浅层地热能的应用分析与探讨

浅层地热能的应用分析与探讨

李金峰周丽

（武汉商学院湖北武汉430056）

摘要：介绍了浅层地热能的资源分布及应用概况，目前主要的形式及应用，分析了应用的优点及意义，最后对于应用过程中存在的主要问题，给予了相应的解决方案。

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关键词 ：浅层地热能；建筑节能；消耗

中图分类号：TLU761.1文献标识码：Adoi：10.3969／j.issn.1665－2272.2015.16.043

0引言

浅层地热能是地热资源的一部分，它是指埋藏深度为地下200米以上的可再生的清洁能源，其温度略高于当地平均气温3～5℃，温度比较稳定，分布广泛，开发利用方便，具有十分广阔的开发利用前景。是巨大的“绿色能源宝库”，在当前经济条件下具备开发利用价值的地热能。

1资源分布及应用概况

浅层地能品位很低，一般只有摄氏几度到十几度，并且分布比较分散，利用电驱动的水源热泵（也称“地源热泵”）回收利用比较经济和方便。

在2005年5月，《可再生能源建筑应用的行动计划》制定，确定了在建筑中应用可再生能源的具体目标和实施计划。具体目标大体上是分“十一五”期间和“十二五”两个阶段，在十一五期间，到2010年形成替代常规能源的能力是2670万吨标准煤，其中太阳能替代常规能源是1600万吨标准煤，浅层地能替代常规能源是800万吨标准煤，地表水源替代常规能源是270万吨标准煤。主要目标分解（见表1）。

在以上所列的要在建筑中推广应用的三项可再生能源中，地表水源热泵都是指地温热泵技术也属于浅层地能的范畴，而太阳能的应用面积指的是太阳能热水器的应用面积，太阳能技术目前还无法为大面积的建筑解决供暖问题，所以浅层地能对可再生能源在建筑中的应用具有举足轻重的地位和意义。

根据上面的目标，到2020年，浅层地能在建筑中的应用至少要达到40亿m2，扣除已经应用的建筑面积约8.5亿m2，还需要推广至少35亿m2，平均每年约3.5亿m2，浅层地能的市场规模平均每年至少为50亿元左右，市场潜力十分巨大。

2主要形式及应用

对浅层地热能的利用，主要是借助于地源热泵技术，工作原理如下。浅层地热能在我国主要采用四种形式：地下水源热泵、地表水源热泵、海水源热泵及土壤源热泵（见图1）。

2.1地下水源热泵

地下水系统一般采用开环系统，即打一定数量的抽水井和回灌井。冷却水经热交换器向地下深井散热（冬季吸热），地下水从取水井中抽取进入热交换器吸热（冬季散热）后由回水井回灌到地下。地下水系统适用于地下水源丰富的地区。地下水的温度常年稳定，不受外界气温影响，所以热泵机组可以高效果运行（见图2）。

2.2地表水源热泵

建筑附近有河、湖、等地表水，可将闭环换热盘管放入河水、湖水中作为地源热泵的室外系统。夏季从热泵冷凝器吸热后的冷却水经密封的管道系统进入河或湖中，利用温度稳定的河水或海水散热。

冬季吸取河水或湖水的热量并将热量传递给热泵机组的蒸发器。这种方式可保证河水（湖水）的水质不受到任何影响，而且可以大大降低室外换热系统的施工费用。

2.3海水源热泵

海洋是一个巨大的可再生能源库，太阳辐射形成的热能全部储存在这个能源宝库中；海水源热泵将海水作为冷热源来制冷采暖与传统的冷热源相比有很多优势：节约能源消耗、保护环境；系统高效灵活；建筑空间利用率和美观性高；系统维护简单等。

2.4土壤源热泵

对于地表水和地下水源缺乏的地区，室外地能换热系统用地埋管系统。将换热盘管深埋于地下土壤中，循环水经水管壁面直接与土壤进行热交换。夏季循环水将制冷机组吸收的热量向土壤散热，冬季从土壤吸热并将热量经由热泵机组传递至室内。该系统也称土壤源热泵系统。由于埋管技术较为复杂，所需埋设的管道较长，总体造价较高，一般适合建筑面积较小时采用。土壤源热泵的埋管方式主要有三种，分别为水平埋管、垂直埋管和螺旋埋管（见图3）。

3优点及意义

3.1噪音低，免维护

目前市场上，有采用新型涡旋式压缩机开发出的涡旋式热泵机组，具有免维护、管理方便、操作简单等特点，不需要专人管理，适合没有专业制冷工的单位使用；由于其采用模块化设计，安装十分简单。

涡旋式压缩机具有效率高、体积小、质量轻、噪声低、寿命长、免维护、结构简单且运行平稳等优点，并且由于它允许吸入少量湿蒸气，所以特别适合于热泵的使用。涡旋式压缩机虽然优点很多，但其形线运动轨迹的机理比较复杂，加工难度比较大，数控机床技术的发展才使其能够得到大量应用，单机功率仍然较小。

3.2节能，为用户节省电费

现有地源热泵有采用模块化设计，每个建筑项目可以配有多个热泵模块，每个热泵模块又配有多台压缩机，使其可以更为灵活和精确地满足建筑不断变化的负荷需求。由于建筑在大部分时间的冷热负荷都远远低于高峰负荷和计算负荷，所以热泵的节能效果特别明显。1kW的电能可以产生4kW以上热能，供热能效比可达1：5，制冷能效比可达1：6以上。运行费是燃气锅炉的60%，是电锅炉的30%。

3.3寿命长

由于涡旋式压缩机震动和磨损都比较小，所以寿命更长，可达25年。另外，由于热泵的模块化设计，每个建筑项目多数时间只有30%－50%的压缩机在工作，所以涡旋热泵的实际运行寿命可达40－50年。

3.4减少用水量，水质适应性强

涡旋式压缩机和特殊设计的高效率的蒸发器和冷凝器使得地温热泵可以适应更低的水源温度，一台热泵机组利用后的水源还可以被另—台热泵机组重复利用，大大降低了用水量。地源热泵可直接利用井水、海水、污水、地表水等，换热器的特殊设计使热泵不再害怕砂子，可以解决利用污水和地表水的堵塞问题。

3.5节约投资

初装费低于传统热力公司入网费，投资减少。

3.6一机多用

—套设备和系统可取代供暖制冷两套设备，不需建热力管线、燃气管线，不需要冷却培。可提供冬季供暖、夏季制冷及常年生活用水，并广泛应用于石油化工等工业领域中。

4存在问题及解决办法

4.1地下水资源不能100%回灌

有的项目由于缺乏前期的水文地质情况勘测，施工当中又因为各种问题未能引起有关部门的关注和监管，造成目前水源热泵成为节能不节水的尴尬情况出现，致使含水层水位下降甚至地面沉降的情况出现。

解决方法：首先做好前期水文地质勘测工作，前期的地质勘测工作尤为重要。在初步接触项目时，通过对项目的考察，结合周边水源项目的使用情况做出初步判断，并咨询相关专业部门及公司，对水文情况做出相对准确的判断。在确定可行性后，由专业公司出具水资源论证报告；其次，要根据每个项目的不同水文地质情况确定回灌井数量及方案。

4.2地下水资源受到污染

水源热泵系统对于地下水资源的污染，主要和直接的问题是预防地下水在利用过程中遭到生物或化学污染。

解决方法：首先，地下水采用闭式系统，在井室、井内易遭到生物及氧气入侵的环节上进行密封处理，减少污染环节；其次完全按照相关国家规定，井水回灌到地下同一含水层，不会造成地下水体的交叉感染。

4.3土壤热平衡的保持

当热泵设备全年向土壤的总排热量及总热量大于25%，土壤的热平衡就会被打破，造成热泵设备的工况发生改变，系统运行费用增加。对于在北方及南方的不同地区，解决办法有所不同。

解决方法：在南方，夏季冷负荷较高，冬季热负荷很低。这时可以采用耦合式冷却水系统进行补偿，使冬季及夏季的取、排热量趋于平衡，达到最佳效果。

在北方，夏季冷负荷很低，冬季热负荷很高。这时需要进行反季节储能对地下水系统或竖直地埋管换热器系统进行储能。可以利用现有资源尽量多的进行储能的办法，使地下水温度逐渐下降的趋势得到有效缓解。

5结语

地源热泵技术的应用分布广、储量大，具有安全、环保和经济的优点，所以此技术在世界范围内能得到较快的发展，虽然目前存在一些问题，但是通过相应的解决方法是可以消除的。目前我国已具备了充足的发展条件，发展前景良好。

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参考文献

1王绍平.我国的建筑能耗状况.山西建筑，2007（35）

2于明志，方肇洪.现场测量深层岩土热物性方法［J］.工程热物理学报，2002（3）

（责任编辑要毅）