浅层地温能开发利用的环境效应

■ 刘 瀚/陈安国/周吉光/董岩峰/田国涛

（1.河北省国土资源利用规划院，石家庄 050051；2.石家庄经济学院，河北 石家庄 050031）

1 概述

浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的一般低于25℃的热能。从开发利用深度来看，考虑到浅层开发成本的经济性和施工的难易度，一般将浅层地温能利用的深度定义为地下200m以内。在以取热为主的寒冷地区，开发利用深度可以增加到400m。

浅层地温能是深层地热能与太阳能共同作用的产物，也是地球外部热源和内部热源共同作用的结果，是对传统地热能概念的进一步延伸。但与地热资源相比较，浅层地温能分布广泛、埋藏浅，开发成本低，适宜大面积推广。在第四系地层有一定厚度的地区，几乎都可用采用不同的地源热泵技术进行开发。

浅层地温能开发利用的主要技术是地源热泵技术，这是一种绿色、环保成熟的节能技术。利用地源热泵技术开发利用浅层地温能，来为城市建筑供热、制冷，节能效果非常显著。它比传统空调（实际就是空气源热泵）节能40%，比电采暖节能70%，比燃气炉效率提高45%以上，其运行费用是传统中央空调的50%-60%。我国华北地区冬天供暖期长、夏季制冷期长，开发地源热泵具有广阔的市场空间和得天独厚的资源条件，是增加能源供给、改善能源结构、提高环境质量、建设生态文明的重要路径。我国南方地区冬季取暖、夏季制冷的需求也很大，如果要象北方地区那样发展燃煤供暖，不仅污染环境，而且成本太高，经济上难以承受。开发利用浅层地温能，在解决夏季制冷问题时，连带冬季取暖问题一起解决，实是南方地区很有前途的绿色技术。

但在看到浅层地温能开发所带来的方便、实用和良好的经济效益的同时，也必须对其可能产生的环境效应予以重视，尽量避免浅层地温能开发对环境产生的负效应。

2 浅层地温能开发利用的地质环境效应

浅层地温能的开发利用主要有两种方式，即地下水源热泵系统和地埋管地源热泵系统，但最近数年使用再生水源的热泵系统也增加很快。随着使用浅层地温能开发利用项目的迅猛增加和规模的不断扩大，其对于地质环境的影响也越来越受到人们的重视。不同的浅层地温能开发利用方式产生的地质环境效应也不同。相对来讲，再生水源热泵的地质环境负效应最小，可以忽略不计。地下水地源热泵系统由于很多项目并没有严格按照规范进行回灌，导致地下水位下降、地面沉降；有的地源热泵系统节能效果不显著；有的系统可能会对水质产生污染；地埋管式热泵系统则可能引起地温场变化等问题。

2.1 地下水回灌及其相关问题

地下水源热泵系统的工作原理，是先抽取一定层位的地下水，通过冷凝器或蒸发器与热泵系统进行热交换。在夏季炎热时，将地面的热量注入抽取的地下水中，从而达到制冷效果；在冬季寒冷时，则取出抽取的地下水中的热量，从而达到制热效果。如果按照规范运行，抽取的地下水在换热后将全部回灌回到同一含水层中，这样就保持了地下含水层的稳定性。

但在实际操作中，回灌有很高的技术要求，如果不是专业的技术队伍，不掌握相应的核心技术，就可能会出现各种问题。比如，由于回灌井使用多年后，泥沙自然增加的缘故，可能会造成回灌井堵塞；有的回灌井则由于其地下水中含有易于沉淀的化学成分如碳酸钙、碳酸镁等，造成堵塞；有的回灌井可能是由于温度和压力的变化，引起水中一些成分的析出从而造成堵塞。因此，在使用过程中，基本上每年都要对回灌井进行清洗，如果不做清洗的话，就影响回灌井的正常使用。无论何种原因造成的，只要是回灌量小于采出量，都会造成水资源的浪费，尤其是地下水水位下降。

2.2 地面沉降与地下水漏斗

严格意义上的浅层地温能开发是地下的能量提取或交换，地下水只是起到能量交换媒介的作用，地下水本身的质和量并不发生明显的变化，如果回灌措施到位，不会对地下水位造成任何影响，这里的前提就是提取或交换后的地下水必须全部或者大部分回灌到地下同一地层中。反之，如果地下水源热泵抽取地下水后，地下水不能及时回灌，导致地下水位下降，则会造成一个区域性的负压区，打破区域地下含水层上下的基本的压力平衡。如果这种局面持续一段时间，就可能会出现地面沉降，甚至出现区域性的地下水漏斗。另一个不容忽视的因素是，在地下水源热泵开发的地下层位，往往都是砂、砾石层广泛分布的地区，砂、砾石层孔隙度大、地下水容易流通，具有稳定的区域地下水流向。当这样的地区长时间、高强度开采地下水而又得不到补充时，必将引起水位大幅度下降，形成地裂缝、地面沉降甚至区域性漏斗，造成严重的地质环境灾害。地面沉降、地下水漏斗等地质灾害可引发地面裂缝、建筑物倾斜与开裂等严重问题，直接影响到人民财产及生活安全。

2.3 地下区域性水质污染

2.3.1 不同层位地下水混抽混灌造成污染

地下水源热泵开发中一个重要的问题是，人们常常不重视地下水文地质条件的勘查，没有搞清地下水层位，就盲目上马工程，结果造成抽水的含水层和回灌的含水层不是同一层位，这样就可能造成一个含水层的水污染了另一个含水层的水质。地下水在进入热泵机组进行热交换的过程中也可能会形成污染，一些油脂、润滑油、管子中的化学成分都可能成为潜在的污染源。因此在设计水源热泵开发利用方案时，就需要通过详细的水文地质工作，摸清地下水的水位和分层情况，抽水、回灌都要准确地把握各层地下水水位等因素，并在投入使用后进行长期监测，以便及时发现问题。

2.3.2 化学污染

地下水源热泵抽取地下水的金属井管可能会受到腐蚀，如细菌腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、氧浓差腐蚀等。金属管在腐蚀以后常会结垢，结垢和腐蚀是结伴而生的，腐蚀产生结垢，结垢加速腐蚀。特别是硫酸盐还原菌和铁细菌中的好氧菌的大量繁殖，会在井管内产生大量硫化亚铁和黄色的“锈瘤”。金属井管的腐蚀和结垢问题，不但造成滤管堵塞，井管狭窄，引起水量逐渐减小和回灌困难，而且还会造成地下水水质污染。

另一个可能造成地下水污染的因素是成井管材的破裂问题。在水源井施工中常采用的成井管材为水泥管和普通钢管。水泥管井在强大外力作用下极易破碎，金属管井比较容易出现腐蚀破裂。无论水泥管井还是金属管井，只要出现破裂的情况，都应及时修补。否则，地表污染物和浅部已污染的水直接通过管材破裂处渗入下部含水层，会使中深层地下水快速被污染。

另外，许多空调厂家和施工单位并不了解当地水文地质条件，也不愿意花钱费时费力去搞勘查，盲目增加单井出水量和回灌量，而且不采用粘土或水泥止水。后果就是人为地将地表和地下深部直接连通，从而造成深部地下水污染。

2.3.3 热贯通引发地下热污染

应用水源热泵开发浅层地温能，冬季取暖时，回灌水的温度比地下水的温度低；夏季制冷时，回灌水的温度比地下水的温度高，这个问题长期持续就会导致抽水井的出水温度上升或降低，这种现象称为热贯通。当然，如果抽水井与回灌井井距较大，这个问题通常并不严重。如果抽水井与回灌井井距小的话，这种热污染还是很严重的，有可能导致热泵效率的大幅度下降。

水源热泵系统是将地下空间作为一个储能体。大地热流、地表太阳能、地球内部热能的补充使地下岩体或水体具有一定的补偿功能。通常岩体和水体具有较好的热传导扩散功能，回灌水带来的热量，会在地下空间迅速扩散。但如果抽取和排放的热量超过其承受能力时，不能短时间内扩散的话，就破坏了地下的自然热平衡，使地下空间的热调节功能失效，造成热贯通，引起地下水和土壤的热污染。夏季制冷时，地下岩体或水体长期吸收大量热量，会造成土壤周围温度的升高；冬季取暖时，极低温度的回灌水降低地下水及周边岩土体的温度。严重时，会直接影响热泵系统的正常运行，甚至造成停机。同时，土壤温度的持续变化不仅影响土壤中的微生物环境、植物的生存环境，而且还影响整个生态环境，如土壤温度高于30℃时，植物的根系生长会受到抑制，引起植物早衰。

2.3.4 地温场的变化

地埋管地源热泵系统由于采用向地下埋管的闭式循环方式进行换热，只要不出现管材破裂等情况，一般来说对地下水影响不大。通常地埋管需要较大的换热温差，需要较高的埋设密度，会对局部地温场造成较大干扰。因此，对地温场进行检测就显得很有必要。通常在土壤换热孔内不同深度的土壤中布置测温元件，实时测得土壤层内温度的动态变化，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。

3 浅层地温能开发利用的生态环境效应

3.1 有效缓解我国温室气体减排的压力

全球气候变化是当前国际社会普遍关注的重大全球环境问题，它主要是发达国家在其工业化过程中燃烧大量化石燃料排放的CO2等温室气体所造成的。观测资料表明，在过去100年中，全球平均气温上升了0.3-0.6℃，全球海平面平均上升了10-25cm。如对温室气体不采取减排措施，在未来几十年内，全球平均气温每10年将可升高0.2℃，截止至2100年，全年球平均气温将升高1-3.5℃。这将给世界气候与环境造成极其重大的影响，甚至上升的海水将吞没大量良田和城镇，直接影响人类的生存。

我国目前已经进入工业化的中间阶段，重化工业在经济中占比很大，温室气体排放已经在全球排名中名列前茅，这给我国在京都议定书等温室气体排放的相关国际谈判中带来巨大的压力，节能减排必将在我国今后相当长的时间内成为极其重要的任务。

在经过近20年的探索后，人类发现要想真正减缓和适应气候变化，必须从根本上转变对化石燃料的依赖，也就是要实现生产方式、消费方式以及全球资产（包括产业、技术、资金、资源等）配置与转移方式全面向低碳转型。低碳发展道路正是一条综合的解决路径，通过发展低碳经济和构建低碳社会，实现资源、技术、资金等要素的重新整合，为人类社会通过合作方式应对气候变化提供新的机遇。中共“十八大”提出了建设生态文明、建设美丽中国的严肃课题，可以说，清洁能源、绿色能源是生态中国和美丽中国建设至为重要的一环，而其总的策略，也无非是节能和提高能效、发展可再生能源和清洁替代能源、投资新能源和清洁能源技术研发等方面，必须要改变过去那种过度依赖石油、煤炭等化石能源的状况，通过一揽子综合能源改革和转型措施，以减少温室气体排放。

与传统地热相比，浅层地温能不受地域局限，适用于世界大部分地区。我国地域辽阔，气候分带明显，适宜大规模开发利用浅层地温资源，这对于促进我国可再生能源事业的发展、缓解所面临的能源压力，实现向低碳经济社会的转变具有重要的意义。浅层地温能具有储量大、分布广、埋深浅、易开发等特点，是可再生新能源，在传统能源资源紧张和全球气候环境恶化的形势下，大力开发利用浅层地温能对全球低碳经济和节能减排具有重要的意义，通过节约供暖（或制冷）的成本，降低温室气体排放，有利于缓解全球气候变化问题。

3.2 作为可再生能源和清洁能源，减少对生态环境的污染

化石能源的大量开发和利用，是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因之一。如何在开发和使用能源的同时，保护好人类赖以生存的地球生态环境，已经成为一个全球性的重大问题。目前，世界各国都在纷纷采取提高能源效率和改善能源结构的措施，以解决这一与能源消费密切相关的重大环境问题。即所谓的能源效率革命和清洁能源革命，也就是我们通常所说的节约能源和发展清洁干净的新能源和可再生能源。

浅层地温能是一种清洁环保的可再生能源。在利用煤炭、天然气等化石能源发电、取暖时，都不可避免地排放大量的CO2、SO2、氮氧化物、粉尘等废弃物，对生态环境造成污染，引起温室效应、酸雨、土地沙漠化等一系列问题。而在开发利用浅层地温能时，借助热泵技术，直接通过热交换获取地下热能或将热能传入地下，通过消耗少量机械能或电能，就可以将这种5-25℃的低品位热能，转化为35-60℃的高品位热能，不但可以满足供暖（冷）的需求，直接实现节约电力消耗的目的，直接改善适用区域的大气质量。因此，大规模开发利用清洁无污染的浅层地温能资源已是社会发展的必然趋势。有关研究资料表明，开发浅层地温能节能减排的效果非常明显，每发展1000万m2的地源热泵技术，可以节约56万吨标准煤，减排205.52万吨CO2、75亿吨烟气、2.5万吨颗粒物以及1.34万吨SO2。

3.3 节能效应明显，减少对自然资源及环境资源的消耗

节能就是在满足相同需要的前提下，减少一次能源消耗量（主要指煤、石油和天然气等），合理提高能源系统效率。岩土体、地下水的温度略高于当地平均气温3-5℃，比较恒定。冬季利用浅层地温能资源为建筑物供暖时，温度比环境温度高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高；夏季制冷时，岩土体、地下水温度比环境温度低，冷却效果提高。经研究表明，浅层地温能资源通过地下水热泵的制冷、制热系数可达4.0以上，利用热泵技术开发浅层地温能资源输入1个单位的高品位电能能够将4个单位的低品位能量提升为可供人们利用的高品位能量，按此方法不计其他损耗计算，相当于提高了电能400%的利用率，从而极大地提高了一次能源的利用率，与传统的空气源热泵相比，高出40%左右。另据测算，地源热泵比电锅炉节省2/3的电能，比燃料锅炉节省1/2的能量，其运行费用仅为中央空调的50%-60%。浅层地温能作为一种分布广泛的可再生能源，能够改善能源开发、生产、输送、转化和利用过程中的效率，减少能源使用中的碳排放，从而减少对能源等自然资源以及大气等环境资源的消耗，具有可观的发展前景。

4 认识

综上所述，从微观的角度来讲，浅层地温能的开发对地质环境和生态环境有一定的负面影响。如果技术措施到位，严格执行技术标准和规范，这些负面影响可以避免甚至完全消除，但如果采取放任的态度，没有有效的应对措施，还是会对地质环境和生态环境产生一定的负面影响，这是我们必须予以注意的。从宏观的角度来看，浅层地温能分布面积广、易开发、地源热泵技术成熟，可以进行大面积开发，并且如果能够大面积推开的话，可以成为一种极具前景的可再生能源和清洁能源，产生很大的节能效果，减少对生态环境的污染和损害，减少对自然资源和环境资源的消耗，最终有效缓解我国面临的温室气体减排压力。

不同的地源热泵系统其所产生的环境负效应是不同的。地下水源热泵其环境负效应最大，土壤源热泵除了对地温场有些许影响外，基本没有什么环境影响。污水源热泵、再生水源热泵、中水热泵、工厂循环水热泵等环境正效应非常显著，而负效应微乎其微。因此，政府在制定相关政策时，一定要考虑到其所具有的环境效应的差异性，对地下水源热泵要采取一定的限制性措施，其方案设计和回灌措施等应经过专家审查和政府审批程序，而对于土壤源、污水源、中水源等热泵，则要对其开发利用活动采取鼓励性措施，甚至可出台一些优惠政策。

应重视浅层地温能开发利用的地质环境监测工作，逐步建立浅层地温能地质环境监测网。新上浅层地温能开发项目，都必须同步建立地质环境监测体系。地下水源热泵系统不同深度地温、地下水水质和水位、地面标高、岩土热物理参数等进行长期监测，一旦发现地温场长期单向变化、地下水污染或水位下降等问题，要立即采取措施予以解决。对于地埋管式热泵系统主要是监测地温场的变化情况。

应组织人力物力，尽快制定、编写全套的地源热泵系统工程技术规程或规范，作为地源热泵系统工程实施的技术标准，通过标准的实施来限制浅层地温能开发中可能产生的环境负效应。

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