浅议浅层地热能的开发利用

　　摘要：本文介绍了广义地热能、浅层地热能的相关概念以及热泵技术。浅层地热能目前主要用于建筑物的供暖与空调，它是一种新兴的低运行成本节能环保型低品位热能利用技术。
　　关键词：浅层地热能，热泵
　　1引言
　　地热是重要的矿产资源，是可再生的清洁能源，世界各国对地热能的开发利用越来越重视。浅层地热能是地热资源的组成部分，普遍存在于地球表层，因其埋藏浅、分布广、无污染并可持续利用，具有广阔的开发利用前景，目前已开始应用于建筑物采暖、制冷和为居民供应生活热水等方面，利用技术逐渐成熟，越来越受到世人得重视。
　　2广义地热资源
　　经常所说的地热指的是来自地壳深处、储存于地下岩石或岩石孔隙的热能，通过火山爆发、温泉、喷泉、热井等方式向地表传达，属于狭义地热的范畴。
　　浅层地热能是指地表以下（一般为恒温带至200m埋深），温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地热能。
　　浅层地热能的最大优点是分布广泛，在任何区域都储存在浅层地表中。
　　综上所述，可将广义的地热资源划分为以下三部分：[1]
　　（1）变温层中的低温资源：位于地面表层，深度一般小于30m(因地而异)，热量来自太阳辐射能和地层深处的地热能。当太阳辐射能与地球散发的能量相平衡时，该地层处于常温状态，称之为常温层。
　　（2）浅层地热资源：位于常温层之下、较经济的开采深度一般小于200m的低品位的地热资源，主要来源于地球内部深处的热传导，温度略高于当地平均气温3~5℃，较为恒定，储存于地下岩石（土层）和岩石裂隙或孔隙的水体中。
　　（3）地热异常区的地热资源：分布于地热异常区（一般为天然温泉出露区）及隐伏于地下深部热储中具有开采经济价值的高品位地热资源。其来源来自地球深部的热传导和热对流，储存于地下岩石（土层）和岩石裂隙或土层孔隙的水体中，温度随深度或靠近地热异常区增加，且大于25℃。
　　3热泵的分类及其优点
　　3.1热泵的分类
　　由于热泵技术的进一步发展和完善，人们开始利用分布较为广泛的浅层地热能。用于浅层地热能开发利用的热泵系统，统称为“热泵系统”，它是以岩土体、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，是一种节能环保的空调系统。根据热量来源的不同，可将热泵系统划分为土壤源热泵系统和水源热泵系统。
　　
　　图1热泵示意图
　　3.1.1土壤源热泵系统
　　在土壤源热泵系统中根据埋管形式的不同，可划分为水平式、竖直式、镶嵌式：
　　（1）水平式
　　以水或加入防冻剂（主要有乙二醇、氯化钠等）的水作为载体，使其在水平埋于土体中的封闭管路中循环流动，达到载体与土体热交换的目的。[浅层地热能的应用—地源热泵]该方式的优点在于挖沟槽的成本较低，安装比较灵活。劣势是需要大量土地面积，土体温度易受季节影响，土体热工特性随时间、外部环境的不同而不同。
　　
　　图2水平式[2]
　　（2）垂直式
　　以水或加入防冻剂（主要有乙二醇、氯化钠等）的水作为载体，使其在竖直埋于土体中的封闭管路中循环流动，达到载体与土体热交换的目的。这种方式的最大劣势就是初投资费用较高、要占用一定的建筑面积。
　　
　　图3垂直式[2]
　　（3）镶嵌式
　　以水或加入防冻剂（主要有乙二醇、氯化钠等）的水作为载体，使其在镶嵌于建筑结构中益有部位（诸如房屋结构中的基础、隧道结构中的衬砌等）的封闭管路中循环流动，达到载体与土体热交换的目的。这种方式与上述两种方式相比，不仅仅节省了成本的投入，缩短了工期，更重要的是有效地利用了现有资源，减少了温室气体的大量排放。[3]
　　
　　图4循环管路镶嵌于桩基础中[4]
　　[
　　图5循环管路镶嵌于隧道衬砌中[5]
　　3.1.2水源热泵系统
　　在水源热泵系统中根据水所处位置的不同，可将水源热泵系统划分为两种类型：地下水系统和地表水系统。[6]
　　（1）地下水系统：地下水系统直接抽取地下水作为冷、热源，地下水在和机组进行热交换后回灌到地下。相对于埋管式这种方式在于热泵机组的工作效率高，劣势在于地下水可能会腐蚀或阻塞管道和机组换热器，另外如果不能保证完全回灌和同层回灌，会破坏地下含水层的结构，严重的会导致地面下陷。
　　（2）地表水系统：地表水系统主要从江河湖海中的水中提取能量，即直接抽取地表水和将换热器置于地表水中。优势在于节省投资和占地面积，也从存在一定的问题，主要是换热器结垢和对地表水源的污染。
　　3.2地源热泵技术的特点[7]
　　3.2.1利用的是可再生能源
　　地源热泵在夏季吸收建筑物散发的热量并在浅层地下保存起来,一部分热量在冬季供建筑物的采暖,另一部分热量则直接散发到空气中。就全年来说,建筑物利用浅层地热的热量和冷量大体是相等的。所以说,热泵利用的是可再生能源。
　　3.2.2高效节能
　　由于地源热泵的热源温度全年为10—22℃，冬季供热时，水体温度比环境温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。夏季制冷时，水体温度比环境温度低，冷却效果提高，机组效率也提高。运行费用仅为普通中央空调的50%—60%，与供热锅炉和电热膜供热相比节约左右的60%电能。
　　3.2.3环保效益显著
　　地下水地源热泵运行时，需要的仅是水源水的热量和冷量，抽灌结合达到地下水资源的总量平衡，水质不发生任何变化，也不产生任何烟尘污染。地埋管地源热泵运行时，不需要专门开采地下水，少量的自来水就可满足系统的正常运行，耗水量极少。
　　3.2.4一机多用
　　一套热泵就可以实现供热、供冷和生活热水供应。一套设备可以代替原来的锅炉和空调两套系统，一次性投资仅为传统供热制冷的70%。
　　3.2.5运行稳定可靠、使用寿命长
　　由于地源热泵的水体温度稳定，与空气源热泵相比，免除了结霜和除霜的影响，热泵的运转部件少，基本上不需要维修，运行可靠，使用寿命可达20年。

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