国内外浅层地热能开发利用现状及对江西的启示
孙占学
（东华理工大学，江西抚州，344000）
摘要：本文在简要介绍地源热泵技术的基础上，对国内外浅层地热资源的开发利用现状进行了述评，并对江西省的地热背景与浅层地热能开发的条件和前景进行了讨论。
1 引言
地热能是地球内部贮存的热能。目前，普遍认为，地球本身放射性元素衰变所释放的能量是地球内热的主要来源。所谓浅层地热能（Shallow geothermal energy）指的是地表以下一定深度（一般为0
2 浅层地热能开发利用的地源热泵技术
热泵（Heat pump）技术是一种能将热能从低温热源转换为高温热源，也能将高温热源转换为低温热源的技术〔1〕。如我们现在用得很普遍的普通空调器，采用的是一种空气源的热泵技术，天冷时它能把室外空气中的热量转到室内，天热时则能把室内空气中的热量转到室外，从而达到调节室内空气的目的。由于户外空气温度很低时才需要采暖，因而常需要备用电阻加热才能达到采暖效果；室内需要制冷时户外气温也往往很高，这样设备就不得不低效率运行。可见，空气源热泵的工作效率受户外气温变化的影响很大。
地源热泵（Ground source heat pump）,又称地热热泵(geothermal heat pump)，是一种先进的技术，它利用地下土壤、地表水、地下水温度相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。
地源热泵系统包括三种不同的系统〔2-4〕：利用土壤作为冷热源的土壤源热泵，即地下耦合热泵系统（图1中的1-3）；利用地下水为冷热源的地下水源热泵系统（图1中的4-6）；利用地表水为冷热源的地表水源热泵系统（图1中的7-8）。
上述三种地源热泵系统的工作原理相似，在热泵封闭系统中运转的低沸点流体采暖时从地下吸取热量而汽化。之后，蒸汽被压缩并在另一个地方（如建筑物内）将热释放出来而重新凝结成液体；制冷时则进行相反的过程。
地源热泵与空气源热泵相比有以下优点：一是运行过程中耗能较少；二是因土壤、地下水温度一年四季变化不大，其中蕴藏的能量比空气中的能量更稳定；三是不需要人工的冷热源；四是装置埋于地下，免于日晒雨淋等。不足之处是初始安装费用较空气源热泵高30－50％，原因是将热交换器埋于地下、水下或钻凿水井作为冷热源之用需要额外投资。不过，一旦安装完毕，因其采暖和制冷效率高，其年运行费用低于空气源热泵，最终经济效益相当明显。况且，地源热泵用途不仅限于房屋空调，如它还可将低温水提升到较高温度以接入现有的供暖系统，也可供应生活用水；并且，数个热泵串联起来，能产生阶梯式的增温效果。
图1 不同类型的地源热泵系统
3 国内外浅层地热能开发利用现状
3.1 国外应用现状
浅层地热能的开发利用得益于地源热泵技术。地源热泵的历史可以追朔到1912 年，瑞士Zoelly首次提出利用浅层地热能（地源能）作为热泵系统低温热源的概念，并申请了专利，而地源热泵真正意义的应用开始于上个世纪40年代。1946年美国建成第一个地源热泵系统，随后，特别是1974年后，因能源危机和环境问题日益严重，美国Oklahoma州立大学、 Oak Ridge国家实验室和Louisiana州立大学等高等院校和科研机构开始重视以低温地热能为能源的地源热泵系统的研究。1998 年美国商用建筑的地源热泵空调系统已经占到空调总保有量的19％，其中在新建筑中占30％，并以每年10％的速度增长。瑞典、瑞士、奥地利、德国、挪威等国家地源热泵在家用的供暖设备中占有很大比例，他们主要利用地下土壤埋盘管的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水等。浅层地热能的其它方面的利用在欧洲国家亦在得到推广，如德国2005年采用带9个
近年来，地源热泵的利用在世界上发展迅速，如德国新增热泵单元数2008年约为1998年的10倍（图2）。目前，全世界利用热泵技术开发的地热能已占地热直接利用总量的30％以上（图3）〔6〕。
图2 德国1996-2008历年新增热泵单元数〔5〕
图3 热泵技术在地热直接利用中所占份额（据Lund, 2005）
3.2 国内应用现状
我国具有较好的热泵科研成果与应用基础〔7〕，早在20世纪50年代天津大学就开始进行热泵的研究。20世纪80年代末以后，地源热泵技术开始受到国内各大院校与科研单位的重视，20世纪90年代后期，北京、山东等开始出现地源热泵应用工程。
我国地源热泵工作虽起步较晚，但后来居上，近年来发展很快。截至2009年6月，我国应用浅层地热能供暖制冷的建筑项目共2236个，建筑面积近8000万平方米，其中80％集中在京津冀辽等华北和东北南部地区。目前，北京市有1500万平方米的建筑利用浅层地热能供暖制冷，沈阳市则超过2000万平方米。北京规划2020年地源热泵供暖制冷面积达1亿m2，沈阳规划2010年达6500万m2，全国至少将达2亿m2以上。北京奥运会期间，地源热泵被应用于奥运国家体育场（鸟巢）、国家游泳中心（水立方）、奥运网球中心、自行车馆等运动场馆，为实现“绿色奥运”的承诺做出了贡献，产生了良好的应用示范效果。
我国目前正处于快速城镇化时期，每年房屋建筑的竣工量都在20亿平方米以上，建筑耗能在整个社会的终端耗能中已占到约27％，随着建筑量的提高和城市人口的增加，供暖、制冷和生活热水等消耗的煤炭石油等一次性能源将不断增加。在这一背景下，以环保和节能为主要特征的绿色建筑以及开发利用浅层地热能的热泵空调系统将得到广阔的发展空间。但从总体上看，中国浅层地热资源的开发还不够规范，基础研究上还有待加强，地源热泵技术的专业队伍也有待建立，行业之间还缺少必要的合作交流，政策措施还有待完善等等，这在一定程度上影响了这项技术的全面推广。目前，这些问题已引起有关部门的高度重视，建设部已将地源热泵技术列为建筑业十项新技术，国土资源部将加快在各省市的浅层地热能勘查评价速度，建立全国范围内的浅层地热能数据库，通过合理布局、多级利用实现总量平衡，同时在采矿许可、编制规划、开发审查等环节建立严格的监管制度。如2009年7月29日，国土资源部发布了《浅层地热能勘查评价规范》，并于7月31日开始实施。这一系列举措将有效地促进浅层地热能的开发利用。
4 江西省地热背景及浅层地热能开发利用前景
江西省在大地构造上跨越了晚元古代的江南造山带（I）和早古生代的华南造山带（III）〔8〕。其中，华南造山带形成以后，在中生代又经历了较大规模的构造岩浆活动，地表出露有大量中生代花岗质侵入岩和酸性火山岩。与此同时，介于两个造山带之间的萍乡－乐平拗陷以及赣东北地区，则发生了强烈的拗陷沉积与褶皱推覆，乃至基性岩浆活动，从而形成了一个特殊的次级大地构造单元。由于江西省这种大地构造位置的重要性以及大地构造与地热研究的密切关系，早在1987－1992年，东华理工大学就与中国科学院地质研究所合作，对江西省进行了系统的钻孔地温测量和岩石热导率样品的采集与室内测试工作，在此基础上，获得了19个高质量的实测大地热流数据（图4）〔9－10〕。这批数据为也就该省地热背景和评价浅层地热资源的开发前景提供了依据。
研究表明，江西省地温梯度和大地热流的区域分布格局表现为：位于江南造山带（I）的赣西北地区，地温梯度变化于18.0－
因江西省土壤的常温带一般在
I. 江南造山带；II. 萍乡－乐平、赣东北前陆褶冲带；III. 华南造山带
另据有关资料〔10〕，江西省地下水资源丰富，可采资源量每年达73.4×108m3,而地下水年实际开采量仅12.51×108m3，地下水开发利用程度仅为17.1%，且大部分都为生活用水及农业灌溉用水。同时，我省的地下水具有水位高、土壤含水量丰富、热传导性高等特点，非常符合地源热泵使用的条件。由于地下岩土的含水率高，对于地埋管的地源热泵工程，可提升其热交换率，非常有利于热泵工程的应用。从理论上分析，富水土壤的埋管换热效率应明显高于我国北方地区在干性土壤实施工程的效果。因此，根据江西的水文地质条件特征，江西省浅层地热能的开发前景非常广阔。
5 结语
综