对浅层地温能开发利用的探讨

2015-10-12柴慧鹏张健

地球 2015年7期

关键词：浅层源热泵热泵

柴慧鹏　张健

（青海省水文地质工程地质环境地质调查院青海西宁810099）

对浅层地温能开发利用的探讨

柴慧鹏张健

（青海省水文地质工程地质环境地质调查院青海西宁810099）

浅层地温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。为促进我国浅层地温能资源高效合理开发利用，应尽快加强开发研究工作。本文主要探讨了浅层地温能开发利用中出现的问题及解决措施。

浅层地温能原理开发利用解决措施

1　浅层地温能概述与利用原理

1.1浅层地温能概述

浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度（一般小于200 m）范围内岩土体、地下水和地表水中，具有开发利用价值的低于25℃的热能。该范围内温度与地表气温存在常年温差而形成的能量，正是由于这一温度差的存在，我们才能把它变成供暧、制冷的热冷源。由于浅层地温能的温度大大低于传统地热的温度，所以不能直接利用，它需要热泵来提温（供暧）或降温（制冷），而传统地热能可以直接利用于供热或发电等，传统地热能只分布于地热田中，而浅层地温能分布于广大地区。

1.2利用原理

浅层地温能被利用的实质是冬、夏两季地层中比较恒定的温度与外界空气的温度存在较大的反向温差。地源热泵系统的工作原理是利用水与地温能进行冷热交换，冬季把地温能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地温能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地温能为“冷源”。热泵系统按照室外换热方式不同可分为三类：（1）地埋管地源热泵系统（图1）；（2）地下水地源热泵系统（图2）；（3）地表水地源热泵系统。

图1　地埋管地源热泵系统运行原理图

图2　地下水地源热泵系统运行原理图

2　浅层地温热能开发利用过程中存在的问题

由于浅层地热能利用较传统地热资源利用发展晚，且涉及多领域、多行业，开发利用过程中也存在一些问题。

2.1工程前期未进行浅层地热能资源勘查评价

《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366-2005)强制要求地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地现状调查，并对浅层地热能资源进行场地勘察。然而，很多工程设计前都没有进行勘察工作，一方面在地下水地源热泵不适宜区采用了此换热方式，造成系统建成后产生耗电量大、系统COP低、运行不稳定、回灌困难，甚至系统报废等问题；另一方面根据其经验布设换热孔，导致大量浪费。

2.2设计参数依据不足

部分地源热泵工程由热泵提供方进行设计，一些商家在设计时，完全凭借经验，以最简单的估计模式去设计系统，不少企业在设计时并没有做负荷分析，只是简单地选择一个经验数据。由于设计参数依据不足，导致一些系统设计出现“大马拉小车”或者设计负荷不足的现象。

2.3缺乏可靠的技术支撑

地下水回灌技术不够完善，成井工艺有待提高。地下水地源热泵工程的成井口径、填砾层厚度、滤水管类型及滤料的选用对回灌量均有较大影响，大多数施工单位未掌握回灌井施工技术，造成许多井不能正常回灌。部分用户取水系统的设计、安装存在一些问题。部分用户设备安装不配套。热泵系统安装密封性差，回灌困难，大部分单位每年都需洗井。

3　浅层地温热能开发利用有效对策

3.1进行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。

3.2加强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。

3.3加强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，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。