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1.2 浅层地热能属性特征与开发利用的编写思路

浅层地热能作为一种积蓄在地下(一般为0~200m)的无形自然资源,是地球深部的热传导和热对流与太阳辐射共同作用的产物,加之岩土体不同的热物理性质,使浅层地热能具有太阳能、地热能、蓄能的属性。而多因素影响的属性体现在不同地区地温场的分布特征上,即不同地区常温层深度、温度不同,200m以浅的原始地温不同,换热效果不同 [2]

浅层地热能主要通过地埋管地源热泵、地下水地源热泵系统来开发利用。两种方式中影响浅层地热能可开发资源量、如何高效开发利用的主要因素及其控制条件不同。对于地埋管地源热泵系统,利用现场测试法计算可利用资源量时,传热系数[W/(m·℃)]即单位长度换热器、单位温差换热功率和U形管内循环液平均温度与岩土体原始温度之差,受控于当地的地质条件,是影响和控制浅层地热能可利用资源量的内在因素。由此可见,了解不同地区原始地温和传热系数对浅层地热能的开发利用来说至关重要。

而地下水地下换热系统在以地下水量折算法计算可利用资源量时,单井出水量(m 3 /d)、地下水利用温差(℃)受控于当地的地质条件,是影响和控制浅层地热能可利用资源量的内在因素。

本书首先阐述了全国浅层地热能的空间分布规律。笔者在系统综合“浅层地温能开发利用关键技术研究”等项目成果,《浅层地温能资源评价》《北京浅层地温能资源》和《中国浅层地温能资源》等专著,大量工程项目实践经验的基础上,根据我国地质条件、地形地貌差异较大,地史演化不同、构造复杂、沉积类型多样、各具特色的分布特点,首先分析了不同区域内地温场的分布特征,掌握浅层地热能的“原始”状态。本书还提出浅层地热能具有地热能、太阳能、蓄能的属性。

本书初步按建筑气候区划介绍了浅层地热能属性特征,并提出不同区域的开发利用建议,以期对全国浅层地热能科学高效的开发利用提供指导。笔者建议各地应结合自身发展需求,差异性、有针对性地开发利用浅层地热能,达到科学合理开发利用的目标。

浅层地热能资源的区域调查和场地勘查是摸清资源家底、指导工程实施的重要基础,两者相辅相成,工作方法有相同的地方,但工作目的不同。浅层地热能区域调查是为开发利用规划和布局提供依据。浅层地热能场地勘查是为热泵工程项目可行性研究及工程设计提供依据。本书系统梳理了勘查评价体系的建立,并列举了北京、上海具有代表性的区域勘查实例。

科学合理的设计是浅层地热能开发的“灵魂”,而规范高效的施工是开发的保障。设计要基于对资源属性的认知和掌握,达到地上、地下相匹配,避免出现“大马拉小车”或“小马拉大车”的现象。由于利用浅层地热能负荷需求的不断增加,项目单体规模越来越大,有的甚至达到几十万、上百万平方米,因此复合系统成为公认的解决方式。复合系统的设计需要因地制宜,达到资源条件与环境效益和经济效益的最佳结合点。

本书根据浅层地热能开采影响因素分析,结合浅层地热能开采工程项目,利用监测数据进行实例分析;给出浅层地热能开发利用过程中、过渡季节时地温场的变化规律;同时利用模型进行北京、上海地区的数值模拟研究;提出高效合理开发利用浅层地热能的对策,指导工程设计实施。

运行评价是浅层地热能利用效果后评估的重要内容。北京市早在2009年就在全国率先建立了浅层地热能利用监测系统,实现了42个监测站点的运行、维护,未来监测范围还将进一步扩大,近期将开展近百个站点的监测、运行、维护。我们创立了地温场影响评价指标和体系,为科学评价浅层地热能利用带来的地质影响奠定了基础。

除了浅层地热能的“先天条件”即初始地温外,地层结构和岩性也是影响地下换热效果的重要因素。而地下水的径流由于热对流的参与,对地埋管地下换热系统换热量的影响较大,也是避免产生地下冷热堆积的关键影响因素之一。同时,地下换热系统的布孔方式也影响着换热效果,因此地下换热系统换热影响因素的分析也是指导浅层地热能高效利用必不可少的环节。 o8cZuLDzCMmm6zYgDlH/w9g9+D6bR9BjzQS0shyma/qNelL4fVXg+JvH4lRQCeKh



1.3 属性特征的研究进一步指导行业发展

浅层地热能最早被称为浅层地温能,是由原北京市地质矿产勘查开发局(现北京市地质矿产勘查院)在2003年提出的。我们提出这个概念也是经过了一些讨论。主要基于以下两个判断:一是地下0~200m深的地层中(当时主要是以地下水地源热泵应用为主,地埋管地源热泵刚刚开始在市场上起步),存在具有可以被热泵技术提取并被我们利用为建筑物解决供暖空调的资源;二是因为地热的基本概念是以25℃以下为限定。正如地热资源勘查评价规范里表述的25~40℃是温水,40~60℃为温热水一样,“温”是个形容词,表示一个热的程度的概念。根据这些考虑,我们把赋存在地下0~200m深的岩土体中的25℃以下的低品位能源、资源统称为“浅层地温能”。

2007年1月,原国土资源部基于原北京市地勘局在浅层地热能开发利用方面取得的成就和影响,在北京组织了全国地热(浅层地热能)开发利用现场经验交流会,并参观了原北京市地勘局浅层地热能的相关示范项目。会议非常成功,大力推动了浅层地热能在全国的推广应用。借此机会,征得相关部门同意,原北京市地勘局与中国地质调查局沟通达成共识,依托原北京市地勘局设立中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心,作为研究和推广浅层地热能的专门机构。

会议之后,相关人员展开了对浅层地热能概念的再讨论,认为:这是未来发展的一个方向,大有可为。作为行业主管机构,原国土资源部负责管理地热资源,以前没有“浅层地温能”的概念。为便于行业管理,要求将“浅层地温能”改称为“浅层地热能”。

紧接着,原北京市地勘局在全国第一个开展了北京市平原区浅层地热能调查评价项目,由北京市财政出资近1000万元,用两年时间完成,首创了调查评价体系。2008年12月,由原国土资源部颁发全国首个国家层面的关于浅层地热能的文件,即《关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》。由中国地质调查局牵头,以原北京市地勘局相关人员作为基本班底,编写了全国首个《浅层地热能勘查评价规范》,由原国土资源部于2009年发布。

本书结合理论研究成果与多年工程实践经验,系统总结了浅层地热能区域、场地勘查评价的方法,提出了浅层地热能高效利用的勘查、设计、施工、监测方法及新的发展理念。理论知识的拓展和技术的革新,使浅层地热能新的开发方式和模式层出不穷。因地制宜,多能互补的“浅层地热能+”是近年来地源热泵行业大力发展的建设模式。该模式充分考虑到了区域自然资源条件和特点,合理调配资源开发利用,真正做到了资源的集约、节约利用,我们已总结为“四个结合”,即深浅结合、天地结合、调蓄结合、表里结合。这四种结合方式不是孤立的,而是可以相互结合的。总之,要根据不同地区的资源条件,最大限度地利用好各种资源,提高资源的利用效率。

公益性地质工作的研究、关键技术的攻关、创新思路的提出、重点区域和规模化项目的应用促进了整个浅层地热能行业发展。在接下来一段时期内,行业发展仍会保持高增长态势。由于规划政策的全面实施,预计今后将迎来井喷式的大发展。未来,浅层地热能市场广阔。作为行业从业者要抓住这良好的契机,发挥自身专业领域特长,相互借鉴,齐头并进,共迎这一千载难逢的新时代。 X1OUDtAhWobbLtyoR0/CPlik7G2pWnBn4US9g33qKi7uVCD2dHBl2mU/oDsr77YC



1.4 小结

本章主要回顾了国内外应对气候变化、减少温室气体排放的形势和任务。作为可再生清洁的浅层地热能将在绿色发展、生态文明建设中发挥重要作用。浅层地热能在我国起步较晚,但发展速度很快。北京是全国浅层地热能发展的“领头军”,最先开展行业发展战略研究,并创立了浅层地热能地质学理论体系和资源勘查评价体系,无论在摸清资源家底还是在重大项目实施中都对全国起到了示范引领作用。因此,以北京的理论研究和实践经验为基础,发挥中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心的平台优势,结合全国有代表性地区的成果,提出了开展浅层地热能属性特征和开发利用的梳理研究工作,以便进一步指导我国浅层地热能的高效开发利用。 X1OUDtAhWobbLtyoR0/CPlik7G2pWnBn4US9g33qKi7uVCD2dHBl2mU/oDsr77YC

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