淺層地溫（熱）能資源特性及評價方法對地源熱泵

淺層地溫（熱）能資源特性及評價方法對地源熱泵工程的意義

淺層地溫能是地球表層的一種低位能量，它的特點是單位體積所含能量較低，它來源于太陽能與深部熱能的綜合，它集中體現在大地的恒溫帶，及其相鄰的地帶。它的熱物性參數值（導熱系數、熱傳導率、比熱容等）也較低，因此具有緩慢的可再生性、傳熱性和蓄熱性。在一般情況下人們很少利用這種能量。由于地源熱泵技術的應用，淺層地溫能可以發揮它的潛能，作為一種資源進行開發利用。但是地源熱泵系統的特點是希望在單位體積內，短時間提取大量的熱能。這一特性與巖土層的天然熱物性能存在較大的差距，這正是要求地源熱泵系統在設計階段保障冷熱負荷平衡的原因。作為特殊條件下的一種地質資源，對它的評價要結合其利用方法和專業特點綜合考慮。這些內容是目前任何專業都沒有開展過的，具有較大的嘗試性和探索性。同時，對水文地質學領域也是一個可以擴展的空間。

1.淺層地溫能

淺層地溫能是指在正常地質條件下，地下100m以淺的巖土層所存在的常溫能量。它的來源與特征是地球本身的結構與特征所決定的。

1.1地球結構

地球半徑6378 km（赤道）～6357 km（極地），平均6371 km；

地球表層稱為地殼厚度為0～33 km；

地球半徑與地殼厚度之比（0.00627），雞蛋半徑與蛋殼之比（0.016），兩者差2.5倍。

地殼對于地球本身的厚度是淺薄的；

通常地下深1km，其溫度可達40℃；

上地幔厚度33～670km；2000-3500℃

下地幔厚度670～2800km

地外核厚度2800～4600km；3900℃

地內核厚度4600～6371km；溫度4900℃

1.2地溫與地熱的意義

從《geological glossary》查到Geothermal means the heat come from entrails of the earth 即來自于地球內部的熱量。從《英漢地質辭典》中查到，Geothermal是地熱的，地溫的；都是出自于同一詞。從《地球科學大辭典》中查到，中文詞匯中：“地溫”有兩種意義，既表示冷熱程度，又表示過程。某種場合“地溫”是單指地下溫度的，Geotemperature。<BR>我國對“地熱”的定義是，地下溫度在25℃以上的水流或巖土層稱為地熱流。地溫與地熱在大部分場合可以互用，如地溫梯度也稱地熱梯度等。地源熱泵換熱系統一般不超過300m，在這一深度地下溫度正常環境中不超過25℃。在地源熱泵技術應用方面，利用淺部巖土層能量時，應用“地溫能”一詞較為合適。國際地熱協會定義為地下溫度高于當地恒溫帶10℃的地下流體或巖土體就稱為地熱體；我國地域遼闊縱跨4個氣候帶，地下溫度變化較大；

根據多年的應用實踐和目前地源熱泵工程的需要；我國早期定義的地熱概念應按照國際慣例進行修改。

1.3 地球的能量

(1）地球內部能量

地溫（熱）能

地磁能；

地電能；

地應力能；

重力能；

(2）地球外部能

太陽能

風能

潮汐能

宇宙射線能

水能（地表水、地下水）

(3）各類物質化石能（煤、石油、天然氣、水合物、生（植）物能）

1.4 淺層地溫能特性

淺層地溫能是客觀存在的，它是由太陽能對地球表面輻射所保留的能量與深部地心熱核反應向地表擴散的綜合反映。在地下5～8m以上，地下溫度隨季節的變化，表現為太陽能的補充占主要地位。在8m～50m的巖土層中，地球深部熱核反應釋放的熱量向地表釋放，并逐漸降溫，在這一深度這兩方面的熱量達到了平衡，并體現在地下恒溫特點。它表明既不受地表的季節性溫度影響，又不受深部地熱源的影響，溫度保持穩定，稱為恒溫帶。該地帶溫度一般略高于當地多年平均氣溫1-2℃，如北京地區約為15℃，哈爾濱為4℃，廣州22℃等。

地球淺部的恒溫帶是兩種能量的平衡地帶。巖土層既有吸收和釋放能量的功能，又有蓄能的特點。地溫資源屬地球的自身資源，淺層地溫能資源豐富，分布廣泛，溫度穩定，具有一定的可再生性、地域性和儲存性。淺部（小于100m）的地溫資源，由于溫度低（小于25℃）可直接開發利用能量有限，長期以來受到很大限制。

目前，利用不同深度的巖土層具有傳熱和蓄能的特性與熱泵技術結合，將淺部的低品位地溫能提高到高品位能量的特性，可為建筑物制冷或供暖。由于利用這種方法在經濟、環保等方法具有明顯的優勢，節能減排效果明顯，使得利用淺層地溫能的熱泵技術得到了廣泛的推廣和利用。<BR>由于在正常淺層地溫環境下，其巖土、地下水等的體積比熱容較小，且熱傳輸速度較低。這些特征與人們希望在較短的時間內，提取大量能量，或長期提取能量相比是不相稱的。正因為兩者有如此的差別，就需要地源熱泵系統在設計和運行過程中，盡可能的注意和保持系統中的冷熱負荷平衡，以克服巖土層在短時間內不能釋放較多能量的缺陷。

1.5 與熱泵系統的關系

在工程運行期間是否能完全達到平衡（或稱作恢復到巖土層的初始溫度），要對地下溫度場的長期（至少一年）監測中，分析巖土層的吸收、釋放和蓄能的規律。在此基礎上，給出地源熱泵系統較佳的運行方案。這是兩大專業人員在今后較長的時間里所要共同努力的。

在北歐地區由于地源熱泵系統的換熱器布置在較寬敞的地帶，且所提取的熱量有限。在系統停止使用的時段里，大面積的淺層地溫能可以補充其消耗的部分，以達到系統的長期穩定運行。因此，可以認為，淺層地溫能的存在與緩慢釋放的特點。它可以為小型地源熱泵系統提供較充足的能源，對規模較大的地源熱泵系統工程起到一定的補充和調節作用。

而對有充足的地表水（河、湖、海水、污水等流動水體）作為冷熱交換源，有足夠的低溫能量及時供給熱泵系統，對熱泵系統年度內的冷熱負荷的平衡要求就不是很高。

2．淺層地溫能資源的評價

由于目前地質與暖通空調兩大專業在地源熱泵技術的應用方面的結合尚處在初期階段，地質專業人員對熱泵技術對地質條件的要求還不熟悉。對淺層地溫能資源的評價與計算方法，在《淺層地溫能勘查開發技術規程》征求意見稿中，仍以傳統的地質學觀點計算和評價淺層地溫能資源。由于淺層地溫能的特征所決定，單位面積的能量是十分有限的。如何結合地源熱泵系統對地質條件要求，進行區域淺層地溫能資源計算和評價是地質技術人員面對的新課題。比如，計算面積如何取值，在此計算面積中，有多少面積能為地源熱泵系統提供熱量。在一些建筑工程中，建造房屋的土地面積，實際的建筑設計容積率等都要考慮。

大地熱流計算法：大地熱流（也稱為大地熱流密度；Density of terrestrial heat flow rate）是指在單位時間內通過地球表面單位面積散失的熱流量，一般用它來表示地球內部熱能向地球表面散失的情況。熱流密度q為一個向量，q=-k(αθ/αz);k為巖石熱導率；αθ/αz為地溫梯度；其單位為毫瓦/米2（mW/m2）可以說，大地熱流散熱即通過巖石的熱傳導作用是散熱失地球表面散失的主要方式。新生代以來的地帶大地熱流密度在60-80 mW/m2。它是傳統地熱地質學中研究不同深度巖土層的熱能的一種基本方法。通過對大地巖土層熱流計算可以了解各地區不同深度巖土層熱流，從中發現一些地區大地熱流值的異常，圈定地下熱田的范圍，分析其形成原因。尤其對深層地熱田的分析與研究是比較成熟的，有效的，具有重要的實際意義。同時，這一方法也是對地下熱能的基本評價方法。根據淺層地溫能的特點，它的熱量傳遞主要以傳導和對流，或兩者并存的形式。因此，對淺層地溫能的如何評價，要不同于深層地熱田的方法，是目前地熱地質學中的新課題。

然而，在與地源熱泵技術結合的過程中，卻發現所計算的單位面積的熱流量與地源熱泵系統所需供熱量將有千倍,甚至萬倍的差距。在短時間內看來，大地熱流量對地源熱泵的熱交換系統似乎意義不大。但由于地源熱泵系統的換熱系統所接觸的地下面積之大，交換時間為間斷式，這就為淺層地溫能的緩慢補充提供了有利條件。因此，在考慮地源熱泵系統的冷熱負荷平衡的基礎上，還要重視地溫能量的持續補充。在這方面的技術也是兩大專業的技術人員所共同面臨的新課題，還需要認真協調與攻關開展研究。

熱導率法：不是地下恒溫帶所蘊藏“淺層地熱能”的熱量或能量的單位。

熱儲法：所涉及的介質較多，計算重復，同時所計算出來的“資源量”有限，沒有考慮不同地區的地源熱泵工程應用特征因素。如在東北地區、華東和華南地區所需能量是不同的。同時未能考慮經過春、夏、秋三季6-8個月時間能否自然恢復到原始地溫。

地下水水量折算法：所得的計算結果只是單體工程的單位時間熱流量，并不是地下的淺層熱<BR>儲存量。

水熱均衡法：是傳統的水文地質學中的地下水儲藏量的計算方法。沒有考慮水源熱泵系統工程的特點，確定地區地下水中熱能可能供給的水源熱泵工程的規模。在實際工程和區域評估中，計算Dqw或DQ是極其困難的。

盡管存在諸多問題，但在這新興領域中還是一種非常有意義的探索。它試圖結合兩大專業的特點，對其進行開拓性論證是值得肯定地。鑒于以上情況，“評價方法”可以邀請兩大專業專家，根據地源熱泵系統原理及應用實際，逐步完善其中的部分內容。

根據目前國內的地源熱泵技術推廣應用的情況及存在的問題，參照國外的工作經驗我們建議，以主要大中城市和重要經濟發展區為重點，為提髙地源熱泵系統建設的規范化與科學化，開展與兩大專業結合較緊密的水文地質工程地質基礎工作：

(1）在考慮最經濟的條件下，開展“地源熱泵技術適應性區劃”工作。其中包括，開展巖土層的熱物性參數調查、測試與分區；開展地下水的水量、水溫、水質硬度的調查與分區；在此基礎上，建立數據庫。

深入研究地下環境的傳熱、蓄熱、熱質遷移規律，加強地下環境（巖土、地下水）與熱傳導耦合模型的研究與應用。

(2）科學認識、宣傳與建設地源熱泵系統，對地上建筑堅持必須強調保持全年釋熱量與取熱量的基本平衡的設計原則。

(3）盡早研究與制定統一標準、規程與規范。制定基本參數的測試方法、操作規程、測試儀器、及設計方法，以指導地源熱泵系統設計。

(4）制定統一的、科學的、嚴格的、切實可行的監測地溫、水溫、水量、水位、水質標準、規范與規程，加強在建的和已建成的地源熱泵系統的地下環境監測工作。

5）暖通空調與地質水文兩個專業、兩個行業、兩個部門必須聯合起來，相互溝通、及時協調，建議在學術上建立地源熱泵系統學術年會制，在工作上建立地源熱泵系統工程建設協調工作組。

我國地源熱泵技術的應用尚處在初期階段，有必要對一些各專業共同關注的問題開展廣泛的討論，尤其是地質學與暖通空調兩大專業所密切關注的問題開展深入探討，將積極地繼續組織多學科專家推進相關工作，以求得統一認識，使得地熱泵技術得以健康發展，為政府決策和企業發展提供必要的技術支撐。