淺議淺層地熱能的勘查與開發(fā)利用趙季初單

1、山東省地礦局總工程師培訓班結業(yè)論文淺議淺層地熱能的勘查與開發(fā)利用姓名：趙季初 單位：山東省魯北地質工程勘察院中國地質大學(武漢)·2013年12月淺議淺層地熱能的勘查與開發(fā)利用趙季初（山東省魯北地質工程勘察院，山東德州，253000）摘要：本文首先回顧了淺層地熱能的開發(fā)利用歷史，并對我國淺層地熱資源的勘查與開發(fā)利用現(xiàn)狀進行了簡要的總結，介紹了淺層地熱能開發(fā)利用節(jié)能效果的理論依據(jù)。結合實際工作經(jīng)驗與規(guī)范要求，對淺層地熱能的勘查評價過程進行了梳理，對淺層地熱能開發(fā)應注意的問題的進行初步分析。關健字：淺層地熱能 勘查 開發(fā)利用 1 淺層地熱能勘查利用現(xiàn)狀淺層地熱能勘查評價規(guī)范（DZ/T02

2、25-2009）中定義：蘊藏在地表以下一定深度范圍內巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的熱能。指通過地源熱泵換熱技術利用的蘊藏在地表以下200m以內，溫度低于25的熱能1。淺層地熱能的開發(fā)利用最早起源于歐美，十九世紀早期法國科學家薩迪.卡諾（Sadi karnot）在 1824年首次以論文提出“卡諾循環(huán)”理論，這成為熱泵技術的起源。1912年瑞士的蘇黎世首次采用了河水作為熱源的熱泵系統(tǒng)進行供暖。1946年第一個地源熱泵系統(tǒng)在美國俄勒岡州誕生。1974年起，瑞士、荷蘭和瑞典等國政府逐步資助建立了示范工程。我國淺層地熱能利用始于上世紀90年代，最早開始大規(guī)模開發(fā)的是北京市與沈陽市。統(tǒng)計至20

3、10年，北京約有2000萬m2的建筑利用淺層地熱能供暖和制冷，沈陽市已超過4300萬m23。為推進淺層地熱能的開發(fā)利用，在國土資源部的領導下，中國地質調查局2007年成立了“淺層地熱能研究與推廣中心”，與2008年12月3日，下發(fā)了國土資源部關于大力推進淺層地熱能開發(fā)利用的通知（國土資發(fā)2008249號），要求“各省、自治區(qū)、直轄市國土資源行政主管部門在2010年年底前，組織完成本行政區(qū)域內的淺層地熱能調查評價工作”2。2011年投入1.72億元分兩批啟動了29個省會級城市淺層地熱能調查評價工作。目前，全國31個省級城市均完成了淺層地熱能調查評價工作，大部分省開展了全省范圍內的調查評價工作。2

4、 淺層地熱能開發(fā)的技術與優(yōu)勢2.1 淺層地熱能開發(fā)技術淺層地熱能開發(fā)的核心設備是熱泵機組，該機組與普通空調的組成部件一樣，由四部分組成：壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器。其工作過程為：低溫低壓的液態(tài)制冷劑，首先在蒸發(fā)器里從周邊環(huán)境中吸熱并氣化成低壓蒸氣；然后通過壓縮機將低壓制冷劑氣體壓縮成高溫高壓的蒸氣，該高溫高壓氣體在冷凝器內向周邊環(huán)境放熱，冷卻凝結成高壓液體。再經(jīng)節(jié)流閥形成低溫低壓液態(tài)制冷劑進入蒸發(fā)器。根據(jù)熱源的不同，利用淺層地熱能的熱泵可分為水源熱泵，地源熱泵。水源熱泵利用的熱源為地下水、地表的河流、湖泊和海洋等，水體分別作為冬季熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即冬季熱泵的蒸發(fā)器位于水體中

5、，而夏季熱泵的冷凝器位于水體中。地源熱泵是利用地表以下一定深度內（200m范圍內）巖土體作為熱泵的冷熱源，該機組一般要增加一換熱設備，該設備將熱泵機組的蒸發(fā)器（或冷凝器）與“U”型埋管連接起來，從巖土體中吸收（或釋放）熱量。2.2 淺層地熱能開發(fā)的優(yōu)勢目前文獻中一般敘述熱泵的優(yōu)勢時引用：在冬天，1千瓦的電力，將土壤或水源中4-5千瓦的熱量送入室內。但沒有詳細論述水源/地源熱泵與空氣源熱泵之間的效率差異。普通的空調（或中央空調）利用空氣做為其冷熱源，同樣能達到節(jié)能的效果，相對于水源與地源熱泵機組，其初始安裝費用要省得多，因此，為什么要采用水源或地源熱泵呢？ 熱泵的效率評價指標熱泵機組中的壓縮機需

6、要采用電能進行驅動，利用功的輸入，使熱量從低溫處移到高溫處。以供暖為例，理想狀態(tài)下，從冷凝器（如空調的室內機）釋放的熱能應該由壓縮機所做的功與蒸發(fā)器（室外機）從周邊環(huán)境（如空氣）中吸收的熱兩部分組成，即：式中：QH 在供暖時為冷凝器釋放的熱量，QC為蒸發(fā)器吸收的熱量，Win為壓縮機所做的功。熱泵的效率采用能效比（英語：coefficient of performance）（COP）來表示。熱泵作為供熱設備時的能效是指通過蒸發(fā)器吸收熱量及壓縮機做功能提供的總熱量與壓縮機消耗的能量的比值，用COPheating表示，而熱泵作為制冷設備時的能效是則是從蒸發(fā)器吸收熱量與壓縮機消耗的能量的比值，用COP

7、cooling表示，其計算公式如下如示：根據(jù)目前空調產(chǎn)品能效比的分級標準，制冷時一級產(chǎn)品（達到國際先進水平）的能效比3.4以上，3.23.4的屬于二級，3.03.2的屬于三級（我國市場的平均水平），2.83.0的屬于四級，2.62.8的屬于五級（市場準入指標）。因此，如果地源熱泵或水源熱泵在制冷時的能效比小3.0，則不如直接利用空氣源熱泵更為經(jīng)濟合理。2.2.2 熱泵效率的影響因素影響熱泵能效比的因素很多，理想狀態(tài)下，根據(jù)卡諾定理，其能效有一理論上限，該上限與高溫熱庫（冷凝器）及低溫熱庫（蒸發(fā)器）的溫度有關，即：上述不等式的等號只有熱泵為可逆循環(huán)時才會成立。由上式可知，熱泵的制熱或制冷能效比主

8、要由冷凝器與蒸發(fā)器內工質的溫度決定的，而這兩者溫度又直接受周邊環(huán)境溫度的限制。總體來說，供暖時，蒸發(fā)器內工質能達到的溫度越高（TC），其能效比越高；制冷時，冷凝器內工質能達到的溫度越低（TH），其能效比越高。大量的調查事實表明，地殼中存在4個明顯的地溫帶，即：溫度日變化帶：該帶溫度受每天氣溫的影響，該帶深度范圍一般為12m。 溫度年變化帶：該帶溫度受季節(jié)性的氣溫變化影響，深度變化范圍一般為1530m左右。 恒溫帶：30m以下深度，不受季節(jié)性氣溫變化的影響，約等于當?shù)氐哪甏髿馄骄鶞囟?。?jù)2012中國氣候公報公布，全國平均氣溫9.4。緯度越高，年平均溫度越低。增溫帶：恒溫帶之下，地層溫度隨埋深增加

9、而升高，全球地殼平均升溫率約3/100m。 推測我國在100m深度內巖土體的平均溫度約10.5，150m深度范圍內巖土體的平均溫度約11.2，而200m深度范圍內巖土體的平均溫度約12。該溫度在夏季時遠低大氣溫度，而在冬季時要遠高于大氣溫度，因此，利用巖土體或地下水做為冷熱源的熱泵，其能效比要遠高于空氣源熱泵，節(jié)能效果顯著。據(jù)國際最新研究成果，地源熱泵的供暖能效比可達到67。3 淺層地熱能勘查評價為指導我國淺層地熱能的勘查與評價，中華人民共和國國土資源部于2009年7月發(fā)布了淺層地熱能勘查評價規(guī)范（DZ/T0225-2009）。該規(guī)范對淺層地熱能的勘查評價技術要求作出了較為詳細的規(guī)定，結合野外

10、工作實踐，勘查評價工作的流程如圖1如示。圖1 淺層地熱能資源調查評價主要工作手段3.1 野外調查由于全國各地均已完成了1:20萬比例尺的地質與水文地質調查工作，部分地區(qū)的地質、水文地質調查工作精度達到了1:5萬或更大比例尺，因此，巖土層巖性結構、含水層分布及埋藏條件、地形地貌等可以通過收集資料的方法獲取。野外調查主要是進行地下水水位的統(tǒng)測、淺部地溫場調查及水樣采集等工作。其中地溫場調查是工作的重點，野外采用數(shù)字點溫儀實測水井（長期靜止不用的最好）的井底溫底，并結合井身結構計算淺表地層的地溫梯度，繪制地溫梯度平面等值線圖。另外要對淺層地熱能開發(fā)工程展開重點調查，收集其巖土體的物性及熱物理參數(shù)、工

11、程的運行狀況，為適宜性分區(qū)提供依據(jù)。3.2 鉆探該工作主要為了解空白區(qū)的巖土體結構，采集巖體土體樣品進行物性及熱物理性質測試，并進行現(xiàn)場熱響應試驗。在水文地質條件不清楚的地區(qū)應進行水文地質鉆探工作，了解含水層的埋藏分布情況，并進行抽水試驗與回灌試驗，評價地下水水源型熱泵的適宜性。采用機械巖芯鉆探，孔徑110150mm，孔深根據(jù)目前地埋管的埋設深度，一般取100150m。詳細劃分地層，并根據(jù)地層結構采集巖土測試樣品。實際操作時原則上要求1m一采樣，深部可以2m或3m一采樣。進行現(xiàn)場響應試驗時按地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范GB50366-2009下入U型管與填埋。為了達到良好的換熱效果，填埋質量尤為重

12、要，要求均勻密實。目前填埋材料通常采用鉆屑+泥漿、礫砂(或粗砂)+泥漿或水泥砂漿等，材料的選用要充分考慮地層結構及水文地質條件。如在山東省魯北平原區(qū)普遍分布有中層咸水，地下水水質在垂向上差異較大，為防止地下水的串層污染問題，這類地區(qū)就不適宜采用礫砂+泥漿的填埋方式，可采用鉆屑+泥漿進行填埋，但最佳的填埋材料為水泥砂漿或水泥漿。在地下水水源型熱泵適宜區(qū)，選擇代表性的地段施工水文地質鉆探工作，要求詳細劃分地層結構，并進行綜合測井，了解含水層的埋藏分布規(guī)律及地下水水質垂向變化，確定取水段位置，并進行抽水試驗與回灌試驗。3.3 現(xiàn)場測試對地下水源型熱泵適宜區(qū)主要進行地下水的抽水與回灌試驗，了解含水層的

13、含水性能與可回灌性能。抽水試驗一般采用定流量穩(wěn)定流抽水試驗，采用兩個落程，其中一個落程抽水的流量約等于供暖/冷制設計需求的最大流量，回灌采用的壓力與兩個落程基本相當，為抽水井與回灌井設計提供依據(jù)。回灌時，為減小空氣進入回灌水中，要求回灌管進入井中地下水位以下一定深度，井口密封裝置要留有排氣閥，回灌時先打開排氣閥直至回灌水連續(xù)排出，然后關閉排氣閥。對地埋管型地源熱泵適宜區(qū)要選代表性地段進行現(xiàn)場熱響應試驗，我國目前采用熱響應試驗方法有“恒熱流法”和“恒溫法”兩種，其中“恒熱流法”國際上通行的做法，也是我國規(guī)范中推薦采用的方法，并要求進行兩次不同負荷的試驗，大負荷推薦采用610kw，小負荷推薦采用3

14、5kw。為提高“U”形管的換熱性能，管內流速要求足夠大，使流體處于紊流狀態(tài)。管內流體的流態(tài)采用雷諾數(shù)進行判斷，一般管道雷諾數(shù)Re<2000為層流狀態(tài)，Re>4000為紊流狀態(tài)，Re=20004000為過渡狀態(tài)。因此，要求管內流體的雷諾系數(shù)大于3000?！昂銣胤ā睙犴憫囼炇窃谠囼炛斜３诌M水溫度一定，再由測得的流量和回水溫度求取回路中的換熱量，主要目標是確定在穩(wěn)定狀態(tài)下每米鉆孔的傳熱量。由于正常工作狀態(tài)下，地埋管的進水溫度基本恒定，該方法獲取的換熱量可以作為地埋管熱泵系統(tǒng)設計的參考依據(jù)。3.4 室內測試室內測試的目的主要是為確定淺層地熱能資源量的計算參數(shù)，包括巖土體的固體顆粒密度與比

15、熱容，巖土體的總密度、孔隙度、熱導率等，測試方法參照土工試驗方法標準（GB/T50123-1999）的有關規(guī)定。為簡化計算過程，首先根據(jù)巖性進行地層合并，并采用厚度加權平均方法確定各巖性地層的物性與熱物理參數(shù)。地下水水質測試在地埋管地源熱泵適宜區(qū)主要是進行水質簡分析，了解水質在垂向上的變化情況，為回填材料的選擇提供依據(jù)。在地下水水源熱泵適宜區(qū)宜進行水質全分析，評價其對金屬材料的腐蝕性，并進行結垢性、起泡性評價。3.5 動態(tài)監(jiān)測地溫場的動態(tài)監(jiān)測可以結合地源熱泵工程進行，也可以布設在熱響應測試孔或專門的工程地質孔中。將溫度傳感器按一定間距（5m或10m）隨PE管下入孔內，采用人工讀數(shù)或自動讀數(shù)方式

16、對地溫場的時空變化進行動態(tài)監(jiān)測，人工讀數(shù)監(jiān)測頻率一般可取5天/1次或10天/1次；自動監(jiān)測可提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可按一定的時間間隔記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過地溫場的動態(tài)監(jiān)測，可以對熱均衡分析評價結果進行驗證。在地下水水源熱泵適宜區(qū)布設淺層地下水動態(tài)監(jiān)測工作，監(jiān)測內容主要為水位、水溫與水質，水位與水溫可以采用儀器自動監(jiān)測或人工監(jiān)測。水質監(jiān)測可以一年采集水樣24次進行水質全分析與細菌分析，了解回灌工程對水質的影響，為地下水水源熱泵工程對地下水環(huán)境的影響評價提供依據(jù)。3.6 綜合研究綜合研究是在充分整理分析以往地質、水文地質工作成果的基礎上，結合以上各工作手段取得的參數(shù)，進行地下水水源熱泵及地埋管熱泵適宜區(qū)

17、劃分，進行區(qū)域地熱能評價、區(qū)域淺層地熱能均衡評價及淺層地熱能開發(fā)的環(huán)境影響評價等。鑒于目前地埋管的埋設深度一般為80120m，最深不超過150m，從實用性角度出發(fā)，在計算換熱功率、淺層地熱容量等資源量時，計算深度可分0-150m、150-200m兩段進行計算，其中0-150m區(qū)段的地熱資源量為近期可利用的資源量。4 淺層地熱能勘查與開發(fā)利用應注意的問題4.1 區(qū)域淺層地熱能勘查不能替代場地淺層地熱能勘查地質條件的復雜性要求每個淺層地熱能開發(fā)利用工程必須進行場地淺層地熱能勘查，了解場區(qū)的地質、水文地質條件，并根據(jù)淺層地熱能的利用方式開展專門性的原位測試工作，如抽水/回灌試驗或現(xiàn)場熱響應試驗，進行

18、供暖與制冷的熱均衡驗算，并提出熱均衡的補償方式。如北方地區(qū)，供暖的需求可能大于制冷，僅吸取淺層地熱能進行供暖可能會導致地溫失衡，此外，如果以供暖需求進行熱泵系統(tǒng)設計，也可能導致地埋管米數(shù)不必要的增大，因此，可以采用其他熱源進行調峰，達到熱均衡與降低工程初始投資的目的。4.2 淺層地熱能開發(fā)利用應注意環(huán)境的負面影響理論上地埋管地源熱泵在各種條件下均可以采用，只是巖土體條件的不同，工程造價差異會較大。由于地埋管地源熱泵系統(tǒng)采用埋設U型PE管，通過循環(huán)流體與巖土體進行熱交換，只發(fā)生能量的交換，而無物質交換，運行期間對巖土體環(huán)境的影響小。但由于PE管有一定的壽命周期，地源熱泵系統(tǒng)壽命終結后，會在巖土體中遺留下數(shù)量具大的PE管，從而對巖土體造成不可修復的長期污染。此外，從節(jié)約用地角度出發(fā)，目前地埋管大多數(shù)埋設在建筑物地基中，對地基的穩(wěn)定性也會有一定程度的影響。地下水水源型熱泵系統(tǒng)通過抽取地下水作為熱泵機組的冷熱源，尾水應當全部回灌回含水層中，理論上也只發(fā)生了能量的交換。但實際操作過程中，由于含水層在回灌過程中會發(fā)生不同程度的堵塞，回灌效率不高，很多淺層地熱能開發(fā)利用企業(yè)從經(jīng)濟角度考慮，只采不灌，或部分回灌，從而造成地下水資源的浪