广西地区浅层地温开发利用中存在的问题分析

2015-03-31黄礼宁

地球 2015年10期

关键词：浅层源热泵热泵

■黄礼宁

（广西壮族自治区地质调查院广西南宁 530023）

广西地区浅层地温开发利用中存在的问题分析

■黄礼宁

（广西壮族自治区地质调查院广西南宁 530023）

浅层地温能资源广泛分布于地表以下数百米内的地下水及土壤中，它基本不受地域及气候的影响，温度相对恒定且储量巨大，具有节能、环保和可持续发展等优点，已成为建筑物制冷、供暖工程优先选择方案。本文主要结合广西地区浅层地热开发利用中存在的问题进行探讨，并提出了相关建议以供参考。

浅层地温开发利用现状问题建议

1 浅层地温能的概念与优势

1.1 浅层地温能

浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度（一般小于200 m）范围内岩土体、地下水和地表水中，具有开发利用价值的低于25℃的热能。也可以理解为赋存于地表以下200 m岩土体和地下水中，因该范围内温度与地表气温存在常年温差而形成的能量，可以理解为一种势能或位能。正是由于这一温度差的存在，我们才能把它变成供暧、制冷的热冷源。浅层地温能与传统地热能的区别在于温度、空间分布和利用方式等方面的不同。由于浅层地温能的温度大大低于传统地热的温度，所以不能直接利用，它需要热泵来提温（供暧）或降温（制冷），而传统地热能可以直接利用于供热或发电等，传统地热能只分布于地热田中，而浅层地温能分布于广大地区。

1.2 利用原理

浅层地温能被利用的实质是冬、夏两季地层中比较恒定的温度与外界空气的温度存在较大的反向温差。地源热泵是利用地球表面的浅层地温能资源作为冷热源进行能量转换，从而为建筑物进行供暧和制冷的机械设备。地源热泵系统的工作原理是利用水与地温能进行冷热交换，冬季把地温能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地温能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地温能为“冷源”。热泵系统按照室外换热方式不同可分为三类：（1）地埋管地源热泵系统；（2）地下水地源热泵系统；（3）地表水地源热泵系统。

地埋管地源热泵系统是通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的换热。在冬季是通过埋在地下的封闭管道从大地收集自然界的热量，给室内供暖；在夏季，此运行程序则相反，地源热泵系统将从室内抽出的热量排入封闭管道而为大地所吸收，使房屋得到供冷。

地下水地源热泵系统是通过抽取及回灌地下水，让地下水在含水层中的自由流动实现系统与大地之间的换热。在冬季是通过抽取地下水从大地收集自然界的热量，给室内供暖，同时向地下回灌较低温的水；在夏季则是从室内抽出热量通过地下水而向大地排热，使房屋得到供冷，同时向地下回灌较高温的水，形成循环。该技术适用于地下水源丰富的地区。

地表水地源热泵系统是直接抽取地表水，让地表水在江河或湖泊中的自由流动实现系统与大自然之间的换热。在冬季是通过抽取地表水收集自然界的热量，给室内供暖，同时排出较低温的水；在夏季则是从室内抽出热量通过地表水而向江河或湖泊排热，使房屋得到供冷，同时排出较高温的水。该技术适用于地表水源丰富的地区。

1.3 能源优势

浅层地温能可以说是一种取之不尽用之不竭的绿色新能源。浅层地温能推广本身具有诸多优势，潜力巨大。

（1）储量惊人。据专家测算，我国近百米深的土壤每年可采集的低温能量约是我国目前发电装机容量10亿千瓦的1500倍，而百米内地下水每年可采集的低温能量也有2亿千瓦。经计算仅背景规划区2000平方千米浅层地温能的储量相当于1.07亿吨标准煤，如果把目光投向全国，显然数字将变得更为巨大。

（2）利用浅层地温能主要是运用地源热泵技术，根据地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，通过输入少量的高品位电能，将低品位热能向高品位转移，来实现建筑物的供暖和制冷，其效能比可达到3，因此其在经济上比较合算。1平方米建筑投资约为250元至380元，比同样满足供暖、制冷和生活热水条件的燃气和空调系统等降低20%～30%，其运行费用明显低于其他清洁能源，几年就可收回设备的初始投资，可见其可用性极强。

（3）可循环再生。浅层地温能的能量主要来源于地球内部的热能（少部分来自太阳辐射能），而这两种能源相对人类历史来说为可再生资源，从利用该种能源的角度来讲，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，这样，全年建筑物冬季采暖所需的热量，总体上可与来自地球深部的热传导和夏季储存的热量实现平衡，使浅层地温能得以能够持续循环地利用。

2 浅层地温能开发存在的主要问题

2.1 技术培训问题

根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵空调分为地下水源热泵、地表水源热泵、地埋管地源热泵空调系统三种类型。浅层地温能勘查评价的目的是为地源热泵工程提供规划设计依据，是一项针对性极强的基础地质工作。地质工作者不熟悉热泵技术原理，不可能高质量完成浅层地温能勘查评价工作。而在广西包括很多地质专家在内，对热泵技术还是很陌生的，不少人至今还片面认为热泵空调技术只能供温暖，广西地区不适用。因此，在全面开展浅层地温能勘查评价工作之前，对地质工作者进行热泵技术知识的补课培训，提高相关理论水平，是一项十分必要的前期工作。

2.2 南北差异问题

热泵技术应用于采暖工程在我国北方已有多年历史，由于地下水资源相对缺乏，第四系土层普遍厚度大于100m的地质条件特征，造成北方用得最广泛的是地埋管地源热泵空调技术，以冬季供暖为主要目的，因而勘查评价也是以第四系地层地温场为勘查重点，以地温相对高的地质体为优选区。广西的水文地质特征与北方正好相反，第四季系地层厚度普遍较薄，地下水、地表水相对丰富，最适合广西的热泵技术是地下水水源热泵空调技术，以夏季制冷为主要目的，应以地温相对低的地质体为优选区。因此，勘查评价的重点是浅层地下水赋存状态及水温变化规律，即使同样是对第四系地层地温场的评价，由于地下水位埋藏较浅、富水性较强、淤泥层发育特性等因素，其方法、手段、分区等方面切忌照搬北方的经验及做法，应该有所创新，才能取得符合广西实际的勘查成果。

2.3 广西特色问题

我国北方以采暖为主要目的，开展浅层地温能勘查的主要目标是查明浅部地温场中有多少热能可交换利用，即可在地层中吸取多少温度。在广西是制冷为主要目的，勘查目标应是查明浅层地温场的耐热功能，即地层对外来热能的吸收消化能力。根据热泵技术原理、广西气候特征、水文地质条件综合分析，最适合广西的当是水源热泵空调技术，查明浅层地温场的地下水资源应是勘查评价的重点。由此可见，勘查目标、应用技术线路等方面，广西与北方有很大的区别，因此，相应的勘查技术手段、测试内容、试验方法等应该体现广西特色。

3 开发利用浅层地热能的建议分析

3.1 提高浅层地热能应用技术水平

因为广西地区对此所接收的讯息不够多，因此就容易造成大材小用的情况。因此在进行应用时，可以考虑到建筑物的供热或是供冷系统，自动控制等等方面。由于这涉及到了多个学科的相关专业，因此就需要与相关专业进行配合、交流、借鉴。从而研制出适合本地区发展特点以及所需要的地源热泵产品。

3.2 积极的开展相关资源的勘查与评价

由于浅层热能在广西地区分布非常之广，但是在进行利用的时候需要采用何种方式、在利用的时候需要用到多少量，在进行长期利用之后可能会对周边的环境带来何种影响。已经周遭的地址环境、水文环境、地址条件都还没有一个明确的指标。因此在进行开发前首先就要周边环境进行勘察，以之间所收集到的水文地质资源为基础，并补充相关的岩石以及渗透率等数据，将其进行整合，从而获得新的数据，作为勘察评价的标准。

3.3 加大科技创新和技术研发工作

地源热泵技术在广西地区起步较晚，这门技术虽已基本成熟，但在这个领域还有很多可以更进一步技术革新和科技创新的地方。技术持续改进，永不止境。故建议设计单位、施工单位、设备厂家应与科研院所、高等院校紧密合作，加强技术研究，不断创新。

3.4 强化施工管理和过程控制，做好监督管理工作

地源热泵工程是一系统工程，施工单位应严格执行现行国家标准规范施工。如地埋管换热系统，涉及到室外地埋管系统、机房系统和室内末端系统。各子系统涉及的内容很多，垂直埋管的钻探成孔质量、孔径、孔深、介质回填、水平管的连接、埋深以及管材质量、传热介质的选取等等。机房系统的设备选择、安装、调试、末端系统的各种设备、材料的选购，安装调试，各个部位的检查、验收都至关重要，一发而牵动全身，哪个部位的质量问题都会影响到整个系统的质量。特别是各类配件规格相同，价格和质量却相差甚大，据市场调查其价格相差可达3～10倍，其质量差别也是可想而知。质检部门和监理单位在这方面缺少专业的检验和监理人员，故需要各地建委行业主管、质检部门和监理单位加强这方面专业技术人员培训和队伍培养，做好严格施工管理，过程监控和监督管理工作。