的传递具有方向性，从高温物体向低温物体传递的热量是自行的，而从低温物体向高温物体的热量传递需要借助外力才可实现。这不仅是热泵技术的基本原理，也是浅层地热能分析和计算的基础。地下温度场表征了热能的分布和运移。

 

  根据地温梯度和介质的导热系数可以定量评价地热流量。这里仅根据地温场的特征定性分析浅层地热能的来源。岩土体、地下水、地表水是开放的储热体，在其边界上内部的热量与外部热量不断进行着传导或辐射。对于地表以下的浅部岩土体，其上界面是地面，与大气和阳光接触，依太阳辐射和气温的变化，吸收或散发热量。下界面是深部岩土体，接受着产生于地球内部的源源不断的热流。对于限定的区域，岩土体与周边的介质，包括地下水和地表水也存在热交换。在没有内部热源或热汇的情况下，岩土体内温度的分布是由边界温度决定的。浅部岩土体中的热量是不可能长时期积累的，地层温度只反映了现代的环境特征，而地质学家们正在根据岩石地层中保留的信息来分析当时的环境温度，研究几十亿年地质时期各种时间尺度全球的气候变化规律。

 

  在天然和人工干拢两种不同的状态下，浅层地下水、地表水和岩土体中温度分布有着很大的差别，只有区分两种不同状态，才能深入分析其蕴藏热能的来源和运移。对于含水层中的地下水和地表水体，由于水是热量的良好载体，热容量大，热的对流和传导使得连续水体的温度保持一致，其温度的高低是由其与外界的热交换决定的。在自然状态下，地下水温决定于其水源和周边环境的温度。地表水温度的主要控制因素包括大气降水、太阳辐射、空气和水体基底温度，地下水温度的控制因素是人渗补给水源和含水层的温度。在利用换热器从地下水和地表水体中提取和排泄热量的状态下，热源和热汇的强度是水温变化的主要因素。地表水的温度变化及其分布取决于水体的大小、水流的速度、流量。地下水的温度变化及其分布取决于含水层的渗透性、地下水流速和含水层的特征。

 

  岩土体的热传导性比水低很多。岩土体内的温度分布，在天然状态下从地表到埋深200 m范围内温度就有很大的差别。从地表向下分别为变温层、恒温层和增温层。变温层的温度受太阳辐射和大气温度的控制，随季节变化，增温层的温度受地球深部热量控制随深度增加，正常状态为每100 m增加3℃，经过地热地质工作数十年的研究，我国大地热流的分布规律已经基本查清。恒温层是地球内部热量与大气温度的相对平衡的层位，温度不大，温度相对恒定。由于各地的气温、日照、大地热流值的不同，岩土体的温度和恒温层的厚度和埋藏深度差别很大，受当地大地热流、太阳辐射和气温的控制，是天然热源动态平衡的结果。

 

  人类的工程活动已经在很大程度上改变了天然环境，对地下温度场也发生了同样的事情。在利用地埋管换热器提取和排泄热量的状态下，岩土体中温度的分布发生了剧烈的变化，天然状态下的“恒温层”已经不复存在。地埋管取热区域及其影响范围内的岩土体的地温场成为干扰下的“人工变温层”。图l是北京市一个地源热泵工程地埋管换热系统的实际监测资料。

 

  人工干扰状态下岩土体中热量的补给和排泄的关系与天然状态完全不同。地埋管换热器成为主要的“热源”和“热汇”，地温梯度的改变诱发了热流量的改变。在岩土体的上界面即地表面和下界面即与深部岩层上的热交换量发生了数量级的变化，在平面上地埋管取热区与周边岩土体也产生了热流交换，这是热流方向和数量非稳定的动态过程。如果照搬在天热状态下观测到的大地热流值和太阳能辐射热量来分析问题，必然得出错误的结论。定量计算这些热流量是浅层地热能评价的主要内容。近年来，欧洲、日本等国家和地区的地热地质学家对岩土体上、下界面热交换量的定量计算及其在数值模拟中的实现进行了很多研究，并发表了一些成果。

 

  3  浅层地热能的利用。

 

  利用浅层地热能可以部分替代化石能源，用于供暖和制冷，减少温室气体的排放，是节能减排的有效措施。近年来，随着地源热泵技术的日益成熟，浅层地热能资源开发利用在发达国家全面地普及和发展。到2005年，世界上有33个国家和地区安装了130万台地源热泵，每年增长24.4%。欧洲对地源热泵的深入研究已经超过20年，大多数的需求是供暖，安装地源热泵最多的国家是瑞典，德国、瑞士、英国、荷兰、挪威等国家热泵应用发展很快，并制定了国家或企业的技术标准。在美国每年安装的热泵系统为5万．6万套，超过600个学校采用地源热泵供暖和制冷。

 

  利用浅层地热能替代化石能源用于供暖，避免了煤炭、天然气等燃烧排放的二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和煤尘等，保护了环境。浅层地热能还替代了空气源空调，在地源热泵制冷的过程中，减少了向室外环境中排放热量。大气环境直接影响人类生存质量。

 

  传统的供暖方式和空气源空调制冷，都是单向排放热量到大气环境中，这是造成局部环境恶化的重要原因。利用浅层地热能在保护大气环境方面的正面效益是显著的，而对岩土环境的影响还未见负面报道。

 

  浅层地热能资源在我国应用的区域非常广泛。浅层地热能资源的科学利用为建立节约型社会、节能减排和发展循环经济提供了有效的途径。近十年来，在政府支持和倡导下．我国一些大城市陆续开展浅层地热能资源的开发利用，相关技术发展速度较快，其中北京、沈阳走在了全国前列。近5年来，北京建成的浅层地热能资源开发利用项目已达500余项，供暖面积超过1000万m2；沈阳的浅层地热能资源的应用面积达1800万m2; 2006年，北京市完成了节能减排的指标，其中浅层地热能资源的开发利用做出了应有的贡献。

 

  浅层地热能技术的应用在北京2008年奥运会和上海2010年世博会中成为绿色环保亮点。

 

  北京市正在制订的《北京市平原区浅层地温资源评价及利用规划》，可以作为示范，向全国推广。目前，全国31个省、直辖市、自治区均有浅层地热能资源开发利用项目。2005年全国人大通过了《可再生能源法》。国家的“十一五”计划提出了节能降耗和节能减排的具体目标。有关政府部门制定相关政策，各省市相继出台一些地方规定，有力推进了浅层地热能资源开发利用技术的推广。例如在北京开发利用浅层地热能资源政府给予财政补贴；沈阳要求全市范围内具备条件的建筑都要使用浅层地热能资源开发利用系统；成都、重庆、宁波等城市都设立可再生能源专项资金，用于浅层地热能资源开发利用的产业化发展，相关企业可享受贴息贷款、高新技术企业待遇等优惠政策。

 

  在利用浅层地热能的地源热泵工程中也出现了一些问题，例如，热泵工程或地下换热系统不能正常运转、效率降低等。应该分析区别是地源热泵技术本身的问题，还是没有按照有关技术要求设计、施工和运行出现的问题。一些地区没有进行浅层地热能的勘查平价，没有制定科学的开发方案就盲目开发，是造成这些问题的根本原因。

 

  浅层地热能勘查包括：区域浅层地热能调查和地源热泵工程浅层地热能勘查。浅层地热能的评价是一个环环紧扣完整的程序，在野外实地勘察、试验的基础上，首先划定地埋管和地下水换热系统适宜区，然后分区计算换热功率、供暖期取热量和制冷期排热量，计算浅层地热容量，再利用取得的上述数据进行地下热均衡评价，可以采用数值模拟预测地下温度场的长期动态变化，评价浅层地热能是否达到动态平衡，论证供暖期取热量和制冷期排热量的保证程度，并进行浅层地热能开发的环境影响评价。评价地下水和地表水换热系统的水循环利用量，还必须满足建设项目水资源论证的要求。只有通过浅层地热能勘查评价，取得利用与保护浅层地热资源所必需的地质资料，才能减少开发风险，取得浅层地热能开发利用最大的社会经济效益和环境效益，并保证资源的可持续利用。