可再生浅层地热能资源开发利用关键技术问题

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1、40l—404．2011地质学刊第35卷第4期doi：lO．3969／j．issn．1674-3636．2011．04．401可再生浅层地热能资源开发利用关键技术问题骆祖江1，金芸芸1。张莱2(1．河海大学水文地质与环境研究所，江苏南京210098；2．中国煤炭地质总局第一勘探局，河北邯郸056004)摘要：浅层地热能开发利用是一门多学科的综合技术，涉及地质、钻探、热交换、制冷、暖通夺调、建筑材料学等多学科的知识，其关键技术问题是岩土体的热性能测试、地下换热器的优化设计、地下水渗流对地下管换热性能的影响、地下热交换场特征、浅层地热能分布规律及开发利

2、用方式。只有在解决上述关键技术问题的基础上，进行科学规划、合理开发、优化设计，才能使该行业步人健康发展的轨道。关键词：浅层地热能；地源热泵；开发利用中图分类号：71"E249文献标识码：A文章编号：1674—3636(2011)04—0401—040引言能源是人类赖以生存和推动社会进步的重要物质基础。长期以来，煤炭一直作为主要能源，在我国能源体系中占主导地位。煤炭在我国能源生产结构和消费结构中所占的比例分别为76％和66％，对我国的大气环境造成了严重的破坏。目前，国家正在规划改变以煤为主的能源结构，计划2010年以后，煤炭在我国的能源结构中所占比重

3、降到60％以下。在国家《可再生能源中长期规划》中，到2020年，可再生能源的比例要达到15％。因此，开发利用清洁能源和可再生能源，寻求和推广使用替代能源势在必行。随着我国城市化进程的推进和人民生活水平的提高，建筑能耗占社会总能耗的比重逐年增大。建筑能耗包括采暖、空调、供热水、炊事、家电等方面的耗能。目前，建筑耗能占当年全社会终端能源消费量的27．8％，以建筑采暖和空调能耗为主，占建筑总耗能的50％一70％，是建筑耗能的主要部分，也是浪费最为严重和节能潜力最大的部分。由此可见，建筑节能对全社会能源消耗的降低具有重要的作用(王少阶，2010)，其中处于

4、重要地位的采暖空；：．调节能备受关注。浅层地热能是指地表以下一定深度范围内的岩土体、地下水和地表水中，温度一般低于25℃，在当前技术经济条件下具有开发利用价值的热能(中国建筑科学院，2005)。浅层地热能是地热资源的组成部分，主要来自于太阳的辐射能和地球内部热能，储量巨大，主要赋存于地下数百米以上至地表冻土层以下的恒温带中。浅层地热能不是传统概念的深层地热，也不属于地心热的范畴，而是太阳能的另一种表现形式，同时也是地热可再生能源家族巾的一员，广泛存在于大地表层中，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，属于低品位的能源

5、(通常温度小于25℃，区别于石油、煤炭等一次性高品位能源)，往往被人们所忽视。浅层地热能由于其温度较低不易提取，而不被人们所利用。随着科学技术的进步和对自然环境影响的重视，作为一种可再生的、清洁的、能量巨大的新型能源受到广泛的重视，在全球范同内开始对浅层地热能利用和运用的研究。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能，相当于人类每年利用能量的500多倍，且不受地域、资源等限制，是清洁的可再生能源。地面5m以下土体温度全年基本稳定且略低于年平均气温，可在夏冬季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。所以从热力学原理上讲，土体是一种比大气

6、环境更好的热泵系统的冷热源。随着制冷技术及设备的进步与收稿日期：20ll—03—25；修订日期：201l—05—19；编辑：侯鹏飞作者简介：骆祖江(19“一)，男，教授，博士生导师，主要从事水文地质与环境教学与研究工作，E-mail：luozujiang@sina．com地质学刊2011年12月完善，成熟的热泵技术使浅层地热能(热)的采集、提升和利用成为现实。即以少量高品位能源(电能)，实现低品位热能向高品位转移。在冬季，把地源介质中的热量“吸取”出来，提高循环介质温度后，供人采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地源介质中去，以达到制冷的目的，同

7、时还能实现无偿提供热水等功能。1浅层地热能的特点可再生的浅层地热能逐渐成为采暖、空调、生活热水等建筑用能的首选。这与建筑用能和可再生浅层地热能的特点有关。1．1低品位能源所谓热能的高低品位是针对通过热机把热量转化为机械能的能力而言的，根据热力学第二定律，温度高的热源较温度低的热源转化效率高，因此前者较后者的品位高。建筑采暖、空调等所需的热(冷)温度低于100℃，属于低品位能源。如果将化石燃料燃烧后产生的高品位能量用于建筑采暖、空调，不符合“温度对口、梯级利用”的热力学基本原则，存在着严重的能量浪费。1．2狭窄的温度范围建筑空调冷冻水的温度一般为5℃

8、一12℃，供热热水温度在45℃一60℃，地板供暖温度在40℃以下。由此可见，建筑能源的温度范围非常狭窄。目前利用浅层地热能