(國土資源部地質環境司)
1概述
地球內部是壹個巨大的熱源庫，蘊藏著巨大的熱能。淺層地熱能是地球熱能的重要組成部分，通常是指位於地表溫躍層之下，隱藏在地殼淺部巖石(土壤)中的低溫地熱資源，其熱能主要來源於地球深部的熱傳導。淺層地熱能的溫度比當地平均溫度略高3 ~ 5℃，相對穩定，分布廣泛，便於開發利用。具有非常廣闊的開發利用前景。淺層地熱能的利用主要是通過熱泵技術的換熱方式，將存在於地層中的低位熱源轉化為可利用的高位熱源，既能供熱又能供冷。目前，淺層地熱能的經濟開發利用深度壹般小於200m
熱泵技術的不斷完善和廣泛應用，為淺層地熱能的開發利用提供了條件。用於淺層地熱能開發利用的熱泵系統，統稱為“地源熱泵系統”，是以巖土、地下水(或地表水)為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統和建築內系統組成的供熱空調系統。它是壹種節能環保的空調系統。根據地熱能交換形式的不同，地源熱泵系統分為地源熱泵系統、地下水源熱泵系統和地表水源熱泵系統。
地源熱泵技術是壹種利用淺層地熱能取熱供暖、取冷制冷的高效節能空調技術。其工作原理是利用地下土壤或地下水相對穩定的室溫溫度，輸入少量高品位電能，利用建築物周圍埋設的管道系統或地下水與建築物內部進行熱交換，實現低品位熱能向高品位轉移的冷暖兩用空調系統。它由水循環系統、換熱器、地源熱泵機組和控制系統組成。冬季用土壤取熱代替鍋爐，用30 ~ 40℃左右的熱風給建築物供暖，夏季用土壤取熱代替普通空調，用10 ~ 17℃左右的冷風給建築物降溫。同時還可以供應生活熱水。
國內外大量實例表明，利用地源熱泵系統開發利用淺層地熱能為建築物供暖空調，具有取用方便、無汙染、運行費用低等特點。淺層地熱能是理想的“綠色能源”，熱泵技術是“綠色技術”。其主要特點是:
(1)資源可持續利用。淺層地熱能庫就像壹個巨大的熱能儲存裝置，利用熱泵系統對建築物進行供暖和空調，冬季從地層中取熱為建築物供暖，夏季從建築物中吸收熱量釋放到地層中儲存。這樣，冬季建築供暖所需的熱量就可以大體上與地球深部的熱量和夏季儲存的熱量相平衡，從而使淺層地熱能得以持續利用。
(2)高效節能。由於淺層地溫略高於當地平均溫度，相對恒定，冬季供暖時溫度高於環境溫度，因此熱泵循環蒸發溫度提高，能效比增加；夏季制冷時，溫度低於環境溫度，提高了制冷效果和機組效率。地源熱泵制冷制熱系數可達4.0以上。比傳統的空氣源熱泵高40%左右，運行費用僅為普通中央空調的50% ~ 60%。與電鍋爐、電熱膜加熱相比，可節約電能70%左右。
(3)無環境汙染。地源熱泵運行時，除少量電能外，只需要循環水或其他與地下巖土層(包括巖石、土層、縫隙中的水)進行熱交換的液體，基本不消耗水，不排放廢物，對周圍環境不造成任何汙染。
(4)運營成本低。維護量少，自動化程度高，運行費用壹般只相當於普通采暖空調費用的30% ~ 70%。
(5)壹機多用。壹套地源熱泵可以提供采暖、制冷和生活熱水，可以替代原有的鍋爐和空調系統，壹次性投資減少。
(6)節約土地資源。地源熱泵除主機和循環水泵外，沒有其他安裝設備。與鍋爐房相比，省去了水處理間、風機間、煙囪、煤場、渣土場，節約了土地資源。
(7)運行靈活，穩定可靠，使用壽命長:各機組可獨立運行，個別機組故障不會影響整個系統的運行。機組運行工況穩定，不受環境溫度變化的影響，冬季無需除霜。熱泵運動部件少，基本不需要維護，運行穩定可靠，使用壽命可達20年。
(8)自動化程度高:地源熱泵壹般采用全電腦控制，可根據外界負荷變化調整壓縮機工作臺數，並提供壓縮機超溫保護、斷水保護等多種保護措施，可實現無人值守運行。
(9)適用範圍廣:從寒冷地區到熱帶地區均可適用。
(10)易於管理。可以實現機組獨立裝表計費，方便整個系統的管理。
地源熱泵系統的應用受到當地水文地質條件的制約。該地區的水文地質條件決定了利用地源熱泵供暖空調的可能性及其利用方式。壹般來說，在地下水位不深、含水層較厚、滲透性強、易於回灌的地區，適宜采用以地下水為載體的地源熱泵；垂直埋管地源熱泵適用於地下水位淺、松散層厚度大、滲透性差、回灌困難的砂土分布地區。地源熱泵不適用於地下水位深、松散層厚度小、巖土層滲透性弱、無地下水開采的巖石地區。
2國際地源熱泵技術及淺層地熱能應用的發展趨勢
“熱泵”的概念由瑞士人於1912年提出，第壹個熱泵系統於1946年在美國俄勒岡州誕生。從65438到0974，瑞士、荷蘭和瑞典政府逐步資助建立示範項目。80年代後期，熱泵技術越來越成熟。在過去的10年中，約30個國家的熱泵平均增長率達到10%，因其減少二氧化碳而得到國際社會的廣泛認可。
目前，利用熱泵技術開發利用淺層地熱能的國家有美國、北歐、瑞典、瑞士和德國，大量安裝熱泵的國家有加拿大、奧地利、法國和荷蘭，開始重視和推廣應用的國家有中國、日本、俄羅斯、英國、挪威、丹麥、愛爾蘭、澳大利亞、波蘭、羅馬尼亞、土耳其、韓國、意大利、阿根廷、智利、伊朗等。
熱泵的快速增長主要在美國和歐洲。目前全球裝機容量可能接近10100MWt，年能源利用約59000TJ(16470GWh)，實際裝機約90萬臺。據不完全統計，地源熱泵裝機容量最大的國家是美國、瑞典、德國、瑞士、加拿大和澳大利亞(見
表1地源熱泵裝機容量最多的國家
在美國，每年安裝近5萬至6萬臺熱泵機組，超過600所學校安裝了熱泵系統用於供暖和制冷。在瑞士，由於高原氣候和冬季日照不足，水源熱泵系統以每年15%的速度快速增長。目前，瑞士有超過25萬個熱泵系統在運行，是世界上熱泵密度最大的國家。在英國，雖然地質條件非常復雜。但是熱泵技術也從壹個很小的開始發展到全英國。涉及的領域有:私人建築、房地產開發、公共設施等。目前，瑞典的地源熱泵安裝量基本占總需求負荷的60%，尤其是進入21世紀後，瑞典的熱泵安裝量增長更為迅速，僅2001年熱泵銷售額就超過了25000。雖然澳大利亞大部分地區位於熱帶，但引進的熱泵數量已經達到23000多臺。
地源熱泵在日本、韓國、美國、中歐和北歐得到廣泛應用。據1999統計，地源熱泵在住宅供暖裝置中的比例，瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥為27%。美國地源熱泵系統占1998新建建築的30%，並以10%的速度穩步增長。其中最著名的地源熱泵項目是肯塔基州路易斯維爾的濱水辦公樓，服務面積15.8×104 m2，每月節省2.5萬美元。隨著這項技術的應用和發展，對其組織的研究也迅速發展起來。根據相關資料，日本開發的高溫水地源熱泵，出水溫度為80 ~ 150℃，制熱系數COP高達8.0。
由於地源熱泵技術的成熟，有效地促進了淺層地熱能的廣泛利用。近年來，各國淺層地熱能開發利用的規模和速度都在迅速增加。從國外的發展趨勢來看，淺層地熱能(淺層巖土中所含的低溫能源)的開發利用將是地熱資源開發利用的主流和方向。
3中國淺層地熱能開發利用現狀
我國對熱泵的研究始於20世紀50年代。天津大學熱能研究所呂燦仁教授於1954年開展了我國熱泵的研究，並於1965年成功研制出我國第壹臺水冷式熱泵機組。但由於種種原因，發展緩慢，直到20世紀80年代末90年代初，相關領域的新壹輪研究才開始。自21世紀初以來，我國在熱泵模型模擬、試驗設備、能耗評估和系統材料研究等方面取得了壹批顯著成果。隨著傳統能源的短缺、人們對新能源和可再生能源發展的重視以及熱泵技術的成熟，熱泵技術和淺層低品位地熱能的開發利用得到了迅速發展。
我國政府非常重視熱泵技術和淺層地熱能的開發利用。1994 3月，國務院批準了中國21世紀議程下的可持續能源計劃。1997 11原國家科委與美國能源部在北京簽署《地熱能生產與應用合作協議》，中美兩國政府開始在可再生能源領域開展技術合作。1998 165438+10月，《中美政府合作推廣美國地源熱泵技術工作計劃》實施，確定北京紀可地源熱泵技術有限公司、上海鼎達能源有限公司、廣州新利達有限公司為中美政府地源熱泵合作項目的執行單位。根據此規劃，北京嘉和園國際公寓、寧波服裝廠房、廣州松田學院教學樓三個示範項目於132380㎡正式啟動，總建築面積132380㎡，其中北京嘉和園國際公寓規模最大，達到8.8萬㎡。2000年6月，中國科技部在北京主辦了“美國地-氣地源熱泵技術交流會”，進壹步推動了熱泵技術的應用。據統計，到2003年底，僅北京紀可公司壹家就建成了壹個億#的土氣項目。
北京是我國利用地源熱泵技術開發淺層地熱能為建築供暖和空調最早、發展最快的地區之壹。近年來，利用淺層地熱能為建築物供暖和空調的項目數量迅速增加。截至2004年底，北京已有200多個單位，總建築面積420萬平方米，利用淺層地熱能供暖或制冷。其建築類型包括普通住宅、寫字樓、高級酒店、學校、幼兒園、商場、醫院、養老院、檔案館、體育場、工廠、汙水站、景觀水池等。其中地下水地源熱泵系統最大單體工程建築面積為654.38+0.8萬m2，地源熱泵系統(又稱地源熱泵系統)最大單體工程建築面積達到了654.38+0.3萬m2。目前，華清地熱集團正在實施的地埋管地源熱泵系統單體項目“用友軟件園”將有20萬平方米的采暖空調面積。幾個有代表性的地源熱泵供暖空調工程見表2。
表2北京市代表性地源熱泵供暖空調工程簡介
天津也是國內最早將地源熱泵系統用於供暖空調的地區之壹。近年來，天津市開發區十八街海濱大道開發公司、天津地礦珠寶公司、天津市中心海河商業區古文街等地源熱泵系統供暖空調項目相繼立項。目前發展迅速。
河南、內蒙古、山東、廣東、安徽等地也開始了淺層地熱能開發利用的探索和試點。隨著我國能源結構政策的調整，傳統的以煤、電為主的鍋爐供熱和空氣源熱泵供冷方式將被更高效的以淺層地熱能為熱源(或供冷)的地源熱泵供熱(或供冷)方式所取代。隨著地源熱泵技術的逐步完善，淺層地熱能必將成為未來我國地熱能開發利用中最常見、最主要的能源。在我國的建築供熱(或制冷)中，淺層地熱能的比例將越來越高。
4主要問題
雖然地源熱泵技術及其淺層地熱能的開發利用在我國已經取得了顯著成效，但由於發展時間短，仍處於起步階段，地區發展很不平衡，存在的壹些問題日益顯現，需要我們認真研究和解決，否則將直接影響淺層地熱能資源的科學開發和可持續利用。主要問題是:
(1)社會認知程度低。目前，社會對淺層地熱能資源的認識還很低。人們對豐富的淺層地熱能資源及其特點和熱泵技術了解不多，甚至相當壹部分專業設計單位對此也缺乏了解，直接影響了淺層地熱能的廣泛應用。
(2)開發技術水平不高。適合我國特點、滿足不同要求的地源熱泵系列產品尚未形成，需要積極開發；地源熱泵供暖空調工程專業設計人員普遍缺乏，系統設計不匹配、保守的問題較為突出。土壤埋管傳熱計算理論不成熟，缺乏設計標準，工程質量難以保證，限制了其廣泛應用。
(3)開發利用項目與資源勘查評價脫節，存在壹定的盲目性。水文地質條件決定了淺層地熱能的開發利用方式和規模。但目前淺層地熱能的開發與勘查評價大多脫節，有的開發利用方案選擇沒有科學依據，開發規模與資源條件不匹配，存在盲目性，造成工程效益低，成功率低。因此，淺層地熱能的開發利用必須以水文地質勘探和評價為基礎，對淺層地熱能的可行性、適宜性和開發利用能力進行評價，因地制宜地制定開發利用方案，熱泵系統的類型(地源熱泵或地下水源熱泵等)。)應進行選擇，並確定埋管深度、密度等科學數據。
對於已開發利用淺層地熱能的項目和地區，大多沒有對其影響範圍內的環境地質體中的巖土溫度、地下水溫度及其水質進行監測，也沒有及時分析地熱能場的變化規律並進行環境影響評價，更不關心未來的變化趨勢。
(4)淺層地熱能開發利用技術標準和規範滯後。目前缺乏淺層地熱能勘查評價、淺層地熱能環境影響評價等技術規範，使得勘查評價工作缺乏標準，方法不統壹。工程設計缺乏系統的設計規範，大部分處於無標準可循的狀態。缺乏對開發單位的資質管理和所實施項目的必要論證程序。淺層地熱能供暖(或制冷)是壹項系統工程。地上暖通系統、地下資源勘探與評價、井位、埋管系統設計與施工等環節是壹個有機整體，各專業必須統壹設計與施工，協同工作。否則，淺層地熱能供熱(或制冷)工程會造成熱泵系統不匹配或匹配不良，成功率低的不良後果。
(5)相關技術研發滯後。由於我國淺層地熱能開發利用時間短，壹些配套技術措施和檢測設備跟不上。如深部巖土熱物性測試技術和儀器的研發、不同地區地下傳熱模型的模擬試驗研究、地下換熱器的傳熱強化、系統設計軟件的開發、地源熱泵模擬及最佳匹配參數的研究、高性能回填材料的研究等都亟待開展。
(6)缺乏必要的支持和激勵政策。淺層地熱能資源開發利用潛力巨大，且可再生無汙染，是任何化石燃料都無法替代的。但初期壹次性投入也較大，要實現經濟規模效益，需要各級政府在財稅政策上給予支持，否則全面推廣應用將受到限制。就全國而言，目前只有北京出臺了鼓勵政策，市財政將根據受益建築面積對使用熱泵技術供熱(冷)的人給予補貼。然而，在壹些地區，不僅沒有鼓勵政策，反而出臺了限制性政策。例如，不僅取用的地下源水要收費，回註到地下的源水也要再次收費，增加了企業的負擔，使企業利用淺層地熱能的節能環保效果在經濟效益上得不到體現，從而大大限制了熱泵技術和淺層地熱能的利用和發展。
5對策
淺層地熱能的開發利用在我國已逐漸興起，並且發展迅速。近年來，其在供暖(空調)方面的發展速度已經超過了傳統的地熱資源。隨著人們認識的提高和示範項目的推出，其開發利用將引起更多人的關註，越來越多的建築采暖空調工程將利用淺層地熱能資源。為了促進淺層地熱能資源的合理開發利用，必須采取以下對策。
(1)積極開展淺層地熱能資源勘查評價，制定開發利用總體發展規劃。淺層地熱能資源在地球表面廣泛分布是不爭的事實，具有廣闊的利用前景。但開發的方式、可能利用的量、長期利用後對環境的影響程度等都受到當地特定水文地質條件(地下水埋藏條件、地層結構、含水層滲透性、地下水水質等)的限制。).只有弄清這些條件，才能對淺層地熱能的利用方式做出正確的選擇。就壹個區域而言，可以對淺層地熱能適宜開發利用的區域、利用方式不同的地段、可能的利用規模、潛在的環境地質問題等做出合理的判斷。
部署開展區域淺層地熱能資源勘查評價工作。目前應從平原地區的重點城市入手，開展以1∶65438+萬規模精度為主體的勘查評價工作。在原有水文地質勘探成果的基礎上，補充了獲取巖土導熱系數、滲透系數等參數的必要勘探工作。勘探工作深度壹般控制在200米
在勘查評價的基礎上，編制淺層地熱能開發利用規劃，合理布局，確定適宜開發利用的區域，圈定不同利用方式(地下水和埋管)的地段，提出合理的開發利用規模、地質災害和環境地質問題的防治措施。
(2)推進示範工程建設，促進區域淺層地熱能資源開發利用。我國南北差異很大，地質條件復雜。淺層地熱能在壹個地區的成功應用受到該地區具體條件的限制，不能完全應用到其他地區。不同的利用體驗方式也有各自的特點和相應的利用模式。淺層地熱能在壹個地區的推廣應用，不僅要吸收壹般的經驗，更重要的是要結合本地區的具體情況，建立符合當地實際的示範工程，探索方法，總結經驗，推廣應用，促進面上的開發利用。
(3)依靠科技進步和創新，提高淺層地熱能應用的技術水平。淺層地熱能利用涉及資源勘探與評價、地下換熱、熱泵、建築供熱(冷)系統、自動控制等配套技術。，並涉及到多學科相互關聯和借鑒的應用技術，既需要自我完善，也需要相互協調合作。當前尤其需要加強地下換熱技術、適合我國特點和需求的地源熱泵產品的開發、產品的系列化和標準化、系統設計的優化和相關儀器的開發等。，以提升整體技術水平。
(4)出臺相關政策鼓勵淺層地熱能資源開發利用:淺層地熱能開發利用初期投資高，但運行管理成本低，且清潔、高效、節能。是壹種具有良好發展前景和可持續利用的清潔能源。政府應出臺相關政策法規，支持和鼓勵淺層地熱能資源的開發利用。地方各級政府可參照北京市政府的做法，按照已建供熱(或供冷)建築面積對供熱(或供冷)用地者給予財政補貼，支持和鼓勵熱泵技術的推廣應用，促進淺層地熱能的開發利用。建議中央財政安排部分可再生能源發展專項資金，支持和鼓勵示範區淺層地熱能的開發利用。
(5)制定相關技術標準和規範，規範淺層地熱能資源開發利用。5438年6月至2005年10月，建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布GB50366-2005《地源熱泵系統技術規範》，適用於以巖土、地下水、地表水為低溫熱源，以水或含防凍劑的水溶液為傳熱介質的采暖、空調或采暖生活熱水的系統工程設計、施工及驗收。它的發布和實施將有利於統壹淺層地熱能開發利用項目的設計質量。當前，迫切需要制定和頒布淺層地熱能勘查評價、淺層地熱能地質環境影響評價等技術規範和標準。，從而規範淺層地熱能資源勘查評價、地源熱泵埋管設計、地質環境影響評價等行為，提高淺層地熱能開發利用水平。
(6)開展淺層地熱能開發利用示範工程地下換熱系統動態監測。在已開發利用淺層地熱能的地區，選擇不同類型的典型地區開展地下熱交換系統動態監測，對地下場地水熱動態平衡進行長期監測和研究，積累數據，為淺層地熱能評價、地下熱交換系統工程優化設計、完善標準、保護資源環境提供依據。
(7)建立和完善淺層地熱能開發利用數據庫和信息系統:淺層地熱能開發利用地下換熱系統工程為永久性工程，部分地面建築已消失，地下換熱系統(埋管、水源井等。)會長期留在地下深處，對當地環境和子孫後代的生產生活活動產生潛在影響。為加強淺層地熱能開發利用管理和資源保護，應盡快建立全國和各省(區、市)淺層地熱能開發利用地下換熱工程數據庫和信息系統。