浅层地能.docx

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浅层地能

浅层地能（热）的开发与利用

摘要浅层地能（热）广泛存在于地下浅层（数百米以内）恒温带中的土壤和地下水里。

它是低品位（<25℃）的可再生能源。

有别于传统深层（<5km）地热能。

它基本不受地域和气候的影响。

其温度相对恒定，储量巨大，是不应被忽视的新能源。

在建筑供暖（冷）用新能源中是最为现实、最有前途的能源。

本文重要介绍开发利用这种能源的价值，国内外的发展状况及开发利用中应注意的一些问题。

一、浅层地能（热）是新能源大家族中最为现实的能源

（一）何谓浅层地能（热）

——在太阳能照射和地心热产生的大地热流的综合作用下，存在在地壳下近表层数百米内的恒温带中的土壤、砂岩和地下水里的低温地热能。

浅层地能（热）不是传统概念的深层地热，是地热可再生能源家族中的新成员，它不属于地心热的范畴，是太阳能的另一种表现形式，广泛的存在于大地表层中。

它既可恢复又可再生是取之不尽用之不竭的低温能源。

以往，这种低温能源，因品位不高（通常温度﹤25℃），往往被人们所忽视。

随着制冷技术及设备的进步和完善，成熟的热泵技术使浅层地能（热）的采集、提升和利用成为现实。

随着社会的进步、物质生活水平的提高，人们对居住环境和质量的要求也随之提高。

人们对居住环境的供暖、制冷和生活热水的需求也更加迫切。

我国建筑用能占全社会能源需求的比例，已由原来的1/6增长为1/4，其中，建筑物冬季供暖、夏季制冷、生活热水的能耗需求，占有相当大的比例。

以往，这种能源主要来自于矿物质燃料（煤、油、气）的燃烧。

1000多度的高温烟气加热70～80℃的低温水实现供暖（冷）的低温要求，排烟的温度竟达200℃以上，这不仅仅是能源利用的浪费和不合理，且严重地污染周围的环境，加大了政府环境治理的难度。

热泵系统采集浅层低温地能（热），并略加以提升后，满足供暖（冷）的需求，同时实现供暖（冷）区域的零污染排放。

这不仅利用了大自然的低品位可再生能源，大幅度节约高品位传统的建筑用能，同时真正实现供暖（冷）而无污染的绿色居住环境。

在某种意义上讲，这是一种暖通行业能源利用的一场革命、变革。

国内外专家认定为：

采集大自然低温可再生能特别是浅层地能（热）是21世纪取代传统供暖（冷）方式最为现实最有前途的技术措施。

浅层低温地能广泛存在于大地近表层的恒温带中，其温度水平略高于当地年平均气候温度，在不同地域、不同气候条件下，恒温带中的温度变化不大，相对稳定，所谓低温就是它低于传统地热温泉温度的下限（25℃）。

地球南北、春夏秋冬它的温度水平一般在10℃～25℃范围内。

除大量存在的浅层低温地能外，大自然还赋予给我们其它的可利用的低温能源，如地表水（江、河、湖、海）、空气等。

当然，他们的温度变化较大，往往受地域和季节气候的影响。

城市污水、工业废水以及电厂冷却循环水也是可以利用的低温能源，应加以关注和利用。

总之，浅层地能（热）作为一种远有前景、近有实效的新能源，是一种可持续开发的能源，它的开发和利用在建筑供暖（冷）行业中具有举足轻重的作用。

它拓展了地热能可采集的范围，实现了传统地热能的梯级利用，它的开发利用将引起国内外建筑供暖制冷行业用能的重大变革，应引起人们的高度重视。

（二）浅层地能（热）与传统地热能开发利用的比较

浅层地能（热）和传统深层地热能都是蕴藏在我们地球地壳之下，笼统的讲：

可以说都是地热能，但各有其特点，人们开发利用它们的手段也各不相同。

见表1。

表1浅层地能（热）与深层地热能的比较

浅层地能（热）传统深层地热能

相同点1、蕴藏条件地下土壤、岩石中地下土壤、岩石中

2、资源性质可更新资源可更新资源

3、介质土壤、砂石、地下水地下水

4、作用节能、环保、释放温室气体小

5、开发利用要求钻井、回灌钻井、回灌

不同点1、能量来源太阳能为主、地心热为辅地心岩浆热

2、温度分布10～25℃（一般小于25℃）90～150℃（一般大于70℃）

3、蕴藏深度几米～几十米～几百米一般在千米以上（小于5千米）

4、存在地质条件不限，地下水、土壤、砂石、岩石皆可。

三条件，缺一不可：

1、提供大量的天然热源；

2、有一个完好的导热差的盖层；

3、有含水渗透层可储存地热流体。

5、利用方式间接换热直接利用

6、钻井浅井（一般100m以内）深井（一般3000m左右）

7、风险低高

8、回灌易难

9、可再生速率快慢

10、对地下水影响少多

11、实际开发费低高

从周边的的温泉、火山，人们可以意识到地球内部是一个火热的世界，地球内部蕴藏的巨大的天然热能就是地热能。

目前国际上所指的地热资源是仅以地壳浅层5km以内储存的天然热量14.2×1023KJ为依据（这里统计量不包括浅层地能（热）的能量），它大约是世界上油气资源所能提供能量的5万倍。

国际上按照地热资源的温度不同，通常把热储温度大于150℃者称为高温地热能，小于150℃而大于90℃者成为中温地热能，小于90℃者成为低温地热资源。

地热温泉的下限温度定为25℃，也就是说，传统地热能把25℃以下温度的低温热能不列为其中。

这样25℃作为浅层地能与传统地能的分界线。

＜25℃的土壤砂岩地下水的热能属浅层地能（热）范畴。

我国地质学家对深层地热能作出了估计：

第一类地热资源（温泉水热区）全国水热区天然放热量达530万吨标煤。

其中2200处温泉年释放热能1.0×1017J，相当于354万吨标煤热量。

水热区可采热量可达0.5亿吨标煤值。

第二类地热资源是沉积盆地型的地热资源。

全国10大中型盆地2000m深度内总热水量约为6.285×1013m3，热能为7.36×1021J，折合2500亿吨标煤。

在现有的技术条件下可以经济开采的热水量为4.9×1011m3，折合18.5亿吨标煤，目前经济开采量不到1％。

第三类地热资源是干热岩、地压地热资源（地下1600m以下），我国尚未开展研究，一口深井（数千米）钻探费用将近1000万美元，美国1970年投巨资数亿美元开发，估算，全美干热岩体中总能量可达1000万×1018J，相当于1700×1012桶石油的耗量，它为全美已查明的石油储量的6万倍，估计，钻探可及深度6km内，全美干热岩体中至少有50万×1018J能量可利用，即相当于全美年能耗的6000倍。

正因为如此，欧共体投3亿美元支持德、法、英开展第三类地热资源的研究。

目前，我国地热井约800眼，年开采热水量约1.5亿立方米，地热总装机容量2282MW，年采热约为10531GWh，居全球58个地热直接利用国家中的首位，其次是冰岛（装机1167MW，年产量7482GWh），虽然我国地热资源有限，与煤可探明储量数千亿吨相比，地热能比重不大，但远有前景，近有实效，意义重大，对局部地区甚至可以起到举足轻重的作用，地热能的应用仍在各种可再生能源中独占熬头。

热泵技术的成熟，为低温热能的利用创造了条件，它可以从大自然广泛存在的（以往常被人们忽视的）形形色色形式的低温资源吸取能量，并加以提升达到使用的程度。

它很符合于建筑供暖（冷）和人们使用的生活热水的要求程度（冬季室温20℃左右，夏季27℃左右，生活热水45℃左右就可以了）。

这方面是浅层地能（热）开发利用的重要方面。

传统的深层地热直接利用后（供暖、洗浴、养殖……），回灌水的温度偏高，一般达到40℃左右，大大影响了地热能利用的经济性，不仅浪费，同时这么高的温度非同层回灌排入地下也破坏了地下水文地质环境。

开发利用浅层地能（热）的热泵技术，作为深层地热利用的补充，为它开辟了一条回灌水温度梯级利用的新途径。

既提高其经济性，又防止了对地下环境的破坏。

（例如，天津市华馨小区地热供暖系统采用热泵梯级利用，尾水最低排放温度达10℃，利用温差80℃，充分的利用了地热资源，利用率由50%多提高到70%以上，增加供暖面积5.5万㎡）。

（三）浅层地能（热）的能量资源

宇宙是在100～150亿年前，一次大碰撞中产生的。

据科学测算，地球已形成45亿年了，地球表面凝结成地壳也有40亿年的历史。

无数高度压缩的太空物质和内部放射性物质的衰变热加热了这个环绕太阳运动的岩团（地球）熔化了的铁镍往地球中心下沉，轻的物质上俘，最终形成了地壳、地幔和地核。

太阳比地球大100万倍，相距1.5亿km，地球围绕太阳运转时，所吸收的太阳能只占太阳能总输出量的20亿分之一，尽管如此，专家估算，一年内地球受太阳的辐射量平均为7.03×1021KJ/a，这相当于250万亿吨标煤热量。

浅层地能（热）具有的能量是太阳能和大地热流综合作用的结果。

但是主要来源是太阳能。

太阳能发射至地球表面的能量是来自地球内部能量的5000倍（见图1）。

太阳直射地球辐射量中有47％直达地球，大气层吸收19％和散射34％。

加上大气层反辐射给地球的份额，地球获太阳能辐射份额可达60％。

图1太阳辐射与大地热流

地心热年复一年的不停顿的从地壳表面上散失，地质专家在全球范围内监视其大地热流值。

1990年以来，我国大地热流测点已达到681个，全国热流加权平均值为70.8mw/㎡，大地热流散逸至空间的能量一年全球可达1.4×1018KJ/a，此值相当于二十世纪七十年代以来煤、油、气总消费年量的3～4倍以上，或者说，每年流出地球表面的热能约为44×1012W，相当于全球电能消耗（1012W）的44倍。

尽管如此，它仍然比太阳射至地球表面能量小5000倍。

可见，浅层地能（热）的能量来源主要是靠太阳能。

如此巨大的热量释放靠地球内热来维持，它的能量主要来源于地心放射性元素衰变所释放的能量，地壳及上地幔顶部酸性岩层中放射性元素含量多，地球内部不同深度上的热源估计为：

0～100KM占50％，100～200km占25％，200～300km占15％，300～400km占8％，＜400km占2％。

浅层地能（热）的能量主要来源于太阳能，这是因为太阳发射至地球表面的能量是来自地球内部能量的5000倍以上，它相当于全球煤、石油、天然气总耗量的近2万倍，（7.03×1024J/a），地下土壤和岩石是很差的热导体，一个100m厚的熔岩流要花300年才能从1000℃冷却到地表温度，一块厚400km的岩层板，热从一面传到另一面要用50亿年，比地球存在的时间还长，也就是说，45亿岁的地球仅靠导热来冷却，400km深度以下的热量就会至今尚未到达地表。

原来还存在有对流传热和辐射传热，才使地幔顶部原来熔化的岩浆凝固程岩石圈（它在大陆下面厚约100～150km，海洋下面约60～70km），它的存在抵御外空陨石物质袭击，又阻隔内部能量的外泄，使地核反映在相对封闭的体系中，地心热传至地表经过地幔2885km厚的岩石层，需要350亿年以上。

浅层地能（热）就存在于在太阳能和地心热的综合作用下，所形成的地下浅层数百米以内的恒温带中。

地质学家测定地温梯度表明，在近地表面的恒温带以下，深度每增加1km，由于地心热的作用，地下温度增加为25～30℃/km（全球平均值），可见恒温带以下的热能就不属于浅层地能了。

正象人们从温泉、火山意识到深层地热能一样，从生活中的菜窖、空调、冰库等地下建筑人们可以意识到地下恒温带中的冬暖夏凉。

恒温带的深度究竟有多深，各地域却有所不同。

据地质专家测量，地表温度的变化可以热波的形式向地下发送。

其振幅随深度衰减，昼夜温差的变化只能进入地下1m左右，季节温度变化进入地下约15m左右就衰竭。

也就是说地下15m左右以下至数百米范围内皆属恒温带，一般超过地下千米后，发现受地芯热的影响，有温升。

浅层地能（热）的资源目前尚无数据，缺乏这方面的研究。

据美国专家LunaB.leopold等人的计算，地下800米以内水体积达417×104km3，其含水量大约是世界江、湖、水库和陆地咸水总量的17.5倍，而800米以下仍然存在同等数量的地下水源。

我国地下饮水区一般在400米深左右，浅层地能采集地下水与土壤换热，在不影响饮水井区域，一般按400米深度计算，若按地下水均匀分布计算，这样全球地下水在400米以内就有208.5×104km3，相当于世界江、河、湖、水库及陆地咸水总量的8.75倍。

该地下水总量，如果它全部被开发，利用温差为5℃时，可为全球提供1.2×1016kw的供热功率，这相当于1995年全国火电装机容量210GW的5700万倍，当然，全部地下水量不可能全部被利用，一般多数冲积含水层的给水度只有10～20％，最大30％，那么实际可被利用的水资源最大也只有6.3×105km3（或6.3×1014m3），即使如此，提供的能量可达3.1×1015KW相当于目前我国发电装机容量3亿kW的1000万倍。

但是这仅仅是浅层地能（热）中的一部分，不包括土壤的低温能量，仅存在的地下水蕴藏的能量（见表2）。

一般土壤中，固相率占50％，气相率占15～25％，液相率为25～35％（即1/4～1/3），而砂石岩石中孔隙率是地下水埋藏之处。

其中球形立方体排列空隙率最大约47.64％，而球作四面体排列时的孔隙率最小约26.18％，自然界均匀颗粒普遍排列为上二者之间，相当于37％左右，也就是说，土壤砂岩石中固体比例在63％。

也就是说，地下1/3是空隙，2/3是固体。

空隙水的给水度不大于30%时，供水量为10%（地下水的土比例相当于1：

9）。

地球：

大陆占29.2％，海洋占70.8％，地表面积510064472km2。

地下深400米以内其土壤砂石固体份额约1.29×1017m3、地下100m深以内土壤砂石是固体份额约0.32×1017m3。

可见，这么大恒温体积内蕴藏的低温能量，相当于几十万亿吨标准煤的热量（见表2）。

表2浅层地能（热）的能量

可利用的地下水量m3kW

3亿kW的倍数土壤砂岩石KJ

亿吨标煤

400m以内6.26×10143.6×1015

1200万倍1.29×1017m318.8×1020

6.5×105

300m以内4.68×10142.7×1015

900万倍0.96×1017m314.1×1020

4.9×105

200m以内3.12×10141.8×1015

600万倍0.64×1017m39.4×1020

3.2×105

100m以内1.56×10140.9×1015

300万倍0.32×1017m34.7×1020

1.6×105

注：

按大地平均密度2800㎏/m3；土岩热容0.2～0.25Btu/16•℉估算（取0.25Btu/16•℉）

表2中给出的地下水和土壤砂岩中能量是在国内外学者提供有限的数据基础上推算出来的，虽然不够精确，但从能量级上可以看出可再生的浅层地能（热）储量巨大，是取之不尽，用之不竭的可持续发展的能源。

（四）浅层地能（热）的温度水平

地球是一个巨大的能源热库，地球内部一个火热的世界。

宇宙是在100～150亿年前的一次大碰撞中产生的，宇宙的膨胀和复稀薄逐渐形成星系、太阳和地球，地球大约在46亿年前形成，地球从地表到地心可分为三部分：

地壳、地幔、地核。

地壳是地球最外的表层，其厚度不一。

海洋下地壳厚3～15km，平均8～10km，大陆地壳厚20～65km，平均40km，见图2。

上地幔是固体岩石圈，其下部是软流圈，此处的温度约1000℃左右。

组成地壳的岩石和上地幔的固体岩石圈既有效地防止了地球内部热量向太空散失，又很好保护了我们免遭地下高温烫伤。

地壳表面5km（占地壳厚度的1/8）以内是目前国际上公认的深层地热能的开发区域。

图2大地的温度

地质与地球物理学家研究证明：

在地壳的近地表面（数百米以内）存在有恒温带，在恒温带以下随深度的增加，地下温度增加，存在有温度梯度，目前研究表明：

深度每增加1km，全球的平均温度梯度约为25～30℃/km。

地表温度变化可以向地下发送热波，其振幅随深度衰减，昼夜温差的变化只能透入地下1m左右，季节温度变化透入地下约达15m就衰减，长达100年的地表温度变化则可以在150m深度观测到，1000年周围地表温度变化可透入地下达500m。

地球内部的热能向地球表面传递的方式有三种：

热传导、热对流和热辐射。

大量热流数据表明：

海洋与大陆的热流值几乎相等。

据推算，地壳散失热流总计每年约0.95~1.4×1021J，此值与地壳内放射性元素衰变产生的热量相平衡。

浅层地下相对恒温层示意图如图3，一般在地下15m开始至数百米之间，存在相对恒温带，我国恒温带温度水平在＜25℃以下。

一般略高于当地的年平均气温。

地下表层（3km以内）温度分三层：

1、外热层（变温层）——主要受太阳能影响，其温度随季节、昼夜而变化，一般在0.5~1.5m深，年变化影响深度达-20m。

2、常温层（相对恒温层）——受太阳能和大地热流的综合作用，地球内热与上层变温带的影响达到平衡，温度基本不变。

该层地温与当年平均气温大致相当，四季基本恒温（<25℃），北方：

15℃±5℃；南方20℃±5℃。

全国各地恒温带温差一般7~8℃，深度在数百米以内。

3、增温层——近地表恒温带（数百米）以下，深度每增加1km，地温增值的温度梯度全球平均值为25~30℃/km。

但到一定深度后，增温速度变缓。

该层地温主要受地心放射性元素衰变产生的聚核反应热（即地芯热）的影响。

地壳下5km内储存的天然热量称地热能，此处的地温可达100~200℃。

在上地幔（370km）固体岩石圈内温度已达1000℃左右。

（五）浅层地能（热）的开发利用促进建筑供暖（冷）行业能源的变革

自然界地表水（江、河、湖、海）以及空气等也都广泛的蕴藏这低温可再生的能量。

同样是可以利用的新能源，但是，他们受地域和四季气候的影响很大，地表水冬季接近零度以下结冰，而夏季高达30~40℃，空气冬季可达零下20℃多，夏季可高达40℃以上。

这种温度变化幅度很大的低温热能在利用时必须在技术和设备上采用特殊措施，解决冬季防冻，夏季效率过低等问题，以提高运行的安全和经济性。

它们不属于浅层地能（热）的范畴。

前面所述，浅层低温地能（热），存在于地下几米至数百米内的恒温带中，其温度相对稳定，地域与气候的影响不大，不同地域、不同季节基本恒定在10℃~25℃之间。

因此，不同地方，冬季、夏季，利用此相对恒定温度的低温热能就比较方便，具有优势。

浅层低温地能（热）在建筑物供暖（冷）提供日常生活热水方面的应用，改变了传统靠矿物质燃料燃烧供暖（冷）的能源结构，它是21世纪取代传统供暖（冷）方式的最有竞争力的措施，是暖通行业建筑供暖（冷）能源的革命。

图4和表3给出传统供暖（冷）方式与浅层地能供暖（冷）方式的比较。

表3二种供暖方式的比较

序号方式

项目传统供暖（冷）方式浅层地能供暖（冷）方式

1能源燃煤或燃油，或燃用天然气浅层低温地热能+少量电

2供暖设备锅炉+铸铁（钢）散热器热泵+风机盘管

3加热过程特点1000多度燃烧产物的加热70~80℃低温水地下10多度低温用热泵提升至50~60℃

4能源效率低（60%~90%）高（COP=2~4），节能50%~75%

5环境污染严重（烟尘、CO、SO2、NOX、CO2）使用区域零污染

6制冷设备另设分体空调或制冷机组+冷却塔供暖制冷热泵一体化设备

7建筑辅助设施大锅炉房、烟囱、煤场、灰场或地下油库、天然气泄露防煤小机房（供暖面积的0.5%~1%），打浅水井（一般<100m）

8投资（供暖+供冷）总投资为100%供暖（冷）总投资为前者的80%

9采暖运行费用电采暖40~50元/㎡.季，燃油或燃气30~40元/㎡.季，燃煤：

20~30元/㎡.季供暖运行费20元~30元/㎡.季

10制冷期间耗水量冷却塔耗水120t/万㎡无水损耗

图4供暖方式的对比

一直延续到今天的传统的建筑供暖（冷）方式，它的最大缺点有四：

1、使用矿物质燃料资源有限；2、能源利用不合理：

燃用矿物质燃料（煤、油、气）等燃烧1000℃烟气加热低温水70~80℃，而排烟温度竞达200℃左右，效率极低，能源浪费极大；3、燃烧产物污染严重，不仅产生大量温室气体CO2，同样，烟尘、CO、SO2、NOX皆须后期治理；4、设备功能单一，锅炉只供暖，制冷须另设制冷机组（如分体空调，电压缩式冷水机组或热力吸收式制冷机），另加投资；

而新型浅层地能供暖方式全面的克服了上述四方面的缺欠：

1、使用可再生能：

若用地下水换热，每100m3/h利用5℃温差，可获取580kW低温热源，只消耗约150kW的电绝热压缩，提升这部分热量，可实现700多kW的供热量，这就相当传统1吨/时锅炉的供热量，在京津地区可供1万㎡的建筑供暖。

2、能源利用高，比传统方式节能50~75%。

3、真正实现了供暖（冷）建筑使用区域的零排放，零污染。

4、一套设备，冬季既可供暖，夏季又可制冷，并提供日常生活热水，节约总体投资。

总之，国内外建筑传统供暖（冷）的能源结构必须改变，浅层地能（热）将是取代它的最有力的措施，必将引起21世纪传统供暖（冷）方式的重大变革。

二、国外浅层地能（热）开发利用的概况

热泵系统用蒸发器吸收低温热量给压缩机绝热提升后以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统。

热泵技术的发展为浅层低温地能（热）的开发利用开辟了一个广阔的天地。

大自然再生的低温能量的开发利用是伴随着热泵技术的完善而发展起来。

而低温制冷技术的成熟使热泵供暖（冷）技术更加完善，目前在国内外，热泵供暖（冷）技术已处于商业化应用。

（一）热泵早期发展史

1、早在180年前（1824年）法国物理学家卡诺循环尊定了热泵理论基础。

之后英国的物理学家焦耳论证了改变气体的压力引起温度变化的原理。

英国勋爵汤姆逊教授首先提出了“热量倍增器”可以供暖的设想。

国际上，谈到热泵供暖技术应追溯到1912年瑞士的一个专利。

2、直到1927年英国英格兰霍耳丹安装了世界第一台以氨为介质、利用外界空气为热源的热泵，用来供暖和加热热水。

3、1931年美国南加利福尼亚安迪生公司在洛杉矶办公楼投入第一台较大型的热泵，用于供暖，供热量为1050kW，制热系统COP=2.5。

4、1938~1939年间，欧洲第一台较大型的河水热泵，安装瑞士苏黎士市政厅大楼，供热量为175kW，COP为2，利用R12（二氟二氯甲烷CCl2F2）为制冷剂，供热温度为60℃，采用离心式压缩机。

与此同时，日本也进口部件组装二台带有蓄热箱的井水热泵为办公楼供暖，COP=4.4，供热量194kW。

5、50~60年前，在瑞士和英国利用空气、湖水、河水等低位热能供暖热泵已有20余项工程在使用，如表4所示部分工程。

表4早期的热泵装置

施工年份国别地点低位热源出力（kW）备注

1912瑞士苏黎士河水7000供热

1939瑞士苏黎士河水175供热

1939瑞士苏黎士空气58空气调节

1941瑞士苏黎士河水、废水1500游泳池加热

1941瑞士Skeckborn湖水1950人造丝厂工艺用热

1941瑞士Landquart空气122纸厂工艺用热

1943瑞士苏黎士河水1750供热

1943瑞士Schoncnwerd河水250鞋厂空气调节

1945英国诺里季电力公司河水120~240供暖

1949英国皇家节日大厅水2700

1950英国诺里季旅馆混凝土地板3.74

1951英国伦敦河水2.3~2.6

1951英国英国电机及有关工业研究协会水7~15

1952英国英国电气研究协会污水25

6、1941年第二次世界大战爆发后，虽然影响和中断空