地温能

地温能源是相對於地熱資源而言的能源概念，二者均屬地熱能範疇，其區別在於：前者是對淺層低温（<25℃）地熱能的定義，後者是對深層高温（≥25℃）地熱能的定義。地熱能屬於《可再生能源法》規定的鼓勵開發利用的可再生能源之一，在我國能源發展戰略中居重要地位。地熱能的廣泛利用勢必降低對常規能源的依賴性，緩解我國常規能源嚴重不足的矛盾。 ^[2] 

從能量載體看，地温能源（淺層地能）藴藏在地下水、地表水、土壤岩石等地質環境之中，因此，開發利用地温能源是與地質環境保護直接關聯的生產活動，事關地球環境保護問題，必須給予高度的重視。自然而然地，無害利用、循環利用、可持續利用成為了地温能源利用必須堅持的三項基本原則，任何利用地温能源的相關技術、工藝、設備等都必須首先遵循這三項基本原則。

地温能源有四個突出特點：淺層、低温、恆温、可再生。鑑於目前的科技發展水平，特別是熱泵設備技術的成熟應用，地温能源的這些特點被主要利用於調節人居室內環境，即創造舒適性温度環境。在集成其它技術的基礎上，可以使人居室內環境達到全面舒適的效果。 ^[2] 

地温循環冷暖系統的主要技術形式是使用完全密閉的高強度管路系統並結合必要的設備將地質環境與人居室內環境聯通，讓地温能源循環利用起來，冬季採暖，夏季製冷，為人類創造舒適的居住與生活環境，徹底擺脱了對地下水的依賴，科學、環保、綜合地利用了各種載體中的地温能源，完美地實踐了地温能源利用的三項基本原則。

地温循環冷暖系統的應用對建築能耗遠高於發達國家的中國，特別是採暖空調能耗過高的地區具有十分重要的戰略意義，在很大程度上能夠替代燃煤、燃氣、燃油等常規採暖方式，節省能源消耗，降低污染物排放，改善大氣環境質量。 ^[2] 

淺層地温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和熱對流與太陽輻射共同作用的產物。為地表以下0 ～ 200m深度內温度與距離地表1.5m處不被陽光直接照射情況下( 百葉箱) 的温度之間存在常年温差而形成的能量，是兩個狀態不同的温度場之間存在的勢能，又稱作淺層地熱能，屬於地熱資源的一部分。 ^[3] 

淺層地温能具有可循環再生、清潔環保、分佈廣泛、儲量巨大、埋藏較淺、可就近開發利用等特點，作為化石能源的替代資源，可以減少污染物排放。

目前關於淺層地温能資源在認識上還存在諸多爭議，就目前來説主要有兩大學術派別，一種觀點是蓄能的觀點，非可再生能源，在項目設計和應用過程中必須考慮冷熱平衡。另一種觀點認為，該可再生低温能源是太陽能和深層地熱能綜合作用的結果。雖然目前對淺層地温能資源的認識尚未統一，但是利用這種資源為建築物進行供暖和製冷已開始盛行，自2004年以來，我國地源熱泵市場規模年增長率超過30%，遠高於同期世界20% ～ 22%的平均發展速度，目前已躍居世界第二位。

從節能、環保和可持續發展的角度看，淺層地温能已成為當前暖通界和地質系統共同關注的熱點問題之一。 ^[3] 

淺層地温能屬於可再生綠色能源，具有地質環境和地下水恢復速度快、對大氣無污染特性；能源利用率高，比傳統方式節能50%-75%；真正實現了供暖（冷）建築使用區域的零排放零污染；一套設備，冬季供暖，夏季製冷，並提供日常生活熱水，可實現一機三用功能，節約總體投資，佔地少等優勢。 ^[4] 

淺層地温能概念在國外文獻中尚未見到報道，但利用熱泵技術開發利用淺層地温能資源已有近百年的發展歷程。

1948年第一台地下水源熱泵系統在美國俄勒岡州波特蘭市聯邦大廈運行，該系統從設計開始就得到了廣泛的關注。系統在建成的10年左右內由於腐蝕和生鏽而失效以及當時能源價格低廉等因素，從而導致熱泵系統未能得到深入推廣。 ^[3] 

20世紀70年代末，由於世界石油危機，歐美等國家再次關注地源熱泵系統。如在美國能源部的支持下，俄克拉荷馬州立大學等研究機構對岩土體的熱物性、不同形式埋管換熱器的性能進行了深入研究，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用。

20世紀90年代以來，地源熱泵在北美和歐洲迅速普及。由於歐洲的中部和北部氣候寒冷，地源熱泵主要應用於採暖和提供生活用水。美國地下水源熱泵在1994、1995、1996、1997、2006、2007年的生產量分別為5924、8615、7603、9724、64000、50000台，基本呈直線上升趨勢，截止2009年美國在運行的地源熱泵系統約為100萬套，得益於美國地方政府出台了許多相應的措施鼓勵地源熱泵的發展。 ^[3] 

加拿大從1990到1996年家用的地源熱泵以每年20%增長。據估算，2004年加拿大的地源熱泵裝機機組為35000台，2005年為37000台，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、聯邦政府支持和各地方政府有針對性的補貼。

瑞典地源熱泵近5年來的發展速度是世界上最快的，在2000年地熱直接利用能量排名世界第10位，到2005年迅速躍居世界排名第2位，除此之外，德國、奧地利、芬蘭等國地源熱泵市場增加也很快。 ^[3] 

日本的一些市政建設項目和公益性建築( 如醫院、養老院、道路等) 曾利用地熱泵系統實現供暖、製冷、熱水供應、道路融雪等綜合性服務，效果十分明顯，由於地下水回灌、地面沉降、初投資成本較高等問題，地源熱泵系統的發展受到一定條件的約束，還沒有被完全推廣。20世紀80年代以後日本利用地表水、城市生活廢水和工業廢水的水源熱泵系統向建築物集中供熱或製冷，目前應用較多的是海水源熱泵系統，2001年熱泵熱水器開始進入日本家庭，政府對消費者給予一定補助，很受用户歡迎。

地源熱泵剛剛進入俄羅斯市場，目前，仍未被接受，認為是一種外來事物，不是傳統熱源的合理替代物，主要原因國內的有機燃料充足價格低廉。 ^[3] 

經過50年的發展，北美和歐洲的熱泵技術已經比較成熟，逐漸形成了一套完善的計算方法、標準規範和施工工藝，目前各理論、方法對生產實踐都發揮着重要作用。1912年瑞士zoelly首次提出利用土壤源作為熱泵系統低温熱源的概念，並申請了專利。1948年higersoll和Plass根據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熱係數，目前大多數地源熱泵地埋管的設計皆以該理論為基礎。

美國材料與實驗協會(American So-ciety for Testing and Materials，1963，1992)1963年、1992年先後對熱導率測試方法進行了規範。1983年Mogensen P．(Mogensen P．，1983) 提出了關於現場地熱響應測試的設想，1996年Eklof C(Eklof C，1996) 等人基於Mogensen設想的基礎上研製出現場地熱響應測試設備，並開始在瑞典各地方進行地層導熱係數的測試，隨後美國(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備。 ^[3] 

21世紀以來，熱泵技術不斷豐富完善，以信息技術為代表的新技術新方法被廣泛使用，目前正朝着定量化發展。

對淺層地温能資源開發利用最具有標誌性的地下換熱器設計分析軟件被世界各國廣泛使用，在使用上正朝着簡單化、快速化和交互式方向發展。 ^[3] 

如在瑞典有現場岩土熱物性參數測定和地温監測系統，有數學家幫助建立的地温場模型，每一個地源熱泵系統在建設前就進行了精確的計算和預測模擬。用實驗方法研究了地源熱泵垂直埋管性能和熱泵系統模擬與效能評價 (ArifHe Pbash，2004) ，提出了地源孔井熱交換器數值解法及改進有限線性源模型(Louis et al，2007) ，運用神經網絡和模糊理論研究了地源熱泵系統效率預測評價(Hikmct et al，2007)。

日本東京採用地質、水文地質以及岩土體的熱導率等條件利用地理信息系統進行數值模擬，編制地表及地下水熱泵系統潛力圖。 ^[3] 

我國淺層地温能資源開發利用起步較晚，但近十年來利用地源熱泵技術為建築物供暖(冷)的工程項目數量迅速增加，截至目前已躍居世界第二位。除遼寧和北京之外，在河北、天津、山東、河南、內蒙古等地區，總共將有幾十個城市均開始利用地源熱泵技術為建築物供暖( 冷) 試點工作，應用淺層地温能資源進行供暖和製冷的地源熱泵項目在我國已經超過7000個，截止2010年底全國應用總面積約2．1×108m²，項目多集中在華北和東北地區，其建築物類型主要集中在辦公樓、賓館、醫院、商場、學校和住宅等。 ^[3] 

國內淺層地温能資源開發利用技術研究真正起步在20世紀80年代末到90年代。1989年青島建築工程學院首先在國內建立試驗平台開始對地源熱泵系統的研究工作。1997年地源熱泵技術作為我國“十一五”科技攻關計劃從美國引進以來，科技部、建設部等部委從國家層面對地源熱泵進行扶持和引導，熱泵技術受到專業人員和管理部門的關注，科研人員發表大量文獻詳細的介紹了地源熱泵的構成、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中的關鍵問題，並預測了熱泵發展趨勢。 ^[3] 

進入21世紀，熱泵技術得到高度重視，在應用研究方面得到快速發展。隨着我國可再生能源應用與節能減排的工作不斷加強，相繼頒佈了《中華人民共和國可再生能源法》等法律以及配套政策，熱泵技術得到了國家和地方政府的高度重視。2005年，建設部推出了國家標準《地源熱泵系統工程技術規範》，與此同時，眾多科研工作者對不同回填介質、不同水流速、不同連接方式和傳熱模型等關鍵技術進行了深入研究，為優化地埋管換熱器提高淺層地温能開發利用效率提供了多方位科學支撐。2004年山東建築大學地源熱泵研究所最早研製了一種手提箱大小的便攜式岩土熱物性測試儀器，2008年北京市地勘局研製成車載型淺層地温能熱響應測試儀，並在工程實踐中得到廣泛應用。2006年“首屆中國地源熱泵技術城市級應用高層論壇”在北京舉行，論壇圍繞着地源熱泵技術推廣應用與未來的城市經濟發展關係，國內外有關地源熱泵技術區域推廣應用經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熱能－全國地熱( 淺層地熱能) 開發利用現場經驗交流會，會後出版了論文集2008年衞萬順主持出版了《北京淺層地温能》、《淺層地温能資源評價》等書籍，這是我國首次以淺層地温能資源為書名和主題的專著。2009年建設部修訂版《地源熱泵系統工程技術規範》正式發佈實施，將地下工況納入到地源熱泵實施細則裏面。2010年中國地質調查局制定了《淺層地温能資源評價規範》，對淺層地温能資源的區域性勘查評價和工程場地勘查評價作出具體要求，這兩個規範的出台為高效利用淺層地温能資源和科學管理熱泵系統提供了堅實的保證。 ^[3] 

地源熱泵系統作為一項新興技術在歐洲和北美等國家已經進入實用階段，在實驗的基礎上提出了各種傳熱模型理論，主要應用於鄉村無其它能源供應的獨立別墅區; 雖然我國起步較晚，在短短十幾年內工程數量已躍居世界前列，但在技術研究上與國外還有一定差距，為促進淺層地温能資源高效合理開發利用，應儘快加強以下研究工作。 ^[3] 

雖然淺層地温能資源具有分佈廣泛、儲量巨大、埋藏較淺、可就近開發利用等特點，但開發方式、系統設計、利用效果則受當地地質、水文地質、氣象、氣候等條件制約，表現在不同地理位置，岩土體熱物理性質各不相同，導致換熱效率相差懸殊，導致一些工程節能效果不顯著。

因此，應按照《淺層地熱能地質勘查規範》儘快統一開展淺層地温能資源調查評價工作，圈定適宜區，為今後可持續、高效合理利用淺層地温能資源、編制專項規劃提供依據。 ^[3] 

由於地源熱泵系統需要連續循環換熱，勢必改變原有温度場、化學場和地下流場，另外，水源熱泵系統對地下水的氧化還原環境、地下水微生物的平衡和水質都會造成一定的影響，因此有關部門應強制要求在建設熱泵工程時設計監測孔，對不同深度的地温、地下水水位和水質、地面標高等項目實施長期監測，及時掌握地温變化動態、水土質量和地面變形情況，防止產生地質環境問題。 ^[3] 

岩土體熱物理性質是淺層地温能資源量和熱泵運行效率的關鍵因素，而岩土體又具有多孔性和隨機結構等特點，表現在不同地質單元乃至同一地質單元上下游之間地層的熱物理參數也存在差距，可導致計算結果難以滿足實際工程使用，加之我國開發利用淺層地温能資源呈區域化和規模化發展趨勢。

因此應加強對各種岩土體結構、地層的熱物性參數、淺層地温能成因機理以及換熱過程的實驗研究和模擬分析，建立相應的傳熱模型，為地源熱泵工程設計提供正確可靠的技術數據。 ^[3] 

淺層地温能資源開發利用在國家節能減排的政策支持下，資源開發利用迅猛發展，已躍居世界前列，相關科學研究也非常活躍，但與歐美國家相比，我國尚未有國家級淺層地温能綜合利用實驗室進行專門的岩土體熱物性、傳熱機制和監測研究。 ^[3] 

淺層地温能是一種清潔能源。淺層地温能勘查中，在查明淺層地温能資源的基礎上,根據所選用的開採利用方案對淺層地温能利用工程設計、建設、運行的環境影響進行評價,應該評價和預測系統建設運行可能造成的環境正、負效應,為地質環境的管理提供科學依據。淺層地温能利用環境影響評價的範圍以能夠滿足保護地質環境的需要為原則，應依據淺層地温能利用系統的性質、工程規模、佈局、生產工藝並結合當地環境、地質條件等因素綜合分析確定。在評價範圍內地質環境現狀調查的基礎上，評價淺層地温能利用對大氣環境的影響;地下水換熱系統對淺層地下水的影響;排放流體中化學成分對地下水環境的影響，能否產生地面沉降、岩溶塌陷和地裂縫；土壤源換熱系統循環水泄漏對地下水質的影響，特別要評價淺層地温能開發對淺層地温場的影響。

在環境評價的基礎上,提出防止開發淺層地温能負面影響的措施。淺層地温能開發環境影響評價的工作程序包撬收集整理歷史資料，建立環境影響評價指標體系。設立觀測點，採集水質、水位及温度等系統資料。獲取環境影響評價參數，建立環境預測模型，校正模型進行淺層地温能利用環境影響評價。

大氣環境影響的評價應該對開發淺層地温能在減少大氣污染、清潔環境方面的環境效益做出評價。包括減少排放燃燒產物的估算，如二氧化硫的排放量、氮氧化物排放量、二氧化碳排放量、煤塵排放量等。按照目前國際通行的計算方法，燃燒1噸煤將產生22.7kg一氧化碳、3.67kg二氧化碳。另還產生約60kg的二氧化硫和約10kg的粉塵(總懸浮質)及11kg其它物質。可根據開發利用淺層地温能所替代的燃煤量,計算評價減少温室氣體的排放量。

地下水環境影響評價應依據淺層地温能系統運行過程中循環水質的變化，對地下水質量做出評價。應針對淺層地温能利用過程中能否產生地面沉降、岩溶塌陷和地裂縫等地質環境問題做出評價。按照在一個水文年內取熱地層保持地温平衡為原則，評價是否會產生熱污染或地温持續下降。地源熱泵工程不應影響當地的原有生態環境和相鄰地區淺層地熱開發。放射性污染評價可參照放射性保護規定進行。

地熱開發利用不能只考慮當前對能源的需求，人類賴以生存的生態系統對地熱能源有着基本的需求，可以稱做“生態基熱”。從目前的有限研究成果看,大地熱流低於57mw/mZ的區域,生態系統比較脆弱，如果人類再從這些區域以採暖的方式開發地熱的話，將可能要冒加劇當地生態退化的風險。但是將這種區域作為冷源開發製冷系統,將地表多餘的熱傳入地下,則有可能改善當地的生態環境。因此，開發地熱單純用於採暖的地區,應該是大地熱流高於57mw/mZ的區域,大地熱流低於57mw/mZ的地區則應保持供暖取熱和製冷存熱相均衡。 ^[5] 

在地源熱泵工程淺層地温能評價中應進行經濟評估。內容包括：投資、運行、收益和效益的預測與評價。

地源熱泵工程包括機房設備系統、室外換熱系統和室內空調末端系統三部分。其中：機房設備系統包括地源熱泵機組、電器自動控制裝置、循環泵組、全自動定壓儀、軟化水與補水系統裝置和機房附屬設備、管線、閥門等。室外換熱系統包括鑽孔、換熱管安裝和換熱地到機房地面聯絡管線等。室內空調末端系統包括室內管道、風道、風機盤管等。投資估算主要包括土建工程、泵房設備、鑽孔和前期論證費(設計費、監理費等)等。

運行費用包括維持系統正常運行所需的各項費用。其中主要是設施運行耗電費用,其它還包括維修費、大修費、人工費、管理費等。收人計算：根據建築面積計算出供暖與製冷面積。採暖費和供冷費按當地取費標淮計算,計算出每年應收取的總採暖費用和總製冷費用。效益評依根據工程項目初投資和運行費用，採用現金流量法計算出靜態和動態投資回收期。同時，還應計算出投資項目的財務內部收益率、財務淨現值與淨現值率等經濟性參數。全面評估工程項目的投資收益。效益對比：根據當地油、氣、煤等價格，分別估算燃氣鍋爐供暖、燃煤鍋爐供暖和燃油鍋爐供暖的初投資和年運行成本，並與地源熱泵工程供暖、製冷的總成本進行效益對比。 ^[5] 

地温的利用，關鍵在資源的轉換技術，其技術的突破可與蒸汽機的發明所帶來的社會和經濟效益類比。這項技術在中國長春的開發已結碩果，是我國利用新型能源資源和供暖製冷工程的重大飛躍，是新的經濟增長點，地温熱交換技術是可廣泛用於城鎮生活小區、辦公樓、寫字樓以及各種公共設施的採暖、製冷和熱供應。地温熱交換技術充分利用地殼表層可再生的可持續利用的地温資源，其特點是消耗能源少"佔地面積小"無污染，可以替代各種鍋爐供暖、燃氣供暖和耗電的中央空調。一是可供暖不產生因燃煤、燃油、燃氣造成的大氣和環境污染。

二是製冷可以減少城市高樓居民住宅高掛空調機，節省每家每户因製冷所花費的大量電費，民眾不必再為購置一台、二台、三台空調機而煩惱，而且還解決了因室內空調製冷對室外排暖所造成的城市鬧市區温度增高問題。廣泛應用地温熱交換技術可帶來巨大的經濟效益、社會效益和環境效益。 ^[6]