浅层地温能资源开发利用发展综述

2013-03-26栾英波郑桂森卫万顺

地质与勘探 2013年2期

栾英波，郑桂森，卫万顺，2

(1.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195;2.中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心，北京 100195)

1 浅层地温能概念的提出

浅层地温能作为一种积蓄在地下(0～200m)的无形自然资源，是地球深部的热传导和热对流与太阳辐射共同作用的产物。为地表以下0～200m深度内温度与距离地表1.5m处不被阳光直接照射情况下(百叶箱)的温度之间存在常年温差而形成的能量，是两个状态不同的温度场之间存在的势能，又称作浅层地热能，属于地热资源的一部分(韩再生等，2007;卫万顺等，2008，2010)。浅层地温能具有可循环再生、清洁环保、分布广泛、储量巨大、埋藏较浅、可就近开发利用等特点，作为化石能源的替代资源，可以减少污染物排放。

目前关于浅层地温能资源在认识上还存在诸多争议，就目前来说主要有两大学术派别，一种观点是蓄能的观点(王训昌，2007)，非可再生能源，在项目设计和应用过程中必须考虑冷热平衡。另一种观点认为，该可再生低温能源是太阳能和深层地热能综合作用的结果(韩再生等，2007;卫万顺等，2008)。虽然目前对浅层地温能资源的认识尚未统一，但是利用这种资源为建筑物进行供暖和制冷已开始盛行，自2004年以来，我国地源热泵市场规模年增长率超过30%，远高于同期世界20% ～22%的平均发展速度，目前已跃居世界第二位(郑克棪，2012)。从节能、环保和可持续发展的角度看，浅层地温能已成为当前暖通界和地质系统共同关注的热点问题之一。

2 国外浅层地温能开发利用概述

2.1 国外开发利用现状

浅层地温能概念在国外文献中尚未见到报道，但利用热泵技术开发利用浅层地温能资源已有近百年的发展历程。1948年第一台地下水源热泵系统在美国俄勒冈州波特兰市联邦大厦运行(Hatten，1992)，该系统从设计开始就得到了广泛的关注(Kroeker et al.，1954)。系统在建成的10年左右内由于腐蚀和生锈而失效以及当时能源价格低廉等因素，从而导致热泵系统未能得到深入推广(knipe et al.，1985)。20世纪70年代末，由于世界石油危机，欧美等国家再次关注地源热泵系统。如在美国能源部的支持下，俄克拉荷马州立大学等研究机构对岩土体的热物性、不同形式埋管换热器的性能进行了深入研究，解决了腐蚀等问题，提升了能源的利用率，使得地下水源热泵逐渐得到广泛应用。

20世纪90年代以来，地源热泵在北美和欧洲迅速普及。由于欧洲的中部和北部气候寒冷，地源热泵主要应用于采暖和提供生活用水。美国地下水源热泵在 1994、1995、1996、1997、2006、2007 年的生产量分别为 5924、8615、7603、9724、64000、50000台，基本呈直线上升趋势(Peter Holihan，1998)，截止2009年美国在运行的地源热泵系统约为100万套，得益于美国地方政府出台了许多相应的措施鼓励地源热泵的发展(徐伟，2012)。加拿大从1990到1996年家用的地源热泵以每年20%增长。据估算，2004年加拿大的地源热泵装机机组为35000台，2005年为37000台(刘卓栋，2010)，2005年以来加拿大的地源热泵市场急剧增加，主要原因是能源价格上升、联邦政府支持和各地方政府有针对性的补贴。瑞典地源热泵近5年来的发展速度是世界上最快的，在2000年地热直接利用能量排名世界第10位，到2005年迅速跃居世界排名第2位(郑克棪，2012)，除此之外，德国、奥地利、芬兰等国地源热泵市场增加也很快。日本的一些市政建设项目和公益性建筑(如医院、养老院、道路等)曾利用地热泵系统实现供暖、制冷、热水供应、道路融雪等综合性服务，效果十分明显(Tamawski，2009)，由于地下水回灌、地面沉降、初投资成本较高等问题，地源热泵系统的发展受到一定条件的约束，还没有被完全推广(苏存堂，2007)，20世纪80年代以后日本利用地表水、城市生活废水和工业废水的水源热泵系统向建筑物集中供热或制冷(邓丽娟，2012)，目前应用较多的是海水源热泵系统，2001年热泵热水器开始进入日本家庭，政府对消费者给予一定补助，很受用户欢迎。地源热泵刚刚进入俄罗斯市场，目前，仍未被接受，认为是一种外来事物，不是传统热源的合理替代物，主要原因国内的有机燃料充足价格低廉。

2.2 国外热泵技术发展现状

经过50年的发展，北美和欧洲的热泵技术已经比较成熟，逐渐形成了一套完善的计算方法、标准规范和施工工艺(Spitler，2005)，目前各理论、方法对生产实践都发挥着重要作用。1912年瑞士zoelly首次提出利用土壤源作为热泵系统低温热源的概念，并申请了专利。1948年higersoll和Plass根据Kdvin线源概念，提出了地埋管传热的线热源理论，1950年用这种方法测量了土壤的导热系数(Hooper et al.，1950)，目前大多数地源热泵地埋管的设计皆以该理论为基础。美国材料与实验协会(American Society for Testing and Materials，1963，1992)1963 年、1992年先后对热导率测试方法进行了规范。1983年 Mogensen P.(Mogensen P.，1983)提出了关于现场地热响应测试的设想，1996年Eklof C(Eklof C，1996)等人基于Mogensen设想的基础上研制出现场地热响应测试设备，并开始在瑞典各地方进行地层导热系数的测试，随后美国(Austin et al.，1998)德国、加拿大、挪威、瑞典、法国、英国和日本也拥有了测试设备(王庆华，2009)。

3 国内浅层地温能开发利用概述

3.1 国内开发利用现状

我国浅层地温能资源开发利用起步较晚，但近十年来利用地源热泵技术为建筑物供暖(冷)的工程项目数量迅速增加，截至目前已跃居世界第二位。辽宁、北京是我国应用地源热泵技术进行供暖(冷)较早且发展较快的地区，自1997年辽宁省辽阳市邮电局地源热泵系统投入使用以来，截止2010年底，辽宁省已有8500×104m2的建筑使用地源热泵供暖(冷)，2000年北京地区自空军丰台招待所水源热泵系统投入商业运行以来，到2010年底，北京有2500×104m2的建筑利用地源热泵系统供暖(冷)。除辽宁和北京之外，在河北、天津、山东、河南、内蒙古等地区，总共将有几十个城市均开始利用地源热泵技术为建筑物供暖(冷)试点工作，应用浅层地温能资源进行供暖和制冷的地源热泵项目在我国已经超过7000个，截止2010年底全国应用总面积约2.1×108m2，项目多集中在华北和东北地区，其建筑物类型主要集中在办公楼、宾馆、医院、商场、学校和住宅等。

3.2 国内热泵技术发展现状

国内浅层地温能资源开发利用技术研究真正起步在20世纪80年代末到90年代。1989年青岛建筑工程学院首先在国内建立试验平台开始对地源热泵系统的研究工作。1997年地源热泵技术作为我国“十一五”科技攻关计划从美国引进以来，科技部、建设部等部委从国家层面对地源热泵进行扶持和引导，热泵技术受到专业人员和管理部门的关注，科研人员发表大量文献详细的介绍了地源热泵的构成、工作原理及分类和研究状况，指出了土壤源热泵研究与开发中的关键问题，并预测了热泵发展趋势(李元旦等，2002;杨卫波等，2003)。

进入21世纪，热泵技术得到高度重视，在应用研究方面得到快速发展。随着我国可再生能源应用与节能减排的工作不断加强，相继颁布了《中华人民共和国可再生能源法》等法律以及配套政策，热泵技术得到了国家和地方政府的高度重视。2005年，建设部推出了国家标准《地源热泵系统工程技术规范》，与此同时，众多科研工作者对不同回填介质、不同水流速、不同连接方式和传热模型等关键技术进行了深入研究(刁乃仁等，2004;刘冬生等，2004;曾和义等，2003;苏天明等，2006)，为优化地埋管换热器提高浅层地温能开发利用效率提供了多方位科学支撑。2004年山东建筑大学地源热泵研究所最早研制了一种手提箱大小的便携式岩土热物性测试仪器(李晓东等，2004)，2008年北京市地勘局研制成车载型浅层地温能热响应测试仪，并在工程实践中得到广泛应用。2006年“首届中国地源热泵技术城市级应用高层论坛”在北京举行，论坛围绕着地源热泵技术推广应用与未来的城市经济发展关系，国内外有关地源热泵技术区域推广应用经验等几大议题展开讨论。2007年国土资源部首次召开了浅层地热能－全国地热(浅层地热能)开发利用现场经验交流会，会后出版了论文集。2008年卫万顺主持出版了《北京浅层地温能》、《浅层地温能资源评价》等书籍，这是我国首次以浅层地温能资源为书名和主题的专著。2009年建设部修订版《地源热泵系统工程技术规范》正式发布实施，将地下工况纳入到地源热泵实施细则里面。2010年中国地质调查局制定了《浅层地温能资源评价规范》，对浅层地温能资源的区域性勘查评价和工程场地勘查评价作出具体要求，这两个规范的出台为高效利用浅层地温能资源和科学管理热泵系统提供了坚实的保证。

4 浅层地温能资源开发利用中的关键问题研究

地源热泵系统作为一项新兴技术在欧洲和北美等国家已经进入实用阶段，在实验的基础上提出了各种传热模型理论，主要应用于乡村无其它能源供应的独立别墅区;虽然我国起步较晚，在短短十几年内工程数量已跃居世界前列，但在技术研究上与国外还有一定差距，为促进浅层地温能资源高效合理开发利用，应尽快加强以下研究工作。

4.1 浅层地温能资源调查评价

虽然浅层地温能资源具有分布广泛、储量巨大、埋藏较浅、可就近开发利用等特点，但开发方式、系统设计、利用效果则受当地地质、水文地质、气象、气候等条件制约，表现在不同地理位置，岩土体热物理性质各不相同，导致换热效率相差悬殊，导致一些工程节能效果不显著。因此，应按照《浅层地热能地质勘查规范》尽快统一开展浅层地温能资源调查评价工作，圈定适宜区，为今后可持续、高效合理利用浅层地温能资源、编制专项规划提供依据。

4.2 监督管理和环境监测

由于地源热泵系统需要连续循环换热，势必改变原有温度场、化学场和地下流场，另外，水源热泵系统对地下水的氧化还原环境、地下水微生物的平衡和水质都会造成一定的影响，因此有关部门应强制要求在建设热泵工程时设计监测孔，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，防止产生地质环境问题。

4.3 浅层地温能开发利用效能实验研究。

岩土体热物理性质是浅层地温能资源量和热泵运行效率的关键因素，而岩土体又具有多孔性和随机结构等特点，表现在不同地质单元乃至同一地质单元上下游之间地层的热物理参数也存在差距，可导致计算结果难以满足实际工程使用，加之我国开发利用浅层地温能资源呈区域化和规模化发展趋势。因此应加强对各种岩土体结构、地层的热物性参数、浅层地温能成因机理以及换热过程的实验研究和模拟分析，建立相应的传热模型，为地源热泵工程设计提供正确可靠的技术数据。

纵观目前中职学校技能型人才培养模式的缺欠与不足，本研究力图通过对中职学校技能型人才培养现状进行调查，发现存在的问题，究其原因，针对存在的问题提出对策，从中探索出适合中职学校技能型人才培养模式的有效途径，为学生营造一个良好的技能型人才培养的条件与环境，以此达到中职学校为社会输送较高素质的技能型人才的目标。

4.4 建立与国际水平相当的技术研发和培训基地

浅层地温能资源开发利用在国家节能减排的政策支持下，资源开发利用迅猛发展，已跃居世界前列，相关科学研究也非常活跃，但与欧美国家相比，我国尚未有国家级浅层地温能综合利用实验室进行专门的岩土体热物性、传热机制和监测研究。

浅层地温能资源作为新生事物，在可再生能源政策和节能减排工作中得到发展，为此，希望广大同仁共同探讨浅层地温能资源开发利用中的问题，提高使用效率，以便使浅层地温能资源在节能减排和环境保护中发挥应有的贡献。

American Society for Testing and Materials.1963.Thermal conductivity of materials bymeans of a guarded hot plate［C］.ASTM Specifications:177－63

American Society for Testing and Materials.1992.Standard test method fordetermination of thermal conductivity of soil and soft rock by thermal needleprobe procedure［C］.ASTM D5334:346 －348

Austin W A.1998.Development of an in situ system for measuring ground thermalproperties［D］.Oklahoma:Oklahoma State University:10－15

Deng Li－ juan.2012.The discussion of development and application on ground source heat pump technology home and abroad［J］.Economic Cooperation and Science Technology，(10):126 － 127(in Chinese)

Diao Nai－ren，Fang Zhao－hong.2004.The ground source heat pump optimum design geothermal heat exchanger［J］.Construction Science and Technology，(7):32 －33(in Chinese with English abstract)

Eklof C，Gehlin S.1996.A mobile equipment for thermal response testtesting andevaluation［D］.Lulea:Lulea University of Technology:34－40

Esen H，Inialli M，Esen M.2007.Kazim pihtili energy and energy analysis of a ground－coupled heat pump system with two horizontal ground heat exehangers［J］.Building and Environment，(42):3606－3615

Han Zai－ sheng，Ran Wei－ yan，Tong Hong － bing，Liu Zhi－ ming.2007.Exploration and evaluation of shallow geothermal energy［J］.Geology in China，34(6):1115 － 1121(in Chinese with English abstract).

Hatten M J.1992.Groundwater heat Pumping:lessons leamed in 43 years at one building［J］.Ashrae Transactions，98(l):1031 － 1037

HePbasli A，Akdemir O.2004.Energy and exergy analysis of a ground source(geothermal)heat Pump system［J］.Energy Conversion and Management，(45):737 －753

Holihan P.1998.Analysis of geothermal heat PumP survey data［J］.Energy Information Administration//Renewable Energy Issuesand Trends:59－66

Hooper F C，Lepper F R.1950.Transient heat flow apparatus for the determination of thermal conductivity［J］.Journal of American Society of Heating and Ventilating Engineers，(56):309 －322.

KniPe E C，Raffery K D.1985.Corrosion in low temperature geothermal application［J］.Ashrae Transactions，91(2B －l):81 －91

Kroeker J D，Chewing R C.1954.Costs of operating the heat pump in the equitable building［J］.Ashrae Transactions，60:157 － 176

Lamarche L，Beauehamp B.2007.A new contribution to the finite linesource model for geothermal boreholes［J］.Energy and Buildings，(39):188－198

Li Xiao－dong，Yu Ming－zhi，Li Yu－tong.2004.The preparation and application of portable soil thermo－physical property test based on the ground source heat pump［J］.Application of Electronic Technique，(5):28－29(in Chinese with English abstract)

Li Yuan － dan，Zhang Xu.2002.Review on the research and application of ground source heat pump in china and abroad［J］.Construction Machinery For Hydraulic Engineering＆ Power Station，23(1):4－7(in Chinese with English abstract)

Liu Chuo－ dong.2010.Random heat transfer and reliability theory on ground－ coupled pipe of ground source heat pump［D］.Wuhan:Wuhan University of Technology:10－11(in Chinese with English abstract).

Liu Dong－ sheng，Sun You － hong，Zhuang Ying － chun.2004.The research on improving heat exchanging performance of vertical buried ground heat exchangers of ground source heat pump［J］.Journal of Jilin University(Earth Science Edition)，34(4):648－652(in Chinese with English abstract)

Mogesen P.1983.Fluid to duct wall heat transfer in duct system heat storages［C］.Proc.Inc.Conf.On Subsurface Heat Storage in Theory and Practice，Stockholm，Sweden:652－657

Spitler J D.2005.Ground－source heat pump syetem research－past，present and future［J］.Hvac＆R Research，(2):165 －168

Su Cun －tang.2007.The development status of ground source heat pump technology in Tokyo［J］.Beijing Real Estate，(11):99 － 101(in Chinese)

Su Tian － ming，Liu Tong，Li Xiao － zhao，Xiao Lin.2006.Test and analysis of thermal properties of soil in Nanjing district［J］.Chinese Journal of Machanies and Engineering，25(16):1278－1283(in Chinese with English abstract)

Tamawski V R，Leon W H，Momos T，Hamada Y.2009.Analysis of ground source heat pumps with horizontal ground heat exehangers for northem JaPan［J］.Renewable Energy，(34):127 －134

Wang Qing － hua，2009.Simulation of heat transfer and development of in－situ testing equipment of rock and soil thermophysical properties.changchun［D］.Jinlin university.China:3 － 20(in Chinese with English abstract)

Wang Xun－chang.2007.Thoughts on development of ground－source heat pump systems［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，37(3):38－43(in Chinese with English abstract)

Wei Wan－shun，Zheng Gui－sen，Luan Ying－ bo.2010.The charac-teristics of shallow geothermal field and its influencing factors in beijing plain area［J］.Geology In China，37(6):1733 －1739(in Chinese with English abstract)

Wei Wan－shun，Zheng Gui－sen，Ran Wei－yan.2010.Shallow geothermal energy resources Evaluation［J］.Beijing:China Land Press:1－287(in Chinese)

Wei Wan－shun，Zheng Gui－sen，Ran－Weiyan.2008.Beijing shallow Geothermal Energy Resources［M］.Beijing:China Land Press:1－230(in Chinese)

Wen Ye.2011.The development and application of surface and groundwater heat pump system potential map in Tokyo［J］.The Ground Source Heat Pump，(4):23－34(in Chinese with English abstract)

Xu Wei.2011.The development of ground source heat pump technology home and abroad［J］.Cooling and Heating，(3):14 － 18(in Chinese with English abstract)

Yang Wei－ bo，Dong Hua.2003.Ground source heat pump system for heating and air－ conditioning［J］.Building Energy ＆ Environment，(3):25－55(in Chinese with English abstract)

Zeng He － yi，Fang zhao － Hong.2003.A heat transfer model for double U － tube geothermal heat exchangers［J］.Journal of Shandong Institute of Architecture and Engineering，18(1):11－17(in Chinese with English abstract)

Zheng Ke－yan.2012.The retrospect and prospect of the ground source heat pump industry development in Beijing［C］.The Fourth High －rise Forum Proceedings of Ground Source Heat Pump Industry:1－10

［附中文参考文献］

邓丽娟.2012.浅谈地源热泵技术在国内外发展与应用［J］.合作经济与科技，(10):126－127

刁乃仁，方肇洪.2004.地源热泵优化设计地热换热器［J］.建设科技，(7):32－33

韩再生，冉伟彦，佟红兵，刘志明.2007.浅层地热能勘查评价［J］.中国地质，34(6):1115－1121

李晓东，于明志，李雨桐.2004.基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪的研制与应用［J］.电子技术应用，(5):28－29

李元旦，张旭.2002.土壤源热泵的国内外研究和应用现状及展望［J］.制冷空调与电力机械，23(1):4 －7

刘冬生，孙友宏，庄迎春.2004.增强地源热泵竖直埋管地下换热器换热性能的研究［J］.吉林大学学报(地球科学版)，34(4):648－652

刘卓栋.2010.地源热泵地埋管随机传热与可靠性理论研究［D］.武汉:武汉理工大学:10－11

苏存堂.2007.日本地源热泵技术发展现状［J］.北京房地产，(11):99－101

苏天明，刘彤，李晓昭，俞缙，肖琳.2006.南京地区土体热物理性质测试与分析［J］.岩石力学与工程学报，25(16):1278－1283

王庆华.2009.浅层岩土体热物理性质原位测试的研制及传热数值模拟［D］.长春:吉林大学:3－20

王训昌.2007.关于发展地源热泵系统的若干思考［J］.暖通空调，37(3):38－43