浅议浅层地热能的勘查与开发利用赵季初单

1、山东省地矿局总工程师培训班结业论文浅议浅层地热能的勘查与开发利用姓名：赵季初 单位：山东省鲁北地质工程勘察院中国地质大学(武汉)·2013年12月浅议浅层地热能的勘查与开发利用赵季初（山东省鲁北地质工程勘察院，山东德州，253000）摘要：本文首先回顾了浅层地热能的开发利用历史，并对我国浅层地热资源的勘查与开发利用现状进行了简要的总结，介绍了浅层地热能开发利用节能效果的理论依据。结合实际工作经验与规范要求，对浅层地热能的勘查评价过程进行了梳理，对浅层地热能开发应注意的问题的进行初步分析。关健字：浅层地热能 勘查 开发利用 1 浅层地热能勘查利用现状浅层地热能勘查评价规范（DZ/T02

2、25-2009）中定义：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热能。指通过地源热泵换热技术利用的蕴藏在地表以下200m以内，温度低于25的热能1。浅层地热能的开发利用最早起源于欧美，十九世纪早期法国科学家萨迪.卡诺（Sadi karnot）在 1824年首次以论文提出“卡诺循环”理论，这成为热泵技术的起源。1912年瑞士的苏黎世首次采用了河水作为热源的热泵系统进行供暖。1946年第一个地源热泵系统在美国俄勒冈州诞生。1974年起，瑞士、荷兰和瑞典等国政府逐步资助建立了示范工程。我国浅层地热能利用始于上世纪90年代，最早开始大规模开发的是北京市与沈阳市。统计至20

3、10年，北京约有2000万m2的建筑利用浅层地热能供暖和制冷，沈阳市已超过4300万m23。为推进浅层地热能的开发利用，在国土资源部的领导下，中国地质调查局2007年成立了“浅层地热能研究与推广中心”，与2008年12月3日，下发了国土资源部关于大力推进浅层地热能开发利用的通知（国土资发2008249号），要求“各省、自治区、直辖市国土资源行政主管部门在2010年年底前，组织完成本行政区域内的浅层地热能调查评价工作”2。2011年投入1.72亿元分两批启动了29个省会级城市浅层地热能调查评价工作。目前，全国31个省级城市均完成了浅层地热能调查评价工作，大部分省开展了全省范围内的调查评价工作。2

4、 浅层地热能开发的技术与优势2.1 浅层地热能开发技术浅层地热能开发的核心设备是热泵机组，该机组与普通空调的组成部件一样，由四部分组成：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。其工作过程为：低温低压的液态制冷剂，首先在蒸发器里从周边环境中吸热并气化成低压蒸气；然后通过压缩机将低压制冷剂气体压缩成高温高压的蒸气，该高温高压气体在冷凝器内向周边环境放热，冷却凝结成高压液体。再经节流阀形成低温低压液态制冷剂进入蒸发器。根据热源的不同，利用浅层地热能的热泵可分为水源热泵，地源热泵。水源热泵利用的热源为地下水、地表的河流、湖泊和海洋等，水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即冬季热泵的蒸发器位于水体中

5、，而夏季热泵的冷凝器位于水体中。地源热泵是利用地表以下一定深度内（200m范围内）岩土体作为热泵的冷热源，该机组一般要增加一换热设备，该设备将热泵机组的蒸发器（或冷凝器）与“U”型埋管连接起来，从岩土体中吸收（或释放）热量。2.2 浅层地热能开发的优势目前文献中一般叙述热泵的优势时引用：在冬天，1千瓦的电力，将土壤或水源中4-5千瓦的热量送入室内。但没有详细论述水源/地源热泵与空气源热泵之间的效率差异。普通的空调（或中央空调）利用空气做为其冷热源，同样能达到节能的效果，相对于水源与地源热泵机组，其初始安装费用要省得多，因此，为什么要采用水源或地源热泵呢？ 热泵的效率评价指标热泵机组中的压缩机需

6、要采用电能进行驱动，利用功的输入，使热量从低温处移到高温处。以供暖为例，理想状态下，从冷凝器（如空调的室内机）释放的热能应该由压缩机所做的功与蒸发器（室外机）从周边环境（如空气）中吸收的热两部分组成，即：式中：QH 在供暖时为冷凝器释放的热量，QC为蒸发器吸收的热量，Win为压缩机所做的功。热泵的效率采用能效比（英语：coefficient of performance）（COP）来表示。热泵作为供热设备时的能效是指通过蒸发器吸收热量及压缩机做功能提供的总热量与压缩机消耗的能量的比值，用COPheating表示，而热泵作为制冷设备时的能效是则是从蒸发器吸收热量与压缩机消耗的能量的比值，用COP

7、cooling表示，其计算公式如下如示：根据目前空调产品能效比的分级标准，制冷时一级产品（达到国际先进水平）的能效比3.4以上，3.23.4的属于二级，3.03.2的属于三级（我国市场的平均水平），2.83.0的属于四级，2.62.8的属于五级（市场准入指标）。因此，如果地源热泵或水源热泵在制冷时的能效比小3.0，则不如直接利用空气源热泵更为经济合理。2.2.2 热泵效率的影响因素影响热泵能效比的因素很多，理想状态下，根据卡诺定理，其能效有一理论上限，该上限与高温热库（冷凝器）及低温热库（蒸发器）的温度有关，即：上述不等式的等号只有热泵为可逆循环时才会成立。由上式可知，热泵的制热或制冷能效比主

8、要由冷凝器与蒸发器内工质的温度决定的，而这两者温度又直接受周边环境温度的限制。总体来说，供暖时，蒸发器内工质能达到的温度越高（TC），其能效比越高；制冷时，冷凝器内工质能达到的温度越低（TH），其能效比越高。大量的调查事实表明，地壳中存在4个明显的地温带，即：温度日变化带：该带温度受每天气温的影响，该带深度范围一般为12m。 温度年变化带：该带温度受季节性的气温变化影响，深度变化范围一般为1530m左右。 恒温带：30m以下深度，不受季节性气温变化的影响，约等于当地的年大气平均温度。据2012中国气候公报公布，全国平均气温9.4。纬度越高，年平均温度越低。增温带：恒温带之下，地层温度随埋深增加

9、而升高，全球地壳平均升温率约3/100m。 推测我国在100m深度内岩土体的平均温度约10.5，150m深度范围内岩土体的平均温度约11.2，而200m深度范围内岩土体的平均温度约12。该温度在夏季时远低大气温度，而在冬季时要远高于大气温度，因此，利用岩土体或地下水做为冷热源的热泵，其能效比要远高于空气源热泵，节能效果显著。据国际最新研究成果，地源热泵的供暖能效比可达到67。3 浅层地热能勘查评价为指导我国浅层地热能的勘查与评价，中华人民共和国国土资源部于2009年7月发布了浅层地热能勘查评价规范（DZ/T0225-2009）。该规范对浅层地热能的勘查评价技术要求作出了较为详细的规定，结合野外

10、工作实践，勘查评价工作的流程如图1如示。图1 浅层地热能资源调查评价主要工作手段3.1 野外调查由于全国各地均已完成了1:20万比例尺的地质与水文地质调查工作，部分地区的地质、水文地质调查工作精度达到了1:5万或更大比例尺，因此，岩土层岩性结构、含水层分布及埋藏条件、地形地貌等可以通过收集资料的方法获取。野外调查主要是进行地下水水位的统测、浅部地温场调查及水样采集等工作。其中地温场调查是工作的重点，野外采用数字点温仪实测水井（长期静止不用的最好）的井底温底，并结合井身结构计算浅表地层的地温梯度，绘制地温梯度平面等值线图。另外要对浅层地热能开发工程展开重点调查，收集其岩土体的物性及热物理参数、工

11、程的运行状况，为适宜性分区提供依据。3.2 钻探该工作主要为了解空白区的岩土体结构，采集岩体土体样品进行物性及热物理性质测试，并进行现场热响应试验。在水文地质条件不清楚的地区应进行水文地质钻探工作，了解含水层的埋藏分布情况，并进行抽水试验与回灌试验，评价地下水水源型热泵的适宜性。采用机械岩芯钻探，孔径110150mm，孔深根据目前地埋管的埋设深度，一般取100150m。详细划分地层，并根据地层结构采集岩土测试样品。实际操作时原则上要求1m一采样，深部可以2m或3m一采样。进行现场响应试验时按地源热泵系统工程技术规范GB50366-2009下入U型管与填埋。为了达到良好的换热效果，填埋质量尤为重

12、要，要求均匀密实。目前填埋材料通常采用钻屑+泥浆、砾砂(或粗砂)+泥浆或水泥砂浆等，材料的选用要充分考虑地层结构及水文地质条件。如在山东省鲁北平原区普遍分布有中层咸水，地下水水质在垂向上差异较大，为防止地下水的串层污染问题，这类地区就不适宜采用砾砂+泥浆的填埋方式，可采用钻屑+泥浆进行填埋，但最佳的填埋材料为水泥砂浆或水泥浆。在地下水水源型热泵适宜区，选择代表性的地段施工水文地质钻探工作，要求详细划分地层结构，并进行综合测井，了解含水层的埋藏分布规律及地下水水质垂向变化，确定取水段位置，并进行抽水试验与回灌试验。3.3 现场测试对地下水源型热泵适宜区主要进行地下水的抽水与回灌试验，了解含水层的

13、含水性能与可回灌性能。抽水试验一般采用定流量稳定流抽水试验，采用两个落程，其中一个落程抽水的流量约等于供暖/冷制设计需求的最大流量，回灌采用的压力与两个落程基本相当，为抽水井与回灌井设计提供依据。回灌时，为减小空气进入回灌水中，要求回灌管进入井中地下水位以下一定深度，井口密封装置要留有排气阀，回灌时先打开排气阀直至回灌水连续排出，然后关闭排气阀。对地埋管型地源热泵适宜区要选代表性地段进行现场热响应试验，我国目前采用热响应试验方法有“恒热流法”和“恒温法”两种，其中“恒热流法”国际上通行的做法，也是我国规范中推荐采用的方法，并要求进行两次不同负荷的试验，大负荷推荐采用610kw，小负荷推荐采用3

14、5kw。为提高“U”形管的换热性能，管内流速要求足够大，使流体处于紊流状态。管内流体的流态采用雷诺数进行判断，一般管道雷诺数Re<2000为层流状态，Re>4000为紊流状态，Re=20004000为过渡状态。因此，要求管内流体的雷诺系数大于3000。“恒温法”热响应试验是在试验中保持进水温度一定，再由测得的流量和回水温度求取回路中的换热量，主要目标是确定在稳定状态下每米钻孔的传热量。由于正常工作状态下，地埋管的进水温度基本恒定，该方法获取的换热量可以作为地埋管热泵系统设计的参考依据。3.4 室内测试室内测试的目的主要是为确定浅层地热能资源量的计算参数，包括岩土体的固体颗粒密度与比

15、热容，岩土体的总密度、孔隙度、热导率等，测试方法参照土工试验方法标准（GB/T50123-1999）的有关规定。为简化计算过程，首先根据岩性进行地层合并，并采用厚度加权平均方法确定各岩性地层的物性与热物理参数。地下水水质测试在地埋管地源热泵适宜区主要是进行水质简分析，了解水质在垂向上的变化情况，为回填材料的选择提供依据。在地下水水源热泵适宜区宜进行水质全分析，评价其对金属材料的腐蚀性，并进行结垢性、起泡性评价。3.5 动态监测地温场的动态监测可以结合地源热泵工程进行，也可以布设在热响应测试孔或专门的工程地质孔中。将温度传感器按一定间距（5m或10m）随PE管下入孔内，采用人工读数或自动读数方式

16、对地温场的时空变化进行动态监测，人工读数监测频率一般可取5天/1次或10天/1次；自动监测可提供实时监测数据，也可按一定的时间间隔记录监测数据，通过地温场的动态监测，可以对热均衡分析评价结果进行验证。在地下水水源热泵适宜区布设浅层地下水动态监测工作，监测内容主要为水位、水温与水质，水位与水温可以采用仪器自动监测或人工监测。水质监测可以一年采集水样24次进行水质全分析与细菌分析，了解回灌工程对水质的影响，为地下水水源热泵工程对地下水环境的影响评价提供依据。3.6 综合研究综合研究是在充分整理分析以往地质、水文地质工作成果的基础上，结合以上各工作手段取得的参数，进行地下水水源热泵及地埋管热泵适宜区

17、划分，进行区域地热能评价、区域浅层地热能均衡评价及浅层地热能开发的环境影响评价等。鉴于目前地埋管的埋设深度一般为80120m，最深不超过150m，从实用性角度出发，在计算换热功率、浅层地热容量等资源量时，计算深度可分0-150m、150-200m两段进行计算，其中0-150m区段的地热资源量为近期可利用的资源量。4 浅层地热能勘查与开发利用应注意的问题4.1 区域浅层地热能勘查不能替代场地浅层地热能勘查地质条件的复杂性要求每个浅层地热能开发利用工程必须进行场地浅层地热能勘查，了解场区的地质、水文地质条件，并根据浅层地热能的利用方式开展专门性的原位测试工作，如抽水/回灌试验或现场热响应试验，进行

18、供暖与制冷的热均衡验算，并提出热均衡的补偿方式。如北方地区，供暖的需求可能大于制冷，仅吸取浅层地热能进行供暖可能会导致地温失衡，此外，如果以供暖需求进行热泵系统设计，也可能导致地埋管米数不必要的增大，因此，可以采用其他热源进行调峰，达到热均衡与降低工程初始投资的目的。4.2 浅层地热能开发利用应注意环境的负面影响理论上地埋管地源热泵在各种条件下均可以采用，只是岩土体条件的不同，工程造价差异会较大。由于地埋管地源热泵系统采用埋设U型PE管，通过循环流体与岩土体进行热交换，只发生能量的交换，而无物质交换，运行期间对岩土体环境的影响小。但由于PE管有一定的寿命周期，地源热泵系统寿命终结后，会在岩土体中遗留下数量具大的PE管，从而对岩土体造成不可修复的长期污染。此外，从节约用地角度出发，目前地埋管大多数埋设在建筑物地基中，对地基的稳定性也会有一定程度的影响。地下水水源型热泵系统通过抽取地下水作为热泵机组的冷热源，尾水应当全部回灌回含水层中，理论上也只发生了能量的交换。但实际操作过程中，由于含水层在回灌过程中会发生不同程度的堵塞，回灌效率不高，很多浅层地热能开发利用企业从经济角度考虑，只采不灌，或部分回灌，从而造成地下水资源的浪