淺層地溫能資源開發(fā)利用發(fā)展綜述

欒英波，鄭桂森，衛(wèi)萬順，2

(1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195;2.中國地質(zhì)調(diào)查局淺層地溫能研究與推廣中心，北京 100195)

1 淺層地溫能概念的提出

淺層地溫能作為一種積蓄在地下(0～200m)的無形自然資源，是地球深部的熱傳導(dǎo)和熱對流與太陽輻射共同作用的產(chǎn)物。為地表以下0～200m深度內(nèi)溫度與距離地表1.5m處不被陽光直接照射情況下(百葉箱)的溫度之間存在常年溫差而形成的能量，是兩個狀態(tài)不同的溫度場之間存在的勢能，又稱作淺層地?zé)崮埽瑢儆诘責(zé)豳Y源的一部分(韓再生等，2007;衛(wèi)萬順等，2008，2010)。淺層地溫能具有可循環(huán)再生、清潔環(huán)保、分布廣泛、儲量巨大、埋藏較淺、可就近開發(fā)利用等特點，作為化石能源的替代資源，可以減少污染物排放。

目前關(guān)于淺層地溫能資源在認(rèn)識上還存在諸多爭議，就目前來說主要有兩大學(xué)術(shù)派別，一種觀點是蓄能的觀點(王訓(xùn)昌，2007)，非可再生能源，在項目設(shè)計和應(yīng)用過程中必須考慮冷熱平衡。另一種觀點認(rèn)為，該可再生低溫能源是太陽能和深層地?zé)崮芫C合作用的結(jié)果(韓再生等，2007;衛(wèi)萬順等，2008)。雖然目前對淺層地溫能資源的認(rèn)識尚未統(tǒng)一，但是利用這種資源為建筑物進(jìn)行供暖和制冷已開始盛行，自2004年以來，我國地源熱泵市場規(guī)模年增長率超過30%，遠(yuǎn)高于同期世界20% ～22%的平均發(fā)展速度，目前已躍居世界第二位(鄭克棪，2012)。從節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的角度看，淺層地溫能已成為當(dāng)前暖通界和地質(zhì)系統(tǒng)共同關(guān)注的熱點問題之一。

2 國外淺層地溫能開發(fā)利用概述

2.1 國外開發(fā)利用現(xiàn)狀

淺層地溫能概念在國外文獻(xiàn)中尚未見到報道，但利用熱泵技術(shù)開發(fā)利用淺層地溫能資源已有近百年的發(fā)展歷程。1948年第一臺地下水源熱泵系統(tǒng)在美國俄勒岡州波特蘭市聯(lián)邦大廈運(yùn)行(Hatten，1992)，該系統(tǒng)從設(shè)計開始就得到了廣泛的關(guān)注(Kroeker et al.，1954)。系統(tǒng)在建成的10年左右內(nèi)由于腐蝕和生銹而失效以及當(dāng)時能源價格低廉等因素，從而導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)未能得到深入推廣(knipe et al.，1985)。20世紀(jì)70年代末，由于世界石油危機(jī)，歐美等國家再次關(guān)注地源熱泵系統(tǒng)。如在美國能源部的支持下，俄克拉荷馬州立大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)對巖土體的熱物性、不同形式埋管換熱器的性能進(jìn)行了深入研究，解決了腐蝕等問題，提升了能源的利用率，使得地下水源熱泵逐漸得到廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代以來，地源熱泵在北美和歐洲迅速普及。由于歐洲的中部和北部氣候寒冷，地源熱泵主要應(yīng)用于采暖和提供生活用水。美國地下水源熱泵在 1994、1995、1996、1997、2006、2007 年的生產(chǎn)量分別為 5924、8615、7603、9724、64000、50000臺，基本呈直線上升趨勢(Peter Holihan，1998)，截止2009年美國在運(yùn)行的地源熱泵系統(tǒng)約為100萬套，得益于美國地方政府出臺了許多相應(yīng)的措施鼓勵地源熱泵的發(fā)展(徐偉，2012)。加拿大從1990到1996年家用的地源熱泵以每年20%增長。據(jù)估算，2004年加拿大的地源熱泵裝機(jī)機(jī)組為35000臺，2005年為37000臺(劉卓棟，2010)，2005年以來加拿大的地源熱泵市場急劇增加，主要原因是能源價格上升、聯(lián)邦政府支持和各地方政府有針對性的補(bǔ)貼。瑞典地源熱泵近5年來的發(fā)展速度是世界上最快的，在2000年地?zé)嶂苯永媚芰颗琶澜绲?0位，到2005年迅速躍居世界排名第2位(鄭克棪，2012)，除此之外，德國、奧地利、芬蘭等國地源熱泵市場增加也很快。日本的一些市政建設(shè)項目和公益性建筑(如醫(yī)院、養(yǎng)老院、道路等)曾利用地?zé)岜孟到y(tǒng)實現(xiàn)供暖、制冷、熱水供應(yīng)、道路融雪等綜合性服務(wù)，效果十分明顯(Tamawski，2009)，由于地下水回灌、地面沉降、初投資成本較高等問題，地源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展受到一定條件的約束，還沒有被完全推廣(蘇存堂，2007)，20世紀(jì)80年代以后日本利用地表水、城市生活廢水和工業(yè)廢水的水源熱泵系統(tǒng)向建筑物集中供熱或制冷(鄧麗娟，2012)，目前應(yīng)用較多的是海水源熱泵系統(tǒng)，2001年熱泵熱水器開始進(jìn)入日本家庭，政府對消費者給予一定補(bǔ)助，很受用戶歡迎。地源熱泵剛剛進(jìn)入俄羅斯市場，目前，仍未被接受，認(rèn)為是一種外來事物，不是傳統(tǒng)熱源的合理替代物，主要原因國內(nèi)的有機(jī)燃料充足價格低廉。

2.2 國外熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過50年的發(fā)展，北美和歐洲的熱泵技術(shù)已經(jīng)比較成熟，逐漸形成了一套完善的計算方法、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和施工工藝(Spitler，2005)，目前各理論、方法對生產(chǎn)實踐都發(fā)揮著重要作用。1912年瑞士zoelly首次提出利用土壤源作為熱泵系統(tǒng)低溫?zé)嵩吹母拍?，并申請了專利?948年higersoll和Plass根據(jù)Kdvin線源概念，提出了地埋管傳熱的線熱源理論，1950年用這種方法測量了土壤的導(dǎo)熱系數(shù)(Hooper et al.，1950)，目前大多數(shù)地源熱泵地埋管的設(shè)計皆以該理論為基礎(chǔ)。美國材料與實驗協(xié)會(American Society for Testing and Materials，1963，1992)1963 年、1992年先后對熱導(dǎo)率測試方法進(jìn)行了規(guī)范。1983年 Mogensen P.(Mogensen P.，1983)提出了關(guān)于現(xiàn)場地?zé)犴憫?yīng)測試的設(shè)想，1996年Eklof C(Eklof C，1996)等人基于Mogensen設(shè)想的基礎(chǔ)上研制出現(xiàn)場地?zé)犴憫?yīng)測試設(shè)備，并開始在瑞典各地方進(jìn)行地層導(dǎo)熱系數(shù)的測試，隨后美國(Austin et al.，1998)德國、加拿大、挪威、瑞典、法國、英國和日本也擁有了測試設(shè)備(王慶華，2009)。

3 國內(nèi)淺層地溫能開發(fā)利用概述

3.1 國內(nèi)開發(fā)利用現(xiàn)狀

我國淺層地溫能資源開發(fā)利用起步較晚，但近十年來利用地源熱泵技術(shù)為建筑物供暖(冷)的工程項目數(shù)量迅速增加，截至目前已躍居世界第二位。遼寧、北京是我國應(yīng)用地源熱泵技術(shù)進(jìn)行供暖(冷)較早且發(fā)展較快的地區(qū)，自1997年遼寧省遼陽市郵電局地源熱泵系統(tǒng)投入使用以來，截止2010年底，遼寧省已有8500×104m2的建筑使用地源熱泵供暖(冷)，2000年北京地區(qū)自空軍豐臺招待所水源熱泵系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)行以來，到2010年底，北京有2500×104m2的建筑利用地源熱泵系統(tǒng)供暖(冷)。除遼寧和北京之外，在河北、天津、山東、河南、內(nèi)蒙古等地區(qū)，總共將有幾十個城市均開始利用地源熱泵技術(shù)為建筑物供暖(冷)試點工作，應(yīng)用淺層地溫能資源進(jìn)行供暖和制冷的地源熱泵項目在我國已經(jīng)超過7000個，截止2010年底全國應(yīng)用總面積約2.1×108m2，項目多集中在華北和東北地區(qū)，其建筑物類型主要集中在辦公樓、賓館、醫(yī)院、商場、學(xué)校和住宅等。

3.2 國內(nèi)熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)淺層地溫能資源開發(fā)利用技術(shù)研究真正起步在20世紀(jì)80年代末到90年代。1989年青島建筑工程學(xué)院首先在國內(nèi)建立試驗平臺開始對地源熱泵系統(tǒng)的研究工作。1997年地源熱泵技術(shù)作為我國“十一五”科技攻關(guān)計劃從美國引進(jìn)以來，科技部、建設(shè)部等部委從國家層面對地源熱泵進(jìn)行扶持和引導(dǎo)，熱泵技術(shù)受到專業(yè)人員和管理部門的關(guān)注，科研人員發(fā)表大量文獻(xiàn)詳細(xì)的介紹了地源熱泵的構(gòu)成、工作原理及分類和研究狀況，指出了土壤源熱泵研究與開發(fā)中的關(guān)鍵問題，并預(yù)測了熱泵發(fā)展趨勢(李元旦等，2002;楊衛(wèi)波等，2003)。

進(jìn)入21世紀(jì)，熱泵技術(shù)得到高度重視，在應(yīng)用研究方面得到快速發(fā)展。隨著我國可再生能源應(yīng)用與節(jié)能減排的工作不斷加強(qiáng)，相繼頒布了《中華人民共和國可再生能源法》等法律以及配套政策，熱泵技術(shù)得到了國家和地方政府的高度重視。2005年，建設(shè)部推出了國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，與此同時，眾多科研工作者對不同回填介質(zhì)、不同水流速、不同連接方式和傳熱模型等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究(刁乃仁等，2004;劉冬生等，2004;曾和義等，2003;蘇天明等，2006)，為優(yōu)化地埋管換熱器提高淺層地溫能開發(fā)利用效率提供了多方位科學(xué)支撐。2004年山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所最早研制了一種手提箱大小的便攜式巖土熱物性測試儀器(李曉東等，2004)，2008年北京市地勘局研制成車載型淺層地溫能熱響應(yīng)測試儀，并在工程實踐中得到廣泛應(yīng)用。2006年“首屆中國地源熱泵技術(shù)城市級應(yīng)用高層論壇”在北京舉行，論壇圍繞著地源熱泵技術(shù)推廣應(yīng)用與未來的城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系，國內(nèi)外有關(guān)地源熱泵技術(shù)區(qū)域推廣應(yīng)用經(jīng)驗等幾大議題展開討論。2007年國土資源部首次召開了淺層地?zé)崮埽珖責(zé)?淺層地?zé)崮?開發(fā)利用現(xiàn)場經(jīng)驗交流會，會后出版了論文集。2008年衛(wèi)萬順主持出版了《北京淺層地溫能》、《淺層地溫能資源評價》等書籍，這是我國首次以淺層地溫能資源為書名和主題的專著。2009年建設(shè)部修訂版《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》正式發(fā)布實施，將地下工況納入到地源熱泵實施細(xì)則里面。2010年中國地質(zhì)調(diào)查局制定了《淺層地溫能資源評價規(guī)范》，對淺層地溫能資源的區(qū)域性勘查評價和工程場地勘查評價作出具體要求，這兩個規(guī)范的出臺為高效利用淺層地溫能資源和科學(xué)管理熱泵系統(tǒng)提供了堅實的保證。

4 淺層地溫能資源開發(fā)利用中的關(guān)鍵問題研究

地源熱泵系統(tǒng)作為一項新興技術(shù)在歐洲和北美等國家已經(jīng)進(jìn)入實用階段，在實驗的基礎(chǔ)上提出了各種傳熱模型理論，主要應(yīng)用于鄉(xiāng)村無其它能源供應(yīng)的獨立別墅區(qū);雖然我國起步較晚，在短短十幾年內(nèi)工程數(shù)量已躍居世界前列，但在技術(shù)研究上與國外還有一定差距，為促進(jìn)淺層地溫能資源高效合理開發(fā)利用，應(yīng)盡快加強(qiáng)以下研究工作。

4.1 淺層地溫能資源調(diào)查評價

雖然淺層地溫能資源具有分布廣泛、儲量巨大、埋藏較淺、可就近開發(fā)利用等特點，但開發(fā)方式、系統(tǒng)設(shè)計、利用效果則受當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、水文地質(zhì)、氣象、氣候等條件制約，表現(xiàn)在不同地理位置，巖土體熱物理性質(zhì)各不相同，導(dǎo)致?lián)Q熱效率相差懸殊，導(dǎo)致一些工程節(jié)能效果不顯著。因此，應(yīng)按照《淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)勘查規(guī)范》盡快統(tǒng)一開展淺層地溫能資源調(diào)查評價工作，圈定適宜區(qū)，為今后可持續(xù)、高效合理利用淺層地溫能資源、編制專項規(guī)劃提供依據(jù)。

4.2 監(jiān)督管理和環(huán)境監(jiān)測

由于地源熱泵系統(tǒng)需要連續(xù)循環(huán)換熱，勢必改變原有溫度場、化學(xué)場和地下流場，另外，水源熱泵系統(tǒng)對地下水的氧化還原環(huán)境、地下水微生物的平衡和水質(zhì)都會造成一定的影響，因此有關(guān)部門應(yīng)強(qiáng)制要求在建設(shè)熱泵工程時設(shè)計監(jiān)測孔，對不同深度的地溫、地下水水位和水質(zhì)、地面標(biāo)高等項目實施長期監(jiān)測，及時掌握地溫變化動態(tài)、水土質(zhì)量和地面變形情況，防止產(chǎn)生地質(zhì)環(huán)境問題。

4.3 淺層地溫能開發(fā)利用效能實驗研究。

巖土體熱物理性質(zhì)是淺層地溫能資源量和熱泵運(yùn)行效率的關(guān)鍵因素，而巖土體又具有多孔性和隨機(jī)結(jié)構(gòu)等特點，表現(xiàn)在不同地質(zhì)單元乃至同一地質(zhì)單元上下游之間地層的熱物理參數(shù)也存在差距，可導(dǎo)致計算結(jié)果難以滿足實際工程使用，加之我國開發(fā)利用淺層地溫能資源呈區(qū)域化和規(guī)?；l(fā)展趨勢。因此應(yīng)加強(qiáng)對各種巖土體結(jié)構(gòu)、地層的熱物性參數(shù)、淺層地溫能成因機(jī)理以及換熱過程的實驗研究和模擬分析，建立相應(yīng)的傳熱模型，為地源熱泵工程設(shè)計提供正確可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)。

縱觀目前中職學(xué)校技能型人才培養(yǎng)模式的缺欠與不足，本研究力圖通過對中職學(xué)校技能型人才培養(yǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)存在的問題，究其原因，針對存在的問題提出對策，從中探索出適合中職學(xué)校技能型人才培養(yǎng)模式的有效途徑，為學(xué)生營造一個良好的技能型人才培養(yǎng)的條件與環(huán)境，以此達(dá)到中職學(xué)校為社會輸送較高素質(zhì)的技能型人才的目標(biāo)。

4.4 建立與國際水平相當(dāng)?shù)募夹g(shù)研發(fā)和培訓(xùn)基地

淺層地溫能資源開發(fā)利用在國家節(jié)能減排的政策支持下，資源開發(fā)利用迅猛發(fā)展，已躍居世界前列，相關(guān)科學(xué)研究也非常活躍，但與歐美國家相比，我國尚未有國家級淺層地溫能綜合利用實驗室進(jìn)行專門的巖土體熱物性、傳熱機(jī)制和監(jiān)測研究。

淺層地溫能資源作為新生事物，在可再生能源政策和節(jié)能減排工作中得到發(fā)展，為此，希望廣大同仁共同探討淺層地溫能資源開發(fā)利用中的問題，提高使用效率，以便使淺層地溫能資源在節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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