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浅层地温(热)能资源特性及评价方法对地源热泵工程的意义
来源:《热泵资讯》 日期:2012-05-24 点击:次

王秉忱1 田廷山2,3 赵继昌2,3 董颖2,3 王宏2,3 张玲3

(1.建设综合勘察研究设计院 北京 100007; 2.中国地质环境监测院 北京 100081;3.中国资源综合利用协会地温资源综合利用专业委员会 北京 100081)

摘 要: 浅层地温能是地球表层的一种低位能量,它的特点是单位体积所含能量较低,它来源于太阳能与深部热能的综合,它集中体现在大地的恒温带,及其相邻的地带。它的热物性参数值(导热系数、热传导率、比热容等)也较低,因此具有缓慢的可再生性、传热性和蓄热性。在一般情况下人们很少利用这种能量。由于地源热泵技术的应用,浅层地温能可以发挥它的潜能,作为一种资源进行开发利用。但是地源热泵系统的特点是希望在单位体积内,短时间提取大量的热能。这一特性与岩土层的天然热物性能存在较大的差距,这正是要求地源热泵系统在设计阶段保障冷热负荷平衡的原因。作为特殊条件下的一种地质资源,对它的评价要结合其利用方法和专业特点综合考虑。这些内容是目前任何专业都没有开展过的,具有较大的尝试性和探索性。同时,对水文地质学领域也是一个可以扩展的空间。

1.浅层地温能

浅层地温能是指在正常地质条件下,地下100m以浅的岩土层所存在的常温能量。它的来源与特征是地球本身的结构与特征所决定的。

1.1地球结构[1]

地球半径6378 km(赤道)~6357 km(极地),平均6371 km;

地球表层称为地壳厚度为0~33 km;

地球半径与地壳厚度之比(0.00627),鸡蛋半径与蛋壳之比(0.016),两者差2.5倍。

地壳对于地球本身的厚度是极其浅薄的;

通常地下深1km,其温度可达40℃;

上地幔厚度33~670km;2000-3500℃

下地幔厚度670~2800km

地外核厚度2800~4600km;3900℃

地内核厚度4600~6371km;温度4900℃

图1 地球的结构与温度场

1.2地温与地热的意义

从《geological glossary》[2]查到Geothermal means the heat come from entrails of the earth 即来自于地球内部的热量。从《英汉地质辞典》[3]中查到,Geothermal是地热的,地温的;都是出自于同一词。从《地球科学大辞典》[1]中查到,中文词汇中:“地温”有两种意义,既表示冷热程度,又表示过程。某种场合“地温”是单指地下温度的,Geotemperature。
我国对“地热”的定义是,地下温度在25℃以上的水流或岩土层称为地热流[4]。地温与地热在大部分场合可以互用,如地温梯度也称地热梯度等。地源热泵换热系统一般不超过300m,在这一深度地下温度正常环境中不超过25℃。在地源热泵技术应用方面,利用浅部岩土层能量时,应用“地温能”一词较为合适。国际地热协会定义为地下温度高于当地恒温带10℃的地下流体或岩土体就称为地热体[5];我国地域辽阔纵跨4个气候带[6],地下温度变化较大;

图2 我国气候带分区

根据多年的应用实践和目前地源热泵工程的需要;我国早期定义的地热概念应按照国际惯例进行修改。

1.3 地球的能量[1]

(1)地球内部能量

地温(热)能

地磁能;

地电能;

地应力能;

重力能;

(2)地球外部能

太阳能

风能

潮汐能

宇宙射线能

水能(地表水、地下水)

(3)各类物质化石能(煤、石油、天然气、水合物、生(植)物能)

1.4 浅层地温能特性

浅层地温能是客观存在的,它是由太阳能对地球表面辐射所保留的能量与深部地心热核反应向地表扩散的综合反映。在地下5~8m以上,地下温度随季节的变化,表现为太阳能的补充占主要地位。在8m~50m的岩土层中,地球深部热核反应释放的热量向地表释放,并逐渐降温,在这一深度这两方面的热量达到了平衡,并体现在地下恒温特点。它表明既不受地表的季节性温度影响,又不受深部地热源的影响,温度保持稳定,称为恒温带。该地带温度一般略高于当地多年平均气温1-2℃,如北京地区约为15℃,哈尔滨为4℃,广州22℃等[7]。

地球浅部的恒温带是两种能量的平衡地带。岩土层既有吸收和释放能量的功能,又有蓄能的特点。地温资源属地球的自身资源,浅层地温能资源丰富,分布广泛,温度稳定,具有一定的可再生性、地域性和储存性。浅部(小于100m)的地温资源,由于温度低(小于25℃)可直接开发利用能量有限,长期以来受到很大限制。

目前,利用不同深度的岩土层具有传热和蓄能的特性与热泵技术结合,将浅部的低品位地温能提高到高品位能量的特性,可为建筑物制冷或供暖。由于利用这种方法在经济、环保等方法具有明显的优势,节能减排效果明显,使得利用浅层地温能的热泵技术得到了广泛的推广和利用。
由于在正常浅层地温环境下,其岩土、地下水等的体积比热容较小,且热传输速度较低。这些特征与人们希望在较短的时间内,提取大量能量,或长期提取能量相比是不相称的。正因为两者有如此的差别,就需要地源热泵系统在设计和运行过程中,尽可能的注意和保持系统中的冷热负荷平衡,以克服岩土层在短时间内不能释放较多能量的缺陷。

1.5 与热泵系统的关系

在工程运行期间是否能完全达到平衡(或称作恢复到岩土层的初始温度),要对地下温度场的长期(至少一年)监测中,分析岩土层的吸收、释放和蓄能的规律。在此基础上,给出地源热泵系统最佳的运行方案。这是两大专业人员在今后较长的时间里所要共同努力的。

在北欧地区由于地源热泵系统的换热器布置在较宽敞的地带,且所提取的热量有限。在系统停止使用的时段里,大面积的浅层地温能可以补充其消耗的部分,以达到系统的长期稳定运行。因此,可以认为,浅层地温能的存在与缓慢释放的特点。它可以为小型地源热泵系统提供较充足的能源,对规模较大的地源热泵系统工程起到一定的补充和调节作用。

而对有充足的地表水(河、湖、海水、污水等流动水体)作为冷热交换源,有足够的低温能量及时供给热泵系统,对热泵系统年度内的冷热负荷的平衡要求就不是很高。

2.浅层地温能资源的评价

由于目前地质与暖通空调两大专业在地源热泵技术的应用方面的结合尚处在初期阶段,地质专业人员对热泵技术对地质条件的要求还不熟悉。对浅层地温能资源的评价与计算方法,在《浅层地温能勘查开发技术规程》征求意见稿中[8,9],仍以传统的地质学观点计算和评价浅层地温能资源。由于浅层地温能的特征所决定,单位面积的能量是十分有限的。如何结合地源热泵系统对地质条件要求,进行区域浅层地温能资源计算和评价是地质技术人员面对的新课题。比如,计算面积如何取值,在此计算面积中,有多少面积能为地源热泵系统提供热量。在一些建筑工程中,建造房屋的土地面积,实际的建筑设计容积率等都要考虑。

大地热流计算法:大地热流(也称为大地热流密度;Density of terrestrial heat flow rate)是指在单位时间内通过地球表面单位面积散失的热流量,一般用它来表示地球内部热能向地球表面散失的情况。热流密度q为一个向量,q=-k(αθ/αz);k为岩石热导率;αθ/αz为地温梯度;其单位为毫瓦/米2(mW/m2)可以说,大地热流散热即通过岩石的热传导作用是散热失地球表面散失的主要方式[1,10]。新生代以来的地带大地热流密度在60-80 mW/m2。它是传统地热地质学中研究不同深度岩土层的热能的一种基本方法。通过对大地岩土层热流计算可以了解各地区不同深度岩土层热流,从中发现一些地区大地热流值的异常,圈定地下热田的范围,分析其形成原因。尤其对深层地热田的分析与研究是比较成熟的,有效的,具有重要的实际意义。同时,这一方法也是对地下热能的基本评价方法。根据浅层地温能的特点,它的热量传递主要以传导和对流,或两者并存的形式。因此,对浅层地温能的如何评价,要不同于深层地热田的方法,是目前地热地质学中的新课题。

然而,在与地源热泵技术结合的过程中,却发现所计算的单位面积的热流量与地源热泵系统所需供热量将有千倍,甚至万倍的差距。在短时间内看来,大地热流量对地源热泵的热交换系统似乎意义不大。但由于地源热泵系统的换热系统所接触的地下面积之大,交换时间为间断式,这就为浅层地温能的缓慢补充提供了有利条件。因此,在考虑地源热泵系统的冷热负荷平衡的基础上,还要重视地温能量的持续补充。在这方面的技术也是两大专业的技术人员所共同面临的新课题,还需要认真协调与攻关开展研究。

热导率法:不是地下恒温带所蕴藏“浅层地热能”的热量或能量的单位。

热储法:所涉及的介质较多,计算重复,同时所计算出来的“资源量”有限,没有考虑不同地区的地源热泵工程应用特征因素。如在东北地区、华东和华南地区所需能量是不同的。同时未能考虑经过春、夏、秋三季6-8个月时间能否自然恢复到原始地温。

地下水水量折算法:所得的计算结果只是单体工程的单位时间热流量,并不是地下的浅层热
储存量。

水热均衡法:是传统的水文地质学中的地下水储藏量的计算方法。没有考虑水源热泵系统工程的特点,确定地区地下水中热能可能供给的水源热泵工程的规模。在实际工程和区域评估中,计算Dqw或DQ是极其困难的。

尽管存在诸多问题,但在这新兴领域中还是一种非常有意义的探索。它试图结合两大专业的特点,对其进行开拓性论证是值得肯定地。鉴于以上情况,“评价方法”可以邀请两大专业专家,根据地源热泵系统原理及应用实际,逐步完善其中的部分内容。

根据目前国内的地源热泵技术推广应用的情况及存在的问题[7],参照国外的工作经验[11],我们建议,以主要大中城市和重要经济发展区为重点,为提髙地源热泵系统建设的规范化与科学化,开展与两大专业结合较紧密的水文地质工程地质基础工作:

(1)在考虑最经济的条件下,开展“地源热泵技术适应性区划”工作。其中包括,开展岩土层的热物性参数调查、测试与分区;开展地下水的水量、水温、水质硬度的调查与分区;在此基础上,建立数据库。

深入研究地下环境的传热、蓄热、热质迁移规律,加强地下环境(岩土、地下水)与热传导耦合模型的研究与应用。

(2)科学认识、宣传与建设地源热泵系统,对地上建筑坚持必须强调保持全年释热量与取热量的基本平衡的设计原则。

(3)尽早研究与制定统一标准、规程与规范。制定基本参数的测试方法、操作规程、测试仪器、及设计方法,以指导地源热泵系统设计。

(4)制定统一的、科学的、严格的、切实可行的监测地温、水温、水量、水位、水质标准、规范与规程,加强在建的和已建成的地源热泵系统的地下环境监测工作。

(5)暖通空调与地质水文两个专业、两个行业、两个部门必须联合起来,相互沟通、及时协调,建议在学术上建立地源热泵系统学术年会制,在工作上建立地源热泵系统工程建设协调工作组。

我国地源热泵技术的应用尚处在初期阶段,有必要对一些各专业共同关注的问题开展广泛的讨论,尤其是地质学与暖通空调两大专业所密切关注的问题开展深入探讨,将积极地继续组织多学科专家推进相关工作,以求得统一认识,使得地热泵技术得以健康发展,为政府决策和企业发展提供必要的技术支撑。

参考文献:

1.《地球科学大辞典》编辑组. 地球科学大辞[S]. 北京.地质出版社.2005.1,149.

2.Margaret Gary, Robert McAfee Jr, and Carol L.Wolf. Geological Glossary[M]. merican Geological Institute. Washington, D.C.1973. 294.

3.《英汉地质辞典》编辑组.英汉地质辞典[S]. 北京.地质出版社. 1983. 404.

4.国家技术监督局.地热勘查技术规范(GB11615-89)[S]. 北京. 中国标准出版社.1989.

5.http://iga.igg.cnr.it/iga_pub.php

6.中国地图出版社.中国地图集[M]. 北京.中国地图出版社 1989

7.王秉忱,田廷山,赵继昌. 我国地温资源开发与地热泵技术应用及存在问题[M].地温资源与地源热泵技术应用论文集[M].北京.中国大地出版社。2007,1-9.

8.《浅层地温能勘查开发技术规程》征求意见稿[S]2006.

9.韩再生.浅层地温能评价方法[M]. 地温资源与地源热泵技术应用论文集.北京.中国大地出版社。2007,10-18.

10.黄尚瑶,胡素敏,马兰. 火山 温泉 地热能[M]. 北京.地质出版社. 1986.48.

11.Johnw.lund,geothermal heatpump utilization in the united states[J]. http//www.igshpa.org, 2005.

 
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