一、地热能(资源)与浅层地热能
人们对地热能的认识是逐步形成和完善的,原来人们把自然出露的温泉称之为地热,后来随着钻探技术水平的提高,将地热异常区及深部主要热储层(带)中储存的、可以开发利用的地热流体作为地热资源。
近年来,随着热泵技术在供暖、空调方面的推广应用,使广泛分布的浅层地热能有了利用的可能,并且比开发深部地热资源更具有广泛性。2006年,中国矿业联合会地热资源委员会宾德智教授提出:地热能(资源)主要包括变温层中的地温能、浅层地热能和地热异常区及深部地热资源。
(1)变温层中的地温能
该层地热能位于地面表层,深度一般小于30m,地热来自地球深部的热传导和太阳光的辐射,温度受年气温变化的影响,低于当地平均气温,可通过水热交换方式利用其部分地热(温)资源于供暖或空调——适宜地源热泵技术。
(2)浅层地热能
该层地热能位于恒温层以下至200m深度范围内,温度低于25℃,是在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地热能。地热主要来源于地球深部的热传导,储存于地下岩石裂隙和土层孔隙的水体中,可通过水-热交换方式利用其部分地热资源于供暖或空调——适宜水源热泵技术。
(3)地热异常区及深部地热资源
这种地热资源即分布于地热异常区的天然温泉及隐伏于地下深部(>;300m)热储中具有开采经济价值的地热资源。地热来自地球深部的热传导和热对流,储存于岩石裂隙和土层孔隙的水体中,温度随深度或靠近地热异常区增加,且大于25℃。可利用的地热资源目前主要限于深度小于4000m,通过钻井直接开采地下热水予以直接利用。
从宾德智教授关于地热能的划分可以看出,变温层中的地温能和浅层地热能具有埋藏浅、储量大、开采技术条件简单、可再生和环保等特点,具有很好的开发前景。但是,变温层中的地温能和浅层地热能概念与应用会产生不协调,例如,在实践中,人们更多的是利用变温层以下的地温能,而宾德智教授在定义中恰恰忽略了这一点。
2008年,北京市地质勘查开发局编著的《北京市浅层地温能资源》一书中认为:浅层地温能是蕴藏在地壳浅部变温层以下一定深度范围内(一般小于200m)岩土体和地下水中、受太阳辐射的程度较小、温度相对稳定(一般恒定在10~25℃之间)、在当前技术条件下具备开发利用价值的低温地热资源。这种观点基本上代表了近年来我国关于浅层地热能的研究水平。
2009年,国土资源部在我国研究浅层地热能现状的基础上,编制了我国地质行业标准《浅层地热能勘查评价规范(DZ/T0225—2009)》,该规范对浅层地热能进行定义:浅层地热能是指蕴藏在地表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。笔者认为,地表水中确实具有开发利用价值的热能,并且目前已有应用,但是,作为地质行业标准,与浅层地热能的内涵不符,并且在该规范的具体内容中并未涉及,因此,地表水作为浅层地热能有待进一步探讨。
考虑到目前我国应用现状和工作实际,笔者认为:浅层地热能是指通过地源热泵换热技术利用的蕴藏在地表以下200m深度范围内,温度低于25℃的岩土体和地下水中具有开发利用价值的热能。这也是本书研究的主要对象。
二、浅层地热能开发利用的主要特点及优势
1.资源的循环再生与可持续利用
浅层地热能的能量来源于地球内部的热能和太阳辐射能,这两种能源均为可再生资源。地球是一个巨大的太阳能收集点,它大约将47%的太阳能储存在地球浅表层,比人类每年利用能量的500倍还多,浅层地热能不受地域、资源等限制,真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层并类似于一种无限的可再生能源,使得浅层地热能成为清洁的可再生能源的一种形式。
地温(水源)热泵是利用了地球表面浅层地热资源(深度通常小于200m)作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。冬季从地层中取出热量给建筑物供暖,夏季吸收建筑物的热量释放到地层中储存,达到夏季传导热量和储存热量的动态平衡,从而实现浅层地热能的循环再生和可持续利用。地温(水源)热泵的推广将为城市浅层水资源的利用找到一个新途径。推广水源热泵中央空调,不仅符合国家的能源产业政策用水政策,而且也符合城市环保和节约用水政策。
2.浅层地热能储量巨大
据专家估算,我国岩土厚度按100m计算,其每年可采集的低温能量是我国目前发电装机容量4×108k W的3750倍。而百米内地下水每年可采集的低温能量达4×108kW。这为推广利用地源热泵系统或地埋管换热系统提供了能源保障。
3.与热泵技术结合紧密,节能效益显著
利用浅层地热能主要是利用和运用地源热泵系统或地埋管换热系统,通过输入少量的高品位电能,将岩土体和地下水中低位能变为高品位能量供末端用户使用,从而达到夏季制冷和冬季制热的目的。水源热泵的制冷制热系数可达到4.0以上,与传统的空气源热泵相比,高出40%左右,其运行费用仅为普通中央空调的50%~60%,与电热锅炉和地热膜供热相比,节约70%左右的电能,节能效益显著。据美国环境保护署EPA估计,设计安装良好的地温热泵中央空调与传统中央空调相比,平均要节能和节省运行费用30%~40%。
4.—机多用,应用范围广
地温(水源)热泵系统可用于供暖、空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的2套装置或系统,可节省一次性投资,并且安装容易。可广泛应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑,更适合于别墅区、住宅小区的集中供热制冷,以及其他商业和工业建筑空调,并可用于游泳池、冷库及室内种植和恒温养殖等行业上。
5.运行稳定可靠,使用寿命长
正是由于地层温度一年四季相对稳定,其温度的范围远远小于空气的波动,因而是很好的冷热源;同时由于温度的恒定性,使得系统运行更加可靠、稳定,也保证了系统的高效性和经济性。同时,由于地温(水源)热泵系统的供冷、供热的平稳性,降低了停机、开机的频率和空气过热和过冷的峰值。这种系统更容易适应供冷、供热负荷的分区,提高环境舒适度。
地温(水源)热泵机组由于工作情况稳定,所以可以设计简单系统,部件较省,机组运行简单可靠,使用寿命长,维护费用低;由于自动控制程度高,可降低管理费用。一套系统解决冷暖问题,可节省运行费用30%以上,技术可靠、维护方便。
6.减少污染,环境效益显著
地温(水源)热泵中央空调取消了锅炉,没有燃烧,减少了排烟以及燃料存放的污染,也没有废弃物,不需要堆放燃料废物的场地,且不用远距离输送热量,可以极大地降低CO2的排放。
地温(水源)热泵中央空调系统所利用的地下水是密封循环的,避免了冷却塔的噪音和水污染现象,并基本实现了水的零消耗。此外,地温(水源)热泵机组结构特殊,使制冷剂泄漏几率大为减少,不会像分体空调那样安装时易产生泄漏,是目前减少CO2排放量最大的单项技术之一,环境效益非常显著。
利用浅层地热能具有可就近利用、无污染、运行成本低、便于物业管理和系统使用寿命长等特点,是理想的绿色环保能源,备受世界能源、环保组织和发达国家推崇,并被市场广泛接受,自20世纪80年代以来,年增长率一直保持在20%以上。