可再生能源的新成員：淺層地溫能

　　可再生能源的新成員：淺層地溫能
　　
　　摘要：淺層地溫能是一種新型的可再生能源，具有分布廣泛、蘊(yùn)藏量大、埋藏淺、易開發(fā)、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。針對(duì)目前開發(fā)現(xiàn)狀和存在的突出問題，認(rèn)為是由于政府管理和地質(zhì)勘探工作不力所致。為此，建議這個(gè)新的領(lǐng)域應(yīng)該屬于地質(zhì)勘探新的范疇。
　　
　　關(guān)鍵詞：淺層地溫能；地質(zhì)勘探；開發(fā)利用
　　
　　淺層地溫能是指在太陽能照射和地心熱產(chǎn)生的大地?zé)崃骶C合作用下，存在于地球表層恒溫帶至200m埋深中土壤、巖石和地下水中的低溫地?zé)崮埽ㄒ话銣囟鹊陀?5℃），如圖1所示。其能量相當(dāng)于9.4×1020KJ的熱能或3.2×105億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量。它通過熱泵系統(tǒng)進(jìn)行能量的提取和交換，從而實(shí)現(xiàn)供暖制冷。淺層地溫能不是傳統(tǒng)意義上的深層地?zé)崮茉矗饕植荚诘厍虻谋韺樱侨≈槐M用之不竭的可再生綠色低溫能源。它具有埋藏淺、分布廣泛、開發(fā)成本低等特點(diǎn)，是一種新型的可再生綠色能源和資源。隨著社會(huì)和技術(shù)的迅速發(fā)展，這種新型能源的開發(fā)利用已廣泛引起人們的關(guān)注和重視。
　　
　　*，我國建筑用能占全部能源需求的比例，已由原來的1/6增長為1/4，其中，建筑物冬季供暖、夏季制冷、生活熱水的能耗需求，占有相當(dāng)大的比例。以往，這些能源的消耗主要依賴于傳統(tǒng)的礦物質(zhì)燃料（煤、油、氣）的燃燒。如：用1000多度的高溫加熱70～80℃的低溫水來實(shí)現(xiàn)供暖，排煙的溫度竟達(dá)200℃以上。同時(shí)，按照目前通用的計(jì)算方法，燃燒1噸煤將產(chǎn)生2.2～2.3噸二氧化碳，另外還產(chǎn)生1.7%的二氧化硫和0.8%的粉塵（資料來源：韓再生《淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)》2007年12月）。這不僅僅是能源利用的浪費(fèi)和能源結(jié)構(gòu)不合理，且嚴(yán)重地污染周圍的環(huán)境，加大了環(huán)境治理的難度和費(fèi)用。
　　
　　淺層地溫能資源的開發(fā)利用，在滿足供暖（冷）的需求情況下，還可實(shí)現(xiàn)供暖（冷）區(qū)域的*排放。不僅利用了地球表層的低品位可再生能源，大幅度節(jié)約高品位傳統(tǒng)能源，同時(shí)真正實(shí)現(xiàn)了無污染的綠色環(huán)境。所以，加大淺層地溫能開發(fā)力度，普及和推廣這種新型的可再生綠色能源，對(duì)我國的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的作用。
　　
　　1、淺層地溫能開發(fā)類型與系統(tǒng)工作原理
　　
　　目前我國進(jìn)行淺層地溫能開發(fā)主要以水源熱泵系統(tǒng)和地源熱泵（地埋管）系統(tǒng)二種類型。
　　
　　1.1水源熱泵系統(tǒng)
　　
　　水源熱泵是利用湖水、河水、地下水、及工業(yè)用冷卻水資源，借助壓縮機(jī)系統(tǒng)，通過消耗少量電能，不斷將水中大量的低品位熱能取出來變成少量的高品位熱能，供給室內(nèi)的采暖和空調(diào)系統(tǒng)。夏季機(jī)組水系統(tǒng)反向運(yùn)行，把室內(nèi)的余熱取出來，在釋放到地下土壤或水中，以達(dá)到空調(diào)降溫的目的。具有能量提取或交換效率高、投資成本較低、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。如圖2所示。
　　
　　1.2地源熱泵
　　
　　當(dāng)淺層地下水污染嚴(yán)重、水文地質(zhì)條件差或回灌困難時(shí)，可采用淺層土壤作為能量的采集或交換，其工作原理與水源熱泵類似。地源熱泵系統(tǒng)中的地埋管又分垂直地埋管和水平地埋管二種形式。與水源熱泵相比施工費(fèi)用較高、能量提取或交換效率低和維修不便等問題，但是該系統(tǒng)不需要地下水資源和適用性更強(qiáng)等特點(diǎn)。如圖3所示。
　　
　　2、淺層地溫能的特點(diǎn)與應(yīng)用范圍
　　
　　淺層地溫能在某種意義上屬于傳統(tǒng)的地?zé)崮埽堑責(zé)崮芗易宓囊粋€(gè)新成員。只不過是作為能源來說其品位較低（一般小于25℃），只有通過熱泵系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)供暖或制冷。與地?zé)崮芟啾燃扔邢嗤c(diǎn)也有不同點(diǎn)；與傳統(tǒng)的能源供暖相比更具有*性，見表1和表2
　　
　　通過表1和表2比較可以看出淺層地溫能開發(fā)利用具有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　
　　（1）淺層地溫能屬于可再生綠色能源，具有地質(zhì)環(huán)境和地下水恢復(fù)速度快、對(duì)大氣無污染特性；
　　
　　（2）能源利用高，比傳統(tǒng)方式節(jié)能50～75%；
　　
　　（3）真正實(shí)現(xiàn)了供暖（冷）建筑使用區(qū)域的*和*。
　　
　　（4）一套設(shè)備，冬季既可供暖，夏季又可制冷，并可提供日常生活熱水，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)三用功能，節(jié)約總體投資、占地少。
　　
　　淺層地溫能由于不受地域和地質(zhì)條件限制，廣泛蘊(yùn)藏在地球表層200m以內(nèi)，并具有巨大的資源量。所以，可廣泛應(yīng)用于機(jī)關(guān)、學(xué)校、住宅、體育和會(huì)議中心等大型建筑物的供暖制冷和生活熱水供應(yīng)。
　　
　　3、淺層地溫能開發(fā)現(xiàn)狀及主要問題
　　
　　在北歐國家由于沒有煤炭資源，所以，熱泵技術(shù)早在1912年在瑞士開始提出和應(yīng)用。真正規(guī)模化淺層地溫能開發(fā)與熱泵技術(shù)是從70年代歐美國家開始。我國是一個(gè)煤炭資源豐富的國家，90年代前冬季供暖主要以煤炭、石油、天然氣等化石類能源為主。隨著生態(tài)環(huán)境的日益惡化和溫室效應(yīng)，導(dǎo)致大氣污染和氣候變暖等一系列環(huán)境問題突出。為此，尋
　　
　　找新的環(huán)保能源，調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展是我國當(dāng)前及今后能源戰(zhàn)略的主要原則。在這種形勢下，淺層地溫能開發(fā)利用在國內(nèi)也掀起了熱潮。北京、沈陽、大連、西安等地政府都出臺(tái)相關(guān)政策和管理辦法，鼓勵(lì)和引導(dǎo)這種可再生新型環(huán)保能源的開發(fā)
　　
　　利用。
　　
　　北京截止2007年底全市共完成淺層地溫能開發(fā)利用項(xiàng)目近500個(gè)，其中81%為水源熱泵系統(tǒng)，19%為地源熱泵（地埋管）系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)建筑物供暖制冷面積1000萬平方米，2010年建筑物供暖制冷面積達(dá)到3500萬平方米目標(biāo)。其它北方所有城市或地區(qū)在近5年內(nèi)幾乎都在不同程度地開發(fā)利用這種新能源。但是，多數(shù)城市則出現(xiàn)盲目開發(fā)和施工，在沒有取得任何區(qū)域地質(zhì)勘查和評(píng)價(jià)的情況下進(jìn)行開發(fā)利用，從而導(dǎo)致了一系列地質(zhì)環(huán)境問題和阻礙了淺層地溫能開發(fā)技術(shù)的健康發(fā)展。
　　
　　淺層地溫能主要分布在地球表層200m以內(nèi)，其淺層主要由土壤（巖石）、水、空氣、有機(jī)質(zhì)等組成并達(dá)到一個(gè)相對(duì)的平衡狀態(tài)。如果大量缺失任何一部分，將會(huì)導(dǎo)致地球表層結(jié)構(gòu)的平衡破壞。在這種情況下將可能產(chǎn)生地面不均勻沉降、建筑物傾斜開裂、海水入侵、地下水類型變化等地質(zhì)環(huán)境問題。其中水源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題就是成井質(zhì)量和地下水及時(shí)回灌。當(dāng)成井質(zhì)量出現(xiàn)問題時(shí)，則造成水量小、含砂量高等現(xiàn)象；在不了解區(qū)域水文地質(zhì)條件和鉆井?dāng)?shù)量、井間距、深度設(shè)計(jì)不合理情況下，將會(huì)導(dǎo)致熱泵不能正常運(yùn)行、地下水回灌困難等問題。如：河南多數(shù)地區(qū)從事淺層地溫能開發(fā)主要以空調(diào)安裝公司或冷暖工程公司為主，其從業(yè)人員多數(shù)為水暖、制冷和機(jī)電安裝等專業(yè)，沒有地質(zhì)類專業(yè)人才。打井時(shí)尋找一些個(gè)體井隊(duì)進(jìn)行施工，由于技術(shù)含量和鉆井價(jià)格低。所以，成井質(zhì)量很難得到保證；再加上政府沒有明確誰管理，只要繳費(fèi)水行政部門就給予審批鉆井。所以，在鄭州市多數(shù)單位的地下水回灌率不足30%，甚至有些單位直接把地下水排放到下水道中白白流走。有個(gè)別地方1眼抽水井的水6眼回灌都困難，導(dǎo)致地面塌陷等問題。
　　
　　綜上所述，目前我國除北京和沈陽外，其它城市和地區(qū)在開發(fā)淺層地溫能領(lǐng)域突出存在的問題主要有以下幾個(gè)方面：
　　
　　（1）眾多城市或地區(qū)在開發(fā)利用淺層地溫能資源時(shí)，都未進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)勘查和水文地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)條件評(píng)價(jià)；
　　
　　（2）沒有專業(yè)隊(duì)伍參與，許多抽水井和回灌井設(shè)計(jì)不合理、成井質(zhì)量差，導(dǎo)致水量小、含砂量高、回灌困難等；
　　
　　（3）由于沒有進(jìn)行前期論證和適宜性選擇，在淺層地溫能提取或交換過程中，將造成運(yùn)行費(fèi)用高（耗電）、熱污染和地下水類型變化等；
　　
　　（4）多數(shù)地區(qū)對(duì)于淺層地溫能開發(fā)沒有統(tǒng)一規(guī)劃和管理措施，從而導(dǎo)致亂開采、亂排放、亂收費(fèi)，同時(shí)也出現(xiàn)了地面塌陷、地下水浪費(fèi)等地質(zhì)環(huán)境問題。
　　
　　4、地質(zhì)勘查與評(píng)價(jià)是淺層地溫能開發(fā)的重要技術(shù)支撐
　　
　　淺層地溫能同樣是一種資源，怎樣保護(hù)好這一新型的能源和資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開發(fā)利用，是政府與地質(zhì)勘查部門義不容辭的責(zé)任和義務(wù)！通過近幾年的開發(fā)利用情況和實(shí)踐證明：淺層地溫能的開發(fā)利用利國利民、有利于環(huán)境保護(hù)和減少溫室效應(yīng)。但是，目前大多數(shù)地區(qū)開發(fā)市場比較混亂，質(zhì)量也參差不齊。造成這一問題的主要原因是：由于是一種新能源開發(fā)剛剛起步，政府沒有及時(shí)進(jìn)行科學(xué)引導(dǎo)和管理；另一方面是地質(zhì)專業(yè)部門也沒有積極參與和為政府提供技術(shù)支撐。
　　
　　所以，地質(zhì)勘探隊(duì)伍應(yīng)是淺層地溫能開發(fā)與評(píng)價(jià)的主力軍！同時(shí)也是地質(zhì)工作的一個(gè)新領(lǐng)域。為此，地質(zhì)工作者應(yīng)該及時(shí)抓住機(jī)遇，積極進(jìn)行這項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義的公益性工作，為政府科學(xué)決策和管理提供依據(jù)，同時(shí)也為這一新能源的開發(fā)利用步入健康軌道發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢和作用。就目前狀況來看，地質(zhì)工作的主要任務(wù)是：
　　
　　（1）查明區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件。基本查明含水層結(jié)構(gòu)、厚度、埋藏等特征，劃分淺層地溫能開發(fā)適宜區(qū)和保護(hù)區(qū)。
　　
　　（2）查明地下水水位分布、水量、水質(zhì)情況及動(dòng)態(tài)變化；查明包氣帶巖土體結(jié)構(gòu)，確定巖土體的熱物理參數(shù)（熱導(dǎo)率和比熱）；確定巖土體的孔隙率、含水量、密度等物理力學(xué)參數(shù)；為水源熱泵或地源熱泵（地埋管）系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　
　　（3）對(duì)淺層地溫能綜合利用進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出可持續(xù)開發(fā)利用的建議，并預(yù)測開發(fā)利用產(chǎn)生的環(huán)境影響，為政府提供開發(fā)利用、保護(hù)和管理所必須的地質(zhì)資料和依據(jù)。
　　
　　（4）結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件，合理選擇抽水井和回灌井類型、數(shù)量、深度和井間距，解決成井質(zhì)量和回灌困難問題。
　　
　　（5）針對(duì)淺層地下水硬度高、污染物成分復(fù)雜和礦化度高等情況，研制或選擇新型成井材料和管材，解決井管腐蝕、堵塞和結(jié)垢問題，以便延長水井和熱泵機(jī)組的使用壽命。
　　
　　其中，查明區(qū)域水文地質(zhì)條件，為合理選擇淺層地溫能開發(fā)方式，是前期勘查論證的基礎(chǔ)。采用水源熱泵系統(tǒng)時(shí)，其成井工藝、井管材料選擇、確保地下水及時(shí)回灌是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行和預(yù)防地質(zhì)環(huán)境破壞的關(guān)鍵。特別是在井管材料選擇方面應(yīng)該轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)觀念、大膽創(chuàng)新和加強(qiáng)成功實(shí)例的宣傳力度。如PVC-U塑料井管具有重量輕（密度1.45kg/m3）、塑性好、耐腐蝕、成井速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)在100～350m成井（水井和地下水監(jiān)測井）已有成功范例，并且*。所以，加大新型材料的推廣應(yīng)用不僅可以降低成本、提率，而且還解決了金屬井管腐蝕和結(jié)垢問題，從而可大大降低水井的維修費(fèi)用。在回灌問題方面目前在許多地區(qū)比較突出在回灌困難和回灌井建造數(shù)量過多二個(gè)方面，其根本原因就是對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)條件不熟悉所致。同時(shí)，也困擾著淺層地溫能開發(fā)利用技術(shù)的發(fā)展。所以，在回灌井結(jié)構(gòu)、數(shù)量、深度等設(shè)計(jì)時(shí)，首先以所掌握的水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，根據(jù)不同水位和水量按照“一井多層”的新理念實(shí)施抽取和回灌。這樣的思路既能保證回灌又能節(jié)省建井?dāng)?shù)量，從而大大降低成本。
　　
　　總之，淺層地溫能開發(fā)涉及地質(zhì)、水暖、供暖制冷設(shè)備和安裝等專業(yè)。這種新型能源的開發(fā)利用技術(shù)能否快速發(fā)展和普及，關(guān)鍵是對(duì)地質(zhì)背景和條件的熟悉和了解。其中，鉆井工程的合理設(shè)計(jì)和施工，對(duì)熱泵機(jī)組的正常運(yùn)行、成本控制和地質(zhì)環(huán)境問題起著重要作用。所以，淺層地溫能開發(fā)是地質(zhì)勘探的一個(gè)新領(lǐng)域，同時(shí)也是地質(zhì)工作者義不容辭的義務(wù)和責(zé)任。
　　
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