駱祖江，金蕓蕓，張 萊

(1．河海大學(xué)水文地質(zhì)與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210098;2．中國煤炭地質(zhì)總局第一勘探局，河北邯鄲056004)

可再生淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)問題

駱祖江1，金蕓蕓1，張 萊2

(1．河海大學(xué)水文地質(zhì)與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210098;2．中國煤炭地質(zhì)總局第一勘探局，河北邯鄲056004)

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用是一門多學(xué)科的綜合技術(shù)，涉及地質(zhì)、鉆探、熱交換、制冷、暖通空調(diào)、建筑材料學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，其關(guān)鍵技術(shù)問題是巖土體的熱性能測試、地下?lián)Q熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、地下水滲流對地下管換熱性能的影響、地下熱交換場特征、淺層地?zé)崮芊植家?guī)律及開發(fā)利用方式。只有在解決上述關(guān)鍵技術(shù)問題的基礎(chǔ)上，進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃、合理開發(fā)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能使該行業(yè)步入健康發(fā)展的軌道。

淺層地?zé)崮?地源熱泵;開發(fā)利用

0 引言

能源是人類賴以生存和推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。長期以來，煤炭一直作為主要能源，在我國能源體系中占主導(dǎo)地位。煤炭在我國能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比例分別為76%和66%，對我國的大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。目前，國家正在規(guī)劃改變以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，計(jì)劃2010年以后，煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中所占比重降到60%以下。在國家《可再生能源中長期規(guī)劃》中，到2020年，可再生能源的比例要達(dá)到15%。因此，開發(fā)利用清潔能源和可再生能源，尋求和推廣使用替代能源勢在必行。

隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)和人民生活水平的提高，建筑能耗占社會(huì)總能耗的比重逐年增大。建筑能耗包括采暖、空調(diào)、供熱水、炊事、家電等方面的耗能。目前，建筑耗能占當(dāng)年全社會(huì)終端能源消費(fèi)量的27．8%，以建筑采暖和空調(diào)能耗為主，占建筑總耗能的50% ～70%，是建筑耗能的主要部分，也是浪費(fèi)最為嚴(yán)重和節(jié)能潛力最大的部分。由此可見，建筑節(jié)能對全社會(huì)能源消耗的降低具有重要的作用(王少階，2010)，其中處于重要地位的采暖空調(diào)節(jié)能備受關(guān)注。

淺層地?zé)崮苁侵傅乇硪韵乱欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)的巖土體、地下水和地表水中，溫度一般低于25℃，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能(中國建筑科學(xué)院，2005)。淺層地?zé)崮苁堑責(zé)豳Y源的組成部分，主要來自于太陽的輻射能和地球內(nèi)部熱能，儲(chǔ)量巨大，主要賦存于地下數(shù)百米以上至地表凍土層以下的恒溫帶中。

淺層地?zé)崮懿皇莻鹘y(tǒng)概念的深層地?zé)?，也不屬于地心熱的范疇，而是太陽能的另一種表現(xiàn)形式，同時(shí)也是地?zé)峥稍偕茉醇易逯械囊粏T，廣泛存在于大地表層中，它既可恢復(fù)又可再生，是取之不盡、用之不竭的低溫能源。以往這種低溫能源，屬于低品位的能源(通常溫度小于25℃，區(qū)別于石油、煤炭等一次性高品位能源)，往往被人們所忽視。

淺層地?zé)崮苡捎谄錅囟容^低不易提取，而不被人們所利用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和對自然環(huán)境影響的重視，作為一種可再生的、清潔的、能量巨大的新型能源受到廣泛的重視，在全球范圍內(nèi)開始對淺層地?zé)崮芾煤瓦\(yùn)用的研究。地表淺層是一個(gè)巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能，相當(dāng)于人類每年利用能量的500多倍，且不受地域、資源等限制，是清潔的可再生能源。地面5m以下土體溫度全年基本穩(wěn)定且略低于年平均氣溫，可在夏冬季提供相對較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度。所以從熱力學(xué)原理上講，土體是一種比大氣環(huán)境更好的熱泵系統(tǒng)的冷熱源。隨著制冷技術(shù)及設(shè)備的進(jìn)步與完善，成熟的熱泵技術(shù)使淺層地?zé)崮?熱)的采集、提升和利用成為現(xiàn)實(shí)。即以少量高品位能源(電能)，實(shí)現(xiàn)低品位熱能向高品位轉(zhuǎn)移。在冬季，把地源介質(zhì)中的熱量“吸取”出來，提高循環(huán)介質(zhì)溫度后，供人采暖;夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地源介質(zhì)中去，以達(dá)到制冷的目的，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)無償提供熱水等功能。

1 淺層地?zé)崮艿奶攸c(diǎn)

可再生的淺層地?zé)崮苤饾u成為采暖、空調(diào)、生活熱水等建筑用能的首選。這與建筑用能和可再生淺層地?zé)崮艿奶攸c(diǎn)有關(guān)。

1.1 低品位能源

所謂熱能的高低品位是針對通過熱機(jī)把熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能力而言的，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，溫度高的熱源較溫度低的熱源轉(zhuǎn)化效率高，因此前者較后者的品位高。建筑采暖、空調(diào)等所需的熱(冷)溫度低于100℃，屬于低品位能源。如果將化石燃料燃燒后產(chǎn)生的高品位能量用于建筑采暖、空調(diào)，不符合“溫度對口、梯級利用”的熱力學(xué)基本原則，存在著嚴(yán)重的能量浪費(fèi)。

1.2 狹窄的溫度范圍

建筑空調(diào)冷凍水的溫度一般為5℃ ～12℃，供熱熱水溫度在45℃ ～60℃，地板供暖溫度在40℃以下。由此可見，建筑能源的溫度范圍非常狹窄。

目前利用淺層地?zé)崮艿闹饕矫媸沁\(yùn)用在建筑物的空氣調(diào)節(jié)中。其方法是通過熱泵技術(shù)將地下低品位的淺層低溫?zé)嵩刺崛∩蟻砑右岳谩?/p>

2 地源熱泵技術(shù)簡介

地源熱泵是一種先進(jìn)的技術(shù)，它高效、節(jié)能、環(huán)保，有利于可持續(xù)發(fā)展。地源熱泵技術(shù)利用地下的土體、地表水、地下水溫相對穩(wěn)定的特性，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方，在夏天還可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，達(dá)到降溫或制冷的目的(陳洪泳等，2002)。地源熱泵不需要人工的冷熱源，可以取代鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)系統(tǒng)。冬季代替鍋爐從土體、地下水或者地表水中取熱，向建筑物供暖;夏季可以代替普通空調(diào)向土體、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時(shí)，還可供應(yīng)生活用水，是一種有效地利用能源的方式。

地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分3個(gè)部分：室外地能換熱系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。其中水源熱泵機(jī)主要有2種形式：水－水式或水－空氣式。3個(gè)系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間的換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣(馬最良等，2007)。

根據(jù)室外地能換熱系統(tǒng)換熱方式不同可分為3類。

(1)土壤埋盤管系統(tǒng)。也稱地下耦合熱泵系統(tǒng)或土壤熱交換器地源熱泵，包括1個(gè)土壤耦合地?zé)峤粨Q器，它或水平安裝在地溝中，或以U形管狀垂直安裝在豎井之中。通過中間介質(zhì)(通常為水或者是加入防凍劑的水)作為熱載體，使中間介質(zhì)在土壤耦合地?zé)峤粨Q器的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地土體進(jìn)行熱交換的目的(李小玲等，2010)。

(2)地下水系統(tǒng)。即通常所說的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。通過建造抽水井群將地下水抽出，通過二次換熱或直接送至水源熱泵機(jī)組，經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。

無論是深井水還是地下熱水，都是熱泵良好的低位熱源。地下水位于較深的地方，由于地層的隔熱作用，其溫度隨季節(jié)氣溫的波動(dòng)很小，特別是深井水的水溫常年基本不變，對熱泵的運(yùn)行十分有利。深井水的水溫一般約比當(dāng)?shù)貧鉁馗?℃ ～2℃。

(3)地表水熱泵系統(tǒng)。由潛在水面以下、多重并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器取代了土壤熱交換器，它們被連接到建筑物中，在北方地區(qū)需要進(jìn)行防凍處理。利用包括江水、河水、湖水、水庫水以及海水作為熱泵冷熱源。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

利用淺層地?zé)崮艿牡卦礋岜玫难芯渴加?912年，但直到20世紀(jì)70年代初世界上出現(xiàn)第一次能源危機(jī)，它才開始受到重視。自此，世界各國的科學(xué)工作者就沒有停止過對其進(jìn)行研究和探討，這些研究工作涉及地源熱泵的系列構(gòu)件、地下熱交換器型式、巖土體特性和系統(tǒng)運(yùn)行壽命周期、費(fèi)用分析等方面。由于其高效的節(jié)能效益和優(yōu)良的工作性能，在日本、北美及中歐、北歐等國家得到了廣泛的應(yīng)用。

在中歐、北歐國家，地源熱泵主要用于室內(nèi)地板輻射供暖和提供生活熱水，尤其是瑞士，在家用供熱裝置中，地源熱泵所占的比例很大(鄭敏，2007)。

我國在該領(lǐng)域的研究才剛剛起步，到20世紀(jì)80年代末才有少數(shù)單位先后開展這項(xiàng)工作。但是受國際大環(huán)境的影響以及地源熱泵自身所具有的節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢，這項(xiàng)技術(shù)受到了國人越來越多的重視，該方面的研究也日益活躍，近幾年更是取得了突破性的進(jìn)展。中國面臨著巨大的能源壓力，經(jīng)濟(jì)在保持較高速度增長的同時(shí)，必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。所以要求提高能源利用率，要求能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的方向就是從以煤為主轉(zhuǎn)為以燃?xì)?、電為主。中國政府已?997年與美國政府簽訂熱泵技術(shù)引進(jìn)協(xié)議;國家建設(shè)部1999年提出在10年內(nèi)建筑節(jié)能效率要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高50%;近5年來，北京市政府已改造了1 000萬㎡的供暖面積，使用清潔能源，建成的淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用項(xiàng)目已達(dá)500多項(xiàng)。

“十二五”規(guī)劃中明確提出要推進(jìn)能源多元清潔發(fā)展，積極發(fā)展太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿绕渌履茉?，促進(jìn)分布式能源系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。堅(jiān)持把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要著力點(diǎn)。深入貫徹節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境基本國策，節(jié)約能源，降低溫室氣體排放強(qiáng)度，推廣低碳技術(shù)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與人口資源環(huán)境相協(xié)調(diào)，走可持續(xù)發(fā)展之路。

4 關(guān)鍵技術(shù)問題

作為一項(xiàng)結(jié)合地質(zhì)、鉆探、熱交換、制冷、暖通空調(diào)、建筑材料學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的技術(shù)，影響地源熱泵系統(tǒng)性能的因素是多方面的。根據(jù)目前已有的實(shí)例分析，其關(guān)鍵技術(shù)是地下?lián)Q熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、巖土體熱性能研究、回填材料的研發(fā)和供暖制冷系統(tǒng)的合理配置。

4.1 巖土體熱性能研究

地源熱泵系統(tǒng)的性能與巖土體性能是緊密相關(guān)的，巖土體環(huán)境中熱源的最佳間隔和深度取決于巖土體的熱性質(zhì)和氣象條件，并且是隨地點(diǎn)而變化的。研究地源熱泵所應(yīng)用地區(qū)的巖土體環(huán)境溫度和熱流性質(zhì)是地源熱泵系統(tǒng)成功使用的前提，也是進(jìn)行地源熱泵方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

巖土體的性能研究主要包括巖土體的能量平衡、熱工性能、巖土體中的傳熱與傳濕和環(huán)境對巖土體熱工性能的影響等。巖土體的熱工性能、巖土體熱參數(shù)一般是指定容比，取決于巖土體的熱性質(zhì)和氣象條件，并且是隨地點(diǎn)而變化的。研究地源熱泵所應(yīng)用地區(qū)的巖土體環(huán)境溫度和熱流性質(zhì)是地源熱泵系統(tǒng)成功使用的前提，也是進(jìn)行地源熱泵方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。巖土體的性能研究主要包括巖土體的能量平衡、熱工性能、巖土體中的傳熱與傳濕和環(huán)境對巖土體熱工性能的影響等。巖土體熱參數(shù)一般是指定容比熱C、導(dǎo)熱系數(shù)λ和熱擴(kuò)散度Dr，為了解溫度隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，必須測量或計(jì)算這3個(gè)參數(shù)的值。

4.2 地下?lián)Q熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)

地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)合理與否直接影響到地?zé)崂眯屎屯顿Y成本，是當(dāng)前閉式地?zé)嵩礋岜眉夹g(shù)推廣的難點(diǎn)。采用紊流技術(shù)提高熱傳導(dǎo)效率，可以達(dá)到節(jié)約鉆孔數(shù)，結(jié)合優(yōu)化的地下?lián)Q熱器的類型、數(shù)量，可以降低投資成本。

4.3 地下水滲流對地下管換熱性能影響的研究

地埋管換熱器中的傳熱是管內(nèi)流體與周圍固體巖土之間的換熱，設(shè)置在不同場合的埋管式地埋管換熱器將涉及不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括各地層的地質(zhì)、含水量和地下水的運(yùn)動(dòng)等，這些都會(huì)影響到地埋管換熱器的傳熱性能。

4.4 地下熱交換場模型研究

目前，國內(nèi)外關(guān)于地埋管換熱器的傳熱模型都是基于純導(dǎo)熱的模型。雖然很多研究者和工程技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到地下水滲流可能對地埋管換熱器的傳熱產(chǎn)生重要的影響，也提出過一些定性的分析，但是由于該問題的復(fù)雜性，至今很少見到深入的理論分析。實(shí)際上在研究區(qū)存在著地下水的滲流，即使是速度很小的地下水滲流也有把地下累積的熱量以對流的方式帶走的效應(yīng)，因此有利于地埋管換熱器的傳熱和減弱或消除地埋管換熱器吸放熱不平衡的現(xiàn)象。根據(jù)多孔介質(zhì)中有滲流時(shí)的能量方程，建立有滲流時(shí)線熱源引起的三維瞬態(tài)的溫度響應(yīng)數(shù)值模型，并開發(fā)出相應(yīng)的模擬計(jì)算軟件，可以很方便地分析各影響因素之間的定性和定量關(guān)系，據(jù)此，可以對區(qū)域性淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃。

4.5 淺層地?zé)崮芊植家?guī)律及開發(fā)利用方式的研究

在研究區(qū)內(nèi)可利用的淺層地?zé)崮苜x存形式多樣化，幾乎涵蓋了地源熱泵系統(tǒng)所有的類型，通過對地質(zhì)、水文地質(zhì)及地表水水文條件的研究，對其最佳使用條件和提取方式進(jìn)行科學(xué)分區(qū)，為合理利用淺層地?zé)崮芴峁┮罁?jù)。

5 結(jié)語

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用在我國尚屬起步階段，它是一門涉及多學(xué)科的綜合技術(shù)，在目前國際社會(huì)和國家大力提倡開發(fā)利用清潔能源和可再生能源的背景下切忌一哄而上，應(yīng)在區(qū)域地?zé)崮苜Y源調(diào)查評價(jià)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃、合理開發(fā)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，只有這樣才能使該行業(yè)步入健康發(fā)展的軌道。

中國建筑科學(xué)院．2005．地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社．

王少階．2010．發(fā)展低碳建筑 推動(dòng)建筑節(jié)能［J］．建設(shè)科技，(4)：20 －21．

陳洪泳，殷琨，莊迎春．2002．地源熱泵技術(shù)及其發(fā)展［J］．世界地質(zhì)，21(2)：203 －207．

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Key technical problems on renewable shallow geothermal energy development and utilization

LUO Zu-jiang1，JIN Yun-yun1，ZHANG Lai2

(1．Institute of Hydrogeology and Environment，Hohai University，Nanjing 210098，China;2．The First Exploration Bureau，CNACG，Handan 056004，Hebei)

Shallow geothermal energy development and utilization was a multidisciplinary technology which covered geology，drilling，heat exchange，refrigeration，HVAC，building material science and other disciplines．The key technical problems included thermal behavior testing of soil，optimal design of underground heat exchanger，the impact on heat transfer performance of underground pipe by groundwater seepage，the characteristics of underground heat exchange field，the distribution of shallow geothermal energy and the way of development and utilization．Only on the basis of solving the above key technical issues，scientific plan，rational development and optimization design could be carried out，and promoted the industry into a healthy development orbit．

Shallow geothermal energy;Ground source heat pump;Development and utilization

TE249

A

1674－3636(2011)04－0401－04

10．3969/j．issn．1674-3636．2011．04．401

2011－03－25;

2011－05－19;編輯：侯鵬飛

駱祖江(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境教學(xué)與研究工作，E-mail：luozujiang@sina．com