浅层地温能资源开发利用发展综述_栾英波

1 浅层地温能概念的提出
浅层地温能作为一种积蓄在地下（ 0 ～ 200m） 的 无形自然资源，是地球深部的热传导和热对流与太 阳辐射共同作用的产物。为地表以下 0 ～ 200m 深 度内温度与距离地表 1． 5m 处不被阳光直接照射情 况下（ 百叶箱） 的温度之间存在常年温差而形成的 能量，是两个状态不同的温度场之间存在的势能，又 称作浅层地热能，属于地热资源的一部分（ 韩再生 等，2007； 卫万顺等，2008，2010） 。浅层地温能具有 可循环再生、清洁环保、分布广泛、储量巨大、埋藏较 浅、可就近开发利用等特点，作为化石能源的替代资 源，可以减少污染物排放。
虽然目前对浅层地温能资源的认识尚未统一，但是 利用这种资源为建筑物进行供暖和制冷已开始盛 行，自 2004 年以来，我国地源热泵市场规模年增长 率超过 30% ，远高于同期世界 20% ～ 22% 的平均发 展速度，目 前 已 跃 居 世 界 第 二 位 （ 郑 克 棪，2012 ） 。 从节能、环保和可持续发展的角度看，浅层地温能已 成为当前暖通界和地质系统共同关注的热点问题之 一。
具规模，特别是浅层地温能的开发利用，已从 20 世纪 90 年代的起步阶段步入快速发展期，据不完全统 计，目前我国浅层地温能的服务面积已近 2 × 108 m2 ，成为建筑节能的主力军。本文对国内外浅层地温
能资源的开发利用现状进行了概括，特别是热泵技术，有助于了解和掌握浅层地温能开发利用的发展动
态，对开展浅层地温能资源评价和工程建设具有重要意义。
进入 21 世纪，热泵技术得到高度重视，在应用 研究方面得到快速发展。随着我国可再生能源应用 与节能减排 的 工 作 不 断 加 强，相 继 颁 布 了《中 华 人 民共和国可 再 生 能 源 法 》等 法 律 以 及 配 套 政 策，热 泵技术 得 到 了 国 家 和 地 方 政 府 的 高 度 重 视。2005 年，建设部推 出 了 国 家 标 准《地 源 热 泵 系 统 工 程 技 术规范》，与此同时，众多科研工作者对不同回填介 质、不同水流速、不同连接方式和传热模型等关键技 术进 行 了 深 入 研 究 （ 刁 乃 仁 等，2004； 刘 冬 生 等， 2004； 曾和义等，2003； 苏天明等，2006） ，为优化地 埋管换热器提高浅层地温能开发利用效率提供了多 方位科学支撑。2004 年山东建筑大学地源热泵研 究所最早研制了一种手提箱大小的便携式岩土热物 性测试仪器（ 李晓东等，2004） ，2008 年北京市地勘 局研制成车载型浅层地温能热响应测试仪，并在工 程实践中得到广泛应用。2006 年 “首届中国地源 热泵技术城 市 级 应 用 高 层 论 坛 ”在 北 京 举 行，论 坛 围绕着地源热泵技术推广应用与未来的城市经济发 展关系，国内外有关地源热泵技术区域推广应用经 验等几大议题展开讨论。2007 年国土资源部首次 召开了浅层地热能 － 全国地热（ 浅层地热能） 开发 利用现场经验交流会，会后出版了论文集。2008 年 卫万顺主持出版了《北京浅层地温能》、《浅层地温 能资源评价 》等 书 籍，这 是 我 国 首 次 以 浅 层 地 温 能
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地质与勘探
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al． ，1985） 。20 世纪 70 年代末，由于世界石油危机， 欧美等国家再次关注地源热泵系统。如在美国能源 部的支持下，俄克拉荷马州立大学等研究机构对岩 土体的热物性、不同形式埋管换热器的性能进行了 深入研究，解 决 了 腐 蚀 等 问 题，提 升 了 能 源 的 利 用 率，使得地下水源热泵逐渐得到广泛应用。
目前关于浅层地温能资源在认识上还存在诸多 争议，就目前来说主要有两大学术派别，一种观点是 蓄能的观点（ 王训昌，2007） ，非可再生能源，在项目 设计和应用过程中必须考虑冷热平衡。另一种观点 认为，该可再生低温能源是太阳能和深层地热能综 合作用的结果（ 韩再生等，2007； 卫万顺等，2008 ） 。
第2 期
栾英波等： 浅层地温能资源开发利用发展综述
宁和北京之外，在河北、天津、山东、河南、内蒙古等 地区，总共将有几十个城市均开始利用地源热泵技 术为建筑物供暖（ 冷） 试点工作，应用浅层地温能资 源进行供暖和制冷的地源热泵项目在我国已经超过 7000 个，截止 2010 年底全国应用总面积约 2． 1 × 108 m2 ，项目多集中在华北和东北地区，其建筑物类 型主要集中在办公楼、宾馆、医院、商场、学校和住宅 等。 3． 2 国内热泵技术发展现状
［关键词］可再生能源 浅层地温能 热泵技术
［中图分类号］TK617
［文献标识码］A ［文章编号］0495 －ຫໍສະໝຸດ Baidu5331（ 2013） 02 － 0379 － 5
Luan Ying-bo，Zheng Gui-sen，Wei Wan-shun． Review of the shallow geothermal energy resources development and utilization［J］． Geology and Exploration，2013，49（ 2） ： 0379 － 0383．
2 国外浅层地温能开发利用概述
2． 1 国外开发利用现状 浅层地温能概念在国外文献中尚未见到报道，
但利用热泵技术开发利用浅层地温能资源已有近百 年的发展历程。1948 年第一台地下水源热泵系统 在美国俄勒冈州 波 特 兰 市 联 邦 大 厦 运 行 （ Hatten， 1992） ，该 系 统 从 设 计 开 始 就 得 到 了 广 泛 的 关 注 （ Kroeker et al． ，1954） 。系统在建成的 10 年左右内 由于腐蚀和生锈而失效以及当时能源价格低廉等因 素，从而导致热泵系统未能得到深入推广 （ knipe et
20 世纪 90 年代以来，地源热泵在北美和欧洲 迅速普及。由于欧洲的中部和北部气候寒冷，地源 热泵主要应用于采暖和提供生活用水。美国地下水 源热泵在 1994、1995、1996、1997、2006、2007 年的生 产 量 分 别 为 5924、8615、7603、9724、64000、50000 台，基本呈直线上升趋势（ Peter Holihan，1998 ） ，截 止 2009 年美国在运行的地源热泵系统约为 100 万 套，得益于美国地方政府出台了许多相应的措施鼓 励地源热泵的发展 （ 徐伟，2012 ） 。加 拿 大 从 1990 到 1996 年家用的地源热泵以每年 20% 增长。据估 算，2004 年 加 拿 大 的 地 源 热 泵 装 机 机 组 为 35000 台，2005 年为 37000 台（ 刘卓栋，2010） ，2005 年以来 加拿大的地源热泵市场急剧增加，主要原因是能源 价格上升、联邦政府支持和各地方政府有针对性的 补贴。瑞典地源热泵近 5 年来的发展速度是世界上 最快的，在 2000 年地热直接利用能量排名世界第 10 位，到 2005 年迅速跃居世界排名第 2 位 （ 郑克 棪，2012） ，除此之外，德国、奥地利、芬兰等国地源 热泵市场增加也很快。日本的一些市政建设项目和 公益性建筑（ 如医院、养老院、道路等） 曾利用地热 泵系统实现供暖、制冷、热水供应、道路融雪等综合 性服务，效果十分明显（ Tamawski，2009） ，由于地下 水回灌、地面沉降、初投资成本较高等问题，地源热 泵系统的发展受到一定条件的约束，还没有被完全 推广（ 苏存堂，2007） ，20 世纪 80 年代以后日本利用 地表水、城市生活废水和工业废水的水源热泵系统 向建筑物集中供热或制冷 （ 邓丽娟，2012） ，目前应 用较多的是海水源热泵系统，2001 年热泵热水器开 始进入日本家庭，政府对消费者给予一定补助，很受 用户欢迎。地源热泵刚刚进入俄罗斯市场，目前，仍 未被接受，认为是一种外来事物，不是传统热源的合 理替代物，主要原因国内的有机燃料充足价格低廉。 2． 2 国外热泵技术发展现状
21 世纪以来，热泵技术不断丰富完善，以信息 技术为代表的新技术新方法被广泛使用，目前正朝 着定量化发展。对浅层地温能资源开发利用最具有 标志性的地下换热器设计分析软件被世界各国广泛 使用，在使用上正朝着简单化、快速化和交互式方向 发展。如在瑞典有现场岩土热物性参数测定和地温 监测系统，有数学家帮助建立的地温场模型，每一个 地源热泵系统在建设前就进行了精确的计算和预测 模拟（ 郑克棪，2012） 。用实验方法研究了地源热泵 垂直埋 管 性 能 和 热 泵 系 统 模 拟 与 效 能 评 价 （ Arif HePbash，2004） ，提出了地源孔井热交换器数值解 法及改进有限线性源模型（ Louis et al，2007） ，运用 神经网络和模糊理论研究了地源热泵系统效率预测 评价（ Hikmct et al，2007 ） 。日本东京采用地质、水 文地质以及岩土体的热导率等条件利用地理信息系 统进行数值模拟，编制地表及地下水热泵系统潜力 图（ 文烨，2011） 。
第 49 卷 第 2 期 2013 年 3 月
水文·工程·环境
地质与勘探
GEOLOGY AND EXPLORATION
Vol． 49 No． 2 March，2013
浅层地温能资源开发利用发展综述
栾英波1 ，郑桂森1 ，卫万顺1，2
（ 1． 北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195； 2． 中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心，北京 100195）
3 国内浅层地温能开发利用概述
3． 1 国内开发利用现状 我国浅层地温能资源开发利用起步较晚，但近
十年来利用地源热泵技术为建筑物供暖（ 冷） 的工 程项目数量迅速增加，截至目前已跃居世界第二位。 辽宁、北京是我国应用地源热泵技术进行供暖（ 冷） 较早且发展较快的地区，自 1997 年辽宁省辽阳市邮 电局地源热泵系统投入使用以来，截止 2010 年底， 辽宁省已有 8500 × 104 m2 的建筑使用地源热泵供暖 （ 冷） ，2000 年北京地区自空军丰台招待所水源热泵 系统投入商业运行以来，到 2010 年底，北京有 2500 × 104 m2 的建筑利用地源热泵系统供暖（ 冷） 。除辽
国内浅层地温能资源开发利用技术研究真正起 步在 20 世纪 80 年代末到 90 年代。1989 年青岛建 筑工程学院首先在国内建立试验平台开始对地源热 泵系统的研究工作。1997 年地源热泵技术作为我 国“十一五”科技攻关计划从美国引进以来，科 技 部、建设部等部委从国家层面对地源热泵进行扶持 和引导，热泵技术受到专业人员和管理部门的关注， 科研人员发表大量文献详细的介绍了地源热泵的构 成、工作原理及分类和研究状况，指出了土壤源热泵 研究与开发中的关键问题，并预测了热泵发展趋势 （ 李元旦等，2002； 杨卫波等，2003） 。
经过 50 年的发展，北美和欧洲的热泵技术已经 比较成熟，逐渐形成了一套完善的计算方法、标准规 范和施工工艺（ Spitler，2005） ，目前各理论、方法对 生产实践都发挥着重要作用。1912 年瑞士 zoelly 首 次提出利用土壤源作为热泵系统低温热源的概念，
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并申请了专利。1948 年 higersoll 和 Plass 根据 Kdvin 线源概念，提 出 了 地 埋 管 传 热 的 线 热 源 理 论，1950 年用这 种 方 法 测 量 了 土 壤 的 导 热 系 数 （ Hooper et al． ，1950） ，目前大多数地源热泵地埋管的设计皆以 该理论为基础。美国材料与实验协会（ American Society for Testing and Materials，1963，1992 ） 1963 年、 1992 年先后对热导率测试方法进行了规范。1983 年 Mogensen P． （ Mogensen P． ，1983） 提出了关于现 场地热响应测试的设想，1996 年 Eklof C （ Eklof C， 1996） 等人基于 Mogensen 设想的基础上研制出现场 地热响应测试设备，并开始在瑞典各地方进行地层 导热系数的测试，随后美国（ Austin et al． ，1998） 德 国、加拿大、挪威、瑞典、法国、英国和日本也拥有了 测试设备（ 王庆华，2009） 。
［收稿日期］2012 － 11 － 01； ［修订日期］2013 － 01 － 20； ［责任编辑］郝情情。 ［基金项目］北京市优秀人才培养资助计划（ 2010D00201100000） 和北京平原区浅层地温能资源地质勘查项目（ pxm2006 － 000 － 043289） 资
助。 ［第一作者］栾英波（ 1973 年） ，男，高级工程师，主要从事基础地质、城市地质、浅层地温资源研究。E － mail： lybdkch@ 126． com
［摘 要］能源是人类生存、经济可持续发展和社会文明进步的重要物质保证和必要推动力，是关
系国家经济命脉的重要战略物资。随着全球变暖、温室效应和能源紧缺等问题的日益严重，作为清洁可
再生的浅层地温能资源逐渐得到各国政府高度重视，到 2010 年已有 43 个国家开发利用这种资源。近
年来我国新能源和可再生能源得到了长足的发展，可再生能源利用的技术水平有了很大提高，产业已初