摘要：近年来，我国对地热能的需求越来越多。浅层地热能作为新能源，具有分布范围广、可重复利用、对环境无污染等优势。文章从多方面介绍了浅层地热资源，包括浅层地热资源的含义、与地热资源的区别、开发利用方式、开发利用现状（以陕西省为例）及展望与不足。为初步了解浅层地热资源的学者提供较为系统的介绍，同时指出当前浅层地热资源开发利用过程中存在的不足，为浅层地热资源开发利用指明方向。
关键词：浅层地热能；地源热泵；开发利用
引言
浅层地热能的合理开发利用可作为实现区域可持续发展的重要途径，但合理开发利用必须建立在对地热的资源量及其分布规律的合理评价基础上。浅层地热能资源量的评价以研究区的适宜性分区为基础，不同地区浅层地热能开发利用条件不同，适宜性分区的方法和评价因子也不同。
1浅层地热资源概述
浅层地热能资源（shallow geothermal resources）是指蕴藏在浅层岩土体、地下水、地表水中的地热资源（中华人民共和国建设部，2009）。一般而言，浅层地热资源指具有开发利用价值的一般低于25℃的热能（龙西亭等，2016）。考虑到浅层开发成本的经济型和施工难度，一般将浅层地热能的深度定义为地下200m以内，在寒冷地区深度可适当加深（刘瀚等，2013）。浅层地热资源是一种新型的优质清洁能源，具有可再生、分布广，储量大、清洁环保、经济实惠、安全性高、可用性强的特点（窦克林，2010）。我国浅层地热能资源十分丰富。最新数据表明，我国287个地级以上城市浅层地热资源量为每年2.87×1020J，相当于95亿吨标准煤。每年浅层地热资源可利用资源量为2.89×1012KW·h，相当于3.56亿吨标准煤。扣除开发消耗电量，每年可节能2.02×1012KW·h，相当于2.48亿吨，减少二氧化碳排放量6.52亿吨（王秉忱，2011）。在国家越来越重视环境问题的今天，在“铁腕治霾”的政策压力下，这种新兴的绿色资源备受瞩目。新能源的开发与利用可以大大减少对传统资源——煤的依赖，缓解供暖季天然气供需失衡的矛盾。截至2011年，在全国范围内（除港澳台地区外）31个省、市、自治区内均有开发浅层地热资源的工程，应用面积达1.4亿平方米，应用单位3400家，其中80%集中在华北和东北南部地区。据估算2010年浅层地热资源的开发利用减少二氧化碳排放量约2200万吨（王秉忱，2011）。
2适宜性分区结构分形
一般而言，由于浅层地热能资源主要存储于地表下的岩土层内，容易受到区域地质状况的影响，此时，要有效针对该类资源进行开发，必须找出最佳的资源开发技术方式，从而与区域规划一致，继而开展后续资源量计算及评价工作。目前，在分型理论的影响下，面状结构方法的应用使分维值成为重要指标。
3浅层地热资源的开发利用方式
3.1地表水地源热泵系统
地表水地缘热泵系统分为开式地表水换热系统和闭式地表水换热系统。开式地表水换热系统结构与地下水地源热泵系统类似，只是所使用的非地下水而是地表水。闭式地表水换热系统结构类似于地埋管地源热泵系统，只是将热源端置于地表水中。地表水地源热泵系统在使用时应靠近地表水源地，这就使地表水地源热泵系统的推广受到了很大限制，只有在地表水的附近地区才可以进行地表水地源热泵系统的设计，正因如此，在地表水不丰富的内陆城市，地表水地源热泵系统的发展受到一定限制。
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3.2地下水源热泵系统换热功率
地下水热泵系统换热功率采用地下水量折算法计算:Qq=Qh×n×τ,式中，Qq为评价区浅层地热能换热功率;Qh为单井浅层地热能换热功率;n为计算面积内可钻孔数量;τ为土地利用率。Qh=qwΔtρwCw×1.16×10－5,式中，Qh为单井换热功率;qw为地下水循环利用量;Δt为地下水的利用温差;ρw为水的密度，取1000kg/m3;Cw为水的比热容，取4.18kJ/(kg·℃)。
3.3地埋管地源热泵系统
结构与地下水地源热泵系统相似，主要区别在于热源端对浅层地热资源的提取方式不同。地下水地源热泵系统是直接利用地下水将浅层地热资源提取出来，而地埋管地源热泵系统是一个相对封闭的系统，通过系统内循环的液体（循环液）将浅层地热资源从地下提取出来。管道内的循环液与地表以下岩土体、地下水等没有直接接触，只存在热量交换。地埋管地源热系统存在两种不同的形式，水平地埋管地源热泵系统和竖直地埋管地源热泵系统。竖直地埋管地源热泵系统与水平地埋管地源热泵系统相比，前者占地面积小，受外界温度影响小，恒温效果好，但初期投资较大；后者施工简单，但受外界温度的影响较大，占地面积大，适合于场地充足的地方。相较于地下水源热泵系统而言，地源热泵系统不与外界环境直接接触，具有较好的封闭性和独立性，对环境的影响较小。但也不能忽略地埋管地源热泵系统可能带来的地质环境问题，如地温场异常等，另外管道内循环液的泄露很可能造成环境污染，因此应尽可能对地埋管地源热泵周围进行温度监测及循环系统压力监测，避免造成环境影响。
4浅层地热资源的展望与不足
4.1展望
①积极开展浅层地热能资源的勘查与评价，制定开发地热资源的发展规划。②推动相关工程建设，带动各地浅层地热资源的开发。③借助新兴的科技提高线层地热资源应用技术水平，大力发展地源热泵技术。④制定地源热泵技术标准、规范，规范浅层地热能资源的开发利用。
4.2不足
浅层地热资源是一种新型的资源，在开发利用方面还存在很多问题。在设计上，目前多采用比拟的办法，将附近已建成工程的相关参数移植至待修建工程上，这种方法没有严格意义上的科学根据，往往会造成工程提供热量（冷量）与需求不符、水温或水量达不到要求等问题。因此应尽快出台地源热泵系统设计的相关规程规范，确保工程能够满足实际需要。在使用上，应注意冬季取热量与夏季储热量基本平衡的原则，应注意同层回灌且抽水量与回灌量相同，以达到地源热泵系统的永续使用。在环境友好上，浅层地热资源是一种清洁能源，但使用不当也会造成环境危害，如取、储热量不一致可能造成地温变化，抽灌水量不一致可能造成地下水位下降或地面沉降，地埋管地源热泵系统循环液泄露可能造成地下水或岩土体污染，回灌水水质不同可能造成地下水污染等等，因此应尽快出台相应的地质环境监测规范用以监测地源热泵系统附近的地质环境，避免出现地质环境问题。
结束语
综上所述，我国的浅层地热资源分布广泛，并且储存量极大，但是对其开采利用率较低，由于地热资源是清洁高效稳定安全的能源，节能效果明显。虽然有许多问题亟待解决，但地源热泵技术的应用前景还是较为广阔。在国家提出节能减排、可持续发展的背景环境下，随着各项促进生物质能产业化发展政策的实施，浅层地热资源的开发利用技术将会迎来了前所未有的发展机遇。顺应我国的基本国情，发展浅层地热能，必将成为我国开发新能源的一个重要的方式。
参考文献:
［1］刘瀚,陈安国,周吉光,等.浅层地温能开发利用的环境效应[J].中国国土资源经济,2013(8):36-39.
［2］龙西亭,袁瑞强,皮建高,等.长沙浅层地热能资源调查与评价[J].自然资源学报,2016(1):163-176.
［3］冉宇进,张浩.浅层地热能资源调查及开发利用研究[J].冶金与材料,2018,38(05):1-2.
［4］张建瑞,杜华明.焦作市浅层地热能评价及开发利用潜力探析[J].地下水,2018,40(03):42-43.
论文作者:曹会哲
论文发表刊物:《防护工程》2019年15期
论文发表时间:2019/12/4
标签：地热论文; 浅层论文; 地热能论文; 资源论文; 系统论文; 源热泵论文; 开发利用论文; 《防护工程》2019年15期论文;