浅层地能主要来源

一、地热能（资源）与浅层地热能

人们对地热能的认识是逐步形成和完善的，原来人们把自然出露的温泉称之为地热，后来随着钻探技术水平的提高，将地热异常区及深部主要热储层（带）中储存的、可以开发利用的地热流体作为地热资源。

近年来，随着热泵技术在供暖、空调方面的推广应用，使广泛分布的浅层地热能有了利用的可能，并且比开发深部地热资源更具有广泛性。2006年，中国矿业联合会地热资源委员会宾德智教授提出：地热能（资源）主要包括变温层中的地温能、浅层地热能和地热异常区及深部地热资源。

（1）变温层中的地温能

该层地热能位于地面表层，深度一般小于30m，地热来自地球深部的热传导和太阳光的辐射，温度受年气温变化的影响，低于当地平均气温，可通过水热交换方式利用其部分地热（温）资源于供暖或空调——适宜地源热泵技术。

（2）浅层地热能

该层地热能位于恒温层以下至200m深度范围内，温度低于25℃，是在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地热能。地热主要来源于地球深部的热传导，储存于地下岩石裂隙和土层孔隙的水体中，可通过水－热交换方式利用其部分地热资源于供暖或空调——适宜水源热泵技术。

（3）地热异常区及深部地热资源

这种地热资源即分布于地热异常区的天然温泉及隐伏于地下深部（&gt；300m）热储中具有开采经济价值的地热资源。地热来自地球深部的热传导和热对流，储存于岩石裂隙和土层孔隙的水体中，温度随深度或靠近地热异常区增加，且大于25℃。可利用的地热资源目前主要限于深度小于4000m，通过钻井直接开采地下热水予以直接利用。

从宾德智教授关于地热能的划分可以看出，变温层中的地温能和浅层地热能具有埋藏浅、储量大、开采技术条件简单、可再生和环保等特点，具有很好的开发前景。但是，变温层中的地温能和浅层地热能概念与应用会产生不协调，例如，在实践中，人们更多的是利用变温层以下的地温能，而宾德智教授在定义中恰恰忽略了这一点。

2008年，北京市地质勘查开发局编著的《北京市浅层地温能资源》一书中认为：浅层地温能是蕴藏在地壳浅部变温层以下一定深度范围内（一般小于200m）岩土体和地下水中、受太阳辐射的程度较小、温度相对稳定（一般恒定在10～25℃之间）、在当前技术条件下具备开发利用价值的低温地热资源。这种观点基本上代表了近年来我国关于浅层地热能的研究水平。

2009年，国土资源部在我国研究浅层地热能现状的基础上，编制了我国地质行业标准《浅层地热能勘查评价规范（DZ/T0225—2009）》，该规范对浅层地热能进行定义：浅层地热能是指蕴藏在地表一定深度范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能。笔者认为，地表水中确实具有开发利用价值的热能，并且目前已有应用，但是，作为地质行业标准，与浅层地热能的内涵不符，并且在该规范的具体内容中并未涉及，因此，地表水作为浅层地热能有待进一步探讨。

考虑到目前我国应用现状和工作实际，笔者认为：浅层地热能是指通过地源热泵换热技术利用的蕴藏在地表以下200m深度范围内，温度低于25℃的岩土体和地下水中具有开发利用价值的热能。这也是本书研究的主要对象。

二、浅层地热能开发利用的主要特点及优势

1.资源的循环再生与可持续利用

浅层地热能的能量来源于地球内部的热能和太阳辐射能，这两种能源均为可再生资源。地球是一个巨大的太阳能收集点，它大约将47%的太阳能储存在地球浅表层，比人类每年利用能量的500倍还多，浅层地热能不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层并类似于一种无限的可再生能源，使得浅层地热能成为清洁的可再生能源的一种形式。

地温（水源）热泵是利用了地球表面浅层地热资源（深度通常小于200m）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。冬季从地层中取出热量给建筑物供暖，夏季吸收建筑物的热量释放到地层中储存，达到夏季传导热量和储存热量的动态平衡，从而实现浅层地热能的循环再生和可持续利用。地温（水源）热泵的推广将为城市浅层水资源的利用找到一个新途径。推广水源热泵中央空调，不仅符合国家的能源产业政策用水政策，而且也符合城市环保和节约用水政策。

2.浅层地热能储量巨大

据专家估算，我国岩土厚度按100m计算，其每年可采集的低温能量是我国目前发电装机容量4×108k W的3750倍。而百米内地下水每年可采集的低温能量达4×108kW。这为推广利用地源热泵系统或地埋管换热系统提供了能源保障。

3.与热泵技术结合紧密，节能效益显著

利用浅层地热能主要是利用和运用地源热泵系统或地埋管换热系统，通过输入少量的高品位电能，将岩土体和地下水中低位能变为高品位能量供末端用户使用，从而达到夏季制冷和冬季制热的目的。水源热泵的制冷制热系数可达到4.0以上，与传统的空气源热泵相比，高出40%左右，其运行费用仅为普通中央空调的50%～60%，与电热锅炉和地热膜供热相比，节约70%左右的电能，节能效益显著。据美国环境保护署EPA估计，设计安装良好的地温热泵中央空调与传统中央空调相比，平均要节能和节省运行费用30%～40%。

4.—机多用，应用范围广

地温（水源）热泵系统可用于供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的2套装置或系统，可节省一次性投资，并且安装容易。可广泛应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅区、住宅小区的集中供热制冷，以及其他商业和工业建筑空调，并可用于游泳池、冷库及室内种植和恒温养殖等行业上。

5.运行稳定可靠，使用寿命长

正是由于地层温度一年四季相对稳定，其温度的范围远远小于空气的波动，因而是很好的冷热源；同时由于温度的恒定性，使得系统运行更加可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。同时，由于地温（水源）热泵系统的供冷、供热的平稳性，降低了停机、开机的频率和空气过热和过冷的峰值。这种系统更容易适应供冷、供热负荷的分区，提高环境舒适度。

地温（水源）热泵机组由于工作情况稳定，所以可以设计简单系统，部件较省，机组运行简单可靠，使用寿命长，维护费用低；由于自动控制程度高，可降低管理费用。一套系统解决冷暖问题，可节省运行费用30%以上，技术可靠、维护方便。

6.减少污染，环境效益显著

地温（水源）热泵中央空调取消了锅炉，没有燃烧，减少了排烟以及燃料存放的污染，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量，可以极大地降低CO2的排放。

地温（水源）热泵中央空调系统所利用的地下水是密封循环的，避免了冷却塔的噪音和水污染现象，并基本实现了水的零消耗。此外，地温（水源）热泵机组结构特殊，使制冷剂泄漏几率大为减少，不会像分体空调那样安装时易产生泄漏，是目前减少CO2排放量最大的单项技术之一，环境效益非常显著。

利用浅层地热能具有可就近利用、无污染、运行成本低、便于物业管理和系统使用寿命长等特点，是理想的绿色环保能源，备受世界能源、环保组织和发达国家推崇，并被市场广泛接受，自20世纪80年代以来，年增长率一直保持在20%以上。

浅层地温能不是传统意义上的地热能。地热能是指地球内部的热能。地球热源分为外部热源和内部热源。地球外部热源主要包括太阳辐射热、潮汐摩擦热和其他外部热源，太阳辐射热控制着大气层、水圈、生物圈及岩石圈发生的各种生物、化学及其他作用，地球表面及近地表处的温度场，主要取决于太阳辐射热和内热的均衡；潮汐摩擦热又称潮汐摩擦能，它也是全球热源中的一种经常起作用的全球性能源，据M.托普扎尔（1960）估算，每年产生的热能量为5×1018cal。地球内部热源主要由放射性衰变热、地球转动热以及外成-生物作用释放的热能。放射性衰变热是地球内部岩石和矿物中具有足够丰度、生热率较高、半衰期与地球年龄相当的放射性元素衰变时产生的巨大能量，它构成了地球的主要热源；地球转动热是由于地球及其外壳物质密度的不均匀分布和地球自转时角速度的变化，引起岩层水平位移和挤压而产生的机械能，地球转动热在地球内部热源中居于次要地位；外成-生物作用产生的热量一般称化学反应热和化学能，是地球中经常起作用的热源。

地球内部生成和储存的巨大能量，是推动地球发展的内在动力。地球内部热源和外部热源的共同作用，形成了近地表现今热分布状态。

《地热资源地质勘查规范》（GB11615—89），地热资源是指在我国当前技术经济条件下，地壳内可供开发利用的地热能、地热流体及其有用组分。浅层地温能是以广义的地热资源概念为基础。人们所谓的地热主要从自然出露的温泉、地球的火山活动的现象中开始的，习惯上称储存于地下岩石和岩石孔隙裂隙中的天然热能，把储存于地下、具有一定质量（品级）和数量、可供开发利用的那部分热能称为地热资源。依据地热资源开发利用的发展变化，广义的地热资源包括：

（1）变温层中的地温资源：位于地下表层，深度一般小于30m（因地而异），地热来自地球深部的热传导和太阳光的辐射，温度受年气温变化的影响，低于当地年平均气温，可通过水热交换方式利用其部分低品位地热（温）资源用于供暖或空调。

（2）浅层地热资源：位于常温层之下、较经济的开采深度一般小于200m的低品位地热资源，地热主要来自地球深部的热传导，温度略高于当地年平均气温2℃～3℃，比较恒定，储存于地下岩石（土层）和岩石裂隙或土层孔隙的水体中，可通过水热交换方式利用其部分低品位地热资源用于供暖或空调。

（3）地热异常区及深部热储中的地热资源：即分布于地热异常区（一般为天然温泉出露区）及隐伏于地下深部热储中具有开采经济价值的高品位地热资源。地热来自地球深部的热传导和热对流，储存于地下岩石（土层）和岩石裂隙或土层孔隙的水体中，温度随深度或靠近地热异常区增加，且大于25℃，可利用的地热资源目前主要限于深度小于4000m的资源，通过钻井直接开采地下热水予以利用。

浅层地温能是存在于传统地热盖层中的低温传导热，传统地热是指热储层中品位较高可以直接利用的对流热。

尽管浅层地温能资源的应用现在已开辟了一个大好的局面，但对浅层地温能理论的研究仍存在很大的争议，就目前来说主要有两大学术派别。一种观点认为根据地球大气温度、地温全年恒定的事实可以从理论上证明，地球吸收太阳能最终仍旧以红外长波的形式全部辐射到宇宙；太阳能只影响岩土层的变温带，深度只有30m左右。0～200m地下岩土恒温层是地心热耗散流动过程中造成的温度场，在岩土层中提取的热量是其蓄热，而绝非是再生迅速、取之不竭、用之不尽的太阳能。所以叫浅层地温能是不实的。

另一种观点认为浅层地温能属于既可恢复又可再生是取之不尽用之不竭的低温能源，它是在太阳能照射和地心热产生的大地热流的综合作用下，存在于地下近表层数百米内的恒温带中的土壤、砂岩和地下水里的低温地热能。不是传统概念的深层地热，是地热可再生能源家族中的新成员，它不属于地心热的范畴，是太阳能的另一种表现形式，广泛地存在于大地表层中。

针对以上两种观点，作者认为浅层地温能是蕴藏在浅层岩土体和地下水中的低温地热资源。地热能的来源分为两个途径，一个是来自地球外部，在地表以下约15～20m的范围内，由于受太阳辐射的影响，其温度有着昼夜、年份、世纪、甚至更长的周期性变化，称之为“外热”；一个是来自地球内部，在地表以下，太阳辐射的影响逐渐减弱，在达到一定的深度时，这种影响基本消失，此时太阳辐射与地球内热之间的影响达到平衡状态，温度的年变化幅度接近于零，称之为“恒温带”。恒温带很薄，其厚度一般为10～20m，并随温度而异。恒温带在某种程度上反映地壳浅层地温场的状况，同时也是评价和预测地壳深部地温的基本参数。在恒温带以下，地温场完全由地球内热所控制，地温随深度的增加而增高，其热量的主要来源是地球内部的热能。该层称为“增温带”（图1-1）。

图1-1　变温带、恒温带和增温带的关系

从图1-1中可以看出，在中纬度地区变温带是指地壳的表层大约15m以上的部分，温度变化的幅度随着受太阳辐射的影响而呈现出明显的季节性变化特点，在冬季由于地表温度的降低，近地表的变温带温度呈正梯度，越靠近地表，温度越低；而在夏季，受太阳辐射的影响，浅部温度垂向上呈负梯度，越靠近地表，温度越高，热流向下传导。由于岩土体的热导率很小，太阳辐射的周期性，虽然太阳辐射的能量巨大，但是不能达到地壳的深部。在深度为30～100m的范围内，温度的变化为2℃，属正常增温。

从前面的论述中，我们可以看出浅层地温能是蕴藏在地壳浅部变温层以下一定深度范围内（一般小于200m）岩土体和地下水中、受太阳辐射的程度较小、温度相对稳定（一般恒定在10℃～25℃之间）、在当前技术条件下具备开发利用价值的低温地热资源。浅层地温能分布广泛，可迅速再生，循环利用。因此，不同地方，冬季、夏季，利用此相对恒定温度的低温热能可就地取材，比较方便。

陈建平

（北京市国土资源局）

摘要：2008年北京奥运，引发了一场绿色革命，国人对改善环境保护环境的意识空前提高，并已成为一项十分重要的自觉行动。为了实现绿色奥运，北京市采取措施，大力发展清洁能源。地热是一种良好的清洁能源，本文重点对深层地热和浅层地热及其利用进行积极的探讨。

引言

北京市开发利用地热资源（温泉）历史悠久，利用地热进行采暖已经多年。1999年时，为了改善环境、支持申奥，大力改善能源结构，地热等清洁能源的利用被列入了城市能源发展规划，得到重视。在市政府地热采暖示范工程顺利进行的同时，浅层地温的利用、研究，在北京地区取得了重大进展。低温地热的梯级利用技术研究项目取得的成果，进一步扩大了地热资源利用的范围。

深层地热：指传统意义上的地热，国际规范温度大于25℃。地热有多种形态，其中地热水是集“热、矿、水”三位一体的宝贵的自然资源，是一种清洁可持续利用的能源。北京工业大学、郭庄北里、北京地质勘察技术院等地热采暖示范工程的试验成功，对改善能源结构、发展可再生能源，将产生积极的意义和影响。采暖示范项目在地热回灌与地热热泵技术的应用上，以及地热保护与梯级利用、综合利用技术方面，也具有十分重要的意义。

示范工程试点之一的崇文区郭庄北里小区，6栋居民楼数万平方米的建筑采用地热采暖，彻底解决了该小区由于历史原因造成的20多年没有供暖的问题，实现了地热采暖多级换热、全封闭循环、热泵技术应用、地热采暖尾水100%回灌的试验目标，有效保护了地热资源。项目的试验的成功，受到市政府的高度重视。

浅层地热：是低温地热能的另一种形式，它涉及从地下常温层以下至一定深度以内（北京地区约为150m以浅）的浅层地热资源，包括土壤中和地下水中的热能等，大大地拓展了地热应用的范畴。在地下恒温层以上（特别是接近地表）的土壤地层中，还包含太阳能辐射到地表所形成的热能，优点是利用中操作简单、投入较少，但这部分辐射热能受外界条件的影响较大，不很稳定，其热能利用的效果与热量储量不能与地热（包括地温）相比。

国际上热泵技术的利用发展已经数十年，国内的研究是从20世纪90年代开始的。近年来，北京地区热泵技术利用发展较快，从2000年开始到2004年，仅3年多的时间，全市热泵供暖面积已经超过500万m2。浅层地热的利用在热泵技术的发展中占有很大比例，说明了其具有的独特优势和特点。通过各种试验得出的技术和经济分析表明，它将在未来推动我国低品位能源的应用。

1 国外地热能利用的发展情况

1.1 法国

深层地热：法国本土的地热资源以≥50℃的低焓地热水为主，法国对地热的利用发展于20世纪80年代。法国以供水井和回灌斜井组成的“对井”而著称；两口地热井在地面上相距10m，但在千余米地下的距离，可达400～1000m；1998年的统计资料，巴黎仍有41个区域供暖的“对井”机房在运行，至2005年时数量略有减少。

浅层地热：对于更低温的地热能，法国使用地热热泵进行供暖和制冷。如巴黎塞那河畔的法国电视台，钻井仅几百米深，地下水温可达到23℃，被用于地热供暖系统。

1.2 德国

深层地热：德国地热利用以采暖为主，特点是：建立相对集中的大型供热站。由于热泵用电，引用了“季节特性系数”，即供热量与消耗电量之比，一般为5～7的范围；此外，全年热量输出的85%使用地热，全年热量的15%采用由石油或燃气燃烧器形成的辅助热源，主要解决峰值供暖负荷。到2002年，已有9个集中供热站，其地热井深度从1100～2400m不等，总供热量136MW。用于采暖、温室等；

浅层地热：德国广泛使用分散的浅层地热能及小型地热热泵，供采暖之用；地下换热器包括水平的热收集器、垂直的地下换热器，或地下水换热器等；据介绍，仅德国北部，就有有4.5万根地下换热器。据报告，到1999年底止，德国全国至少安装有1.8万台平均制热量19kW的热泵机组。由于在利用中德国多使用双U型地埋管，如以每台19kW机组配以3根深100m的地下换热器，推算1999年底之前，德国应至少有5.4万根的地下换热器。

德国的供暖系统，习惯于使用热水/冷水供热制冷；德国的供暖水温标准是75/65℃，采用的地板采暖水温仅仅38℃。由于一般住宅夏天并不使用空调，土壤温度靠自然恢复，冬季热泵的水源侧水温常常降到0℃，负荷侧温度38℃，所以其热泵COP值也达4以上。

2 国内地热利用的发展情况

2.1 地热供暖

传统意义上的低温地热水的概念是：温度范围从25～90℃，主要来自深部地层。

20世纪70年代开始，北京地区地热采暖主要利用60℃多度地热水进行直供。由于北京地区的地热水温度多在40～60℃范围，所以当时尝试用60℃的地热水通到暖气片中，为达到供暖效果，依靠加大暖气片的片数作保证。而由于当时条件的限制（建筑结构、保温质量、供暖管道材质等），往往在最冷天时室温不够高，供暖效果经常不能保证，或者需要进行调峰处理。

随着近代建筑节能技术的发展，居住建筑供暖热指标已逐渐下降（约20W/m2左右），因此进一步降低供暖水温度，成为一种趋向和可能。由于供暖技术的进步，如采用冷热两用型的风机盘管机组，可以大大降低所要求的热源温度。实际运行的供暖水温经常在45℃左右，甚至更低。30～35℃的地板采暖供热温度，也是目前住宅或公共建筑可以接受的可行的温度。

因此，北京地区40～60℃的地热水，也将发挥重要的能源作用。地热热泵技术的发展，将会很大程度的利用35～40℃的地热采暖尾水。预计在未来能源的构成中，低温地热能的利用，会占越来越大的比重。

2.2 地热热泵

地热热泵，按水源侧能承受的工作温度和负荷侧供热制冷温度，可以分为两种类型：冷热两用型热泵、升温型热泵；

35℃，是冷热两用型热泵的可承受的水源侧最大温度；其负荷侧供回水温度，冬季50/43℃，夏季7/12℃；北京工业大学地热供暖示范工程课题组在2000年初，引进了当时北京第一台国外厂家生产的，能承受35℃地热尾水温度的冷热两用型水-水型热泵及水风型热泵进行实验；后来又在中试工程中，和大型工厂工程进一步使用，都取得了很好的效果。用热泵提升尾水温度的做法，在实际利用中具有十分广泛和积极的意义。

55℃，是升温型热泵所能承受的水源侧最大温度；升温型热泵，仅供冬季负荷侧供回水温度85/70℃，也可以为75/65℃，70/60℃以满足民用采暖的需要。

经在某工程测试的数据计算，热泵运行最低效率为2.7～3.4。

2.3 地热的梯级利用

不论是哪种温度的地热水，梯级利用都是一个最佳的利用方案。所谓梯级利用，就是按照用户终端需要的供热水温，从高到低排序；高能高用，温度适用，分配得当，各得其所，通过梯级利用，可有效提高地热资源利用率。

北京申办2008年奥运会成功以来，由于地质勘查钻井技术的进步，大大加强了钻井的能力与深度，北京地热水的温度有了新的提高，最高达到89℃。

当然，不论地热水提供的温度多高，供暖所需温度和用户所需要的水温，仍然是一定的。地热热泵技术的利用与设备水平的不断进步，有助于进一步提高地热资源的利用率。

2.4 地热梯级利用的实例

根据北京工业大学地热供暖示范项目组的测试和阶段总结，该校使用地热供暖的初投资，与常规集中供热区域锅炉房的价格基本相当；而运行费用，经在2002，2004年两次分别复测，总效率约在5.79～6.54范围内；费用低于天然气。

在北京热泵技术的应用研究与发展中，研究工作已有10多年的历史。据不完全统计，水源、地温热泵的利用发展超过一般的想像，仅在北京地区及周边，已安装的土壤源地埋管换热器约几千根以上，除一般用于小型别墅外，一些大型的工程也在尝试这种可再生能源的利用试验（初步试验的效果理想）。

3 国内浅层地热能供热的发展

3.1 技术可靠性与基础工作

在土壤源热泵系统的设计中，从土壤中吸和放的热量一定要平衡，才能保持可靠、稳定的运行，因此，逐时的负荷计算很重要。如果冬夏逐月总制热量和总制冷量不平衡，以及冬夏季峰值负荷不平衡，超过一定限度时，会出现一些问题，比如：在冬天，热泵水源侧温度达到－2～－4℃，低于设计值，这时，热泵制热量减少，结果可能不能保证供暖温度；而在夏天，由于夏季负荷过大，热量散不出去，水源侧水温升得很高，会造成热泵停机。这时，就得要考虑辅助一个冷却塔；如果用户要求只需供热，不需供冷；或要求只需供冷，不需供热；则在使用这种系统时，要有足够的补救措施。

地热供暖及各种热泵供暖系统，梯级利用的方案示意图如下：

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论文集

大地导热系数包括：塑料管材，回填料，土壤在内的综合的导热系数，还与现场的土壤含水量等因素有关，也只能在现场测定；研究表明，仅就土壤和岩石两类土壤材料的导热系数来说，其数量级可以由0.4W/（m·℃）至6.0W/（m·℃），随其密度及湿度有所不同；常遇到的土壤材料的导热系数，会相差两倍以上；如果大地导热系数相差两倍，在一定的条件下，设计管长，可以减少大约20%；同时，在提高回填材料的导热系数上，多年来国外都做了不少改进。

大地导热系数的测定，要在没有被热扰动过的土壤中现场进行。依据国际上的大地导热系数模拟装置的原理，大地导热系数模拟装置已测出多种数据；该装置由北工大地热供暖课题组，在研究工作中，自行研制、设计和施工；经过了实验检验；并且经改进后，还扩大了其功能。

3.2 合理的热泵选择

一是根据当地的地质与水文地质条件、经济能力、政策导向等因素，进行合理的选择，已采用效率高、费用可以接受的热泵方式及设备。

二是按照低的进水温度选热泵，以免制热量不够；由国外某知名的热泵厂家给出的数据表明，该热泵水源侧供水温度3.9℃时的制热量，比14℃时的制热量，大约小一倍；并且样本上说明，不鼓励在该低温工况下运行。

三是要选能承受冬季的低温，夏季的高温的土壤源专用热泵；能承受水源侧进水温度－5℃，和43℃的热泵；不仅在自控上体现了保护温度的不同，在制冷系统上，还应该有必要的措施。

3.3 严格的施工技术

（1）要有定点专用厂家生产关键的设备与管件材料：例如，热泵主机的性能稳定，U型管的底部接头、双U型管的上部接头等，是导致水流阻力加大的主要部位。

（2）井孔的回填材料和方法：回填材料影响导热系数；要使用砂浆泵加压灌浆法，可以保证较高的导热系数。

（3）施工单位要有相应的资质，施工人员（包括电熔焊工和下管，回填工）要进行培训，并有合格证书。

（4）杜绝低劣，粗放的设计，施工工艺，才能保证效果。

3.4 长期的效果监测

根据大地导热系数的测定结果，在设计、工完成后，可以进行使用20～50年的效果模拟预测，主要是确定热泵水源侧，冬夏的最高，最低温度的逐年变化；这样就可以知道其制热量和制冷量的逐年变化；一般说，当冬夏热冷负荷基本一样时，水源侧的冬夏的最高，最低温度也还会逐年上升，这对于北方的供暖有利。

3.5 规范化管理和许可证制度

国家应制定统一标准，包括：地埋管的钻孔，设计，施工规范等。我国是一个大国，任何事情，无序发展，势必造成混乱；由于钻孔的高利润，只要买个小钻机，个体的钻孔很容易实现；据调查，有的工地，钻孔的斜度，可以与相距4～6m的临近钻孔相交汇。地下工程是隐蔽工程，如果无序进行，对于其他地下设施，势必会造成影响；

政府有关部门，应制定地热地源发展规划。北京是世界最大的城市之一，热泵技术的发展（包括土壤源和地下水源等）应在浅层地温条件调研的基础上，由有关部门提出科学的发展规划。为加强管理，应制定法规，以规范这一技术的有序发展。

对于土壤源热泵系统，可能带来的土壤环境保护问题，应有所准备；要有序钻孔，以保护一个清洁的地球。

4 北京地区深层地热、浅层地热的发展与政策

4.1 深层地热

为科学引导地热的发展，北京已经编制2006—2020年地热资源可持续利用发展规划。近年内的发展重点，一是进一步探讨为加强地热资源的科学管理，实行保护性限量开采的有关政策。市政府有关部门已经发出通知，支持地热供暖项目的发展，但要求采取回灌措施，保证将采暖弃水进行回灌；强调温泉休闲度假旅游项目的发展，按不同用途进行循环过滤、中水处理、综合利用，实现零排放的目标。二是支持延庆生态农业县的无烟城建设，提高当地的旅游品牌。例如延庆县城人口不足10万，按规划目标，总建筑面积约500万m2，当地地热埋深2000m，可打出70℃左右、日采3000m3地热水，具有发展地热供暖的地热资源条件。实现地热供暖，可为当地减少50%左右以上的燃煤锅炉。

4.2 浅层地热

浅层地热的开发利用，需要具备一定的地质和水文条件，才能取得较高的效率，达到理想的供暖/制冷效果。为加强地热资源的开发管理，规范开发中的市场行为，应该立项进行全市浅层地热资源情况和水文地质条件的调查，并在调查的基础上，划定适合于不同热泵技术发展的条件和范围，编制相关的发展规划，以便引导浅层地热能科学合理的利用。

4.3 地质环境的监测

加强对浅层地热利用的管理和规范，特别是保证水源热泵系统中地下水资源的回灌、水质检测与地质环境监测，十分重要，应引起有关部门的足够重视。

4.4 发展前景

鉴于改善能源结构和节约资源的需要，北京市为加强浅层地热资源等可再生能源的利用，提出未来几年内发展1亿m2供暖面积的目标。这一目标的提出，完全体现了北京地区发展清洁能源和节约资源的紧迫性。为实现这一目标，在市发改委的牵头下，市政府9个委办局共同研究、制定了相关的扶持政策，加强对地热与浅层地温资源利用的支持，引导地热于浅层地源热泵项目，给予一定数量的项目改造或建设资金的补助政策。预测在这一政策的促进下，北京市地热与浅层地热等可再生能源的利用会有一个快速的发展。

参考文献

［1］丁良士等.从深层到浅层地热供热/制冷看北京2008奥运场馆能源建设.2003

［2］北京市地质矿产局地热处.北京市地热资源2001—2010年可持续利用发展规划.1999

［3］陈建平.北京地热资源管理研究.2002.北京地热国际研讨会论文集，北京：北质出版社，273～283

郑克棪

（中国能源学会地热专业委员会）

摘要：在世界地热能直接利用中，应用地热热泵开发浅层地热能已在近些年内独占鳌头，其装机容量和利用能量均以每年超过20%的速度飞速增长，因为它适应了高效节能和环境保护的需要，而且经济可行、普遍适用。由此分析预测地热热泵也必将在我国具有远大的开发前景。

1 前言

2006年1月1日起我国《可再生能源法》开始实施，作为可再生能源之一的地热能可以而且应当做些什么呢？伴随着20世纪70年代世界石油危机而掀起的地热新能源开发，在30多年的发展历程中又发现了新的亮点，那就是利用浅层地热能的地热（地源）热泵开发技术。近10余年来的这一股世界潮流给我们指引出一条光明大道，地热（地源）热泵史无前例的高效率和高环保效益，也必将在我国有巨大的发展前景。地热工作者应该获得先知，掌握市场，为地热（地源）热泵系统的大发展做好准备，为中国地热在世界上的贡献继续努力。

2 地热热泵在世界上的大发展

五年一次的世界地热大会总是给我们带来世界地热现状的最新消息。在1995年意大利的世界地热大会上，有几篇文章尝试着总结了井下换热器、热泵和地下储热的技术状况和发展水平。然而，2000年日本和2005年土耳其的世界地热大会上，这一技术和应用就出现了突飞猛进的新局面。

在2000年，地热热泵在世界26个国家中共安装了50万台装置，总装机5275兆瓦热量（MWt），是1995年的2.84倍，平均每年增长23.3%，占世界地热直接利用总装机容量的34.8%，首次超过了地热供暖的份额（21.5%）。

从地热热泵利用的能量来说，2000年达6465GWh，5年内增长了59.2%，平均每年增长9.7%，它在地热直接利用的能量中占12.2%，尚未超过地热供暖的份额（22.5%）。

至2005年，世界上33个国家已安装了130万台地热热泵装置，总装机15723MWt，是2000年的2.98倍，每年增长24.4%，占世界地热直接利用总装机容量的56.5%，已是地热供暖份额（14.9%）的3.8倍。从地热热泵利用的能量来说，2005年达到24076GWh，是2000年的3.72倍，每年增长30%。它在地热直接利用的能量中已占到最大份额为33.2%，远远超过了地热供暖的份额（20.2%）。

地热热泵和地热供暖的统计详见表1和图1。其规律为：

表1 世界地源热泵和地热供暖十年的发展对比

注：占百分比指占世界地热直接利用总量的百分比。

图1 地源热泵和地热供暖的装机与能量对比

（1）地热热泵和地热供暖的装机容量与利用能量都是逐年增长的，只是地热热泵的增长速度更大，因此后来超过了地热供暖。

（2）地热热泵的增长速度，在1995～2000年间虽已高于地热供暖，但仍显相对缓慢，而在2000～2005年间其装机容量和利用能量均有高速的增长。地热供暖在该两段时期的增长速度相当。

（3）地热热泵单位装机容量的利用能量小，而地热供暖单位装机容量的利用能量大。在图1中可看出前者的二组图表差别不大，而后者的二组图表差别显著。

3 地热热泵的优势所在

地热热泵能成为世界上发展最快的可再生能源之一，其原因就在于它的高效率和无污染，而且经济可行、普遍适用。

（1）热泵机组的高效率在供暖模式上用运行系数COP来表示，它是输出能量与输入能量（电能）之比，目前热泵机组的COP一般都能达到3～4。这等于说，热泵的效率是300%～400%，而我们知道，空调机（空气-空气热泵）的效率是200%，电的效率是100%，燃油的效率是90%，燃煤的效率是55%，因此热泵的效率是最高的。热泵的效率为什么这么高？因为它消耗电能之外，另从低温的地下水或土壤中吸取了大量的能量。

（2）专家称，热泵作为供热装量可以减少全球6%以上的二氧化碳排放量，它是目前市场上可获得的减少二氧化碳排放量最大的单项技术之一。虽然热泵本身不排放二氧化碳，但电厂发电时的二氧化碳排放有1/3至1/4要算在热泵的账上，但没有其它污染产生。

（3）地热热泵利用浅层地温的能源只需要钻50～100m深的钻孔，有的地方或许需要200m深，但比起地热井要钻1000～3000m来就经济、简易得多。

（4）浅层地热能的资源条件到处具备，不像地热井那样受到地域局限，它基本上是普遍适用于世界各地，哪怕是寒带也无妨。

4 地热热泵在我国的发展前景

当前世界上地热热泵发展最快的主要是美国和西欧、北欧等国家。中国虽然是发展中国家，但我们现在已经具备了地热热泵发展所需的各项条件：

（1）现在我国经济实力强大，电力供应基本充足，虽然一些地区电力紧张，但电力建设都在规划和实施之中，每年都有发展。相对20世纪70年代开发地热之初，天津大学教授就提出了热泵技术，但当初电力供应紧张，所以只能免谈了。

（2）我国有相当丰富的浅层地热能资源，国土地理位置主要在温带，无论浅层地下水或土壤中的温度，利用100～200m深度就足够我们消耗。不像地处寒带的挪威，为了利用热泵，将取热的钻孔钻到了400m深度。

（3）社会发展和人民生活水平提高之后，冬季供暖和夏季制冷的需求日益强烈，像过去黄河以南有不供暖的“规定”早就不成为约束了。为了办公和生活条件的舒适，愿意将资金投在这方面。

（4）我们已经掌握了地热热泵的各项相关技术，虽然热泵中的关键部件高压压缩机目前主要依靠进口，但我国已有了国产热泵工厂，有大、中、小型产品，能设计安装，也有了国家标准GB50366-2005，也规定了应由具有勘察资质的专业队伍来承担工程勘察。这些都是有利于规范市场、有利于地热热泵产业发展的技术基础。

（5）适应于我国建设节约型社会和提倡环境保护的宗旨，地热热泵在世界上的公誉也必将在我国得到认可，得到大发展。

地热热泵在我国的发展现状，可以看一下北京的例子：北京地热勘查和开发进行了35年，地热供暖的面积现在共40万m2；但地热热泵在北京发展不足5年，现热泵供暖面积已超过400万m2。

5 结语

利用地热热泵开发浅层地热能的技术和资源条件已经具备，热泵的最高效率和高度环保更赢得世界的青睐，因此，热泵技术和产业正在世界上得到高速发展。我国也已具备相应的发展条件，发展前景非常看好。

参考文献

D.H.Freeston.1995.Direct uses of geothermal energy 1995.Proceedings of the World Geothermal Congress 1995，Vol.1，15～25

John W.Lund and Derek H.Freeston.2000.World⁃wide direct uses of geothermal energy 2000.Proceedings World Geothermal Congress 2000，1～21

John W.Lund，Derek H.Freeston and Tonya L.Boyd.2005.World⁃wide direct uses of geothermal energy 2005.Proceedings World Geothermal Congress 2005，No.0007，1～20

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