“浅层地热能”的资源观点与评价方法

“浅层地热能”的资源观点

 

  “浅层地热(温)能”观点持有者认为:浅层地热能是指地表以下一定深度范围内(一般为恒温带至200 m 埋深), 温度低于25 ℃, 在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地热能。浅层地热能是地热资源的一部份, 是储存在地球表层岩土体内的低温地热资源。浅层地温能资源丰富, 分布广泛, 温度稳定, 开发技术臻于成熟, 目前已经广泛应用于供暖和制冷, 是一种很好的替代能源和清洁能源。随着地源热泵技术的逐步推广, 浅层地温能利用日益受到人们的重视, 成为目前地热能利用的新增长点。浅层地温能是分布广泛的替代资源, 可减少温室气体的排放。浅层地温能利用系统具有绿色环保、高效节能、运行成本低、埋藏浅、可持续利用、可以作为化石能源、技术成熟、不消耗地下水等特点, 应用前景广阔, 原则上适用于任何地层和建筑[ 6] 。

 

  基于“浅层地热(温)能”是上面所述的这样一种低品位地热资源, 所以“浅层地热(温)能” 者认为:“浅层地热能”是地热能的一部分, 它是一种国家资源。为保证其有效开发与可持续利用, 提出从中央到地方要由国土资源部系统进行勘查、评价、评估、规划与开发利用的要求。

 

  如果将地源热泵系统和空气源热泵系统作一对比, 还可以将这部分浅层“恒温带”看作地源热泵系统运行的一种“环境” , 正像空气源热泵系统将其室外机周围的空气温度看作空气源热泵系统的一种“环境”一样。由于寒冷地区室外空气全年温度在-15 ～ 35 ℃范围内变化, 而该地区某指定地点的地下浅层恒温带温度, 只是在10 ～ 20 ℃温区的某个温度的1 ～ 2 ℃范围内波动。因此, 地源热泵系统运行的“环境” 要比空气源热泵系统运行的“环境”稳定、适中、优越得多, 从而使地源热泵系统的全年运行效率均比空气源热泵系统高很多, 其全年运行电耗比空气源热泵系统低很多。

 

  此外, 由于地源热泵系统不将其夏季运行的冷凝热排放到大气中, 而是储存在地下“蓄热层”中, 这样既可以避免空调运行加剧“城市的热岛效应” ,又可以用来提高浅层“ 恒温带” 的温度, 从而进一步提高地源热泵系统的冬季运行效率。

 

  因此, 从地源热泵系统运行的工作原理和国内外的设计方法来看, 从来没有人说地源热泵系统是利用了或开发了多少“浅层地热能” , 唯一要求是必须保持夏季向地下累计释放的冷凝热等于或接近冬季从地下累计吸取的热量, 以确保地源热泵系统持久、稳定、高效、可靠运行。

 

  其实, 地矿专业和地矿行业对“地热能”早有定义, 国内外的“地热能”勘查与统计, 都是将低于25 ℃的岩土层和含水层中所储存的这部分热量排除在外的, 认为这部分“热能” 是无利用价值的。

 

  而当前, 随着地源热泵系统的蓬勃发展, 地下钻井埋管的建设投资约占每项地源热泵系统工程建设费用的40 %左右, 国家一些部门有人“创造性” 地提出了“浅层地热能” 或“ 浅层地温能” 的资源观点, 其目的:第一步旨在要将“浅层地热能”定义为一种“热能资源” ;第二步再将它上升为一种“国家资源” ;第三步是要引出“从中央到地方要由国土资源部系统进行勘查、评价、评估、规划与开发利用” 的结论。这样可能会导致“归属权” 、“ 控制权” 、“管理权”之争。

 

  “浅层地热能”的评价方法在《浅层地热能勘查评价技术规范》(征求意见第2 稿)第7 章“浅层地热能资源计算评价”中共提出7 种评价方法, 其中5 种方法给出了具体的量化计算公式。笔者在文献[ 6] 中对这5 种方法, 从概念、公式涵义、量纲、计算结果作了详细剖析, 由于篇幅所限, 本文只作概述。

 

  只要实际、全面应用与比较这5 种公式, 就会发现, 该评价技术规范实际上对“浅层地热能” 引出了5 种不同概念:

 

  应用大地热流量法的公式(1)[ 6] 意味着, “浅层地热(温)能” 代表了从地层深处依靠地下温度梯度向地面散发热量的一种能力, 其单位为mW/m2 , 它并不能描述地下某种深度、某个地域的岩土层含水层中蕴藏着多少低品位的热能。

 

  应用热储法的公式(2)[ 6] 意味着, “浅层地热(温)能” 是指定地区、指定面积与规定深度范围内, 地下岩土、含水层和空气在允许的温降(ΔT)条件下所蕴藏的低品位热能, 其单位为kJ 或kW ·h 。虽是一种热量, 用了能量的单位, 但其数量很有限, 而且是从北向南逐渐增加, 但东北不够一个采暖季使用, 而华东、华南是用不掉或不需要。这种资源观的更大问题是, 当冬季采暖从地下取热产生了ΔT 温降后, 就不再考虑经春、夏、秋3 季6～ 8 个月的时间能否自然恢复到原始地温?

 

  热导率法公式(3)[ 6] 实际上是一个单层圆筒壁在稳定传热条件下的换热量计算的经典公式。正如前面所分析的那样, 该公式本质上只是表达了某项地源热泵系统工程单孔U 形管地下换热器的换热能力, 其单位为W 。因此, 用该公式所计算的传热量根本无法反映与代表某个地区或某项地源热泵系统地下所蕴藏的“浅层地热能” 。试图用此公式来计算“浅层地热能”的蕴藏量只能说明该方法提出者对该公式的来源和含义的认识模糊不清。

 

  计算公式(4)本身就是计算某项地下水水源热泵系统工程冬季供热能力或夏季供冷能力的计算公式, 其单位为kW(热量或冷量), 并不是热能单位。该公式中的ΔT 代表生产井出水和回灌井回灌水的温差, 或者说代表了水源热泵的蒸发器或冷凝器进、出水的温差, 并不是地下水的可利用温差。因此, 试图用该公式计算“浅层地热能” 的蕴藏量, 说明该方法提出者并未弄清楚某项实际工程的供热能力和地下“浅层地热能”的蕴藏量在概念上的差别。

 

  计算公式(5-a)[ 6] 仅仅反映了地下水量的补给量、排泄量和储存变化量的平衡关系, 根本没有考虑与体现现有地下水储存量到底有多少。计算公式(5-b)[ 6] 也仅仅反映了地下热量输入量、支出量与热储存量变化量之间的热量平衡关系, 根本没有考虑与体现现有地下热储存量到底有多少。因此, 采用这2 个公式根本无法评价和评估地下浅层水资源与浅层热能资源。因为这2 个公式均不包括该方法提出者所需要的“水量或热量蕴藏量”的计算项。

 

  因此, 在进行任何“能源资源”评价与评估时,必须满足以下3 项要求:

 

  ① 应采用相同的“能量”单位, 而不是“能力” 、“功率” 单位。道理很简单, 因为采用年产量为1 000万t 煤的能力数字, 决不能说明该煤矿的煤的蕴藏量。而文献[ 6] 中给出的5 种“浅层地热能”量化评价方法, 只有“热储法”符合此项要求。

 

  ② 其“能源资源”蕴藏量的数量应满足几十年的工程使用才有价值。计算表明, 采用“ 热储法”所计算的“浅层地热能”热量:对于东北地区单纯采暖的住宅建筑, 不够一个冬季使用;对于华北地区单纯采暖的住宅建筑, 刚只够一个冬季使用;对于华东、华南、西南地区, 住宅建筑根本用不了或不需要。

 

  ③ 其“能源资源”蕴藏量符合“经济开采”的要求。对于地下均为岩石和卵石的地区及地下没有或缺乏浅层含水层的地区, 是根本不可能“ 经济”地开发与建设地源热泵系统的。

 

  综上所述, 从评价与评估方法看, 只有“热储法”是可行的、成立的。但从“浅层地热能”资源的储存量分析, 所谓的“浅层地热能” 对地源热泵系统的设计与运行是毫无价值可言的。