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(qū)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(jié)能減排的有效措施。為了減少開發(fā)風險，取得淺層地熱能開發(fā)利用最大的社會經濟效益和環(huán)境效益，保證資源的可持續(xù)利用，必須進行淺層地熱能勘查評價。

 

  關鍵詞淺層地熱能；地源熱泵；屬性；利用。

 

  近1年來，很多專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，甚至不理解淺層地熱能的存在，對淺層地熱能勘查評價對地源熱泵工程的意義表示疑惑。為了統(tǒng)一對淺層地熱能的科學認識，促進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、利用以及勘查評價對地源熱泵工程的意義，做一個完整的論述。

 

  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發(fā)利用價值的熱能。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為淺層地溫能。

 

  能源是自然界中能夠直接或通過轉換提供某種形式能量的物質資源，它包含在一定條件下能夠提供某種形式的能的物質或物質的運動，也指可以從其獲得熱、光或動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(shù)量守恒。

 

  世界能源委員會推薦的按能源的形態(tài)、特性分類，分為：化石燃料、水能、核能、電能、太陽能、生物質能、風能、海洋能、地熱能。

 

  此外，根據(jù)能源其能否循環(huán)使用分類，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(guī)律地得到補充，不致因不斷開發(fā)而枯竭。按使用性能分類，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，分為：常規(guī)能源和新能源。按資源形態(tài)分類，分為：載體能源和過程能源，載體能源指提供能量的含能物質，如各種燃料、蒸汽等可以直接儲存和運輸?shù)奈镔|。過程能源指提供能量的物質運動，如水流、風力、潮汐、波浪等。按照轉化為功的難易程度分類，分為：高品位能源和低品位能源。按經濟流通狀況分類，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任何改變或轉換的能源。在人類社會生產和生活中，常有必要對一次能源進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。一次能源無論經過幾次轉換所得到的另一種能源，都被稱作二次能源。在生產過程中的余壓、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，隨著科學技術的進一步發(fā)展和社會生活的日益現(xiàn)代化，二次能源使用量占整個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，人類賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)對淺部地溫有著基本的需求，可以稱為生態(tài)基熱”。凍土地區(qū)生態(tài)環(huán)境很脆弱，地溫過低的“冷田”和地溫過高的“熱土”

 

  于農作物和其他生物生長都不利，而地表水體的溫度更是直接影響著水生生物的生存。因而在利用淺層地熱能的過程中，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值的功。因而在很長時期內沒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(tǒng)低溫熱源，并申請了專利。隨著用于建筑物的供暖和制冷的熱泵技術的發(fā)展和日趨成熟，使得這部分熱量具有開發(fā)利用價值。

 

  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。

 

  全世界的地熱地質專家近20年來對淺層地熱能的關注和研究迅速增長，并將其納入電熱地質研究的重要內容。從1995年意大利召開的世界地熱大會上的幾篇有關換熱技術色文，到2000年在日本和2005年在土耳其召開的世界地熱大會上有關淺層地熱能各方面向研究突飛猛進。主要集中在地下?lián)Q熱技術、熱量評價、地溫場模擬計算等方面。關于開殳利用淺層地熱能可以節(jié)約能源、減少溫室氣體排放和改善環(huán)境的認識是一致的，沒有爭侖。我國地熱地質工作者近10年來積極引進和發(fā)展了地源熱泵技術開發(fā)利用淺層地熱能，并取得了顯著的成果。

 

  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，并沒有限定熱能的補給來源，類似于“地下水”的概念，沒有限定水的補給來源。對淺層地熱能的熱能來源．有不同的解釋，  成為近年來一些人爭論的焦點。把這個問題討論清楚，對于科學評價淺層地熱能是有意義的。

 

  熱力學第二定律指出，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現(xiàn)。這不僅是熱泵技術的基本原理，也是淺層地熱能分析和計算的基礎。地下溫度場表征了熱能的分布和運移。

 

  根據(jù)地溫梯度和介質的導熱系數(shù)可以定量評價地熱流量。這里僅根據(jù)地溫場的特征定性分析淺層地熱能的來源。巖土體、地下水、地表水是開放的儲熱體，在其邊界上內部的熱量與外部熱量不斷進行著傳導或輻射。對于地表以下的淺部巖土體，其上界面是地面，與大氣和陽光接觸，依太陽輻射和氣溫的變化，吸收或散發(fā)熱量。下界面是深部巖土體，接受著產生于地球內部的源源不斷的熱流。對于限定的區(qū)域，巖土體與周邊的介質，包括地下水和地表水也存在熱交換。在沒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時期積累的，地層溫度只反映了現(xiàn)代的環(huán)境特征，而地質學家們正在根據(jù)巖石地層中保留的信息來分析當時的環(huán)境溫度，研究幾十億年地質時期各種時間尺度全球的氣候變化規(guī)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很大的差別，只有區(qū)分兩種不同狀態(tài)，才能深入分析其蘊藏熱能的來源和運移。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(xù)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輻射和大氣溫度的控制，隨季節(jié)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℃，經過地熱地質工作數(shù)十年的研究，我國大地熱流的分布規(guī)律已經基本查清。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、太陽輻射和氣溫的控制，是天然熱源動態(tài)平衡的結果。

 

  人類的工程活動已經在很大程度上改變了天然環(huán)境，對地下溫度場也發(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”已經不復存在。地埋管取熱區(qū)域及其影響范圍內的巖土體的地溫場成為干擾下的“人工變溫層”。圖l是北京市一個地源熱泵工程地埋管換熱系統(tǒng)的實際監(jiān)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(shù)量級的變化，在平面上地埋管取熱區(qū)與周邊巖土體也產生了熱流交換，這是熱流方向和數(shù)量非穩(wěn)定的動態(tài)過程。如果照搬在天熱狀態(tài)下觀測到的大地熱流值和太陽能輻射熱量來分析問題，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的主要內容。近年來，歐洲、日本等國家和地區(qū)的地熱地質學家對巖土體上、下界面熱交換量的定量計算及其在數(shù)值模擬中的實現(xiàn)進行了很多研究，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(jié)能減排的有效措施。近年來，隨著地源熱泵技術的日益成熟，淺層地熱能資源開發(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個國家和地區(qū)安裝了130萬臺地源熱泵，每年增長24.4%。歐洲對地源熱泵的深入研究已經超過20年，大多數(shù)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)的技術標準。在美國每年安裝的熱泵系統(tǒng)為5萬．6萬套，超過600個學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)境直接影響人類生存質量。

 

  傳統(tǒng)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的，而對巖土環(huán)境的影響還未見負面報道。

 

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

 

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

 

  北京市正在制訂的《北京市平原區(qū)淺層地溫資源評價及利用規(guī)劃》，可以作為示范，向全國推廣。目前，全國31個省、直轄市、自治區(qū)均有淺層地熱能資源開發(fā)利用項目。2005年全國人大通過了《可再生能源法》。國家的“十一五”計劃提出了節(jié)能降耗和節(jié)能減排的具體目標。有關政府部門制定相關政策，各省市相繼出臺一些地方規(guī)定，有力推進了淺層地熱能資源開發(fā)利用技術的推廣。例如在北京開發(fā)利用淺層地熱能資源政府給予財政補貼；沈陽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發(fā)利用系統(tǒng)；成都、重慶、寧波等城市都設立可再生能源專項資金，用于淺層地熱能資源開發(fā)利用的產業(yè)化發(fā)展，相關企業(yè)可享受貼息貸款、高新技術企業(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(xiàn)了一些問題，例如，熱泵工程或地下?lián)Q熱系統(tǒng)不能正常運轉、效率降低等。應該分析區(qū)別是地源熱泵技術本身的問題，還是沒有按照有關技術要求設計、施工和運行出現(xiàn)的問題。一些地區(qū)沒有進行淺層地熱能的勘查平價，沒有制定科學的開發(fā)方案就盲目開發(fā)，是造成這些問題的根本原因。

 

  淺層地熱能勘查包括：區(qū)域淺層地熱能調查和地源熱泵工程淺層地熱能勘查。淺層地熱能的評價是一個環(huán)環(huán)緊扣完整的程序，在野外實地勘察、試驗的基礎上，首先劃定地埋管和地下水換熱系統(tǒng)適宜區(qū)，然后分區(qū)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(shù)據(jù)進行地下熱均衡評價，可以采用數(shù)值模擬預測地下溫度場的長期動態(tài)變化，評價淺層地熱能是否達到動態(tài)平衡，論證供暖期取熱量和制冷期排熱量的保證程度，并進行淺層地熱能開發(fā)的環(huán)境影響評價。評價地下水和地表水換熱系統(tǒng)的水循環(huán)利用量，還必須滿足建設項目水資源論證的要求。只有通過淺層地熱能勘查評價，取得利用與保護淺層地熱資源所必需的地質資料，才能減少開發(fā)風險，取得淺層地熱能開發(fā)利用最大的社會經濟效益和環(huán)境效益，并保證資源的可持續(xù)利用。