陈秀忠，陈洪波，刘 忠，杜继洋

(1.安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽六安 237010;2.安徽建筑大学，安徽合肥 230000)

0 引言

随着经济发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25%～30%。我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧时产生的大量污染物，包括大量SO2，NOx等有害气体以及CO2等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变。现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房，体现了政府对保护大气环境的高度重视。因此在建筑空调领域，为了适应可持续发展的要求，缓解臭氧层耗减和全球变暖所造成的日益严峻的全球环境问题，在满足人类健康、舒适要求的前提下，优化能源结构提高能源利用效率，可持续开发利用可再生能源，减少常规能源消耗，显得尤为迫切和重要。热泵作为空调冷热源中能源转换效率最高的应用技术，能有效节省能源、减少大气污染和CO2排放，目前受到人们的日益重视和关注。

1 霍山地区浅层地热能的分布特点

霍山县属北亚热带湿润季风气候区。气候温和，四季分明，雨水充沛，光照充足，季风显著。区域性差异和垂直变化大，气候资源丰富。由于县境地处中纬度大别山北坡，北部面向黄淮平原，东部靠近江淮丘陵，冬夏受季风影响明显;冬季并受大陆冷高压控制和影响，雨雪少，偏北风多，显得干冷;夏季在西太平洋副热带暖高压鼎盛的环流笼罩下，雨水多阳光足，显得湿热;春秋是冬夏的过渡季节，多气旋活动并有小高压盘踞，风向不定，天气多变。因而具有“春暖、夏热、秋爽、冬寒”的四季气候特征。

1)分布广泛。通过对霍山地区周边的勘察可以看出，多年平均气温15.8℃，多年平均最高气温38.4℃，浅层地热能分布广泛，土壤温度相对恒定，几乎不受环境气候变化的影响，再生迅速，可循环使用。浅表层年平均温度为16℃ ～20℃，而且每百米的温升大约为1.2℃。地表下10米以下地温一年四季随外界环境的变化波动很小，且约等于当地年平均气温，可分别在冬夏两季提供较高的蒸发温度和较低的冷凝温度。因此，对于地源热泵系统来说，较高的蒸发温度和较低的冷凝温度都会使空调系统能耗大大降低。

2)浅层地热能储量巨大。据专家测算，我国地下近百米深度内的土壤每年可采集的低温能量是我国目前发电装机容量4亿千瓦的3750倍，而地下百米内地下水每年可采集的低温能量也有2亿千瓦。据测算霍山地区按2000平方公里计算，每年可开采浅层地热能的资源量相当于0.4亿吨标准煤，由此可以看出地下蕴藏着丰富的地热能，为实施可再生能源计划提供了优厚的条件。

3)年降水量丰富，霍山地处大别山区，土壤资源丰富，因地热能的利用要考虑其周期问题，霍山这样具有得天独厚的地理条件，对地热能的周期性恢复将起到举足轻重的作用，同时也给地热能的利用提供了良好的地下环境。

4)勘查表明，霍山地区地下浅层热能的热流传递以传导型为主，地温梯度在垂向上的变化其实质就是地层中岩石热导率的变化。由于不同地层不同岩性的热导率不同，在同热流值背景下必然导致地温梯度发生变化［1］。通过钻孔稳态测温资料，区内地温在垂向上基本呈线性变化，地温梯度近似为一个常数，这说明地温不会发生异常变化，对于地源热泵系统来说有着良好的散热和吸热环境。例如位于霍山县上土市乡陡沙河村蔡家店180°约200 m。热水泉类型为构造上升泉，有两个热水泉群组成，相距1500米，热泉露头数处，皆沿陡沙河床方向以线状排列展布，出口水温32～51℃，单泉孔流量不大，总自流量约177.2吨/日;位于霍山黄尾河温泉，该地温泉共有两处，分别在霍山县胡家河乡铜罗尖，铁佛寺两地，两处温泉均属于季节性温泉，每年枯水季节(11月至次年3月份)水温偏低，丰水期地下(冷水)补充使得温泉水温与普通泉水没有什么区别，水量分别为14.7t/d和24.3t/d，无色、无味、透明、PH值6.0～6.5［2］。在全球性的能源日趋紧张情况下，开发利用地热资源，对合理利用自然资源、缓解能源紧张状况、提高公众生活质量、保护生态环境、改善投资环境、促进当地旅游业快速发展有着重要意义。

2 霍山浅层地热开发、利用前景和建议

2.1 开发利用前景

霍山县拥有良好的气候条件，使得浅层地热开发具有了良好的自然条件。在2007～2009年对县城进行了水文地质勘察工作中，寻找地热工作取得了一项重大突破。这一发现不仅使荒坡变宝地，更牵动了县城发展布局，为山区找热工作提供了宝贵经验，更重要的是，揭示了霍山地区地热的广阔远景，实现了“地热进城”，提升了地下热水资源在霍山经济社会发展中的潜在功能。

目前，霍山县已经具备了大力开发利用浅层地热能资源所需的各项条件:

1)有相当丰富的浅层地热能资源，地理位置主要在温带，土壤的常温带一般在5～15 m以下，地下恒温层的温度约为17～22℃，地下深100 m温升约为3℃。无论浅层地下水或土壤中的温度，利用100 m以内深度就足够我们消耗。不像地处寒带的挪威，为了利用热泵，将取热的钻孔钻到了 400 m 深度［3］。

2)地下水资源丰富，可采资源量每年达21.4×108 m3，而地下水年实际开采量仅3.51×108m3，地下水开发利用程度仅为17.1%，且大部分都为生活用水及农业灌溉用水。同时，地下水具有水位高，土壤含水量丰富、热传导性高等特点，非常符合地源热泵使用的条件。由于地下岩土的含水率高，对于地埋管的地源热泵工程，可提升其热交换率，非常有利于热泵工程的应用［4］。从理论上分析，富水土壤的埋管换热效率应明显高于我国北方地区在干性土壤实施工程的效果。因此，根据霍山的水文地质条件特征，浅层地热能技术在霍山使用前景非常广阔。

3)在浅层地热资源的验证工作中得到如下结论:

在散热模式下，1#井的U型井埋管具有的散热能力为60.60 W/m井深;2#井的U型井埋管具有的散热能力为61.1 W/m井深;3#井的U型井埋管具有的散热能力为60.72 W/m井深;4#井的U型井埋管具有的散热能力为58.46 W/m井深;5#井的U型井埋管具有的散热能力为58.46 W/m井深。

在取热运行模式下，1#井的U型井埋管具有的取热能力为37.97 W/m井深;2#井的U型井埋管具有的取热能力为37.3 W/m井深;3#井的U型井埋管具有的散热能力为38.21 W/m井深;4#井的U型井埋管具有的散热能力为38.61 W/m井深;5#井的 U型井埋管具有的散热能力为37.04 W/m 井深［5］［6］。

在霍山县城东、南、西、北方向对所打测试井进行浅层地热测试验证中所得到的数据可以看出，地源热泵运行效果良好，对运行及测试井的数据分析可知:运行期间地下热作用半径大约4 m，连续运行16天后温度恢复周期为1天。

4)目前我省经济实力日趋强大，电力供应基本充足，虽然个别地区电力紧张，但电力建设都在规划和实施之中，每年都有发展，不存在开发利用浅层地热能的电力供应瓶颈问题。

5)社会发展和人民生活水平提高之后，冬季供暖和夏季制冷的需求日益强烈，像过去黄河以南有不供暖的“规定”早就不成为约束了。为了办公和生活条件的舒适，很多资金充裕的开发商或有条件的建设单位开发利用浅层地热能资源来作为建筑制冷供暖的意愿日趋强烈。

6)地热热泵的机组及各项相关技术都已成熟。虽然热泵中的关键部件高压压缩机目前主要依靠进口，但我国已有了国产热泵工厂，有大、中、小型各类产品，能自行设计、安装，这些都是有利于规范市场、有利于发展地热热泵产业的技术基础。

7)采用地源热泵技术开发利用浅层地热能资源，适用于建设“资源节约型、环境友好型社会”和提倡环境保护、建设花园城市的宗旨，符合国家节能减排的要求。地热热泵在世界上的节能减排公誉也必将在得到认可，必将得到大力发展。

因此可以看出，浅层地热能在霍山地区有着很好的开发利用前景，值得投入，这主要表现在:

(1)配合大别山国家地质公园旅游业的发展，在霍山建立地热旅游、娱乐健身、医疗保健基地。

(2)发展城镇地热集中供热、取暖，建立地热供热泵站。

(3)采取冷水回灌、弃水和尾水回灌等换热形式，结合应用热泵技术，开发中低温(＜40℃)地热资源，扩大地热资源量，降低地热尾水排放温度，提高地热资源利用率和低温地热水可持续利用率。

(4)积极开发回灌和热泵技术研究，地热集中供热自动化系统和设备的研究、医疗保健机理和疗效的研究，以及地热资源节流和增大地热水开采量的研究，以致更科学合理、经济、高效、可持续的开发利用地热资源［7］。

2.2 做好霍山地区浅层地热开发利用工作的建议

地源热泵技术在欧洲和北美已有几十年的发展历史，技术已相当成熟，针对地源热泵机组、地热换热器的设计和安装制订了一整套的标准、规范。该项技术成为一种广泛采用的供热空调方式，并以每年10%的速度增长。可以预计，该项技术将会成为21世纪建筑环境供暖和空调的最有效技术，并可实现真正意义上的环境保护和资源的再利用［8］。

为了做好霍山地区浅层地热能开发利用工作，根据此次对霍山地区地质水文情况考察的体会、收获及其他兄弟市县的成功经验与做法，特建议如下:

1)加强宣传力度。坚持“在保护中开发，在开发中保护”的方针。重视开发利用资源前环境影响评估工作，开展地源热泵适用区开发利用浅层地热能资源对环境影响的评估工作，重点评估因开发浅层地热能资源而造成新的地面沉降、水质污染和热污染等环境地质问题，减少环境隐患，实现可持续发展。必须进一步解放思想、转变思想观念、强化环保意识，提高节能减排认识，积极推动浅层地热能在我省的应用。定期举办“地源热泵系统建设和应用领导干部培训班”，邀请此领域国内知名专家、院士授课，大力宣传国家节能减排政策法规。还要从项目建设源头上强化节能减排意识，尤其是工程设计单位，对浅层地热能地源热泵应有更多的关注，更多的创造和总结。因为任何一个工程，设计是龙头。另外，对于可用的低位热能资源，我们需要扩大视野，除了地下浅层地热源，还有地表水、工业循环冷却水等等;

2)出台相关政策，保障浅层地热能资源的合理利用。北京市、天津市和沈阳市政府在监督管理制度建设方面带了一个好头，率先在本地区由多部门联合出台了对源热泵工程建设的申报、审批与检查制度，为保障地源热泵技术的健康发展提供了政策支持。这些制度对我市有很好的参考与借鉴作用。作为我市政府相关部门应积极组织人力编制相关浅层地热能开发利用的政策法规、规程规范，大力推进我市浅层地热能资源的科学评估、规划与合理利用。明确所有的新建、改建、扩建建设项目在条件具备的情况下应当优先考虑采用地源热泵系统，应当履行建设项目应用地源热泵技术相关审批程序。规范浅层地热能的勘查评价、地源热泵系统的地下换热系统(地埋管)对地下环境影响评价。加强地源热泵技术应用的监督管理机制，促进相关技术规程规范的细则尽快出台。

3)建立专家库，设立专门管理或协调机构。邀请省地质地热专业、暖通空调专业、机械制造等相关专业的专家学者组成地源热泵或浅层地热能专家库，及时为建设项目应用地源热泵技术提供智力支持;依靠科技进步和创新，提高浅层地热能利用技术水平。地源热泵系统是地质环境、热泵系统、自动控制和暖通空调系统等多学科的有机结合，因此需要加强这些相关专业人员的密切配合，做到每一部分都要与整体相协调，才能使整个系统达到经济、节能与环保。

4)推动示范工程建设，带动地区浅层地热能开发利用。大别山区地域广阔，地质条件复杂。一个地区的应用地源热泵技术的成功经验是适用于本地区的地质环境，并不能适合其他地区。因此，紧密配合暖通空调人员，结合地源热泵工程的具体地质环境，建立符合本地实际的示范工程，摸索方法，总结经验，逐步推广，以地质勘查评价为基础，查清资源家底，重点开展热泵相关土壤参数调查;研究浅层地热能资源和地下水之间的相互关系;进行热泵适用区划分，估算热泵适宜区浅层地热能资源量;制订切合实际的浅层地热能开发利用规划，将浅层地热能的开发利用纳入近期或远期规划建设中。充分调动开发建设单位应用地源热泵技术的积极性，积极建设并申报“可再生能源示范工程”，争取国家专项资金支持。

5)加强相关技术研发，建立地温场长期监测系统，提高能源利用效率。科学开发利用浅层地热能资源，必须坚持节约高效原则，加强浅层岩土热物性测试的研究;建立不同地层热物性数据库;开展不同换热方式地下传热模型的模拟试验;地埋管换热器提高效率的设计优化;高性能回填材料的研究等相关技术研发工作，使采用热泵系统开发利用浅层地热能资源的功效更高;建立地温场长期观测换热井及周围地层温度、水位、水质以及换热(换冷 )情况，了解(监测)其变化规律，特别是地源井回灌能力和温度恢复情况;进行热源井井距试验，确定最佳井距数据;观测地下换热系统的实际换热(换冷)效果，测量地层热流值及热传导系数。通过长期观测，为建设地源热泵系统工程的设计、勘察与施工管理部门提供可靠的科学的基础数据，使热泵系统不断完善、不断提高效率。

6)加强建设管理。地源热泵项目是一个系统工程，做好这个项目不是某一个环节的问题，管理工作涉及到不少部门，需要各部门从共同目标出发，大力协同，推进有效管理，促进有关单位愿意去采用，又能确保工程的实效与质量。要做好地源热泵工程，取决于怎么去做，谁去做，要提倡各个环节的专业化，但对每一个部门都要有一个牵头负责的，从始至终很好的把关。对于牵涉到行业具体问题则要求落实到相应管理部门。根据京津地区及北方省市经验，建设行政部门、水务部门与国土资源部门和环保部门要紧密配合。

7)制定发展规划，加大实施力度。要把推进浅层地热能资源开发利用与相关规划紧密衔接起来，作为推动节能降耗的一项具体措施，明确责任主体。根据我省得天独厚的自然地理及水文地质条件，为因地制宜、科学规范地推广地源热泵技术，编制相应的开发利用规划，明确我市“十一五”时期目标或“十二五”推广利用浅层地热能的相应目标。必要时，可由国土资源部门对浅层地热能的开发和利用进行统一的专项规划，推动可再生能源的利用，加大推进力度。

8)实行准入制度。对于地源热泵工程建设单位实行市场准入制，对从业人员实行职业技术培训，持证上岗等制度，是保障地源热泵系统工程质量和运行安全的根本保证。专家强调，浅层地热能的开发利用，一定要设立准入门槛，进行浅层地热能的勘查评价、开发利用，必须得有资质。每一个浅层地热能项目都必须经过相关部门审批同意方可实施，以维护整个浅层地热能的市场秩序。

3 结论

地温反映地球内部热能的变化程度，一个地区的地温状态是在地质历史时期一定的地质构造条件下综合作用的反映。据地热地质理论，基底的起伏和构造形态对地温场的影响是区域性的，对地壳浅部地温起主导作用，地层结构和岩性特征对局部地区的地温场有一定的影响，霍山县有多处温泉出露，说明这一地区基底具有形成浅层地热异常的背景条件。

霍山县境内的地热资源具有埋蔵浅、水量丰富、水质有益成份多、温度适宜，开发利用潜力大的特点，可广泛用于人体洗浴、医疗保健、休闲度假、温池游泳、温室种植、温水养殖、供热取暖等方面，同时还可带动生态农业、旅游休闲相关产业的发展。大力开发地热资源，对于缓解能源紧张、减少环境污染、提高人们生活质量、促进经济可持续发展以及全面建设小康社会具有重要意义。

［1］ 中华人民共和国国家质量监督局，中国国家标准化管理委员会.地热资源地质勘查规范(GBll615－2010)［S］.北京:地质出版社，2010.

［2］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中华人民共和国建设部.供水水文地质勘察规范(GB50027－2001)［S］.北京:地质出版社，2001.

［3］ 中华人民共和国地质矿产部.地向磁勘查技术规程(DZ/T0144－94)［S］.北京:地质出版社，1994.

［4］ 陈春元，暴东升，项斌，等.安徽省霍山县浅层地能调查评价报告［R］.2010.

［5］ 中华人民共和国国家质量技术监督局，中华人民共和国建设部.供水管井技术规范(GB50296－99)［S］.北京:中国计划出版社，2005.

［6］ 中国市政工程中南设计院.供水水文地质钻探与凿井操作规程(CJJl3－87)［S］.北京:中国建筑工程出版社，1987.

［7］ 徐伟.地源热泵技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［8］ 吕辉辉，等.安徽省浅层地热能调查与评价报告［R］.合肥:安徽省国土资源厅，2013.