关于地热能的相关论述？什么是浅层地温能？

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地热与浅层地热资源及其利用

陈建平 （北京市国土资源局） 摘要2008年北京奥运，引发了一场绿色革命，国人对改善环境保护环境的意识空前提高，并已成为一项十分重要的自觉行动。为了实现绿色奥运，北京市采取措施，大力发展清洁能源。地热是一种良好的清洁能源，本文重点对深层地热和浅层地热及其利用进行积极的探讨。 引言 北京市开发利用地热资源（温泉）历史悠久，利用地热进行采暖已经多年。1999年时，为了改善环境、支持申奥，大力改善能源结构，地热等清洁能源的利用被列入了城市能源发展规划，得到重视。在市政府地热采暖示范工程顺利进行的，浅层地温的利用、研究，在北京地区取得了重大进展。低温地热的梯级利用技术研究项目取得的成果，进一步扩大了地热资源利用的范围。 深层地热指传统意义上的地热，国际规范温度大于25℃。地热有多种形态，其中地热水是集“热、矿、水”三位一体的宝贵的自然资源，是一种清洁可持续利用的能源。北京工业大学、郭庄北里、北京地质勘察技术院等地热采暖示范工程的试验成功，对改善能源结构、发展可再生能源，将产生积极的意义和影响。采暖示范项目在地热回灌与地热热泵技术的应用上，以及地热保护与梯级利用、综合利用技术方面，也具有十分重要的意义。 示范工程试点之一的崇文区郭庄北里小区，6栋居民楼数万平方米的建筑采用地热采暖，彻底解决了该小区由于历史原因造成的20多年没有供暖的问题，实现了地热采暖多级换热、全封闭循环、热泵技术应用、地热采暖尾水100%回灌的试验目标，有效保护了地热资源。项目的试验的成功，受到市政府的高度重视。 浅层地热是低温地热能的另一种形式，它涉及从地下常温层以下至一定深度以内（北京地区约为150m以浅）的浅层地热资源，包括土壤中和地下水中的热能等，大大地拓展了地热应用的范畴。在地下恒温层以上（特别是接近地表）的土壤地层中，还包含太阳能辐射到地表所形成的热能，优点是利用中操作简单、投入较少，但这部分辐射热能受外界条件的影响较大，不很稳定，其热能利用的效果与热量储量不能与地热（包括地温）相比。 国际上热泵技术的利用发展已经数十年，国内的研究是从20世纪90年代开始的。近年来，北京地区热泵技术利用发展较快，从2000年开始到2004年，仅3年多的时间，全市热泵供暖面积已经超过500万m2。浅层地热的利用在热泵技术的发展中占有很大比例，说明了其具有的独特优势和特点。通过各种试验得出的技术和经济分析表明，它将在未来推动我国低品位能源的应用。 1 国外地热能利用的发展情况 1.1 法国 深层地热法国本土的地热资源以≥50℃的低焓地热水为主，法国对地热的利用发展于20世纪80年代。法国以供水井和回灌斜井组成的“对井”而著称；两口地热井在地面上相距10m，但在千余米地下的距离，可达400～1000m；1998年的统计资料，巴黎仍有41个区域供暖的“对井”机房在运行，至2005年时数量略有减少。 浅层地热对于更低温的地热能，法国使用地热热泵进行供暖和制冷。如巴黎塞那河畔的法国电视台，钻井仅几百米深，地下水温可达到23℃，被用于地热供暖系统。 1.2 德国 深层地热德国地热利用以采暖为主，特点是建立相对集中的大型供热站。由于热泵用电，引用了“季节特性系数”，即供热量与消耗电量之比，一般为5～7的范围；，全年热量输出的85%使用地热，全年热量的15%采用由石油或燃气燃烧器形成的辅助热源，主要解决峰值供暖负荷。到2002年，已有9个集中供热站，其地热井深度从1100～2400m不等，总供热量136MW。用于采暖、温室等； 浅层地热德国广泛使用分散的浅层地热能及小型地热热泵，供采暖之用；地下换热器包括水平的热收集器、垂直的地下换热器，或地下水换热器等；据介绍，仅德国北部，就有有4.5万根地下换热器。据报告，到1999年底止，德国全国至少安装有1.8万台平均制热量19kW的热泵机组。由于在利用中德国多使用双U型地埋管，如以每台19kW机组配以3根深100m的地下换热器，推算1999年底之前，德国应至少有5.4万根的地下换热器。 德国的供暖系统，习惯于使用热水冷水供热制冷；德国的供暖水温标准是7565℃，采用的地板采暖水温仅仅38℃。由于一般住宅夏天并不使用空调，土壤温度靠自然恢复，冬季热泵的水源侧水温常常降到0℃，负荷侧温度38℃，所以其热泵COP值也达4以上。 2 国内地热利用的发展情况 2.1 地热供暖 传统意义上的低温地热水的概念是温度范围从25～90℃，主要来自深部地层。 20世纪70年代开始，北京地区地热采暖主要利用60℃多度地热水进行直供。由于北京地区的地热水温度多在40～60℃范围，所以当时尝试用60℃的地热水通到暖气片中，为达到供暖效果，依靠加大暖气片的片数作保证。而由于当时条件的限制（建筑结构、保温质量、供暖管道材质等），往往在最冷天时室温不够高，供暖效果经常不能保证，或者需要进行调峰处理。 随着近代建筑节能技术的发展，居住建筑供暖热指标已逐渐下降（约20Wm2左右），进一步降低供暖水温度，成为一种趋向和可能。由于供暖技术的进步，如采用冷热两用型的风机盘管机组，可以大大降低所要求的热源温度。实际运行的供暖水温经常在45℃左右，甚至更低。30～35℃的地板采暖供热温度，也是目前住宅或公共建筑可以接受的可行的温度。 ，北京地区40～60℃的地热水，也将发挥重要的能源作用。地热热泵技术的发展，将会很大程度的利用35～40℃的地热采暖尾水。预计在未来能源的构成中，低温地热能的利用，会占越来越大的比重。 2.2 地热热泵 地热热泵，按水源侧能承受的工作温度和负荷侧供热制冷温度，可以分为两种类型冷热两用型热泵、升温型热泵； 35℃，是冷热两用型热泵的可承受的水源侧最大温度；其负荷侧供回水温度，冬季5043℃，夏季712℃；北京工业大学地热供暖示范工程课题组在2000年初，引进了当时北京第一台国外厂家生产的，能承受35℃地热尾水温度的冷热两用型水-水型热泵及水风型热泵进行实验；后来又在中试工程中，和大型工厂工程进一步使用，都取得了很好的效果。用热泵提升尾水温度的做法，在实际利用中具有十分广泛和积极的意义。 55℃，是升温型热泵所能承受的水源侧最大温度；升温型热泵，仅供冬季负荷侧供回水温度8570℃，也可以为7565℃，7060℃以满足民用采暖的需要。 经在某工程测试的数据计算，热泵运行最低效率为2.7～3.4。 2.3 地热的梯级利用 不论是哪种温度的地热水，梯级利用都是一个最佳的利用方案。所谓梯级利用，就是按照用户终端需要的供热水温，从高到低排序；高能高用，温度适用，分配得当，各得其所，通过梯级利用，可有效提高地热资源利用率。 北京申办2008年奥运会成功以来，由于地质勘查钻井技术的进步，大大加强了钻井的能力与深度，北京地热水的温度有了新的提高，最高达到89℃。 ，不论地热水提供的温度多高，供暖所需温度和用户所需要的水温，仍然是一定的。地热热泵技术的利用与设备水平的不断进步，有助于进一步提高地热资源的利用率。 2.4 地热梯级利用的实例 根据北京工业大学地热供暖示范项目组的测试和阶段，该校使用地热供暖的初投资，与常规集中供热区域锅炉房的价格基本相当；而运行费用，经在2002，2004年两次分别复测，总效率约在5.79～6.54范围内；费用低于天然气。 在北京热泵技术的应用研究与发展中，研究工作已有10多年的历史。据不完全统计，水源、地温热泵的利用发展超过一般的想像，仅在北京地区及周边，已安装的土壤源地埋管换热器约几千根以上，除一般用于小型别墅外，一些大型的工程也在尝试这种可再生能源的利用试验（初步试验的效果理想）。 3 国内浅层地热能供热的发展 3.1 技术可靠性与基础工作 在土壤源热泵系统的设计中，从土壤中吸和放的热量一定要平衡，才能保持可靠、稳定的运行，，逐时的负荷计算很重要。如果冬夏逐月总制热量和总制冷量不平衡，以及冬夏季峰值负荷不平衡，超过一定限度时，会出现一些问题，比如在冬天，热泵水源侧温度达到－2～－4℃，低于设计值，这时，热泵制热量减少，结果可能不能保证供暖温度；而在夏天，由于夏季负荷过大，热量散不出去，水源侧水温升得很高，会造成热泵停机。这时，就得要考虑辅助一个冷却塔；如果用户要求只需供热，不需供冷；或要求只需供冷，不需供热；则在使用这种系统时，要有足够的补救措施。 地热供暖及各种热泵供暖系统，梯级利用的方案示意图如下 浅层地热能全国地热（浅层地热能）开发利用现场经验交流会论文集 大地导热系数包括塑料管材，回填料，土壤在内的综合的导热系数，还与现场的土壤含水量等因素有关，也只能在现场测定；研究表明，仅就土壤和岩石两类土壤材料的导热系数来说，其数量级可以由0.4W（m·℃）至6.0W（m·℃），随其密度及湿度有所不同；常遇到的土壤材料的导热系数，会相差两倍以上；如果大地导热系数相差两倍，在一定的条件下，设计管长，可以减少大约20%；，在提高回填材料的导热系数上，多年来国外都做了不少改进。 大地导热系数的测定，要在没有被热扰动过的土壤中现场进行。依据国际上的大地导热系数模拟装置的原理，大地导热系数模拟装置已测出多种数据；该装置由北工大地热供暖课题组，在研究工作中，自行研制、设计和施工；经过了实验检验；并且经改进后，还扩大了其功能。 3.2 合理的热泵选择 一是根据当地的地质与水文地质条件、经济能力、政策导向等因素，进行合理的选择，已采用效率高、费用可以接受的热泵方式及设备。 二是按照低的进水温度选热泵，以免制热量不够；由国外某知名的热泵厂家给出的数据表明，该热泵水源侧供水温度3.9℃时的制热量，比14℃时的制热量，大约小一倍；并且样本上说明，不鼓励在该低温工况下运行。 三是要选能承受冬季的低温，夏季的高温的土壤源专用热泵；能承受水源侧进水温度－5℃，和43℃的热泵；不仅在自控上体现了保护温度的不同，在制冷系统上，还应该有必要的措施。 3.3 严格的施工技术 （1）要有定点专用厂家生产关键的设备与管件材料例如，热泵主机的性能稳定，U型管的底部接头、双U型管的上部接头等，是导致水流阻力加大的主要部位。 （2）井孔的回填材料和方法回填材料影响导热系数；要使用砂浆泵加压灌浆法，可以保证较高的导热系数。 （3）施工单位要有相应的资质，施工人员（包括电熔焊工和下管，回填工）要进行培训，并有合格证书。 （4）杜绝低劣，粗放的设计，施工工艺，才能保证效果。 3.4 长期的效果监测 根据大地导热系数的测定结果，在设计、工完成后，可以进行使用20～50年的效果模拟预测，主要是确定热泵水源侧，冬夏的最高，最低温度的逐年变化；这样就可以知道其制热量和制冷量的逐年变化；一般说，当冬夏热冷负荷基本一样时，水源侧的冬夏的最高，最低温度也还会逐年上升，这对于北方的供暖有利。 3.5 规范化管理和许可证制度 国家应制定统一标准，包括地埋管的钻孔，设计，施工规范等。我国是一个大国，任何事情，无序发展，势必造成混乱；由于钻孔的高利润，只要买个小钻机，个体的钻孔很容易实现；据调查，有的工地，钻孔的斜度，可以与相距4～6m的临近钻孔相交汇。地下工程是隐蔽工程，如果无序进行，对于其他地下设施，势必会造成影响； 政府有关部门，应制定地热地源发展规划。北京是世界最大的城市之一，热泵技术的发展（包括土壤源和地下水源等）应在浅层地温条件调研的基础上，由有关部门提出科学的发展规划。为加强管理，应制定法规，以规范这一技术的有序发展。 对于土壤源热泵系统，可能带来的土壤环境保护问题，应有所准备；要有序钻孔，以保护一个清洁的地球。 4 北京地区深层地热、浅层地热的发展与政策 4.1 深层地热 为科学引导地热的发展，北京已经编制2006—2020年地热资源可持续利用发展规划。近年内的发展重点，一是进一步探讨为加强地热资源的科学管理，实行保护性限量开采的有关政策。市政府有关部门已经发出通知，支持地热供暖项目的发展，但要求采取回灌措施，保证将采暖弃水进行回灌；强调温泉休闲度假旅游项目的发展，按不同用途进行循环过滤、中水处理、综合利用，实现零排放的目标。二是支持延庆生态农业县的无烟城建设，提高当地的旅游品牌。例如延庆县城人口不足10万，按规划目标，总建筑面积约500万m2，当地地热埋深2000m，可打出70℃左右、日采3000m3地热水，具有发展地热供暖的地热资源条件。实现地热供暖，可为当地减少50%左右以上的燃煤锅炉。 4.2 浅层地热 浅层地热的开发利用，需要具备一定的地质和水文条件，才能取得较高的效率，达到理想的供暖制冷效果。为加强地热资源的开发管理，规范开发中的市场行为，应该立项进行全市浅层地热资源情况和水文地质条件的调查，并在调查的基础上，划定适合于不同热泵技术发展的条件和范围，编制相关的发展规划，以便引导浅层地热能科学合理的利用。 4.3 地质环境的监测 加强对浅层地热利用的管理和规范，特别是保证水源热泵系统中地下水资源的回灌、水质检测与地质环境监测，十分重要，应引起有关部门的足够重视。 4.4 发展前景 鉴于改善能源结构和节约资源的需要，北京市为加强浅层地热资源等可再生能源的利用，提出未来几年内发展1亿m2供暖面积的目标。这一目标的提出，完全体现了北京地区发展清洁能源和节约资源的紧迫性。为实现这一目标，在市发改委的牵头下，市政府9个委办局共同研究、制定了相关的扶持政策，加强对地热与浅层地温资源利用的支持，引导地热于浅层地源热泵项目，给予一定数量的项目改造或建设资金的补助政策。预测在这一政策的促进下，北京市地热与浅层地热等可再生能源的利用会有一个快速的发展。 参考文献 ［1］丁良士等.从深层到浅层地热供热制冷看北京2008奥运场馆能源建设.2003 ［2］北京市地质矿产局地热处.北京市地热资源2001—2010年可持续利用发展规划.1999 ［3］陈建平.北京地热资源管理研究.2002.北京地热国际研讨会论文集，北京北质出版社，273～283

浅层地热能储存资源量评价

参照《浅层地热能勘查评价技术规范》，此次浅层地热能储存资源量评价的深度范围定为200m以浅松散层厚度。计算温差为单位温差；计算面积为各个城市2020年规划区的面积。计算结果见表7-7。 表7-7 浅层地热能储存资源量计算结果表

浅层地热能开发利用现状、发展趋势与对策

陶庆法 胡杰 （国土资源部地质环境司） 1 概述 地球的内部是一个巨大的热源库，蕴藏着无比巨大的热能。浅层地热能是地球热能的重要组成部分，通常是指位于地球表层变温层之下，蕴藏在地壳浅部岩（土）体中的低温地热资源，其热能主要来自地球深部的热传导。浅层地热能的温度略高于当地平均气温3～5℃，温度比较稳定，分布广泛，开发利用方便。具有十分广阔的开发利用前景。浅层地热能的利用，主要是通过热泵技术的热交换方式，将赋存于地层中的低位热源转化为可以利用的高位热源，既可以供热，又可以制冷。目前浅层地热能的可经济开采利用的深度一般小于200m。 热泵技术的不断完善与广泛应用，为浅层地热能的开发利用提供了条件。用于浅层地热能开发利用的热泵系统，统称为“地源热泵系统”，它是以岩土体、地下水（或地表水）为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统，是一种节能环保的空调系统。根据地热能交换形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。 地源热泵技术是一种利用浅层地热能的既可以取热供暖又可以取冷制冷的高效节能的空调技术。其工作原理是利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，通过输入少量的高品位电能，运用埋藏于建筑物周围的管路系统或地下水与建筑物内部进行热交换，实现低品位热能向高品位转移的冷暖两用空调系统。它由水循环系统、热交换器、地源热泵机组和控制系统组成。冬季代替锅炉从土壤中取热，以30～40℃左右热风向建筑物供暖，夏季代替普通空调向土壤排热，以10～17℃左右冷风给建筑物制冷。，还能供应生活用热水。 国内外大量实例表明，采用地源热泵系统开发利用浅层地热能对建筑物进行供暖空调，具有取用方便、无污染、运行费用低等特点。浅层地热能是理想的“绿色环保能源”，热泵技术是“绿色环保技术”，其主要特点是 （1）资源可持续利用。浅部地热能储层像一个巨大的热能调蓄器，利用热泵系统给建筑物供暖、空调，冬季从地层中取出热量给建筑物供暖，夏季吸收建筑物的热量释放到地层中储存，这样，全年中建筑物冬季采暖所需的热量，总体上可与来自地球深部的传导热量和夏季储存的热量实现平衡，使浅层地热能源能够实现可持续利用。 （2）高效节能。由于浅层地温略高于当地平均气温，比较恒定，冬季供热时温度比环境温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比提高；夏季供冷时，温度比环境温度低，冷却效果提高，机组效率也提高。地源热泵的制冷制热系数可达4.0以上。与传统的空气源热泵相比，高出40%左右，其运行费用仅为普通中央空调的50%～60%，与电热锅炉和电热膜供热相比，可节约70%左右的电能。 （3）无环境污染。地源热泵运行时，除了消耗少量的电能外，需要的仅仅是与地下岩土层（含岩石、土层和空隙中的水）进行热量交换的循环水或其它液体，基本不消耗水、不排泄废物，不对周围环境产生任何污染。 （4）运行费用低。维修量少、自动化程度高，运行费一般只相当于普通供暖空调费用的30%～70%。 （5）一机多用。一套地源热泵就可以实现供热、供冷和生活热水供应，可代替原来的锅炉加空调两套系统，一次性投资降低。 （6）节省土地资源。地源热泵除主机和循环水泵外，没有其它安装设备。与锅炉房相比，省去了水处理间、风机间、烟囱、煤场和渣土场，节约了土地资源。 （7）运行灵活、稳定可靠、使用寿命长每台机组可独立运行，个别机组发生故障不会影响整个系统的运行。机组运行工况稳定，不受环境温度变化的影响，冬季不需要除霜。热泵的运转部件少，基本上不需要维修，运行稳定可靠，使用寿命可达20年。 （8）自动化程度高地源热泵一般是全电脑控制，可根据外部负荷的变化，调整压缩机的工作数量，并设有压缩机超温保护、断水保护等多种保护措施，可实现无人值守。 （9）用途广泛从严寒地区至热带地区均适用。 （10）易于管理。可实现机组独立装表、计费，方便对整个系统的管理。 地源热泵系统的应用受当地水文地质条件的制约。地区的水文地质条件决定了采用地源热泵供暖、空调的可能性及其利用的方式。就一般而论，在地下水位埋藏不深，含水层厚度较大、渗透性能较强、易于回灌的地区，适宜采用以地下水源为载体的地源热泵；在地下水位埋藏浅，松散层厚度大、但渗透差、不易回灌的砂、土层分布地区，适宜采用垂直埋管式地源热泵；地下水位埋藏深，松散层厚度小、岩土层渗透性弱、不具备开采地下水的岩石地区，不适宜采用地源热泵。 2 国际地源热泵技术与浅层地热能应用发展趋势 “热泵”的概念，1912年由瑞士人提出，1946年第一个热泵系统在美国俄勒冈州诞生。1974年起，瑞士、荷兰和瑞典等国家政府逐步资助建立示范工程。20世纪80年代后期，热泵技术日臻成熟。在过去的10年时间里，大约30个国家的热泵平均增长速率达到10%，在国际社会中，由于其在减少二氧化碳方面得到普遍认可而受到广泛重视。 目前，利用热泵技术开发利用浅层地热能较好的国家有美国、北欧、瑞典、瑞士和德国，已有大量装机的国家有加拿大、奥地利、法国和荷兰，开始重视和推广应用的国家有中国、日本、俄罗斯、英国、挪威、丹麦、爱尔兰、澳大利亚、波兰、罗马尼亚、土耳其、韩国、意大利、阿根廷、智利、伊朗等国。 热泵增长较快的主要还是在美国和欧洲。目前全世界装机容量可能接近10100MWt，年均利用能量约59000TJ（16470GWh），实际安装的机组量约900000个，据不完全的统计，目前地源热泵装机容量居多的国家依次是美国、瑞典、德国、瑞士、加拿大、澳大利亚（见表1）。 表1 利用地源热泵装机容量居多的国家 在美国，每年接近安装5万～6万套热泵机组，超过600个学校安装了热泵系统进行供暖和制冷。在瑞士，由于高原气候条件，冬天日照少，水源热泵系统已经以每年15%的速度快速增长。目前，瑞士有超过25万台热泵系统在运行，成为世界上利用热泵密度最大的国家。在英国，尽管地质条件非常复杂。热泵技术也从非常小的起步发展到遍及整个英国。涉及领域有私人建筑、房地产开发、公共设施等。目前，瑞典的地源热泵安装基本占总需求负荷的60%，尤其是进入到21世纪之后，瑞典的热泵安装增长更为迅速，仅2001年热泵销售就突破25000台。澳大利亚虽然大部分国土位于热带，引入热泵的数量也达到23000多套。 地源热泵在日、韩、美和中欧、北欧应用较为普遍。据1999年的统计，在住宅供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士96%，奥地利38%，丹麦27%。美国1998年地源热泵系统在新建筑中占30%，且以10%的速度稳步增长。其中最著名的地源热泵工程有肯塔基州路易斯威尔的滨水区办公大楼，服务面积15.8×104m2，每月节省运行费用25000美元。随着该项技术的应用发展，其组织的研究也迅速发展。据有关资料介绍，日本国研究出的高温水地源热泵，出水温度达到80～150℃，且其制热系数COP高达8.0。 由于地源热泵技术的日趋成熟，有力地促进了浅层地热能的广泛利用。近几年来，各国浅层地热能的开发利用规模和发展速度都在快速增长。从国外发展趋势看，开发利用浅层地热能（蕴藏于地球浅部岩土体中的低温能源），将是地热资源开发利用的主流和方向。 3 我国浅层地热能开发利用现状 我国的热泵研究始于20世纪50年代，天津大学热能研究所的吕灿仁教授在1954年开展了我国热泵的研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵机组。但由于多种原因，发展缓慢，直到80年代末90年代初，相关领域开始了新一轮的研究。进入21世纪以来，我国在热泵模型仿真、试验装置、能耗评价以及系统材质研究等方面取得了一批显著成果。随着传统能源的紧缺和人们对开发新能源和再生能源的重视以及热泵技术的日益成熟，热泵技术及浅层低品位地热能的开发利用得到了快速发展。 我国政府十分重视热泵技术和浅层地热能的开发利用工作。1994年3月国务院批准了《中国21世纪议程下的可持续能源计划》。1997年11月原国家科委与美国能源部在北京签署了《关于地热能源生产与应用的合作协议书》，中美两国政府开始了可再生能源领域的技术合作。1998年11月，开始实施《中美两国政府合作推广美国土-气型地源热泵技术工作计划书》，确定了北京计科地源热泵科技有限公司、上海鼎达能源公司、广州信利达公司为中美两国政府地源热泵合作项目的执行单位。按照该计划，1999年正式启动了北京嘉和园国际公寓、宁波服装厂厂房楼、广州松田学院教学主楼三处示范性工程，建筑总面积13．238万m2，其中北京嘉和园国际公寓面积最大，达8．8万m2。2000年6月，由中国科学技术部在北京主办了“美国土-气型地源热泵技术交流大会”，进一步推动了热泵技术的运用。据统计，到2003年底，仅北京计科公司，已建成土-气$# 北京是我国应用地源热泵技术开采浅层地热能对建筑物进行供暖空调较早且发展最快的地区之一。近几年来，采用浅层地热能为建筑物供暖空调的工程数量迅速增加。到2004年底，北京已有200多个单位总计420万m2的建筑面积利用浅层地热能供暖或供冷。其建筑物类型有普通住宅、办公大楼、高级宾馆，也有学校、幼儿园、商场、医院、敬老院、档案馆、体育场馆、厂房、污水场站，景观水池等。其中，地下水地源热泵系统最大单项工程建筑面积达18万m2，地埋管地源热泵系统（又称土壤源热泵系统）最大单项工程建筑面积也已达13万m2。目前由华清地热集团正在实施的地埋管地源热泵系统单项工程——用友软件园，供暖空调面积将达到20万m2。几处代表性的地源热泵供暖空调工程项目见表2。 表2 北京代表性的地源热泵供暖空调工程项目简介 天津也是我国应用地源热泵系统供暖空调较早的地区之一。近年来，已先后在天津开发区第十八大街海滨大道发展公司、天津地矿珠宝公司、天津市中心海河商贸区古文化街等地建立了地源热泵系统供暖空调项目。目前，正在快速发展中。 河南、内蒙古、山东、广东、安徽等地也都开始了开发利用浅层地热能的探索和试点。随着我国能源结构政策的调整，以燃煤和耗电为主的锅炉采暖、空气源热泵供冷的传统方式，将会被更加高效的以浅层地热能为热源（或冷源）的地源热泵供暖（或供冷）方式所取代。随着地源热泵技术的逐步完善，浅层地热能必将成为我国今后一段时期地热能开发利用中的最普遍最主要的能源。在我国建筑物供暖（或供冷）中，浅层地热能所占的比重也将愈来愈高。 4 存在的主要问题 地源热泵技术及其浅层地热能的开发利用，虽然在我国取得了明显成效，但由于发展时间短，总体上还处于起步阶段，地区发展很不平衡，存在的一些问题也日益显现，需要我们认真研究和解决，否则将直接影响着浅层地热资源的科学开发和持续利用。主要问题是 （1）社会认知程度低。当前社会对浅层地热能资源的认知程度还很低，人们对赋存于地壳表层丰富的浅层地热能资源和特点及其热泵技术了解不多，甚至相当一部分专业设计单位的人员对此也缺乏了解，直接影响浅层地热能这一新型能源的广泛应用。 （2）开发技术水平不高。适合我国特点并满足不同要求的地源热泵系列产品尚未形成，有待积极开发；地源热泵供暖空调项目专业设计人员普遍缺乏，系统设计不匹配和偏保守的问题较突出。土壤埋管换热计算理论还不成熟，缺乏设计标准，工程质量难以保证，广泛应用受到限制。 （3）开发利用工程与资源勘查评价工作脱节，存在一定的盲目性。水文地质条件决定了浅层地热能的开发利用方式和规模。但目前浅层地热能的开发与勘查评价工作大多存在脱节问题，有的开发利用方案的选定缺乏科学依据，开发规模与资源条件不匹配，存在盲目性，导致工程效益不高，工程成功率偏低。，浅层地热能的开发利用必须建立在水文地质勘查评价工作的基础上，应对浅层地热能开发利用的可行性、适宜性及开发利用容量进行评价，因地制宜地制定开发利用方案，选定热泵系统类型（是地埋管地源热泵还是地下水型地源热泵等），确定埋管深度、密度等科学数据。 对已经开发利用浅层地热能的工程和地区，大多没有对其影响范围内环境地质体中的岩土体温度、地下水温度及其水质等进行监测，也没有及时分析地热能场的变化规律及开展环境影响评价工作，对未来的变化趋势更是心中无数。 （4）浅层地热能开发利用的技术标准、规范滞后。目前尚缺乏《浅层地热能勘查评价》、《浅层地热能地质环境境影响评价》等技术规范，使勘查评价工作缺乏标准，方法不统一。工程的设计缺乏系统的设计规范，大都处在无标准可依的状态。对开发单位缺乏资质管理，实施的工程也缺乏必要的论证程序。浅层地热能供热（或供冷）是一项系统工程，地上暖通空调系统与地下资源勘查评价及井位、埋管系统的设计、施工等环节，是有机的整体，各专业之间必须统一设计施工，协同作业。否则，浅层地热能供暖（或供冷）工程将会造成热泵系统不匹配或匹配程度差，成功率低的不良后果。 （5）相关技术研发滞后。由于浅层地热能开发利用在我国时间短，一些配套的技术措施和检测设备还跟不上。如深层岩土热物性测试技术和仪器研发、不同区域地下传热模型模拟试验研究、地埋管换热器的传热强化、系统设计软件开发、地源热泵仿真及最佳匹配参数的研究、高性能回填材料的研究等，亟待开发和研制。 （6）缺少必要的扶持和激励政策。浅层地热能资源开发利用潜力很大，资源的可再生、无污染，是任何化石燃料所不能替代的。但初期一次性投入也较大，要取得经济上的规模效益，需要各级政府在财税等政策上予以扶持，否则，全面推广和应用受到一定的限制。就全国而言，目前仅有北京市，出台了鼓励政策，对用热泵技术进行供暖（供冷）的，市财政按照其受益的建筑物面积给以补助。但有些地区不但没有鼓励政策，反而出台了限制政策，如不仅对取出的地下源水收费，而且对回灌到地下的源水还收费，增加了企业负担，使企业利用浅层地热能的节能、环保效果未能在经济效益上得到体现，因而大大限制了热泵技术和浅层地热能的利用和发展。 5 对策 浅层地热能的开发利用已逐渐在我国兴起，并呈快速增长之势，近几年，其在用于供暖（空调）方面的发展速度已超过传统意义上的地热资源，随着人们认识水平的提高和示范工程的引鉴，对其开发利用会引起更多人的关注，也将会有越来越多的建筑物供暖空调项目采用浅层地热能资源。为促进浅层地热能资源的合理开发利用，必须采取如下对策措施。 （1）积极开展浅层地热能资源勘查评价，制定开发利用总体发展规划。浅层地热能资源普遍存在于地球表部，分布广泛、取用方便，具有广阔的利用前景已是不争的事实，但采用何种方式开发、可能利用的量、长期利用后对环境的影响程度等，则受到当地具体水文地质条件（地下水埋藏条件，地层结构、含水地层的渗透性、地下水水质等）的限制，只有这些条件查清楚，才能对浅层地热能的利用方式做出正确的选择。就一个地区而论，也才能对适宜浅层地热能开发利用的地区、不同利用方式的地段、可能的利用规模、潜在的环境地质问题等做出合理的判断。 部署开展区域浅层地热能资源勘查评价工作。当前，应先从平原区的重点城市起步，开展以1∶10万比例尺精度为主体的勘查评价工作。以原来开展的水文地质勘查成果为基础，补充必要的获取岩土体热传导率、渗透率等参数的勘查工作。勘查工作深度一般控制在200m以浅。 在勘查评价的基础上，编制浅层地热能开发利用规划，进行合理布局，确定适宜开发利用的地区、圈定不同利用方式（地下水、地埋管）的地段、提出合理的开发利用规模、防治地质灾害和环境地质问题的措施等。 （2）推动示范工程的建设，带动地区浅层地热能资源的开发利用。我国南北差异大，地质条件复杂，浅层地热能在一个地区成功应用的经验受地区具体条件的限制，并不能完全适用于其他地区。不同方式的利用经验，也有其特性和相应的利用模式。浅层地热能在一个地区的推广应用，除了吸收普遍的经验外，更重要的是应结合地区具体的条件，建立符合本地实际的示范性工程，摸索方法、经验，推广应用，带动面上的开发利用。 （3）依靠科技进步和创新，提高浅层地热能应用技术水平。浅层地热能利用涉及到资源勘查评价、地下换热、热泵、建筑物内供热（供冷）系统、自动控制等诸方面的配套技术，涉及多学科相互联系、借鉴的应用技术，既需要自身的提高，也需要相互协调配合方面的强化和提高。当前，尤其应加强地下换热技术，适合我国特点和需要的地源热泵产品研制及产品的系列化、标准化，系统设计优化和相关仪器的研制等，以推动整体技术水平的提高。 （4）出台相关政策、激励浅层地热能资源的开发利用浅层地热能开发利用初投资较高，但运行管理费用低并具有清洁、高效、节能的特点，是具有很好的开发前景和可持续利用的清洁能源，政府应出台相关政策、法规，支持、鼓励浅层地热能资源的开发利用。各级地方政府可以参照北京市政府的做法，对用地热能供暖（或供冷）的，可以按照建成的供暖（或供冷）的建筑面积，财政上给以补贴，以此支持和鼓励热泵技术的推广应用，推进浅层地热能的开发和利用。建议中央财政在可再生能源发展专项资金中，安排一部分资金专门支持和鼓励示范区的浅层地热能的开发利用。 （5）制定相关的技术标准、规范，规范浅层地热能资源的开发利用。2005年11月建设部、国家质检局已联合发布了GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范，该规范适用于以岩土体、地下水、地表水为低温热源，以水或添加防冻剂的水溶液为传热介质，采用蒸汽压缩机热泵技术进行供热、空调或加热生活热水的系统工程设计、施工及验收。它的发布与实施，将有利于浅层地热能开发利用工程设计质量的统一。当前，亟需制定和出台浅层地热能勘查评价、浅层地热能地质环境影响评价等技术规范和标准，以规范浅层地热能资源的勘查评价、地源热泵埋管设计、地质环境影响评价等行为，提高浅层地热能的开发利用水平。 （6）开展浅层地热能开发利用示范工程地下换热系统动态监测工作。在已开发利用浅层地热能的地区，选择不同类型的开发利用典型地区，开展地下换热系统的动态监测，进行地下场地水、热均衡动态长期监测和研究，积累数据，为浅层地热能的评价、地下换热系统工程的优化设计、完善标准、保护资源环境提供依据。 （7）建立和完善浅层地热能开发利用数据库及信息系统浅层地热能开发利用的地下换热系统工程深埋地下，是永久性工程，有的地面建筑物消失了，地下换热系统（地埋管、水源井等）还将长期保存于地下深处，对当地环境和后人的生产、生活等活动有潜在的影响。为加强浅层地热能开发利用的管理与资源的保护，应及早建立全国及省（区、市）浅层地热能开发利用地下热交换工程数据库及信息系统。

主要成果及本书编著情况

本书是“河南省重点城市浅层地热能评价与开发利用研究”成果的，又补充了鹤壁、济源、三门峡、商丘、平顶山、驻马店、信阳7个城市及地埋管热泵系统应用适宜性评价与区划研究内容，使得成果的应用性更加规范和全面。 本书共分10章。第一章绪言介绍了国内外热泵技术尤其是地源热泵技术和浅层地热能开发利用方面的研究现状及发展趋势；河南省浅层地热能开发利用现状及存在的主要问题；研究的目标任务、研究内容和方法；本项目的研究进展及取得的成果等。第二章概述了河南省18个省辖市城市浅层地热能形成的区域地质背景，包括自然地理特征、区域地层与地质构造、区域水文地质特征及浅层地下水资源；第三章阐述了城市浅层地热能特征，包括浅层地热能概念模型的建立，浅层地温场特征，浅层地热能埋藏、分布与循环特征，浅层地热能生产能力和浅层地热流体化学特征；第四章阐述了浅层地热能试验研究的主要方法和结果，包括水土的室内试验，现场抽、回灌试验、钻探方法试验等。第五章从地下水渗流和热运移基础理论入手，对对井抽、灌模式下地下水温度场的变化进行模拟研究，着重探讨了含水层水文地质条件、生产井结构与布局、地下水抽、灌量以及不同抽、灌模式等因素对地下水温度场的影响。并结合实际工程进行了模拟研究；第六章重点研究了地下水源热泵系统应用适宜性评价与区划和地埋管热泵系统应用适宜性评价与区划评价，在此基础上对河南省18个省辖市浅层地热能适宜性进行综合评价与区划。第七章系统计算和评价了城市浅层地热能资源，包括储存量和可采资源量；第八章对典型工程进行了简要介绍；第九章对河南省浅层地热能开发利用进行了展望；第十章为。本书的具体分工如下第一章由赵云章、赵静编写；第二章由闫震鹏编写；第三章、第四章由刘新号编写；第五章由崔亚莉、邵景力、赵静编写；第六章由焦红军、崔亚莉、赵静编写；第七章、第八章由田良河编写；第九章由闫震鹏编写；第十章由赵云章编写；由赵云章、闫震鹏定稿。 河南省国土厅科技处对本项目研究给予了大力支持；在项目研究过程中，得到了河南省国土资源厅调研员魏丹斌、河南省地质矿产局教授级高级工程师王建平等专家的热情帮助和指导；中国工程勘察大师、国务院参事王秉忱研究员、河南省国土资源厅教授级高级工程师张克伟、高级工程师梁世云及国土资源部水文地质环境地质研究所王贵玲研究员等对成果提出了许多宝贵意见和建议，在此一并致以衷心感谢。 我国浅层地热能开发利用时间较短，大家都在不断地探索。本项目研究过程中，《浅层地热能勘查评价规范》（DZT0225-2009）还未公布，给我们的研究带来一定的难度。我们力求从浅层地热能形成条件和开发利用角度，研究河南省城市浅层地热能的地质条件和地源热泵系统应用与发展的适宜性，只是抛砖引玉，将笔者的思路和初步研究成果推介给大家。但因所涉及的学科较多，且作者水平有限，诚请读者提出宝贵意见，以推动河南省浅层地热能勘查评价和开发利用工作不断发展。

浅层地温能的概念

浅层地温能是指蕴藏在地表水或地表以下一定深度(一般为恒温带－200m埋深)范围内的岩土体和地下水中具有开发利用价值的一般低于25℃的热能。浅层地温能是以广义的地热资源概念为基础，是深层地热能与太阳能共同作用的产物，是地热资源概念的扩展，即广义的地热资源，包括两种类型。 (一)变温层中的地热能资源 位于地下表层，深度一般小于30m(因地而异)，热能来自地球深部的热传导和地表吸收的太阳光辐射，由于受太阳辐射的影响，其温度有着昼夜、年份、世纪甚至更长的周期性变化，称之为“外热”。 (二)恒温层中的地热能资源 从地表向下，太阳辐射的影响逐渐减弱，在达到一定的深度时，这种影响基本消失，此处太阳辐射与地球内热之间的影响达到平衡状态，温度的年变化幅度接近于零。在此恒温面以下，地温场完全由地球内热所控制，地温随深度的增加而升高，其热量的主要来源是地球内部的热能。较经济的开采深度一般小于200m，是低品位地热资源，温度略高于当地年平均气温1℃～2℃，相对稳定，赋存面广，一般可就地提取利用。 从实践中看，造成一个地区在一定深度内常年温度恒定的事实，本身就是地热能和太阳能共同作用的结果。如果没有地热能和太阳能，现代地温场亦不存在，也就没有了地源热泵可利用热量的前提。大地有一定的蓄热能力，主要蓄积的是地热能和太阳能，人工蓄能的跨季节使用也可以在有条件的局部增加地温的可利用量。由于大地是个巨大的开放系统，地源热泵系统在反季节中储存的热量很容易扩散，这部分热量与整个地温场的能量相比所占比例很小，说浅层地温能是以地热能和太阳能为主的自然资源。

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