浅层地温专栏(1)

浅层地温（热）能专栏

为了使广大从事地源热泵技术应用的技术人员，其中包括暖通空调、工程设计和地质勘察等专业的人员了解浅层地温（热）能在地源热泵工程中的作用，我们开辟了这一专栏，介绍有关浅层地温（热）能方面的基本知识，并与感兴趣的人士探讨有关问题，欢迎广大读者参加讨论。本期首先介绍一些地质的基本知识：

地球结构

地球半径6378km（赤道）～6357km（极地），平均6371km；

地球表层称为地壳（岩石层），其厚度为0～35km；

通常地下深1km，其温度可达38-40℃；

上地幔厚度35～670km；2000-3500℃

下地幔厚度670～2800km；

上下地幔也称为覆盖层

地外核厚度2800～4600km；3900 ℃

地内核厚度4600～6371km；温度4900 ℃。

地壳

由岩石组成的固体外壳，它是地球的最外层。其底界为莫霍洛维奇不连续面（莫霍面），或称地幔。地壳厚度与地球半径之比为0.00627；可见，地壳对于地球本身的厚度是极其浅薄的，但它具有保护地球内部热量的功能。整个地壳平均厚度约17千米，大陆地壳厚度平均为35千米。高山、高原地区地壳更厚，如青藏高原（冈底斯山脉）最高可达70千米；平原、盆地地壳相对较薄。大洋地壳远薄于大陆，厚度约5至10千米。其温度随深度增加而升高，世界各地（或海底）的火山喷发、深大断裂的热流体以及地表温泉水的热能释放是地球释放热能的明显表现形式。同时，地球表面（陆地或海洋）也在向大气层不断释放热能。只是单位面积内，单位时间内所释放的热能较小，人们用感官察觉不到。可以说，地球是一个巨大的热能库，它的热能来源于其内部放射性物质的热核反应。根据地质学家的研究，目前，地球的年龄已经是46亿年了。根据它产生的热能和释放的状况，在正常情况下，地球还可以存在45多亿年。但，根据地球前期的发展趋势推测，其温度变化总的趋势是逐渐变冷（图1）。

图1 地球的结构

大地热流

指单位时间内从地球内部向地表单位面积散失的热量，热流量单位（Heat Flow Unit）常用单位是微卡/平方厘米·秒（μcal/cm2.sec），工程单位毫瓦/平方米（mW/m2）其两者的关系为1HFU=1μcal/cm2·sec=41.868mW/m2。在陆地上可以通过在钻孔中测量温度的垂直梯度和岩石导热率求取，即：q = -λ(d T/d Z);q—大地热流（mW/m2），λ—岩土导热率（μcal/c m2·sec），

T—温度（℃），Z—深度（cm）。热流与温度梯度（dT/dZ）成正比，负号表示热量流向温度减小的方向。大地热流值的测量与计算应该在恒温带内进行，以减少地表温度受季节变化的影响。

一般情况，地球内部热能向地球表面传递的方式有三种：热传导、热对流和热辐射。在地球表面所得到的总热流量是这三种热流量之和。

岩土导热系数或称热导率（λ）

岩土中沿热流传递方向单位长度（l）上温度降低1（℃），单位时间（τ）内通过单位面积（S）的热量（Q），即：λ = S·τ·Q/(Δi/Δl)[卡·厘米·秒·℃或kcal/m·h·℃]。岩土的导热率取决于其成分、结构、湿度（含水量）、温度以及压力等条件。多年了为计算大地热流值，世界主要从事地热研究的实验室对典型的岩土、矿物等进行了热导率的测量。试验表明，岩土中的矿物对热导率起主要控制作用。其中，石英的热导率最高，为17.0。由于花岗岩中含长石、黑云母、角闪石、辉石和石英矿物最多，其热导率在所有岩土中为最高。这也是以含砂量较高的土质作为固定地埋管换热器的回填料，以提高换热能力的原因。

岩土导热系数的倒数即为岩土的热阻系数或热阻率（ξ;m·h℃/kcal）。

表1 主要矿物的导热率

岩土热传导系数或传导率（a）

又称热扩散系数，是一个综合性参数，即岩土层中热能传播的速度。表示在非稳定热态下，岩土单位体积在单位时间内温度的变化（m2/h;或cm2/sec）。在分析钻孔内温度平衡的形成条件和用人工热场方法研究孔内温度场变化具有意义。其关系式：

a=λ/(C·ρ)= λ/C P =λ/(ξ·C P)，其中：a—岩土热传导系数；λ—岩土导热率；C—岩土比热（kcal/kg·℃）；ρ—岩土容重(kg/m3)；C P—岩土单位热容量（kcal/m·℃）；ξ—岩土热阻率。

岩土的导热率随着岩土的湿度（含水量）的增加而提高，随温度升高变化而略有降低。对层状岩土具有各向异性特征，导热率顺层理方向比垂直层理高。

我国各地区的地温梯度、大地热流值有由东到西，从高到低的总体变化趋势。如地温梯度，东部、中部及西部分别为30~40、24~26及18~27℃/km；大地热流值，东部为60~75mW/m2，中部为50~60mW/m2，西部为40~60 mW/m2。可见，东部高于西部，中部为过渡值。

浅层地温（热）能

浅层地温（热）是分布在整个地壳浅部的常温能量，根据地源热泵系统地埋管换热器通常设置的深度，人为设定为地下200m以浅的岩土层、地下水中所存在的能量。在这一地带，地下温度的变化形成具有三个不同特征的温度带：

变温带

又称变温层、外热带，主要受太阳辐射热影响的地带，影响深度为10-15m。在变温带内地温分布具有明显的日变化、年变化和多年变化。其温度变化幅度随深度而递减。日变化

深度为1~2m，年变化深度为13~15m。在多年冻土带冻土厚度可达700~800m，青藏高原冻土带约180m。

常温带

又称常温层、中性层，位于变温带之下（12~20m），其厚度不大，只有几米。这一地带由于太阳辐射热影响逐渐减弱，地球内部上升的热能与上部变温带传导下来的热能，在此带内达到平衡。其埋藏深度即为变温带的影响深度。常温带的温度受不同地区纬度、气候条件、岩土性质以及植被等影响而各异。如哈尔滨5~7℃，北京14~16℃，西安13~15℃，广州

20~22℃等，通常比当地年平均气温高2~2.5℃。

增温带

又称内热带，主要受地球内部热能影响地带，埋藏深度在恒温带以下（约15~20m以下），其温度随深度增加温度升高。一般情况，温度向地心方向递增，这里指在地壳（33km）范围内，其平均温度递增率为2~2.5℃/100m。但到达一定深度后增温速率减缓，否则按此次推导下去，到达地心要高达十几万度，这是不符合实际的。

图浅层岩土地温分布特征（河北省唐山地区北部）

作为地源热泵技术应用浅层地温（热）能，研究和利用的深度极为有限（200m），但它涉及到这三个带温度特征，因此，在开展地源热泵工程建设之前，首先要了解岩土层的原始温度，为系统设计提供地质基础资料。

增温带