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、蘊藏量大、埋藏淺、易開發、運行成本低等特點。針對目前開發現狀和存在的突出問題，認為是由于政府管理和地質勘探工作不力所致。為此，建議這個新的領域應該屬于地質勘探新的范疇。
　　
　　關鍵詞：淺層地溫能；地質勘探；開發利用
　　
　　淺層地溫能是指在太陽能照射和地心熱產生的大地熱流綜合作用下，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熱能（一般溫度低于25℃），如圖1所示。其能量相當于9.4×1020KJ的熱能或3.2×105億噸標準煤的熱量。它通過熱泵系統進行能量的提取和交換，從而實現供暖制冷。淺層地溫能不是傳統意義上的深層地熱能源，主要分布在地球的表層，是取之不盡用之不竭的可再生綠色低溫能源。它具有埋藏淺、分布廣泛、開發成本低等特點，是一種新型的可再生綠色能源和資源。隨著社會和技術的迅速發展，這種新型能源的開發利用已廣泛引起人們的關注和重視。
　　
　　*，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，占有相當大的比例。以往，這些能源的消耗主要依賴于傳統的礦物質燃料（煤、油、氣）的燃燒。如：用1000多度的高溫加熱70～80℃的低溫水來實現供暖，排煙的溫度竟達200℃以上。同時，按照目前通用的計算方法，燃燒1噸煤將產生2.2～2.3噸二氧化碳，另外還產生1.7%的二氧化硫和0.8%的粉塵（資料來源：韓再生《淺層地熱能資源評價》2007年12月）。這不僅僅是能源利用的浪費和能源結構不合理，且嚴重地污染周圍的環境，加大了環境治理的難度和費用。
　　
　　淺層地溫能資源的開發利用，在滿足供暖（冷）的需求情況下，還可實現供暖（冷）區域的*排放。不僅利用了地球表層的低品位可再生能源，大幅度節約高品位傳統能源，同時真正實現了無污染的綠色環境。所以，加大淺層地溫能開發力度，普及和推廣這種新型的可再生綠色能源，對我國的節能減排和可持續發展具有重要的現實意義和巨大的作用。
　　
　　1、淺層地溫能開發類型與系統工作原理
　　
　　目前我國進行淺層地溫能開發主要以水源熱泵系統和地源熱泵（地埋管）系統二種類型。
　　
　　1.1水源熱泵系統
　　
　　水源熱泵是利用湖水、河水、地下水、及工業用冷卻水資源，借助壓縮機系統，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，供給室內的采暖和空調系統。夏季機組水系統反向運行，把室內的余熱取出來，在釋放到地下土壤或水中，以達到空調降溫的目的。具有能量提取或交換效率高、投資成本較低、維修方便等優點。如圖2所示。
　　
　　1.2地源熱泵
　　
　　當淺層地下水污染嚴重、水文地質條件差或回灌困難時，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，但是該系統不需要地下水資源和適用性更強等特點。如圖3所示。
　　
　　2、淺層地溫能的特點與應用范圍
　　
　　淺層地溫能在某種意義上屬于傳統的地熱能，是地熱能家族的一個新成員。只不過是作為能源來說其品位較低（一般小于25℃），只有通過熱泵系統才能實現供暖或制冷。與地熱能相比既有相同點也有不同點；與傳統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利用具有以下優點：
　　
　?。?）淺層地溫能屬于可再生綠色能源，具有地質環境和地下水恢復速度快、對大氣無污染特性；
　　
　?。?）能源利用高，比傳統方式節能50～75%；
　　
　?。?）真正實現了供暖（冷）建筑使用區域的*和*。
　　
　　（4）一套設備，冬季既可供暖，夏季又可制冷，并可提供日常生活熱水，可實現一機三用功能，節約總體投資、占地少。
　　
　　淺層地溫能由于不受地域和地質條件限制，廣泛蘊藏在地球表層200m以內，并具有巨大的資源量。所以，可廣泛應用于機關、學校、住宅、體育和會議中心等大型建筑物的供暖制冷和生活熱水供應。
　　
　　3、淺層地溫能開發現狀及主要問題
　　
　　在北歐國家由于沒有煤炭資源，所以，熱泵技術早在1912年在瑞士開始提出和應用。真正規?；瘻\層地溫能開發與熱泵技術是從70年代歐美國家開始。我國是一個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。隨著生態環境的日益惡化和溫室效應，導致大氣污染和氣候變暖等一系列環境問題突出。為此，尋
　　
　　找新的環保能源，調整優化能源結構，實現節能減排和可持續發展是我國當前及今后能源戰略的主要原則。在這種形勢下，淺層地溫能開發利用在國內也掀起了熱潮。北京、沈陽、大連、西安等地政府都出臺相關政策和管理辦法，鼓勵和引導這種可再生新型環保能源的開發
　　
　　利用。
　　
　　北京截止2007年底全市共完成淺層地溫能開發利用項目近500個，其中81%為水源熱泵系統，19%為地源熱泵（地埋管）系統。實現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到3500萬平方米目標。其它北方所有城市或地區在近5年內幾乎都在不同程度地開發利用這種新能源。但是，多數城市則出現盲目開發和施工，在沒有取得任何區域地質勘查和評價的情況下進行開發利用，從而導致了一系列地質環境問題和阻礙了淺層地溫能開發技術的健康發展。
　　
　　淺層地溫能主要分布在地球表層200m以內，其淺層主要由土壤（巖石）、水、空氣、有機質等組成并達到一個相對的平衡狀態。如果大量缺失任何一部分，將會導致地球表層結構的平衡破壞。在這種情況下將可能產生地面不均勻沉降、建筑物傾斜開裂、海水入侵、地下水類型變化等地質環境問題。其中水源熱泵系統的關鍵技術問題就是成井質量和地下水及時回灌。當成井質量出現問題時，則造成水量小、含砂量高等現象；在不了解區域水文地質條件和鉆井數量、井間距、深度設計不合理情況下，將會導致熱泵不能正常運行、地下水回灌困難等問題。如：河南多數地區從事淺層地溫能開發主要以空調安裝公司或冷暖工程公司為主，其從業人員多數為水暖、制冷和機電安裝等專業，沒有地質類專業人才。打井時尋找一些個體井隊進行施工，由于技術含量和鉆井價格低。所以，成井質量很難得到保證；再加上政府沒有明確誰管理，只要繳費水行政部門就給予審批鉆井。所以，在鄭州市多數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。有個別地方1眼抽水井的水6眼回灌都困難，導致地面塌陷等問題。
　　
　　綜上所述，目前我國除北京和沈陽外，其它城市和地區在開發淺層地溫能領域突出存在的問題主要有以下幾個方面：
　　
　?。?）眾多城市或地區在開發利用淺層地溫能資源時，都未進行區域地質勘查和水文地質、地熱地質條件評價；
　　
　　（2）沒有專業隊伍參與，許多抽水井和回灌井設計不合理、成井質量差，導致水量小、含砂量高、回灌困難等；
　　
　?。?）由于沒有進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，將造成運行費用高（耗電）、熱污染和地下水類型變化等；
　　
　?。?）多數地區對于淺層地溫能開發沒有統一規劃和管理措施，從而導致亂開采、亂排放、亂收費，同時也出現了地面塌陷、地下水浪費等地質環境問題。
　　
　　4、地質勘查與評價是淺層地溫能開發的重要技術支撐
　　
　　淺層地溫能同樣是一種資源，怎樣保護好這一新型的能源和資源，實現可持續開發利用，是政府與地質勘查部門義不容辭的責任和義務！通過近幾年的開發利用情況和實踐證明：淺層地溫能的開發利用利國利民、有利于環境保護和減少溫室效應。但是，目前大多數地區開發市場比較混亂，質量也參差不齊。造成這一問題的主要原因是：由于是一種新能源開發剛剛起步，政府沒有及時進行科學引導和管理；另一方面是地質專業部門也沒有積極參與和為政府提供技術支撐。
　　
　　所以，地質勘探隊伍應是淺層地溫能開發與評價的主力軍！同時也是地質工作的一個新領域。為此，地質工作者應該及時抓住機遇，積極進行這項具有現實意義的公益性工作，為政府科學決策和管理提供依據，同時也為這一新能源的開發利用步入健康軌道發揮專業優勢和作用。就目前狀況來看，地質工作的主要任務是：
　　
　?。?）查明區域地熱地質、水文地質、工程地質條件?；静槊骱畬咏Y構、厚度、埋藏等特征，劃分淺層地溫能開發適宜區和保護區。
　　
　　（2）查明地下水水位分布、水量、水質情況及動態變化；查明包氣帶巖土體結構，確定巖土體的熱物理參數（熱導率和比熱）；確定巖土體的孔隙率、含水量、密度等物理力學參數；為水源熱泵或地源熱泵（地埋管）系統的工程設計提供依據。
　　
　?。?）對淺層地溫能綜合利用進行評價，提出可持續開發利用的建議，并預測開發利用產生的環境影響，為政府提供開發利用、保護和管理所必須的地質資料和依據。
　　
　?。?）結合區域水文地質條件，合理選擇抽水井和回灌井類型、數量、深度和井間距，解決成井質量和回灌困難問題。
　　
　　（5）針對淺層地下水硬度高、污染物成分復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、堵塞和結垢問題，以便延長水井和熱泵機組的使用壽命。
　　
　　其中，查明區域水文地質條件，為合理選擇淺層地溫能開發方式，是前期勘查論證的基礎。采用水源熱泵系統時，其成井工藝、井管材料選擇、確保地下水及時回灌是整個系統正常運行和預防地質環境破壞的關鍵。特別是在井管材料選擇方面應該轉變傳統觀念、大膽創新和加強成功實例的宣傳力度。如PVC-U塑料井管具有重量輕（密度1.45kg/m3）、塑性好、耐腐蝕、成井速度快等優點。目前，國內在100～350m成井（水井和地下水監測井）已有成功范例，并且*。所以，加大新型材料的推廣應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垢問題，從而可大大降低水井的維修費用。在回灌問題方面目前在許多地區比較突出在回灌困難和回灌井建造數量過多二個方面，其根本原因就是對區域水文地質條件不熟悉所致。同時，也困擾著淺層地溫能開發利用技術的發展。所以，在回灌井結構、數量、深度等設計時，首先以所掌握的水文地質條件為基礎，根據不同水位和水量按照“一井多層”的新理念實施抽取和回灌。這樣的思路既能保證回灌又能節省建井數量，從而大大降低成本。
　　
　　總之，淺層地溫能開發涉及地質、水暖、供暖制冷設備和安裝等專業。這種新型能源的開發利用技術能否快速發展和普及，關鍵是對地質背景和條件的熟悉和了解。其中，鉆井工程的合理設計和施工，對熱泵機組的正常運行、成本控制和地質環境問題起著重要作用。所以，淺層地溫能開發是地質勘探的一個新領域，同時也是地質工作者義不容辭的義務和責任。
　　
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