浅层地能(热)的开发与利用

浅层地能（热）的开发与利用

执笔人 程 韧

摘要 浅层地能（热）广泛存在于地下浅层（数百米以内）恒温带中的土壤和地下水里。它是低品位（<25℃）的可再生能源。有别于传统深层（<5km）地热能。它基本不受地域和气候的影响。其温度相对恒定，储量巨大，是不应被忽视的新能源。在建筑供暖（冷）用新能源中是最为现实、最有前途的能源。本文重要介绍开发利用这种能源的价值，国内外的发展状况及开发利用中应注意的一些问题。

一、浅层地能（热）是新能源大家族中最为现实的能源

（一） 何谓浅层地能（热）

——在太阳能照射和地心热产生的大地热流的综合作用下，存在在地壳下近表层数百米内的恒温带中的土壤、砂岩和地下水里的低温地热能。

浅层地能（热）不是传统概念的深层地热，是地热可再生能源家族中的新成员，它不属于地心热的范畴，是太阳能的另一种表现形式，广泛的存在于大地表层中。它既可恢复又可再生是取之不尽用之不竭的低温能源。以往，这种低温能源，因品位不高（通常温度﹤25℃），往往被人们所忽视。随着制冷技术及设备的进步和完善，成熟的热泵技术使浅层地能（热）的采集、提升和利用成为现实。

随着社会的进步、物质生活水平的提高，人们对居住环境和质量的要求也随之提高。人们对居住环境的供暖、制冷和生活热水的需求也更加迫切。我国建筑用能占全社会能源需求的比例，已由原来的1/6增长为1/4，其中，建筑物冬季供暖、夏季制冷、生活热水的能耗需求，占有相当大的比例。以往，这种能源主要来自于矿物质燃料（煤、油、气）的燃烧。1000多度的高温烟气加热70～80℃的低温水实现供暖（冷）的低温要求，排烟的温度竟达200℃以上，这不仅仅是能源利用的浪费和不合理，且严重地污染周围的环境，加大了政府环境治理的难度。热泵系统采集浅层低温地能（热），并略加以提升后，满足供暖（冷）的需求，同时实现供暖（冷）区域的零污染排放。这不仅利用了大自然的低品位可再生能源，大幅度节约高品位传统的建筑用能，同时真正实现供暖（冷）而无污染的绿色居住环境。在某种意义上讲，这是一种暖通行业能源利用的一场革命、变革。国内外专家认定为：采集大自然低温可再生能特别是浅层地能（热）是21世纪取代传统供暖（冷）方式最为现实最有前途的技术措施。

浅层低温地能广泛存在于大地近表层的恒温带中，其温度水平略高于当地年平均气候温度，在不同地域、不同气候条件下，恒温带中的温度变化不大，相对稳定，所谓低温就是它低于传统地热温泉温度的下限（25℃）。地球南北、春夏秋冬它的温度水平一般在10℃～25℃范围内。

除大量存在的浅层低温地能外，大自然还赋予给我们其它的可利用的低温能源，如地表水（江、河、湖、海）、空气等。当然，他们的温度变化较大，往往受地域和季节气候的影响。城市污水、工业废水以及电厂冷却循环水也是可以利用的低温能源，应加以关注和利用。 总之，浅层地能（热）作为一种远有前景、近有实效的新能源，是一种可持续开发的能源，它的开发和利用在建筑供暖（冷）行业中具有举足轻重的作用。它拓展了地热能可采集的范围，实现了传统地热能的梯级利用，它的开发利用将引起国内外建筑供暖制冷行业用能的重大变革，应引起人们的高度重视。

（二）浅层地能（热）与传统地热能开发利用的比较

浅层地能（热）和传统深层地热能都是蕴藏在我们地球地壳之下，笼统的讲：可以说都是地热能，但各有其特点，人们开发利用它们的手段也各不相同。见表1。

表1 浅层地能（热）与深层地热能的比较

浅层地能（热） 传统深层地热能

相同点 1、蕴藏条件 地下土壤、岩石中 地下土壤、岩石中

2、资源性质 可更新资源 可更新资源

3、介质 土壤、砂石、地下水 地下水

4、作用 节能、环保、释放温室气体小

5、开发利用要求 钻井、回灌 钻井、回灌

不同点 1、能量来源 太阳能为主、地心热为辅 地心岩浆热

2、温度分布 10～25℃（一般小于25℃） 90～150℃（一般大于70℃）

3、蕴藏深度 几米～几十米～几百米 一般在千米以上（小于5千米）

4、存在地质条件 不限，地下水、土壤、砂石、岩石皆可。 三条件，缺一不可：

1、提供大量的天然热源；

2、有一个完好的导热差的盖层；

3、有含水渗透层可储存地热流体。

5、利用方式 间接换热 直接利用

6、钻井 浅井（一般100m以内） 深井（一般3000m左右）

7、风险 低 高

8、回灌 易 难

9、可再生速率 快 慢

10、对地下水影响 少 多

11、实际开发费 低 高

从周边的的温泉、火山，人们可以意识到地球内部是一个火热的世界，地球内部蕴藏的巨大的天然热能就是地热能。目前国际上所指的地热资源是仅以地壳浅层5km以内储存的天然热量14.2×1023KJ为依据（这里统计量不包括浅层地能（热）的能量），它大约是世界上油气资源所能提供能量的5万倍。 国际上按照地热资源的温度不同，通常把热储温度大于150℃者称为高温地热能，小于150℃而大于90℃者成为中温地热能，小于90℃者成为低温地热资源。地热温泉的下限温度定为25℃，也就是说，传统地热能把25℃以下温度的低温热能不列为其中。这样25℃作为浅层地能与传统地能的分界线。＜25℃的土壤砂岩地下水的热能属浅层地能（热）范畴。

我国地质学家对深层地热能作出了估计：

第一类地热资源（温泉水热区）全国水热区天然放热量达530万吨标煤。其中2200处温泉年释放热能1.0×1017J，相当于354万吨标煤热量。水热区可采热量可达0.5亿吨标煤值。

第二类地热资源是沉积盆地型的地热资源。全国10大中型盆地2000m深度内总热水量约为6.285×1013m3，热能为7.36×1021J，折合2500亿吨标煤。在现有的技术条件下可以经济开采的热水量为4.9×1011m3，折合18.5亿吨标煤，目前经济开采量不到1％。

第三类地热资源是干热岩、地压地热资源（地下1600m以下），我国尚未开展研究，一口深井（数千米）钻探费用将近1000万美元，美国1970年投巨资数亿美元开发，估算，全美干热岩体中总能量可达1000万×1018J，相当于1700×1012桶石油的耗量，它为全美已查明的石油储量的6万倍，估计，钻探可及深度6km内，全美干热岩体中至少有50万×1018J能量可利用，即相当于全美年能耗的6000倍。正因为如此，欧共体投3亿美元支持德、法、英开展第三类地热资源的研究。

目前，我国地热井约800眼，年开采热水量约1.5亿立方米，地热总装机容量2282MW，年采热约为10531GWh，居全球58个地热直接利用国家中的首位，其次是冰岛（装机1167MW，年产量7482GWh），虽然我国地热资源有限，与煤可探明储量数千亿吨相比，地热能比重不大，但远有前景，近有实效，意义重大，对局部地区甚至可以起到举足轻重的作用，地热能的应用仍在各种可再生能源中独占熬头。

热泵技术的成熟，为低温热能的利用创造了条件，它可以从大自然广泛存在的（以往常被人们忽视的）形形色色形式的低温资源吸取能量，并加以提升达到使用的程度。它很符合于建筑供暖（冷）和人们使用的生活热水的要求程度（冬季室温20℃左右，夏季27℃左右，生活热水45℃左右就可以了）。这方面是浅层地能（热）开发利用的重要方面。传统的深层地热直接利用后（供暖、洗浴、养殖……），回灌水的温度偏高，一般达到40℃左右，大大影响了地热能利用的经济性，不仅浪费，同时这么高的温度非同层回灌排入地下也破坏了地下水文地质环境。开发利用浅层地能（热）的热泵技术，作为深层地热利用的补充，为它开辟了一条回灌水温度梯级利用的新途径。既提高其经济性，又防止了对地下环境的破坏。（例如，天津市华馨小区地热供暖系统采用热泵梯级利用，尾水最低排放温度达10℃，利用温差80℃，充分的利用了地热资源，利用率由50%多提高到70%以上，增加供暖面积5.5万㎡）。

（三） 浅层地能（热）的能量资源

宇宙是在100～150亿年前，一次大碰撞中产生的。据科学测算，地球已形成45亿年了，地球表面凝结成地壳也有40亿年的历史。无数高度压缩的太空物质和内部放射性物质的衰变热加热了这个环绕太阳运动的岩团（地球）熔化了的铁镍往地球中心下沉，轻的物质上俘，最终形成了地壳、地幔和地核。

太阳比地球大100万倍，相距1.5亿km，地球围绕太阳运转时，所吸收的太阳能只占太阳能总输出量的20亿分之一，尽管如此，专家估算，一年内地球受太阳的辐射量平均为7.03×1021KJ/a，这相当于250万亿吨标煤热量。浅层地能（热）具有的能量是太阳能和大地热流综合作用的结果。但是主要来源是太阳能。太阳能发射至地球表面的能量是来自地球内部能量的5000倍（见图1）。太阳直射地球辐射量中有47％直达地球，大气层吸收19％和散射34％。加上大气层反辐射给地球的份额，地球获太阳能辐射份额可达60％。

图1 太阳辐射与大地热流

地心热年复一年的不停顿的从地壳表面上散失，地质专家在全球范围内监视其大地热流值。1990年以来，我国大地热流测点已达到681个，全国热流加权平均值为70.8mw/㎡，大地热流散逸至空间的能量一年全球可达1.4×1018KJ/a，此值相当于二十世纪七十年代以来煤、油、气总消费年量的3～4倍以上，或者说，每年流出地球表面的热能约为44×1012W，相当于全球电能消耗（1012W）的44倍。尽管如此，它仍然比太阳射至地球表面能量小5000倍。可见，浅层地能（热）的能量来源主要是靠太阳能。

如此巨大的热量释放靠地球内热来维持，它的能量主要来源于地心放射性元素衰变所释放的能量，地壳及上地幔顶部酸性岩层中放射性元素含量多，地球内部不同深度上的热源估计为：0～100KM占50％，100～200km占25％，200～300km占15％，300～400km占8％，＜400km占2％。

浅层地能（热）的能量主要来源于太阳能，这是因为太阳发射至地球表面的能量是来自地球内部能量的5000倍以上，它相当于全球煤、石油、天然气总耗量的近2万倍，（7.03×1024J/a），地下土壤和岩石是很差的热导体，一个100m厚的熔岩流要花300年才能从1000℃冷却到地表温度，一块厚400km的岩层板，热从一面传到另一面要用50亿年，比地球存在的时间还长，也就是说，45亿岁的地球仅靠导热来冷却，400km深度以下的热量就会至今尚未到达地表。原来还存在有对流传热和辐射传热，才使地幔顶部原来熔化的岩浆凝固程岩石圈（它在大陆下面厚约100～150km，海洋下面约60～70km），它的存在抵御外空陨石物质袭击，又阻隔内部能量的外泄，使地核反映在相对封闭的体系中，地心热传至地表经过地幔2885km厚的岩石层，需要350亿年以上。浅层地能（热）就存在于在太阳能和地心热的综合作用下，所形成的地下浅层数百米以内的恒温带中。

地质学家测定地温梯度表明，在近地表面的恒温带以下，深度每增加1km，由于地心热的作用，地下温度增加为25～30℃/km（全球平均值），可见恒温带以下的热能就不属于浅层地能了。正象人们从温泉、火山意识到深层地热能一样，从生活中的菜窖、空调、冰库等地下建筑人们可以意识到地下恒温带中的冬暖夏凉。恒温带的深度究竟有多深，各地域却有所不同。据地质专家测量，地表温度的变化可以热波的形式向地下发送。其振幅随深度衰减，昼夜温差的变化只能进入地下1m左右，季节温度变化进入地下约15m左右就衰竭。也就是说地下15m左右以下至数百米范围内皆属恒温带，一般超过地下千米后，发现受地芯热的影响，有温升。浅层地能（热）的资源目前尚无数据，缺乏这方面的研究。据美国专家Luna B.leopold等人的计算，地下800米以内水体积达417×104km3，其含水量大约是世界江、湖、水库和陆地咸水总量的17.5倍，而800米以下仍然存在同等数量的地下水源。