浅层地温能资源的调查评价与开发利用

浅层地温能资源的调查评价与开发利用

摘要介绍浅层地温能的概念与利用原理和调查评价的主要内容，分析了广东省浅层地

温能开发利用潜力，并提出调查、区别和开发示范工作建议。

关键词浅层地温能地源热泵调查区划开发

开发利用浅层地温能资源，既符合国家节能减排的政策，也经济实惠。中北部的一些省市（如天津、北京、沈阳、成都等）正在开展浅层地温能资源开发利用。据最新调查，应用浅层地热能进行供暖和制冷的地源热泵项目在我国已经超过2 500个，建筑面积已超过1亿m2。而我们广东省无论是浅层地温能的调查评价还是地源热泵的开发利用均远远落后于全国其他省市。究其原因，除了政策的支持力度和引导不够外，人们对浅层地温能的认识存在偏差与不足也是制约浅层地温能资源开发利用的重要原因。

本文试图就浅层地温能的概念与利用原理、调查评价、开发利用，以及浅层地温能资源在广东省开发利用前景进行阐述和探讨，希望能抛砖引玉，为促进我省浅层地温能资源的开发利用有所帮助。

1 浅层地温能的概念与利用原理

1.1 概念

浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度（一般小于200 m）范围内岩土体、地下水和地表水中，具有开发利用价值的低于25℃的热能。也可以理解为：赋存于地表以下200 m岩土体和地下水中，因该范围内温度与地表气温存在常年温差而形成的能量，可以理解为一种势能或位能。正是由于这一温度差的存在，我们才能把它变成供暧、制冷的热冷源。

浅层地温能与传统地热能的区别在于温度、空间分布和利用方式等方面的不同。由于浅层地温能的温度大大低于传统地热的温度，所以不能直接利用，它需要热泵来提温（供暧）或降温（制冷），而传统地热能可以直接利用于供热或发电等，传统地热能只

本文2011年3月收到，4月改回。

分布于地热田中，而浅层地温能分布于广大地区。

1.2 利用原理

浅层地温能被利用的实质是冬、夏两季地层中比较恒定的温度与外界空气的温度存在较大的反向温差。地源热泵是利用地球表面的浅层地温能资源作为冷热源进行能量转换，从而为建筑物进行供暧和制冷的机械设备。

地源热泵系统的工作原理是利用水与地温能进行冷热交换，冬季把地温能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地温能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地温能为“冷源”。

热泵系统按照室外换热方式不同可分为三类：（1）地埋管地源热泵系统；（2）地下水地源热泵系统；（3）地表水地源热泵系统。

地埋管地源热泵系统是通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的换热（图1）。在冬季是通过埋在地下的封闭管道从大地收集自然界的热量，给室内供暖；在夏季，此运行程序则相反，地源热泵系统将从室内抽出的热量排入封闭管道而为大地所吸收，使房屋得到供冷。

图 1 地埋管地源热泵系统示意图地下水地源热泵系统是通过抽取及回灌地下水，让地下水在含水层中的自由流动实

现系统与大地之间的换热（图2）。在冬季是

通过抽取地下水从大地收集自然界的热量，给室内供暖，同时向地下回灌较低温的水；在夏季则是从室内抽出热量通过地下水而向大地排热，使房屋得到供冷，同时向地下回灌较高温的水，形成循环。该技术适用于

地下水源丰富的地区。

地表水地源热泵系统是直接抽取地表

图 2 地下水地源热泵系统示意图

水，让地表水在江河或湖泊中的自由流动

实现系统与大自然之间的换热（图3）。在冬季是通过抽取地表水收集自然界的热量，给室内供暖，同时排出较低温的水；在夏季则是从室内抽出热量通过地表水而向江河或湖泊排热，使房屋得到供冷，同时排出较高温的水。该技术适用于地表水源丰富的地区。

图 3 地表水地源热泵系统示意图

2 浅层地温能的调查评价

2.1 目的和任务

浅层地温能调查评价的目的是查明区域浅层地温能分布特点、赋存条件和地层热物理性参数、资源数量、质量以及分布规律，进行开发利用区划，为浅层地温能的可持续利用提供依据。主要的工作有：⑴调查浅层地温能开发利用的现状；⑵浅层地温能的分布特点和赋存条件的调查评价；⑶浅层地温能开发利用的适宜性分区；⑷浅层地温能资源潜力评价。

2.2 调查评价的主要内容

浅层地温能资源蕴藏于地下岩土体和地下水中，其储藏、运移和开发利用都受到区域地质、水文地质条件的制约。不同地区浅层地温能资源的利用方式因为其区域地质、水文地质条件的不同而存在较大的差异。如第四系岩性的组构、厚度、粒度、含水层厚度、富水性、水位埋深、补给条件等是影响制约浅层地温能资源开发利用的主要因素。

浅层地温能调查评价的主要内容包括以下几部分：

（1）地质勘查：查明地温场的分布规律、第四系岩性的组构、水文地质条件和岩土层的热物理参数等。

（2）适宜性分区：在地质勘查的基础上，应用多种分析法进行适宜性分区，按照不同的利用方式（如地埋管式、地下水式、地表水式）分别划分适宜区、较适宜区和不适宜性区。适宜性分区主要的考虑因素是：地温、松散层厚度、单位涌水量、回灌条件、含水层的累计厚度、岩土的导热性和地下水水质等。

（3）资源潜力评价：资源潜力评价的目的是对一个地区单位面积内的资源量进行评估。区域浅层地温能调查应计算评价浅层地温能的可开采量和地温能的储存量。

（4）环境影响评价与监测：浅层地温能资源的开发利用对周围环境的影响是关系到浅层地温能资源能否可持续发展的重要因素，所以对周围环境的监测与评价是必不可少的。

环境影响评价的内容是根据地源热泵系统的不同换热方式，对地下水和土壤中的热平衡、浅层地温场的变化及对生态环境可能造成的影响进行评估。评估主要分两个方面：一是对地质环境的影响评价，其中地下水式换热系统主要评价回灌水对地下水环境的影响，并对能否产生地面沉降、岩溶塌陷和地裂缝等地质环境问题进行评价；地埋管式换热系统主要评价开发过程中对地下空间利用的影响，评价循环介质泄漏对地下水质的影响；地表水式换热系统主要评价开发过程中对河流、湖泊、水库、海洋等地表水的影响，评价回水对水环境的影响，评价是否会产生地表水体内水生生物的生态环境问题。二是浅层地温的可恢复性与浅层地温场变化趋势评价，通过地源热泵系统的长期运行监测，评价浅层地温的可恢复性，估算浅层地温能可持续利用量，同时评价地温场的变化对换热区土壤和地下水中微生物的影响。

要正确评价浅层地温能开发利用对周围环境的影响，应建立浅层地温能监测网。对不同深度的地温、采温层的岩土质量、地下水水位和水质、地面标高等项目实施长期监测。

3 广东省开发利用浅层地温能资源之探讨

3.1 广东省浅层地温能开发利用潜力分析

广东省地下水资源丰富，蕴含丰富的低温地热能量。根据目前已初步查明的资料，广东地下淡水资源几乎分布于全省各地。根据1：50万广东省水文地质资料，全省参加资源计算的面积近20万km2，地下水天然资源储量每年近800亿m3，开采资源储量每年约105亿m3，且水质较为优良。全省远景开发区面积21 440 km2，其中可集中开采的水源地50多个（有多个大型、特大型水源地），总面积逾万平方公里。这些地下水资源较集中分布于雷琼自流盆地、北江、东江、西江、韩江、榕江、鉴江等流域冲积层，以及粤北地区、广花盆地、肇庆、阳春等石灰岩分布区。如果按照我省尚未开采的天然地下淡水储量来估算，则我省浅层地温能储量可达2.9×1019J，相当于10亿t标准煤的发热量，如果按10%的利用率也超过我省“十二五”末年能源消费总量的50%，即使每年利用1%的热资源量，也将对缓解能源紧张局面起到积极作用，而且浅层地温能是完全清洁无污染的，其潜在的经济和环境效益十分巨大。

广东省地下水资源具备良好的开发利用条件，原因是我省地下恒温带埋深浅，地下水位较高，岩土层含水量大且热传导性高。根据测温资料，我省地下恒温带埋深北浅南深，一般为20～30 m，各地恒温带地温基本恒定，与地下水水位关系较密切，温度一般20～25℃，地温梯度属地热增温正常区。广东省的主要三角洲平原和河流冲积盆地的地下水位埋深很浅，一般为5～10 m，部分地区小于2 m，非常有利于浅层地温能的开采利用。从理论上分析，我省富水岩土体的埋管换热效率应明显高于我国北方地区在干性土