浅层地温能开发研究概况及在应用过程中的问题

崔莎莎

[摘要]本文通过阐述浅层地温能发展及研究现状，以及浅层地温能研究开发技术支持，包括浅层地温能勘查以及热泵系统，并阐述了浅层地温能在应用过程中存在的问题，包括地质基础研究工作滞后，以及开发浅层地温能对地质环境的影响。通过以上研究指出，地质基础研究以及勘查工作是浅层地温能开发的前提工作，并且在开发浅层地温能过程中避免各种环境污染问题。

[关键词]浅层地温能 地热泵 地质勘查

[中图分类号] P62 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-9-31-2

0前言

浅层地温能是一种新型可再生绿色能源，近年来随着国土资源部中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心成立，浅层地温能逐渐得到重视与发展，在中国北方一些地区得到应用，由于其可再生、储量大、清洁环保和可用性强等特点，国家出台相关鼓励政策大力推进浅层地温能的开发和应用，地质勘查是浅层地温能开发利用的基础，更需要与热泵技术相结合才能达到节能减排的效果，所以在全国进行浅层地温能地质勘查是现阶段的重点工作。现阶段浅层地温能应用过程也存在地质基础研究工作滞后，开发浅层地温能对地质环境存在影响等问题。

1浅层地温能发展及研究现状

用于开发浅层地温能的热泵技术是1912年由瑞士人提出的，1946年第一个热泵系统在美国俄勒冈州诞生。1974年起，瑞士、荷兰和瑞典等国家政府逐步资助建立示范工程。20世纪80年代后期，热泵技术日臻成熟。在国际社会中，由于其在减少二氧化碳方面得到普遍认可而受到广泛关注。利用热泵技术开发利用浅层地热能较好的国家有美国、瑞典、瑞士和德国，已有大量装机的国家有加拿大、奥地利、法国和荷兰，开始重视和推广应用的国家有中国、日本、俄罗斯、英国等。热泵增长较快的主要还是在美国和欧洲地区。

我国1965年研制成功国内第一台水冷式热泵机组，随后发展缓慢。直到20世纪80年代末，相关领域才开始了一些研究，在热泵模型仿真、试验装置、能耗评价以及系统材质等方面取得了一些进展。2006年开始浅层地温能勘查评价试点工作；2007年国土资源部在北京组织召开了全国地热能（浅层地热能）开发利用现场经验交流会，中国地质调查局在北京市地勘局成立中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心；2008年国土资源部下发了《国土资源部关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》，全面部署我国浅层地温能资源的勘查评价、规划编制和地质环境监测工作；2009年国土资源部在天津召开了全国浅层地热能和地热能资源管理工作会议，颁布了《浅层地热能勘查评价规范》；中国地质调查局委托中国地调局浅层地温能研究与推广中心、北京市地勘局举办了四届全国浅层地温能勘查评价和开发利用高级研修班，目前，从中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心了解到，2009年浅层地温能勘查评价工作正在各地全面展开，累计安排调查经费4.1亿元，这一统计数据表明，作为可再生的绿色新能源，地方政府对浅层地温能已完成了由不了解到逐步认识的过程，并将浅层地温能的调查评价、开发利用作为了改善地方能源结构的一个重点[1]。

2浅层地温能研究开发技术支持

2.1浅层地温能勘查

浅层地温能勘查是对地表以下一定深度范围内岩土体、地下水和地表水中蕴藏的热能进行的地质勘查。勘查的主要任务是采用综合勘查方法，查明浅层地热能地质条件，确定可开发利用的地区及合理利用量，进行浅层地温能开发利用的环境影响预测，经济成本评估，提出可持续开发利用的方案建议。浅层地温能勘查分为区域浅层地温能调查和场地浅层地温能勘查两类。

2.2热泵系统

利用浅层地温能为建筑体供暖制冷需要地源热泵系统（groud-source heat pump system）以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。

现行的二种开发浅层地温能的热泵技术包括水源热泵和地源热泵。地质条件较好， 浅层地下水丰富且容易回灌，可采用水源热泵； 地质条件不好， 可采用地源热泵。水源热泵技术是指抽取与地层相同温度的地下水， 并通过机组与抽取的地下水进行换热。在夏季将建筑物中的热量转移到水源中， 实现制冷； 在冬季， 则从水源中提取能量供暖。根据系统负荷及需水量的大小， 地层的出水能力和回灌能力来设计抽水井和回灌井的数量。在这过程中， 水源水经过热泵机组后，只是用于交换热量， 水质不发生变化。地源热泵技术以土壤作为热源和热汇， 通过埋于地下注满循环液的换热器与土壤进行冷热交换， 并根据系统负荷量的大小、地层的导热能力来设计换热孔的形式、数量和深度。只要有少量的电能， 基本上所有地区都能使用地源热泵。

3浅层地温能应用过程中存在的问题

3.1地质基础研究工作滞后

虽然浅层地热能应用发展很快，但由于地源泵技术在我国的应用时间不长，人们对它的认识和一些规程规范的不尽完善，使得地源热泵技术的全面推广与应用存在不同程度的问题，为此，需要聚集“地源热泵技术、水文地质工程地质勘察、监测与数字模拟和系统控制”等多专业的技术力量联合开展这一技术的研发与应用。

浅层地热能地质基础研究工作比较滞后。“浅层地热能在我国起步并不晚，但现在发展已经滞后了。一个主要的原因就是对浅层地热能没有进行详尽的研究。”专家说，浅层地热能在国外发展依靠的是地质先行，而在我国，则是一些地质以外的行业（主要是热泵机组厂商）作为推动力量，有一部分人以为只要有了先进的热泵技术就可以进行浅层地热能的开发。浅层地热能发展的好坏，取决于对地质条件的研究程度。当前，我国即将迎来一个浅层地热能开发利用的高潮，需要地质勘查与地热泵研究技术相关人员合作，研究浅层地热能结构和换热效果，这样在设计的过程中才能更合理地根据供暖面积来决定工程的施工方案[2]。

3.2开发浅层地温能对地质环境影响

随着使用浅层地温能项目的增多、规模的扩大，不同利用方式在其发展过程中出现了一些问题，如地下水源热泵系统地下水回灌难，造成水位下降，地面沉降；系统整体不节能；水质污染；地温场的变化等问题。目前，由于缺乏必要的地质环境影响监测系统，浅层地温能开发对地质环境的影响没有定论。

目前地下水回灌技术尚不成熟，多为自然回灌，造成回灌量降低的原因主要是回灌井的堵塞现象。造成堵塞的原因包括物理、化学等原因。如果成井工艺不当，可能造成水中含沙量较多，造成井的堵塞影响回灌。另外，抽灌水温度的不同和压力的变化，使水中一些物质析出沉淀也是造成井堵塞的原因之一。在大多数情况下，回灌井的堵塞不可避免。回灌不利又可造成水资源浪费，并且是造成地面沉降的隐患。浅层地温能开发利用可能造成水质污染是因为不同水质的含水层水混抽、混灌引起的。对于直接进入机组的地下水，工质、润滑油的泄漏也是水质污染潜在的危险。地埋管地源热泵系统由于采用埋管的闭式循环进行换热，对地下水影响不大，但需要较大的换热温差和较高的埋设密度，对局部地温场的干扰比较大。因此有必要在土壤换热孔内不同深度和周围土壤中布置测温元件，采集其温度场，测得土壤层内温度变化动态，更好地为优化设计、计算资源量和评价环境影响，提供可靠的实验依据。因此，有必要对地下水采取一定的监测措施。各地在开发利用浅层地温能的同时，应建立浅层地温能地质环境影响监测网。对不同深度的地温、地下水水位和水质、地面标高等项目实施长期监测，及时掌握地温变化动态、水土质量和地面变形情况，一旦发现地温长期持续单向变化，或水土污染、地面沉降，应立即采取有效措施加以解决，防止产生地质环境问题。为了对浅层地热能开发利用方法、技术等方面加强示范引导，各省（区、市）应选择有代表性的城市建立若干监测实验区。

所以针对以上的问题要以地质勘查评价为基础，科学开发利用浅层地热能资源，必须重视开发利用前期的资源调查评价工作，重点开展热泵相关土壤、水文参数调查[3]；研究浅层地热能资源和地下水之间的相互关系；进行热泵适用区划分，估算热泵适宜区浅层地热能资源量；制订切合实际的浅层地热能开发利用规划，项目实施过程中要注意监测地温变化动态、水土质量和地面变形情况，真正让浅层地热能成为绿色能源为人们所用。