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地源熱泵

淺層地?zé)崮埽ǖ卦礋岜茫┑膶傩院屠?/h1>
 
  深入分析淺層地?zé)崮?/a>的熱源必須區(qū)分天然和人工干擾兩種不同的狀態(tài)。利用淺層地?zé)崮?/a>可以部分替代化石能源，用于供暖和制冷，減少溫室氣體的排放，是節(jié)能減排的有效措施。為了減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，取得淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用最大的社會經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，保證資源的可持續(xù)利用，必須進(jìn)行淺層地?zé)崮芸辈?/a>評價(jià)。
  關(guān)鍵詞淺層地熱能；地源熱泵；屬性；利用。
 
  近1年來，很多專家針對地源熱泵所利用的熱能提出了看法，各方面有很多不同的意見，甚至不理解淺層地?zé)?/a>能的存在，對淺層地?zé)崮芸辈?/a>評價(jià)對地源熱泵工程的意義表示疑惑。為了統(tǒng)一對淺層地?zé)?/a>能的科學(xué)認(rèn)識，促進(jìn)地源熱泵工程的健康發(fā)展，有必要在這里就淺層地?zé)崮?/a>的屬性、熱源、利用以及勘查評價(jià)對地源熱泵工程的意義，做一個(gè)完整的論述。
 
 
  能源是自然界中能夠直接或通過轉(zhuǎn)換提供某種形式能量的物質(zhì)資源，它包含在一定條件下能夠提供某種形式的能的物質(zhì)或物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，也指可以從其獲得熱、光或動(dòng)力等形式的能的資源。不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，且在轉(zhuǎn)換中數(shù)量守恒。
 
  世界能源委員會推薦的按能源的形態(tài)、特性分類，分為：化石燃料、水能、核能、電能、太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、地?zé)崮?/a>。
  此外，根據(jù)能源其能否循環(huán)使用分類，分為“可再生能源”和“不可再生能源”。可再生能源可以在循環(huán)中有規(guī)律地得到補(bǔ)充，不致因不斷開發(fā)而枯竭。按使用性能分類，分為：燃料能源和非燃料能源。按對環(huán)境的影響程度，分為“清潔能源”和“非清潔能源”。按照利用狀況分類，分為：常規(guī)能源和新能源。按資源形態(tài)分類，分為：載體能源和過程能源，載體能源指提供能量的含能物質(zhì)，如各種燃料、蒸汽等可以直接儲存和運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)。過程能源指提供能量的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，如水流、風(fēng)力、潮汐、波浪等。按照轉(zhuǎn)化為功的難易程度分類，分為：高品位能源和低品位能源。按經(jīng)濟(jì)流通狀況分類，分為：商品能源和非商品能源。按能源形成條件可分為一次能源和二次能源。一次能源指從自然界取得的未經(jīng)任何改變或轉(zhuǎn)換的能源。在人類社會生產(chǎn)和生活中，常有必要對一次能源進(jìn)行加工或轉(zhuǎn)換使之成為二次能源，包括煤氣、焦炭、汽油、煤油、柴油、重油、電力、蒸汽、熱水、氫能等。一次能源無論經(jīng)過幾次轉(zhuǎn)換所得到的另一種能源，都被稱作二次能源。在生產(chǎn)過程中的余壓、余熱，如鍋爐煙道排放的高溫煙氣，反應(yīng)裝置排放的可燃廢氣、廢蒸汽、廢熱水，密閉反應(yīng)器向外排放的有壓流體等，也屬于二次能源。二次能源一般比一次能源有更高的終端利用效率，也更清潔和便于輸送、使用，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和社會生活的日益現(xiàn)代化，二次能源使用量占整個(gè)能源消費(fèi)總量的比重必將與日懼增。
 
  淺層地?zé)?/a>能是熱能的一種形式。淺層地?zé)?/a>能從不同分類角度可以劃歸為：可再生能源、清潔能源、非燃料能源、新能源、過程能源、低品位能源和非商品能源。淺層地?zé)崮芗仁且淮文茉?，又是二次能源?/div>
 
  除了作為能源的一種形式以外，淺層地?zé)崮苓€有一個(gè)不容忽視的重要屬性，即是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，人類賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)對淺部地溫有著基本的需求，可以稱為生態(tài)基熱”。凍土地區(qū)生態(tài)環(huán)境很脆弱，地溫過低的“冷田”和地溫過高的“熱土”
 
  于農(nóng)作物和其他生物生長都不利，而地表水體的溫度更是直接影響著水生生物的生存。因而在利用淺層地?zé)崮艿倪^程中，必須避免生態(tài)環(huán)境的惡化。
 
  地?zé)豳Y源是指蘊(yùn)藏在地表以下巖石和地下水中的熱量。一般的地?zé)豳Y源的溫度高于當(dāng)也平均氣溫10℃以上。在地表以下淺部的巖土體、地下水和地表水中的淺層地?zé)崮艿臒崮芷肺坏?，難以轉(zhuǎn)換為有利用價(jià)值的功。因而在很長時(shí)期內(nèi)沒有被看做是地?zé)豳Y源。1912年瑞士Zoelly首次提出利用淺層地?zé)崮茏鳛?a href="http://www.rijz.cn/t/熱泵系統(tǒng).html" >熱泵系統(tǒng)低溫熱源，并申請了專利。隨著用于建筑物的供暖和制冷的熱泵技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，使得這部分熱量具有開發(fā)利用價(jià)值。
 
  國際地?zé)峤缭缫压J(rèn)將淺層地?zé)崮茏鳛榈責(zé)豳Y源的一部分。
 
  全世界的地?zé)岬刭|(zhì)專家近20年來對淺層地?zé)崮艿年P(guān)注和研究迅速增長，并將其納入電熱地質(zhì)研究的重要內(nèi)容。從1995年意大利召開的世界地?zé)岽髸?/a>上的幾篇有關(guān)換熱技術(shù)色文，到2000年在日本和2005年在土耳其召開的世界地?zé)岽髸?/a>上有關(guān)淺層地?zé)崮芨鞣矫嫦蜓芯客伙w猛進(jìn)。主要集中在地下?lián)Q熱技術(shù)、熱量評價(jià)、地溫場模擬計(jì)算等方面。關(guān)于開殳利用淺層地?zé)崮芸梢?a href="http://www.rijz.cn/t/節(jié)約能源.html" >節(jié)約能源、減少溫室氣體排放和改善環(huán)境的認(rèn)識是一致的，沒有爭侖。我國地?zé)?a href="http://www.rijz.cn/t/地質(zhì)工作.html" >地質(zhì)工作者近10年來積極引進(jìn)和發(fā)展了地源熱泵技術(shù)開發(fā)利用淺層地?zé)崮?，并取得了顯著的成果。
 
  淺層地?zé)崮艿?a href="http://www.rijz.cn/t/熱源.html" >熱源。
 
  淺層地?zé)崮艿母拍钍且詿崮艿馁x存狀態(tài)定義的，并沒有限定熱能的補(bǔ)給來源，類似于“地下水”的概念，沒有限定水的補(bǔ)給來源。對淺層地?zé)崮艿臒崮軄碓矗胁煌慕忉專? 成為近年來一些人爭論的焦點(diǎn)。把這個(gè)問題討論清楚，對于科學(xué)評價(jià)淺層地?zé)崮苁怯幸饬x的。
 
  熱力學(xué)第二定律指出，能量的傳遞具有方向性，從高溫物體向低溫物體傳遞的熱量是自行的，而從低溫物體向高溫物體的熱量傳遞需要借助外力才可實(shí)現(xiàn)。這不僅是熱泵技術(shù)的基本原理，也是淺層地?zé)崮芊治龊陀?jì)算的基礎(chǔ)。地下溫度場表征了熱能的分布和運(yùn)移。
 
  根據(jù)地溫梯度和介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可以定量評價(jià)地?zé)崃髁?/a>。這里僅根據(jù)地溫場的特征定性分析淺層地?zé)崮艿膩碓础r土體、地下水、地表水是開放的儲熱體，在其邊界上內(nèi)部的熱量與外部熱量不斷進(jìn)行著傳導(dǎo)或輻射。對于地表以下的淺部巖土體，其上界面是地面，與大氣和陽光接觸，依太陽輻射和氣溫的變化，吸收或散發(fā)熱量。下界面是深部巖土體，接受著產(chǎn)生于地球內(nèi)部的源源不斷的熱流。對于限定的區(qū)域，巖土體與周邊的介質(zhì)，包括地下水和地表水也存在熱交換。在沒有內(nèi)部熱源或熱匯的情況下，巖土體內(nèi)溫度的分布是由邊界溫度決定的。淺部巖土體中的熱量是不可能長時(shí)期積累的，地層溫度只反映了現(xiàn)代的環(huán)境特征，而地質(zhì)學(xué)家們正在根據(jù)巖石地層中保留的信息來分析當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度，研究幾十億年地質(zhì)時(shí)期各種時(shí)間尺度全球的氣候變化規(guī)律。
 
  在天然和人工干攏兩種不同的狀態(tài)下，淺層地下水、地表水和巖土體中溫度分布有著很大的差別，只有區(qū)分兩種不同狀態(tài)，才能深入分析其蘊(yùn)藏?zé)崮艿膩碓春瓦\(yùn)移。對于含水層中的地下水和地表水體，由于水是熱量的良好載體，熱容量大，熱的對流和傳導(dǎo)使得連續(xù)水體的溫度保持一致，其溫度的高低是由其與外界的熱交換決定的。在自然狀態(tài)下，地下水溫決定于其水源和周邊環(huán)境的溫度。地表水溫度的主要控制因素包括大氣降水、太陽輻射、空氣和水體基底溫度，地下水溫度的控制因素是人滲補(bǔ)給水源和含水層的溫度。在利用換熱器從地下水和地表水體中提取和排泄熱量的狀態(tài)下，熱源和熱匯的強(qiáng)度是水溫變化的主要因素。地表水的溫度變化及其分布取決于水體的大小、水流的速度、流量。地下水的溫度變化及其分布取決于含水層的滲透性、地下水流速和含水層的特征。
 
  巖土體的熱傳導(dǎo)性比水低很多。巖土體內(nèi)的溫度分布，在天然狀態(tài)下從地表到埋深200 m范圍內(nèi)溫度就有很大的差別。從地表向下分別為變溫層、恒溫層和增溫層。變溫層的溫度受太陽輻射和大氣溫度的控制，隨季節(jié)變化，增溫層的溫度受地球深部熱量控制隨深度增加，正常狀態(tài)為每100 m增加3℃，經(jīng)過地?zé)?a href="http://www.rijz.cn/t/地質(zhì)工作.html" >地質(zhì)工作數(shù)十年的研究，我國大地熱流的分布規(guī)律已經(jīng)基本查清。恒溫層是地球內(nèi)部熱量與大氣溫度的相對平衡的層位，溫度不大，溫度相對恒定。由于各地的氣溫、日照、大地熱流值的不同，巖土體的溫度和恒溫層的厚度和埋藏深度差別很大，受當(dāng)地大地熱流、太陽輻射和氣溫的控制，是天然熱源動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。
 
  人類的工程活動(dòng)已經(jīng)在很大程度上改變了天然環(huán)境，對地下溫度場也發(fā)生了同樣的事情。在利用地埋管換熱器提取和排泄熱量的狀態(tài)下，巖土體中溫度的分布發(fā)生了劇烈的變化，天然狀態(tài)下的“恒溫層”已經(jīng)不復(fù)存在。地埋管取熱區(qū)域及其影響范圍內(nèi)的巖土體的地溫場成為干擾下的“人工變溫層”。圖l是北京市一個(gè)地源熱泵工程地埋管換熱系統(tǒng)的實(shí)際監(jiān)測資料。
 
  人工干擾狀態(tài)下巖土體中熱量的補(bǔ)給和排泄的關(guān)系與天然狀態(tài)完全不同。地埋管換熱器成為主要的“熱源”和“熱匯”，地溫梯度的改變誘發(fā)了熱流量的改變。在巖土體的上界面即地表面和下界面即與深部巖層上的熱交換量發(fā)生了數(shù)量級的變化，在平面上地埋管取熱區(qū)與周邊巖土體也產(chǎn)生了熱流交換，這是熱流方向和數(shù)量非穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)過程。如果照搬在天熱狀態(tài)下觀測到的大地?zé)崃髦岛?a href="http://www.rijz.cn/t/太陽能.html" >太陽能輻射熱量來分析問題，必然得出錯(cuò)誤的結(jié)論。定量計(jì)算這些熱流量是淺層地?zé)崮茉u價(jià)的主要內(nèi)容。近年來，歐洲、日本等國家和地區(qū)的地?zé)岬刭|(zhì)學(xué)家對巖土體上、下界面熱交換量的定量計(jì)算及其在數(shù)值模擬中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了很多研究，并發(fā)表了一些成果。
 
  3  淺層地?zé)崮艿睦谩?/div>
 
  利用淺層地?zé)崮芸梢圆糠痔娲?a href="http://www.rijz.cn/t/化石能源.html" >化石能源，用于供暖和制冷，減少溫室氣體的排放，是節(jié)能減排的有效措施。近年來，隨著地源熱泵技術(shù)的日益成熟，淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用在發(fā)達(dá)國家全面地普及和發(fā)展。到2005年，世界上有33個(gè)國家和地區(qū)安裝了130萬臺地源熱泵，每年增長24.4%。歐洲對地源熱泵的深入研究已經(jīng)超過20年，大多數(shù)的需求是供暖，安裝地源熱泵最多的國家是瑞典，德國、瑞士、英國、荷蘭、挪威等國家熱泵應(yīng)用發(fā)展很快，并制定了國家或企業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在美國每年安裝的熱泵系統(tǒng)為5萬．6萬套，超過600個(gè)學(xué)校采用地源熱泵供暖和制冷。
 
  利用淺層地?zé)崮芴娲?a href="http://www.rijz.cn/t/化石能源.html" >化石能源用于供暖，避免了煤炭、天然氣等燃燒排放的二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和煤塵等，保護(hù)了環(huán)境。淺層地?zé)崮苓€替代了空氣源空調(diào)，在地源熱泵制冷的過程中，減少了向室外環(huán)境中排放熱量。大氣環(huán)境直接影響人類生存質(zhì)量。
 
  傳統(tǒng)的供暖方式和空氣源空調(diào)制冷，都是單向排放熱量到大氣環(huán)境中，這是造成局部環(huán)境惡化的重要原因。利用淺層地?zé)崮茉诒Ｗo(hù)大氣環(huán)境方面的正面效益是顯著的，而對巖土環(huán)境的影響還未見負(fù)面報(bào)道。
 
  淺層地?zé)崮苜Y源在我國應(yīng)用的區(qū)域非常廣泛。淺層地?zé)崮苜Y源的科學(xué)利用為建立節(jié)約型社會、節(jié)能減排和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供了有效的途徑。近十年來，在政府支持和倡導(dǎo)下．我國一些大城市陸續(xù)開展淺層地?zé)崮苜Y源的開發(fā)利用，相關(guān)技術(shù)發(fā)展速度較快，其中北京、沈陽走在了全國前列。近5年來，北京建成的淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用項(xiàng)目已達(dá)500余項(xiàng)，供暖面積超過1000萬m2；沈陽的淺層地?zé)崮苜Y源的應(yīng)用面積達(dá)1800萬m2; 2006年，北京市完成了節(jié)能減排的指標(biāo)，其中淺層地?zé)崮?/a>資源的開發(fā)利用做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
 
  淺層地?zé)崮芗夹g(shù)的應(yīng)用在北京2008年奧運(yùn)會和上海2010年世博會中成為綠色環(huán)保亮點(diǎn)。
 
  北京市正在制訂的《北京市平原區(qū)淺層地溫資源評價(jià)及利用規(guī)劃》，可以作為示范，向全國推廣。目前，全國31個(gè)省、直轄市、自治區(qū)均有淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用項(xiàng)目。2005年全國人大通過了《可再生能源法》。國家的“十一五”計(jì)劃提出了節(jié)能降耗和節(jié)能減排的具體目標(biāo)。有關(guān)政府部門制定相關(guān)政策，各省市相繼出臺一些地方規(guī)定，有力推進(jìn)了淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用技術(shù)的推廣。例如在北京開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源政府給予財(cái)政補(bǔ)貼；沈陽要求全市范圍內(nèi)具備條件的建筑都要使用淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用系統(tǒng)；成都、重慶、寧波等城市都設(shè)立可再生能源專項(xiàng)資金，用于淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相關(guān)企業(yè)可享受貼息貸款、高新技術(shù)企業(yè)待遇等優(yōu)惠政策。
 
  在利用淺層地?zé)崮艿牡卦礋岜霉こ讨幸渤霈F(xiàn)了一些問題，例如，熱泵工程或地下?lián)Q熱系統(tǒng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)、效率降低等。應(yīng)該分析區(qū)別是地源熱泵技術(shù)本身的問題，還是沒有按照有關(guān)技術(shù)要求設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行出現(xiàn)的問題。一些地區(qū)沒有進(jìn)行淺層地?zé)崮艿?a href="http://www.rijz.cn/t/勘查.html" >勘查平價(jià)，沒有制定科學(xué)的開發(fā)方案就盲目開發(fā)，是造成這些問題的根本原因。
 
  淺層地?zé)崮芸辈?/a>包括：區(qū)域淺層地?zé)崮苷{(diào)查和地源熱泵工程淺層地?zé)崮芸辈?/a>。淺層地?zé)崮艿脑u價(jià)是一個(gè)環(huán)環(huán)緊扣完整的程序，在野外實(shí)地勘察、試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，首先劃定地埋管和地下水換熱系統(tǒng)適宜區(qū)，然后分區(qū)計(jì)算換熱功率、供暖期取熱量和制冷期排熱量，計(jì)算淺層地?zé)崛萘?，再利用取得的上述?shù)據(jù)進(jìn)行地下熱均衡評價(jià)，可以采用數(shù)值模擬預(yù)測地下溫度場的長期動(dòng)態(tài)變化，評價(jià)淺層地?zé)崮苁欠襁_(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，論證供暖期取熱量和制冷期排熱量的保證程度，并進(jìn)行淺層地?zé)崮荛_發(fā)的環(huán)境影響評價(jià)。評價(jià)地下水和地表水換熱系統(tǒng)的水循環(huán)利用量，還必須滿足建設(shè)項(xiàng)目水資源論證的要求。只有通過淺層地?zé)崮?a href="http://www.rijz.cn/t/勘查.html" >勘查評價(jià)，取得利用與保護(hù)淺層地?zé)豳Y源所必需的地質(zhì)資料，才能減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，取得淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用最大的社會經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，并保證資源的可持續(xù)利用。