浅层地热能基本概念

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。