浅层地温能的优势与问题

刘禄

摘  要：浅层地温能作为清洁能源的一种，近年受到广泛的应用。国外发展浅层地温能已有数十年，并有相应的发展政策。通过浅层地温能与中深层地温能、其他供暖制冷方式的对比，浅层地温能的特征也体现出了其优势，但在应用时也要注意冷热均衡，以持续利用。

关键词：浅层地温能;优势;供暖制冷

引言

在能源需求量日益增加的今天，以化石能源为主要的能源结构已经日益落后，浅层地温能作为一种新型的可再生的清洁能源越来越受到人们的重视。

相比中深层地热，浅层地温能的成热机理有所不同。中深层地热主要是靠岩石中的放射性元素的衰变放热加上岩浆流动与岩石之间的热传导，有储温层和盖层，可探测同时可利用的温度相对较高;浅层地温能则有一部分是靠太阳辐射，吸收热能并储存在地表一定深度内，其温度则相对较低，这部分资源参与一定深度上的热量交换和循环，并在可允许的条件下得以利用，并不缺乏应用价值。

最开始提出浅层地温能的是瑞士科学家H.Zoelly（1912），由于能源需求量的增大，欧美等发达国家开始对浅层地温能的开发利用进行研究，如基础理论“开尔文线源理论”等数学理论模型沿用至今，为后来的研究提供了可靠的理论支撑;早在上世纪中叶美国就利用浅层地温能为居民供暖，截止至2000年，美国安装浅层地温能系统负荷量已经有480×104kw;上世纪70年代，欧洲某些国家开始逐渐投资兴建示范工程。

我国开始研究地源热泵技术实在上世纪80年代，北京等城市于90年代启动了示范工程，截止至2005年，我国地源热泵装机量已经有630MWt。特别是中国热泵的发展取得了一定的成果，从而更加促进了全我国浅层地温能的开发利用。在“十三五”规划中，更是提出了对地热能发展的更高的要求，从现有的发电装机容量约27.28MW，到2020年累计要达到527.28MW，同时提出要大力推广浅层地热能的利用，要更加进步规范。

1浅层地温能概念及特征

浅层地温能是地热资源中很重要的一种类型，指的是蕴藏在地表以下一定深度（一般小于200m）范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能，是一种绿色环保的可再生能源。

从浅层地温能的成热机理来看，其有三个独特的属性：太阳能属性、地热能属性、蓄能属性。太阳能辐射是浅层地温能热量的主要来源之一，在地壳浅部，地表以下温度会随着气温的变化产生周期性的变化，而在更深层的恒温带和增温带则不会有这种变化;在地球内部，热能的产色号给你和传递则主要是放射性元素衰变放热及岩浆的流动和岩石的热传导，并通过大地热流，温泉等方式释放，浅层地温能可以接收来自这些方式传递的热量;土壤是热泵的一种良好的低温热源同时也起到了蓄能作用，不同岩土体在非稳态导热过程中都会有储热能力。浅层地温能既可以吸收热量也可以释放热量，故此，浅层地温能是一种恢复性强的可持续利用资源。

2与中深层地热相比

从埋藏深度来看，地热能资源可以分为中深层地热和浅层地温能，因此在成热机理、开发利用、地质、评价方法等方面会有一定的差别。

2.1 开发利用方便。

中深层地热的开发离不开钻井，而且中深层地热钻井平均深度都较深，如干热岩资源存在的平均深度在地壳上部3～10km范围，钻井的完成并不代表着结束，以EGS为例，其建立首先要通过一定深度的钻井进入干热岩热储层，但由于钻井的接触面积小，因此要通过压裂技术压裂热储层以增加渗透能力和扩大换热面积，随着压裂程度的增加，裂缝之间相互连通，形成了一个类似椭圆形人工干热岩热储构造，同时在人工热储的另一侧打生产井用于抽取换热过程后的高温水，而被提取了热量后的低温水再回灌到热储层重新经过热交换，并以此循环。

浅层地温能的开发利用则主要依靠热泵提取储藏在地表以下的热能，浅层地温能平均在200米以内，因此相比中深层地热能，浅层地温能的开发应用难度要更小，成本更低。

2.2直接应用率

中深层地热能的利用多数是通过发电后间接的实现对地热能的利用，例如羊八井地热田，青藏高原位于大陆汇聚处，青藏高原地壳是个滚烫的地壳，局部存在规模较大的重熔岩浆房，有极为丰富的地热资源，其中羊八井地热田EGS，基础温度约207℃，目前装机容量合计为27.18MW，供电量约占拉萨电网的5.5%以上，根据“十三五”规划，至2030年西藏主要高温地热田装机总量要达到630MW。

对于浅层地温能，其呈现方式更多，如温泉露头，浅层水热型，故应用范围更广，最多的方面就是用浅层地温能供暖制冷。

2.3资料丰富，分布广泛

理论上讲，中深层地热能和浅层地温能均分布广泛，但由于经济、成本和技术等因素的限制中深层地热目前应用的地区相对较少，比之浅层地温能，因为浅层地温能的埋深浅，故钻井较浅甚至不需要钻井。我国大陆范围内的省会城市大多数分布在亚热带、暖温带和中温带，大陆区域地形地貌复杂多样，省会城市主要分布在平原、盆地中，自然条件较好，水资源比较丰富，有利于浅层地热能的应用。而且浅层地温能勘探成本低，所以资料获取容易，所以开发利用比中深层地热更占优势。

3与其他能源相比

目前，建筑物集中供暖制冷主要有四种方式：一是锅炉供暖，二是热电联产集中供暖，三是中央空调系统，四是利用浅层地温能的地源热泵系统（表1）。

由表中所得利用淺层地温能的运行费用明显低于其他方式。

4浅层地温能的应用问题

由于我国幅员辽阔，气候条件复杂，故在应用浅层地温能时会有侧重点，如南方则会更偏重其制冷，北方更偏向供热，长此以往，若不注重保护，则会导致南方“热积累”，北方“冷积累”，继而打破了冷热平衡，超过了浅层地温能的自我恢复能力。

故在开发时应做好勘察工作，充分研究，注意保护恢复，如果有条件可以划区轮换使用，以达到长期可持续利用的结果。

5总结

浅层地温能作为清洁能源地热能的一种，有广泛的应用，能源需求的增大推动了浅层地温能的发展。相比中深层地热能，浅层地温能有着开发利用方便，成本低，直接利用率高等优点，相比其他的供暖制冷方式浅层地温能的运行成本也更低。如果能在应用时注意冷热平衡的恢复，浅层地温能则会有广泛的应用。

参考文献

[1]  丁宏伟. 浅层地温能系统的国内外研究与应用现状综述[J]. 甘肃地质，2016，25（3）：61 – 68.

[2]  徐伟，张时聪，我国地源热泵技术现状及发展趋势[J]，Intelligent Building，2007，85：43-46.