淺層地熱能（地源熱泵）的屬性和利用

  摘要淺層地熱能是熱能的一種形式，是地熱資源的一部分。淺層地熱能從不同角度可以劃歸為：可再生能源、清潔能源、非燃料能源、新能源、過(guò)程能源、低品位能源和非商品能源。淺層地熱能既是一次能源，又是二次能源。淺層地熱能還是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。

 

  深入分析淺層地熱能的熱源必須區分天然和人工干擾兩種不同的狀態(tài)。利用淺層地熱能可以部分替代化石能源，用于供暖和制冷，減少溫室氣體的排放，是節能減排的有效措施。為了減少開(kāi)發(fā)風(fēng)險，取得淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用最大的社會(huì )經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，保證資源的可持續利用，必須進(jìn)行淺層地熱能勘查評價(jià)。

 

  關(guān)鍵詞淺層地熱能；地源熱泵；屬性；利用。

 

  近1年來(lái)，很多專(zhuān)家針對地源熱泵所利用的熱能提出了看法，各方面有很多不同的意見(jiàn)，甚至不理解淺層地熱能的存在，對淺層地熱能勘查評價(jià)對地源熱泵工程的意義表示疑惑。為了統一對淺層地熱能的科學(xué)認識，促進(jìn)地源熱泵工程的健康發(fā)展，有必要在這里就淺層地熱能的屬性、熱源、利用以及勘查評價(jià)對地源熱泵工程的意義，做一個(gè)完整的論述。

 

  1  淺層地熱能的屬性。

 

  淺層地熱能是指蘊藏在地表以下一定深度（一般為200 m）范圍內的巖土體、地下水和地表水中具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的熱能。淺層地熱能是熱能的一種形式，是地熱資源的一部分。淺層地熱能也可以稱(chēng)為淺層地溫能。

 

  能源是自然界中能夠直接或通過(guò)轉換提供某種形式能量的物質(zhì)資源，它包含在一定條件下能夠提供某種形式的能的物質(zhì)或物質(zhì)的運動(dòng)，也指可以從其獲得熱、光或動(dòng)力等形式的能的資源。不同形式的能量可以相互轉換，且在轉換中數量守恒。

 

  世界能源委員會(huì )推薦的按能源的形態(tài)、特性分類(lèi)，分為：化石燃料、水能、核能、電能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、地熱能。

 

  此外，根據能源其能否循環(huán)使用分類(lèi)，分為“可再生能源”和“不可再生能源”。可再生能源可以在循環(huán)中有規律地得到補充，不致因不斷開(kāi)發(fā)而枯竭。按使用性能分類(lèi)，分為：燃料能源和非燃料能源。按對環(huán)境的影響程度，分為“清潔能源”和“非清潔能源”。按照利用狀況分類(lèi)，分為：常規能源和新能源。按資源形態(tài)分類(lèi)，分為：載體能源和過(guò)程能源，載體能源指提供能量的含能物質(zhì)，如各種燃料、蒸汽等可以直接儲存和運輸的物質(zhì)。過(guò)程能源指提供能量的物質(zhì)運動(dòng)，如水流、風(fēng)力、潮汐、波浪等。按照轉化為功的難易程度分類(lèi)，分為：高品位能源和低品位能源。按經(jīng)濟流通狀況分類(lèi)，分為：商品能源和非商品能源。按能源形成條件可分為一次能源和二次能源。一次能源指從自然界取得的未經(jīng)任何改變或轉換的能源。在人類(lèi)社會(huì )生產(chǎn)和生活中，常有必要對一次能源進(jìn)行加工或轉換使之成為二次能源，包括煤氣、焦炭、汽油、煤油、柴油、重油、電力、蒸汽、熱水、氫能等。一次能源無(wú)論經(jīng)過(guò)幾次轉換所得到的另一種能源，都被稱(chēng)作二次能源。在生產(chǎn)過(guò)程中的余壓、余熱，如鍋爐煙道排放的高溫煙氣，反應裝置排放的可燃廢氣、廢蒸汽、廢熱水，密閉反應器向外排放的有壓流體等，也屬于二次能源。二次能源一般比一次能源有更高的終端利用效率，也更清潔和便于輸送、使用，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和社會(huì )生活的日益現代化，二次能源使用量占整個(gè)能源消費總量的比重必將與日懼增。

 

  淺層地熱能是熱能的一種形式。淺層地熱能從不同分類(lèi)角度可以劃歸為：可再生能源、清潔能源、非燃料能源、新能源、過(guò)程能源、低品位能源和非商品能源。淺層地熱能既是一次能源，又是二次能源。

 

  除了作為能源的一種形式以外，淺層地熱能還有一個(gè)不容忽視的重要屬性，即是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，人類(lèi)賴(lài)以生存的生態(tài)系統對淺部地溫有著(zhù)基本的需求，可以稱(chēng)為生態(tài)基熱”。凍土地區生態(tài)環(huán)境很脆弱，地溫過(guò)低的“冷田”和地溫過(guò)高的“熱土”

 

  于農作物和其他生物生長(cháng)都不利，而地表水體的溫度更是直接影響著(zhù)水生生物的生存。因而在利用淺層地熱能的過(guò)程中，必須避免生態(tài)環(huán)境的惡化。

 

  地熱資源是指蘊藏在地表以下巖石和地下水中的熱量。一般的地熱資源的溫度高于當也平均氣溫10℃以上。在地表以下淺部的巖土體、地下水和地表水中的淺層地熱能的熱能品位低，難以轉換為有利用價(jià)值的功。因而在很長(cháng)時(shí)期內沒(méi)有被看做是地熱資源。1912年瑞士Zoelly首次提出利用淺層地熱能作為熱泵系統低溫熱源，并申請了專(zhuān)利。隨著(zhù)用于建筑物的供暖和制冷的熱泵技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，使得這部分熱量具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。

 

  國際地熱界早已公認將淺層地熱能作為地熱資源的一部分。

 

  全世界的地熱地質(zhì)專(zhuān)家近20年來(lái)對淺層地熱能的關(guān)注和研究迅速增長(cháng)，并將其納入電熱地質(zhì)研究的重要內容。從1995年意大利召開(kāi)的世界地熱大會(huì )上的幾篇有關(guān)換熱技術(shù)色文，到2000年在日本和2005年在土耳其召開(kāi)的世界地熱大會(huì )上有關(guān)淺層地熱能各方面向研究突飛猛進(jìn)。主要集中在地下?lián)Q熱技術(shù)、熱量評價(jià)、地溫場(chǎng)模擬計算等方面。關(guān)于開(kāi)殳利用淺層地熱能可以節約能源、減少溫室氣體排放和改善環(huán)境的認識是一致的，沒(méi)有爭侖。我國地熱地質(zhì)工作者近10年來(lái)積極引進(jìn)和發(fā)展了地源熱泵技術(shù)開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能，并取得了顯著(zhù)的成果。

 

  淺層地熱能的熱源。

 

  淺層地熱能的概念是以熱能的賦存狀態(tài)定義的，并沒(méi)有限定熱能的補給來(lái)源，類(lèi)似于“地下水”的概念，沒(méi)有限定水的補給來(lái)源。對淺層地熱能的熱能來(lái)源．有不同的解釋?zhuān)? 成為近年來(lái)一些人爭論的焦點(diǎn)。把這個(gè)問(wèn)題討論清楚，對于科學(xué)評價(jià)淺層地熱能是有意義的。

 

  熱力學(xué)第二定律指出，能量的傳遞具有方向性，從高溫物體向低溫物體傳遞的熱量是自行的，而從低溫物體向高溫物體的熱量傳遞需要借助外力才可實(shí)現。這不僅是熱泵技術(shù)的基本原理，也是淺層地熱能分析和計算的基礎。地下溫度場(chǎng)表征了熱能的分布和運移。

 

  根據地溫梯度和介質(zhì)的導熱系數可以定量評價(jià)地熱流量。這里僅根據地溫場(chǎng)的特征定性分析淺層地熱能的來(lái)源。巖土體、地下水、地表水是開(kāi)放的儲熱體，在其邊界上內部的熱量與外部熱量不斷進(jìn)行著(zhù)傳導或輻射。對于地表以下的淺部巖土體，其上界面是地面，與大氣和陽(yáng)光接觸，依太陽(yáng)輻射和氣溫的變化，吸收或散發(fā)熱量。下界面是深部巖土體，接受著(zhù)產(chǎn)生于地球內部的源源不斷的熱流。對于限定的區域，巖土體與周邊的介質(zhì)，包括地下水和地表水也存在熱交換。在沒(méi)有內部熱源或熱匯的情況下，巖土體內溫度的分布是由邊界溫度決定的。淺部巖土體中的熱量是不可能長(cháng)時(shí)期積累的，地層溫度只反映了現代的環(huán)境特征，而地質(zhì)學(xué)家們正在根據巖石地層中保留的信息來(lái)分析當時(shí)的環(huán)境溫度，研究幾十億年地質(zhì)時(shí)期各種時(shí)間尺度全球的氣候變化規律。

 

  在天然和人工干攏兩種不同的狀態(tài)下，淺層地下水、地表水和巖土體中溫度分布有著(zhù)很大的差別，只有區分兩種不同狀態(tài)，才能深入分析其蘊藏熱能的來(lái)源和運移。對于含水層中的地下水和地表水體，由于水是熱量的良好載體，熱容量大，熱的對流和傳導使得連續水體的溫度保持一致，其溫度的高低是由其與外界的熱交換決定的。在自然狀態(tài)下，地下水溫決定于其水源和周邊環(huán)境的溫度。地表水溫度的主要控制因素包括大氣降水、太陽(yáng)輻射、空氣和水體基底溫度，地下水溫度的控制因素是人滲補給水源和含水層的溫度。在利用換熱器從地下水和地表水體中提取和排泄熱量的狀態(tài)下，熱源和熱匯的強度是水溫變化的主要因素。地表水的溫度變化及其分布取決于水體的大小、水流的速度、流量。地下水的溫度變化及其分布取決于含水層的滲透性、地下水流速和含水層的特征。

 

  巖土體的熱傳導性比水低很多。巖土體內的溫度分布，在天然狀態(tài)下從地表到埋深200 m范圍內溫度就有很大的差別。從地表向下分別為變溫層、恒溫層和增溫層。變溫層的溫度受太陽(yáng)輻射和大氣溫度的控制，隨季節變化，增溫層的溫度受地球深部熱量控制隨深度增加，正常狀態(tài)為每100 m增加3℃，經(jīng)過(guò)地熱地質(zhì)工作數十年的研究，我國大地熱流的分布規律已經(jīng)基本查清。恒溫層是地球內部熱量與大氣溫度的相對平衡的層位，溫度不大，溫度相對恒定。由于各地的氣溫、日照、大地熱流值的不同，巖土體的溫度和恒溫層的厚度和埋藏深度差別很大，受當地大地熱流、太陽(yáng)輻射和氣溫的控制，是天然熱源動(dòng)態(tài)平衡的結果。

 

  人類(lèi)的工程活動(dòng)已經(jīng)在很大程度上改變了天然環(huán)境，對地下溫度場(chǎng)也發(fā)生了同樣的事情。在利用地埋管換熱器提取和排泄熱量的狀態(tài)下，巖土體中溫度的分布發(fā)生了劇烈的變化，天然狀態(tài)下的“恒溫層”已經(jīng)不復存在。地埋管取熱區域及其影響范圍內的巖土體的地溫場(chǎng)成為干擾下的“人工變溫層”。圖l是北京市一個(gè)地源熱泵工程地埋管換熱系統的實(shí)際監測資料。

 

  人工干擾狀態(tài)下巖土體中熱量的補給和排泄的關(guān)系與天然狀態(tài)完全不同。地埋管換熱器成為主要的“熱源”和“熱匯”，地溫梯度的改變誘發(fā)了熱流量的改變。在巖土體的上界面即地表面和下界面即與深部巖層上的熱交換量發(fā)生了數量級的變化，在平面上地埋管取熱區與周邊巖土體也產(chǎn)生了熱流交換，這是熱流方向和數量非穩定的動(dòng)態(tài)過(guò)程。如果照搬在天熱狀態(tài)下觀(guān)測到的大地熱流值和太陽(yáng)能輻射熱量來(lái)分析問(wèn)題，必然得出錯誤的結論。定量計算這些熱流量是淺層地熱能評價(jià)的主要內容。近年來(lái)，歐洲、日本等國家和地區的地熱地質(zhì)學(xué)家對巖土體上、下界面熱交換量的定量計算及其在數值模擬中的實(shí)現進(jìn)行了很多研究，并發(fā)表了一些成果。

 

  3  淺層地熱能的利用。

 

  利用淺層地熱能可以部分替代化石能源，用于供暖和制冷，減少溫室氣體的排放，是節能減排的有效措施。近年來(lái)，隨著(zhù)地源熱泵技術(shù)的日益成熟，淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)利用在發(fā)達國家全面地普及和發(fā)展。到2005年，世界上有33個(gè)國家和地區安裝了130萬(wàn)臺地源熱泵，每年增長(cháng)24.4%。歐洲對地源熱泵的深入研究已經(jīng)超過(guò)20年，大多數的需求是供暖，安裝地源熱泵最多的國家是瑞典，德國、瑞士、英國、荷蘭、挪威等國家熱泵應用發(fā)展很快，并制定了國家或企業(yè)的技術(shù)標準。在美國每年安裝的熱泵系統為5萬(wàn)．6萬(wàn)套，超過(guò)600個(gè)學(xué)校采用地源熱泵供暖和制冷。

 

  利用淺層地熱能替代化石能源用于供暖，避免了煤炭、天然氣等燃燒排放的二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和煤塵等，保護了環(huán)境。淺層地熱能還替代了空氣源空調，在地源熱泵制冷的過(guò)程中，減少了向室外環(huán)境中排放熱量。大氣環(huán)境直接影響人類(lèi)生存質(zhì)量。

 

  傳統的供暖方式和空氣源空調制冷，都是單向排放熱量到大氣環(huán)境中，這是造成局部環(huán)境惡化的重要原因。利用淺層地熱能在保護大氣環(huán)境方面的正面效益是顯著(zhù)的，而對巖土環(huán)境的影響還未見(jiàn)負面報道。

 

  淺層地熱能資源在我國應用的區域非常廣泛。淺層地熱能資源的科學(xué)利用為建立節約型社會(huì )、節能減排和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟提供了有效的途徑。近十年來(lái)，在政府支持和倡導下．我國一些大城市陸續開(kāi)展淺層地熱能資源的開(kāi)發(fā)利用，相關(guān)技術(shù)發(fā)展速度較快，其中北京、沈陽(yáng)走在了全國前列。近5年來(lái)，北京建成的淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)利用項目已達500余項，供暖面積超過(guò)1000萬(wàn)m2；沈陽(yáng)的淺層地熱能資源的應用面積達1800萬(wàn)m2; 2006年，北京市完成了節能減排的指標，其中淺層地熱能資源的開(kāi)發(fā)利用做出了應有的貢獻。

 

  淺層地熱能技術(shù)的應用在北京2008年奧運會(huì )和上海2010年世博會(huì )中成為綠色環(huán)保亮點(diǎn)。

 

  北京市正在制訂的《北京市平原區淺層地溫資源評價(jià)及利用規劃》，可以作為示范，向全國推廣。目前，全國31個(gè)省、直轄市、自治區均有淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)利用項目。2005年全國人大通過(guò)了《可再生能源法》。國家的“十一五”計劃提出了節能降耗和節能減排的具體目標。有關(guān)政府部門(mén)制定相關(guān)政策，各省市相繼出臺一些地方規定，有力推進(jìn)了淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)的推廣。例如在北京開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能資源政府給予財政補貼；沈陽(yáng)要求全市范圍內具備條件的建筑都要使用淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)利用系統；成都、重慶、寧波等城市都設立可再生能源專(zhuān)項資金，用于淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相關(guān)企業(yè)可享受貼息貸款、高新技術(shù)企業(yè)待遇等優(yōu)惠政策。

 

  在利用淺層地熱能的地源熱泵工程中也出現了一些問(wèn)題，例如，熱泵工程或地下?lián)Q熱系統不能正常運轉、效率降低等。應該分析區別是地源熱泵技術(shù)本身的問(wèn)題，還是沒(méi)有按照有關(guān)技術(shù)要求設計、施工和運行出現的問(wèn)題。一些地區沒(méi)有進(jìn)行淺層地熱能的勘查平價(jià)，沒(méi)有制定科學(xué)的開(kāi)發(fā)方案就盲目開(kāi)發(fā)，是造成這些問(wèn)題的根本原因。

 

  淺層地熱能勘查包括：區域淺層地熱能調查和地源熱泵工程淺層地熱能勘查。淺層地熱能的評價(jià)是一個(gè)環(huán)環(huán)緊扣完整的程序，在野外實(shí)地勘察、試驗的基礎上，首先劃定地埋管和地下水換熱系統適宜區，然后分區計算換熱功率、供暖期取熱量和制冷期排熱量，計算淺層地熱容量，再利用取得的上述數據進(jìn)行地下熱均衡評價(jià)，可以采用數值模擬預測地下溫度場(chǎng)的長(cháng)期動(dòng)態(tài)變化，評價(jià)淺層地熱能是否達到動(dòng)態(tài)平衡，論證供暖期取熱量和制冷期排熱量的保證程度，并進(jìn)行淺層地熱能開(kāi)發(fā)的環(huán)境影響評價(jià)。評價(jià)地下水和地表水換熱系統的水循環(huán)利用量，還必須滿(mǎn)足建設項目水資源論證的要求。只有通過(guò)淺層地熱能勘查評價(jià)，取得利用與保護淺層地熱資源所必需的地質(zhì)資料，才能減少開(kāi)發(fā)風(fēng)險，取得淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用最大的社會(huì )經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，并保證資源的可持續利用。