淺層地溫能開發(fā)利用的環(huán)境效應

■ 劉 瀚/陳安國/周吉光/董巖峰/田國濤

（1.河北省國土資源利用規(guī)劃院，石家莊 050051；2.石家莊經(jīng)濟學院，河北 石家莊 050031）

1 概述

淺層地溫能是指蘊藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的一般低于25℃的熱能。從開發(fā)利用深度來看，考慮到淺層開發(fā)成本的經(jīng)濟性和施工的難易度，一般將淺層地溫能利用的深度定義為地下200m以內(nèi)。在以取熱為主的寒冷地區(qū)，開發(fā)利用深度可以增加到400m。

淺層地溫能是深層地熱能與太陽能共同作用的產(chǎn)物，也是地球外部熱源和內(nèi)部熱源共同作用的結果，是對傳統(tǒng)地熱能概念的進一步延伸。但與地熱資源相比較，淺層地溫能分布廣泛、埋藏淺，開發(fā)成本低，適宜大面積推廣。在第四系地層有一定厚度的地區(qū)，幾乎都可用采用不同的地源熱泵技術進行開發(fā)。

淺層地溫能開發(fā)利用的主要技術是地源熱泵技術，這是一種綠色、環(huán)保成熟的節(jié)能技術。利用地源熱泵技術開發(fā)利用淺層地溫能，來為城市建筑供熱、制冷，節(jié)能效果非常顯著。它比傳統(tǒng)空調(diào)（實際就是空氣源熱泵）節(jié)能40%，比電采暖節(jié)能70%，比燃氣爐效率提高45%以上，其運行費用是傳統(tǒng)中央空調(diào)的50%-60%。我國華北地區(qū)冬天供暖期長、夏季制冷期長，開發(fā)地源熱泵具有廣闊的市場空間和得天獨厚的資源條件，是增加能源供給、改善能源結構、提高環(huán)境質(zhì)量、建設生態(tài)文明的重要路徑。我國南方地區(qū)冬季取暖、夏季制冷的需求也很大，如果要象北方地區(qū)那樣發(fā)展燃煤供暖，不僅污染環(huán)境，而且成本太高，經(jīng)濟上難以承受。開發(fā)利用淺層地溫能，在解決夏季制冷問題時，連帶冬季取暖問題一起解決，實是南方地區(qū)很有前途的綠色技術。

但在看到淺層地溫能開發(fā)所帶來的方便、實用和良好的經(jīng)濟效益的同時，也必須對其可能產(chǎn)生的環(huán)境效應予以重視，盡量避免淺層地溫能開發(fā)對環(huán)境產(chǎn)生的負效應。

2 淺層地溫能開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境效應

淺層地溫能的開發(fā)利用主要有兩種方式，即地下水源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)，但最近數(shù)年使用再生水源的熱泵系統(tǒng)也增加很快。隨著使用淺層地溫能開發(fā)利用項目的迅猛增加和規(guī)模的不斷擴大，其對于地質(zhì)環(huán)境的影響也越來越受到人們的重視。不同的淺層地溫能開發(fā)利用方式產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境效應也不同。相對來講，再生水源熱泵的地質(zhì)環(huán)境負效應最小，可以忽略不計。地下水地源熱泵系統(tǒng)由于很多項目并沒有嚴格按照規(guī)范進行回灌，導致地下水位下降、地面沉降；有的地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果不顯著；有的系統(tǒng)可能會對水質(zhì)產(chǎn)生污染；地埋管式熱泵系統(tǒng)則可能引起地溫場變化等問題。

2.1 地下水回灌及其相關問題

地下水源熱泵系統(tǒng)的工作原理，是先抽取一定層位的地下水，通過冷凝器或蒸發(fā)器與熱泵系統(tǒng)進行熱交換。在夏季炎熱時，將地面的熱量注入抽取的地下水中，從而達到制冷效果；在冬季寒冷時，則取出抽取的地下水中的熱量，從而達到制熱效果。如果按照規(guī)范運行，抽取的地下水在換熱后將全部回灌回到同一含水層中，這樣就保持了地下含水層的穩(wěn)定性。

但在實際操作中，回灌有很高的技術要求，如果不是專業(yè)的技術隊伍，不掌握相應的核心技術，就可能會出現(xiàn)各種問題。比如，由于回灌井使用多年后，泥沙自然增加的緣故，可能會造成回灌井堵塞；有的回灌井則由于其地下水中含有易于沉淀的化學成分如碳酸鈣、碳酸鎂等，造成堵塞；有的回灌井可能是由于溫度和壓力的變化，引起水中一些成分的析出從而造成堵塞。因此，在使用過程中，基本上每年都要對回灌井進行清洗，如果不做清洗的話，就影響回灌井的正常使用。無論何種原因造成的，只要是回灌量小于采出量，都會造成水資源的浪費，尤其是地下水水位下降。

2.2 地面沉降與地下水漏斗

嚴格意義上的淺層地溫能開發(fā)是地下的能量提取或交換，地下水只是起到能量交換媒介的作用，地下水本身的質(zhì)和量并不發(fā)生明顯的變化，如果回灌措施到位，不會對地下水位造成任何影響，這里的前提就是提取或交換后的地下水必須全部或者大部分回灌到地下同一地層中。反之，如果地下水源熱泵抽取地下水后，地下水不能及時回灌，導致地下水位下降，則會造成一個區(qū)域性的負壓區(qū)，打破區(qū)域地下含水層上下的基本的壓力平衡。如果這種局面持續(xù)一段時間，就可能會出現(xiàn)地面沉降，甚至出現(xiàn)區(qū)域性的地下水漏斗。另一個不容忽視的因素是，在地下水源熱泵開發(fā)的地下層位，往往都是砂、礫石層廣泛分布的地區(qū)，砂、礫石層孔隙度大、地下水容易流通，具有穩(wěn)定的區(qū)域地下水流向。當這樣的地區(qū)長時間、高強度開采地下水而又得不到補充時，必將引起水位大幅度下降，形成地裂縫、地面沉降甚至區(qū)域性漏斗，造成嚴重的地質(zhì)環(huán)境災害。地面沉降、地下水漏斗等地質(zhì)災害可引發(fā)地面裂縫、建筑物傾斜與開裂等嚴重問題，直接影響到人民財產(chǎn)及生活安全。

2.3 地下區(qū)域性水質(zhì)污染

2.3.1 不同層位地下水混抽混灌造成污染

地下水源熱泵開發(fā)中一個重要的問題是，人們常常不重視地下水文地質(zhì)條件的勘查，沒有搞清地下水層位，就盲目上馬工程，結果造成抽水的含水層和回灌的含水層不是同一層位，這樣就可能造成一個含水層的水污染了另一個含水層的水質(zhì)。地下水在進入熱泵機組進行熱交換的過程中也可能會形成污染，一些油脂、潤滑油、管子中的化學成分都可能成為潛在的污染源。因此在設計水源熱泵開發(fā)利用方案時，就需要通過詳細的水文地質(zhì)工作，摸清地下水的水位和分層情況，抽水、回灌都要準確地把握各層地下水水位等因素，并在投入使用后進行長期監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)問題。

2.3.2 化學污染

地下水源熱泵抽取地下水的金屬井管可能會受到腐蝕，如細菌腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕、氧濃差腐蝕等。金屬管在腐蝕以后常會結垢，結垢和腐蝕是結伴而生的，腐蝕產(chǎn)生結垢，結垢加速腐蝕。特別是硫酸鹽還原菌和鐵細菌中的好氧菌的大量繁殖，會在井管內(nèi)產(chǎn)生大量硫化亞鐵和黃色的“銹瘤”。金屬井管的腐蝕和結垢問題，不但造成濾管堵塞，井管狹窄，引起水量逐漸減小和回灌困難，而且還會造成地下水水質(zhì)污染。

另一個可能造成地下水污染的因素是成井管材的破裂問題。在水源井施工中常采用的成井管材為水泥管和普通鋼管。水泥管井在強大外力作用下極易破碎，金屬管井比較容易出現(xiàn)腐蝕破裂。無論水泥管井還是金屬管井，只要出現(xiàn)破裂的情況，都應及時修補。否則，地表污染物和淺部已污染的水直接通過管材破裂處滲入下部含水層，會使中深層地下水快速被污染。

另外，許多空調(diào)廠家和施工單位并不了解當?shù)厮牡刭|(zhì)條件，也不愿意花錢費時費力去搞勘查，盲目增加單井出水量和回灌量，而且不采用粘土或水泥止水。后果就是人為地將地表和地下深部直接連通，從而造成深部地下水污染。

2.3.3 熱貫通引發(fā)地下熱污染

應用水源熱泵開發(fā)淺層地溫能，冬季取暖時，回灌水的溫度比地下水的溫度低；夏季制冷時，回灌水的溫度比地下水的溫度高，這個問題長期持續(xù)就會導致抽水井的出水溫度上升或降低，這種現(xiàn)象稱為熱貫通。當然，如果抽水井與回灌井井距較大，這個問題通常并不嚴重。如果抽水井與回灌井井距小的話，這種熱污染還是很嚴重的，有可能導致熱泵效率的大幅度下降。

水源熱泵系統(tǒng)是將地下空間作為一個儲能體。大地熱流、地表太陽能、地球內(nèi)部熱能的補充使地下巖體或水體具有一定的補償功能。通常巖體和水體具有較好的熱傳導擴散功能，回灌水帶來的熱量，會在地下空間迅速擴散。但如果抽取和排放的熱量超過其承受能力時，不能短時間內(nèi)擴散的話，就破壞了地下的自然熱平衡，使地下空間的熱調(diào)節(jié)功能失效，造成熱貫通，引起地下水和土壤的熱污染。夏季制冷時，地下巖體或水體長期吸收大量熱量，會造成土壤周圍溫度的升高；冬季取暖時，極低溫度的回灌水降低地下水及周邊巖土體的溫度。嚴重時，會直接影響熱泵系統(tǒng)的正常運行，甚至造成停機。同時，土壤溫度的持續(xù)變化不僅影響土壤中的微生物環(huán)境、植物的生存環(huán)境，而且還影響整個生態(tài)環(huán)境，如土壤溫度高于30℃時，植物的根系生長會受到抑制，引起植物早衰。

2.3.4 地溫場的變化

地埋管地源熱泵系統(tǒng)由于采用向地下埋管的閉式循環(huán)方式進行換熱，只要不出現(xiàn)管材破裂等情況，一般來說對地下水影響不大。通常地埋管需要較大的換熱溫差，需要較高的埋設密度，會對局部地溫場造成較大干擾。因此，對地溫場進行檢測就顯得很有必要。通常在土壤換熱孔內(nèi)不同深度的土壤中布置測溫元件，實時測得土壤層內(nèi)溫度的動態(tài)變化，更好地為優(yōu)化設計、計算資源量和評價環(huán)境影響提供可靠的實驗依據(jù)。

3 淺層地溫能開發(fā)利用的生態(tài)環(huán)境效應

3.1 有效緩解我國溫室氣體減排的壓力

全球氣候變化是當前國際社會普遍關注的重大全球環(huán)境問題，它主要是發(fā)達國家在其工業(yè)化過程中燃燒大量化石燃料排放的CO2等溫室氣體所造成的。觀測資料表明，在過去100年中，全球平均氣溫上升了0.3-0.6℃，全球海平面平均上升了10-25cm。如對溫室氣體不采取減排措施，在未來幾十年內(nèi)，全球平均氣溫每10年將可升高0.2℃，截止至2100年，全年球平均氣溫將升高1-3.5℃。這將給世界氣候與環(huán)境造成極其重大的影響，甚至上升的海水將吞沒大量良田和城鎮(zhèn)，直接影響人類的生存。

我國目前已經(jīng)進入工業(yè)化的中間階段，重化工業(yè)在經(jīng)濟中占比很大，溫室氣體排放已經(jīng)在全球排名中名列前茅，這給我國在京都議定書等溫室氣體排放的相關國際談判中帶來巨大的壓力，節(jié)能減排必將在我國今后相當長的時間內(nèi)成為極其重要的任務。

在經(jīng)過近20年的探索后，人類發(fā)現(xiàn)要想真正減緩和適應氣候變化，必須從根本上轉(zhuǎn)變對化石燃料的依賴，也就是要實現(xiàn)生產(chǎn)方式、消費方式以及全球資產(chǎn)（包括產(chǎn)業(yè)、技術、資金、資源等）配置與轉(zhuǎn)移方式全面向低碳轉(zhuǎn)型。低碳發(fā)展道路正是一條綜合的解決路徑，通過發(fā)展低碳經(jīng)濟和構建低碳社會，實現(xiàn)資源、技術、資金等要素的重新整合，為人類社會通過合作方式應對氣候變化提供新的機遇。中共“十八大”提出了建設生態(tài)文明、建設美麗中國的嚴肅課題，可以說，清潔能源、綠色能源是生態(tài)中國和美麗中國建設至為重要的一環(huán)，而其總的策略，也無非是節(jié)能和提高能效、發(fā)展可再生能源和清潔替代能源、投資新能源和清潔能源技術研發(fā)等方面，必須要改變過去那種過度依賴石油、煤炭等化石能源的狀況，通過一攬子綜合能源改革和轉(zhuǎn)型措施，以減少溫室氣體排放。

與傳統(tǒng)地熱相比，淺層地溫能不受地域局限，適用于世界大部分地區(qū)。我國地域遼闊，氣候分帶明顯，適宜大規(guī)模開發(fā)利用淺層地溫資源，這對于促進我國可再生能源事業(yè)的發(fā)展、緩解所面臨的能源壓力，實現(xiàn)向低碳經(jīng)濟社會的轉(zhuǎn)變具有重要的意義。淺層地溫能具有儲量大、分布廣、埋深淺、易開發(fā)等特點，是可再生新能源，在傳統(tǒng)能源資源緊張和全球氣候環(huán)境惡化的形勢下，大力開發(fā)利用淺層地溫能對全球低碳經(jīng)濟和節(jié)能減排具有重要的意義，通過節(jié)約供暖（或制冷）的成本，降低溫室氣體排放，有利于緩解全球氣候變化問題。

3.2 作為可再生能源和清潔能源，減少對生態(tài)環(huán)境的污染

化石能源的大量開發(fā)和利用，是造成大氣和其他類型環(huán)境污染與生態(tài)破壞的主要原因之一。如何在開發(fā)和使用能源的同時，保護好人類賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境，已經(jīng)成為一個全球性的重大問題。目前，世界各國都在紛紛采取提高能源效率和改善能源結構的措施，以解決這一與能源消費密切相關的重大環(huán)境問題。即所謂的能源效率革命和清潔能源革命，也就是我們通常所說的節(jié)約能源和發(fā)展清潔干凈的新能源和可再生能源。

淺層地溫能是一種清潔環(huán)保的可再生能源。在利用煤炭、天然氣等化石能源發(fā)電、取暖時，都不可避免地排放大量的CO2、SO2、氮氧化物、粉塵等廢棄物，對生態(tài)環(huán)境造成污染，引起溫室效應、酸雨、土地沙漠化等一系列問題。而在開發(fā)利用淺層地溫能時，借助熱泵技術，直接通過熱交換獲取地下熱能或?qū)崮軅魅氲叵拢ㄟ^消耗少量機械能或電能，就可以將這種5-25℃的低品位熱能，轉(zhuǎn)化為35-60℃的高品位熱能，不但可以滿足供暖（冷）的需求，直接實現(xiàn)節(jié)約電力消耗的目的，直接改善適用區(qū)域的大氣質(zhì)量。因此，大規(guī)模開發(fā)利用清潔無污染的淺層地溫能資源已是社會發(fā)展的必然趨勢。有關研究資料表明，開發(fā)淺層地溫能節(jié)能減排的效果非常明顯，每發(fā)展1000萬m2的地源熱泵技術，可以節(jié)約56萬噸標準煤，減排205.52萬噸CO2、75億噸煙氣、2.5萬噸顆粒物以及1.34萬噸SO2。

3.3 節(jié)能效應明顯，減少對自然資源及環(huán)境資源的消耗

節(jié)能就是在滿足相同需要的前提下，減少一次能源消耗量（主要指煤、石油和天然氣等），合理提高能源系統(tǒng)效率。巖土體、地下水的溫度略高于當?shù)仄骄鶜鉁?-5℃，比較恒定。冬季利用淺層地溫能資源為建筑物供暖時，溫度比環(huán)境溫度高，熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高；夏季制冷時，巖土體、地下水溫度比環(huán)境溫度低，冷卻效果提高。經(jīng)研究表明，淺層地溫能資源通過地下水熱泵的制冷、制熱系數(shù)可達4.0以上，利用熱泵技術開發(fā)淺層地溫能資源輸入1個單位的高品位電能能夠?qū)?個單位的低品位能量提升為可供人們利用的高品位能量，按此方法不計其他損耗計算，相當于提高了電能400%的利用率，從而極大地提高了一次能源的利用率，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，高出40%左右。另據(jù)測算，地源熱泵比電鍋爐節(jié)省2/3的電能，比燃料鍋爐節(jié)省1/2的能量，其運行費用僅為中央空調(diào)的50%-60%。淺層地溫能作為一種分布廣泛的可再生能源，能夠改善能源開發(fā)、生產(chǎn)、輸送、轉(zhuǎn)化和利用過程中的效率，減少能源使用中的碳排放，從而減少對能源等自然資源以及大氣等環(huán)境資源的消耗，具有可觀的發(fā)展前景。

4 認識

綜上所述，從微觀的角度來講，淺層地溫能的開發(fā)對地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境有一定的負面影響。如果技術措施到位，嚴格執(zhí)行技術標準和規(guī)范，這些負面影響可以避免甚至完全消除，但如果采取放任的態(tài)度，沒有有效的應對措施，還是會對地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的負面影響，這是我們必須予以注意的。從宏觀的角度來看，淺層地溫能分布面積廣、易開發(fā)、地源熱泵技術成熟，可以進行大面積開發(fā)，并且如果能夠大面積推開的話，可以成為一種極具前景的可再生能源和清潔能源，產(chǎn)生很大的節(jié)能效果，減少對生態(tài)環(huán)境的污染和損害，減少對自然資源和環(huán)境資源的消耗，最終有效緩解我國面臨的溫室氣體減排壓力。

不同的地源熱泵系統(tǒng)其所產(chǎn)生的環(huán)境負效應是不同的。地下水源熱泵其環(huán)境負效應最大，土壤源熱泵除了對地溫場有些許影響外，基本沒有什么環(huán)境影響。污水源熱泵、再生水源熱泵、中水熱泵、工廠循環(huán)水熱泵等環(huán)境正效應非常顯著，而負效應微乎其微。因此，政府在制定相關政策時，一定要考慮到其所具有的環(huán)境效應的差異性，對地下水源熱泵要采取一定的限制性措施，其方案設計和回灌措施等應經(jīng)過專家審查和政府審批程序，而對于土壤源、污水源、中水源等熱泵，則要對其開發(fā)利用活動采取鼓勵性措施，甚至可出臺一些優(yōu)惠政策。

應重視淺層地溫能開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作，逐步建立淺層地溫能地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)。新上淺層地溫能開發(fā)項目，都必須同步建立地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測體系。地下水源熱泵系統(tǒng)不同深度地溫、地下水水質(zhì)和水位、地面標高、巖土熱物理參數(shù)等進行長期監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)地溫場長期單向變化、地下水污染或水位下降等問題，要立即采取措施予以解決。對于地埋管式熱泵系統(tǒng)主要是監(jiān)測地溫場的變化情況。

應組織人力物力，盡快制定、編寫全套的地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)程或規(guī)范，作為地源熱泵系統(tǒng)工程實施的技術標準，通過標準的實施來限制淺層地溫能開發(fā)中可能產(chǎn)生的環(huán)境負效應。

[1]衛(wèi)萬順，李寧波，冉偉彥,等．淺層地熱能開發(fā)利用若干問題的思考[J]．資源導刊,2009(5):19-20.

[2]衛(wèi)萬順,李寧波,冉偉彥,等,淺層地溫能開發(fā)利用中的關鍵問題研究[J]．城市地質(zhì),2009(3):1-5.

[3]吳燁.河南省淺層地熱能開發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題[J].人民黃河,2012(4):61-62，65.

[4]衛(wèi)萬順.北京淺層地溫能資源[M].北京:大地出版社,2008.