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，希望能够帮助到您
。

曾梅香 高宝珠 黎雪梅 李会娟

（天津地热勘查开发设计院）

摘要：浅层地热能是指广泛存在于浅部地层（恒温层至数百米范围内）中的热能，是一种低品位（＜25℃）的能源。但因其分布广泛、储量巨大 、节能显着、可循环利用等优势而日益受到关注 。随着热泵技术的发展 ，浅层地热能被认为是建筑供暖（冷）用新能源中是最为现实
、最有前途的能源
。本文主要介绍这种能源的资源潜力、开发利用前景及优化开采方案。

1 引言

随着生活水平的提高
，人们对室内舒适程度的要求越来越高，我国建筑用能占全社会能源需求的比例也由原来的1/6增长到1/4 ，其中供暖 、制冷
、供生活热水的能耗占了相当大的比重 。不断增长的能源需求和供给之间的矛盾
，以及利用传统能源对环境的巨大压力，使人们对风能、太阳能 、地热能等绿色能源的开发抱着极大的热情
。浅层地温源以其储量巨大
、分布广泛、可循环利用等优势 ，在世界范围内备受推崇。以利用浅层地热能为主的热泵技术，在欧美等发达国家经过数十年的发展已相当成熟 。因此
，国内外一些能源专家认为：采集大自然低温可再生能特别是浅层地能（热）是21世纪取代传统供暖（冷）方式最为现实 、最有前途的技术
。

2 浅层地热能的特点

浅层地热能是指储藏在地下数百米以浅的地层中
、温度介于基准温度（当地恒温带处的温度）和25℃之间的低品位热能，它是深部热能向上传导和太阳辐射共同作用的结果。各地区的恒温带深度及其对应的基准温度主要与所处纬度相关 ，基准温度与当地的年平均气温相当 。我国地域广阔
，南北差距较大：我国已测得的恒温层深度在15～30m之间，基准温度在10～23℃之间。

浅层地热能的特点就是储量巨大、分布广泛 、参数稳定
、几乎不受环境气候的影响 ，是能量较恒定的可再生清洁能源
，是热泵技术应用最多的地温资源层［1］
。

3 天津浅层地热能储量概算

天津辖区面积11919.7km2，除去775km2的北部山区外 ，其余的广大地区均覆盖了松散的新生界地层。但宝坻断裂以北的松散层厚度仅100～300m
，松散层底板处的温度一般小于20℃，浅层低温能的储量有限 ，在此不做计算；该断裂以南8700km2的范围内
，松散层厚度均大于千米，恒温带埋深30m左右 ，基准温度为13.5℃；受基岩面起伏和断裂构造的影响，盖层平均地温梯度介于2～8.3℃/100m之间；地层温度25℃处的最大埋深为600m（宝坻断裂以北地区除外）
，最小为170m 。根据以往的地热地质数据，估算8700km2范围内的浅层低温能储量达3.6×1019J ，折合发电量1×1013kW·h
，相当于可连续维持天津用电最高负荷（2005年为597万kW）190年
。即使开采其中的百分之一，也可以极大地缓解电力紧张的问题。

4 浅层地能开发应用实例

在我国政府提出加快发展循环经济 ，建设节约型城市的情况下
，在人口集中、经济发达的大城市，一些公共建筑如政府机构 、医院、学校等 ，有条件的都要优先使用浅层地温
、太阳能和生物质能等再生能源
，部分替代电能，或与电能互补 ，改变城市能源结构单一的局面
，促进能源结构多元化，有效缓解电力紧张问题 。如北京早在几年前就开始浅层地温的利用 ，目前采用浅层地能供暖替代燃煤锅炉的建筑物总面积已达200万m2，2006年有望达到300万m2［2］
。

天津是全国最早开采利用地热资源的城市之一
，但深部地热资源因补给缓慢而面临越来越大的开采压力，某些地区已严格限采；而以开发可循环利用的浅层地热能的热泵技术在有关部门的大力支持下 ，正迎来它的快速发展阶段。

天津地矿珠宝公司改燃工程中成功地采用深部地层储能反季节循环利用新技术
，解决了面积约6200m2建筑物的冬季用热、夏季用冷要求 。其开凿了一对井深约200m的同层采灌对井（井距34m），利用浅层地热能（上更新世Q3地层20～100m 、水温14℃；中更新世Q2地层110～140m
、水温15.5℃；190～230m、水温18℃） ，通过地下水作为载体联系深部储能地层和地上换能设备系统进行能量转换
，采 、灌量稳定在40～50m3/h，基本达到平衡
。系统建成后运行工况表明：尽管冬
、夏季室外温度变化幅度较大 ，但室内温度在冬季控制在20℃左右
，在夏季控制在26℃左右，不仅能完全满足工程不同季节温度要求 ，而且每年可节约运行费用约27万元
，增加写字楼及宾馆收入约50万元；同时每年减少二氧化硫、氮氧化物 、二氧化碳和煤尘等污染物的排放量分别约4800kg
、1400kg、120m3和1100kg，经济效益 、环境效益相当显著。

天津市中心海河商贸区古文化街 。工程采用三眼900～1000m深井作为热源井
、三眼400～450m的浅井作为冷源井组成三个异层采灌井组 ，对井井距5m，三个井组
，三角形布置，每组相距270m
。夏季抽浅井中第四含水组的冷水水温为19～20℃ ，通过热泵制冷
，38℃的尾水灌入深井储热；冬季抽深井明化镇组热储层的地热水、水温为36～41℃，通过热泵供热 ，9℃的尾水回灌入浅井储冷。该项目已安全运行近两年
，效果良好 。虽说这种异层采灌还是个新鲜事物，但它通过一采一灌实现采补平衡 ，实现反季节储能
，不仅使宝贵的地热资源得到可持续性利用，通过调控回灌压力控制地面沉降 ，还可充分利用地表浅层中温度较低的地热能与高温的地热水进行循环供暖制冷
，是循环经济的真正体现。

5 浅层地热能利用中存在的问题及对策

利用地球表层恒温层的特性，对人类的生存和活动进行有意义的应用开发 ，是利用地温资源的主要目的
。开发利用地热资源，主要是以水（或流体介质）为载体
，通过直接开采回灌地下水或人工灌注循环与地层换热得以利用。

国内外浅层地下水传统的能量采集方式为对井抽灌，优点在于抽水井的水温在热泵运行周期内基本保持稳定 ，可使热泵机组接近在额定负荷下运行 。但是
，对井或多井抽灌不仅仅钻井数量增多，其缺点主要回灌率较低 ，而易地回灌改变地下水的分布
，容易产生移砂淤井的现象（特别是钻孔成井工艺较差的施工，地下水含砂量超标时 ，一个采暖期数十万吨水循环
，带走泥砂可达数吨以上）
。为克服地下水回灌难的缺点，有关科研部门已结合实践自主研制了“单井抽灌
”技术 ，该浅层地能（热）采集技术已广泛应用于各种类型的建筑供暖（冷）三联供工程中
，在全国已达200万m2，取得了良好的效果。目前 ，国内外在采集浅层土壤低温热量方面已做了很多相关试验和研究 。采集方式主要有三种形式：水平埋管（直管，螺旋管） 、垂直埋管（U型管
，螺旋盘管套管）、基桩埋管（与建筑物基桩做成一个整体）［3］
。

6 浅层地热能开采中的注意事项

地表水（江
、河、湖 、海等）低温能量的采集虽然很方便，但受气候的影响 ，温度变化很大
，特别是北方寒冷地区，水温和气温却很低 ，能量采集必须要考虑结冰防冻问题
，同时由于温度过低，热泵系统的能效比（COP值）降低并同时影响其额定热输出功率。浅层地能（地下水和土壤）的能量采集虽然不如地表水方便 ，但是其低温能量相对很稳定
，温度水平略高于当地气候的年平均温度，春夏秋冬基本恒定 ，只要能量采集的工艺手段恰当合理
，热泵系统的能量平衡是相对稳定的 。

浅层地热能虽然储量巨大，四季可再生 ，但对于具体的地域不同的水文地质条件，其开发利用还是要有选择的
，什么场合适合于浅层地下水低温能量的采集，什么场合适合于土壤低温能量的采集 ，采集的规模多大
，用何种方式，开发利用不能过度 ，否则不仅影响经济性
、安全性
，还会造成地下水文地质条件的破坏
。因此在工程配套设计施工中不仅仅要从能量的稳定合理的采集考虑，还要特别注意环境效益 ，不污染地下水
，不破坏地下地质结构，保护地下水资源［1］ ，注意下列各方面：

（1）采集地热能时
，要做到只用其热、不耗其水，用热后必须全部回灌 ，并监控回灌的实施。

（2）地下水采集井深度限制在地表浅层400m以内，远离400m以下的国家二级水质区域
，保护生活饮水区，根据具体的水文地质条件确定打井深度 ，尽可能采用地下百米以内的浅层地下水 。采用地下水源热泵时
，水源的选择应为：水量充足，水温适当 ，水质良好
，供水恒定，易于回灌
。具体应考虑：地下水取水深度多在100m以内 、各含水层厚度一般应大于5m
、冬季地下水温应不低于10℃、地下水含沙量小。

（3）尽可能的就近回灌 ，在不影响热动力工况下
，应积极推广“单井抽灌”技术，不具备“单井抽灌 ”条件的可采用对井抽灌 ，对井位置应远离城市区域供水站（距离应大于100m）且应设置在其下游区
，且回灌井应设置在抽水井的上游区，井距应在10～20m以上 ，回灌井深度不宜接近地下生活饮水区，一般与抽水井深度相当（同层回灌）
，同时循环系统严格封闭，密切监控回灌水质 ，严防被污染
，防止移砂 、抽空和淤塞 。

（4）对于一抽一灌
、一抽多灌的对井和多井要严格审批，限制打井数量 ，禁止过度开采地下水
，杜绝水资源的浪费污染，有效合理的利用地下水资源。

（5）井间距和井与建筑物的相对位置要设计合理 ，系统采用大温差小流量
，以降低动力消耗
。

参考文献

［1］程韧.浅层地能（热）的开发与利用.2005

［2］段金平.北京将推广利用浅层地温.中国地质环境信息网地勘导报.2005

浅议太阳能技术在建筑设计中的应用工学论文

程万庆1林建旺1韩金树2王坤2刘洋1

（1.天津地热勘查开发设计院；2.天津市国土资源和房屋管理局）

摘要：天津经济建设速度的不断加快，能源需求日益增大 ，浅层地热能作为地热开发的新领域
，其开发利用必将对缓解天津能源供求紧张形势起到积极的作用。通过现有研究资料分析，认为天津地区浅层地热能储量丰富 ，开发利用前景广阔 。

1 前言

地热资源属于可再生能源，据史料记载
，我国开发利用地热已有2000多年的历史，是世界上利用地热资源较早的国家之一
。自从20世纪70年代 ，我国开始勘查与开发地热资源
，其开发利用发展迅速，利用领域涉及发电、供暖 、医疗
、洗浴以及工农业生产等 ，取得了显著的经济、社会和环境效益。尤其是90年代以来
，在市场经济需求和利用技术不断发展的推动下，地热资源开发利用得到了更加蓬勃发展 ，应用范围日益广泛 。随着常规能源日益缺乏
，地热能等可再生能源的开发利用得到了全世界的重视
。2006年1月1日起施行的《中华人民共和国可再生能源法》，将可再生能源的开发利用列为能源的优先领域。

浅层地热能属于地热资源的一部分 ，指蕴藏在浅层岩土体和地下水中的低温地热资源 。在过去的30年里
，限于利用技术水平，只注重深部高温位地热能的开发
。由于打深井费用偏高 ，风险大，而地热需求越来越旺盛
，随着开发利用新技术的不断出现，人们开始注意浅层低温位地热资源 ，发现这里也储存着巨大的能源。近几年
，浅层地热能利用技术在欧美等发达国家已经很成熟，并得到了广泛应用 。在我国则处于起步阶段 ，尚未对浅层地热能进行系统的勘查评价
，开发利用技术有待提高
。因此，国土资发［2005］288号文将浅层地热能调查和评价及开发利用方案的试点作为近期国土资源部将开采的地热重点工作之一。

当前 ，能源供应不足
，已经成为制约天津市经济 、社会发展的突出矛盾 。自20世纪70年代起开始地热勘查和开发利用，地热已经成为天津市重要的补充能源 ，在一定程度上缓解了能源供求紧张的形势。但随着大规模开发利用造成高品位地热资源的供给不足
，急需寻找新的资源，因此 ，浅层地热能成为今后几年地热开发利用的重点
。浅层地热能的勘查和开发在天津基本上还属于空白，而这一部分地热资源潜力巨大
，因此，加大加快浅层地热能资源勘查、开发的力度必将对缓解天津能源供求紧张形势起到积极的作用。

2 天津市平原区浅层地温场特征

图1 天津地区浅层地温梯度等值线图

天津市以平原为主 ，面积占全市总面积的93.7%左右 。平原区沉积较厚的新生代松散地层
，由于厚度大
、比热容高、热传导系数低，而天津地区热流值相对较大 ，因此
，赋存了大量的热量，为浅层地热能的开发利用奠定了基础条件
。

地壳的最上部称变温层 ，是接受太阳辐射能最多的处所
，特点是温度随太阳能辐射的大小，有季节性 、早晚和晴雨的变化。夏季
、中午其顶部可高于30℃ ，向下温度逐渐降低；冬季凌晨顶部可低于0℃
，向下温度逐渐增高 。晴天的变化大于阴雨天
。变温带之下为恒温层，指一定深度范围内地温常年保持相对恒定的带 ，天津地区恒温带深度为30m，温度为13.5℃。再下为地热增温带
，即以一定的速率向下增温 。这种速率又称地温梯度，以每100m增加多少度为单位
。在天津地热勘查工作中将地温梯度大于3.5℃/100m称为地热异常。根据天津地热勘查工作中的测温资料可圈出10个地热异常区（见图1） ，地温梯度在4.5～8.8℃/100m
，面积2328km2 。其它地区地温梯度一般在2.0～3.5℃/100m
。我国目前开发利用浅层地热能的深度在200m，按照一定深度的地温计算公式计算（见公式1）：天津平原区200m深度的温度 ，在地热异常区为21～28℃
，在非地热异常区为17～19℃。随着技术经济条件的提高，利用深度不断增加 ，则可利用的地热能将会更多 。

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

式中：T为计算深度的温度（℃）；D1为计算深度（m）；Gi为盖层平均地温梯度（℃/100m）；D2为恒温层埋深（m）；T0为恒温层温度（℃）。

3 天津市浅层地下水资源

天津市南部平原区广泛分布新生代的松散沉积物
，第四系与新近系含水层可分为5层
。第Ⅰ含水组相当于全新统和上更新统（Q4＋3），底界深度一般在70m以上。第Ⅱ含水组相当于中更新统（Q2） ，底界深度在180～220m 。第Ⅲ含水组大致相当于下更新统上段（ ）
，底界深度290～310m，第Ⅳ含水组相当于下更新统下段 ，在隆起区尚包括部分新近系含水组（ ），底界深度370～430m
。第Ⅴ含水组为新近系含水组（N2）
，底界埋深为520～560m。第Ⅰ含水组属于浅层地下水 。

第Ⅱ—Ⅴ含水组属深层地下水（表1）
。根据天津市地下水资源新一轮评价结果，五层含水组地下水天然资源为18.13×108m3/a ，据水文地质条件分析和水资源的多次论证
，天津地区有多年稳定补给的地下水资源量，可持续利用的水资源（7～8）×108m3/a。

根据以往地热勘查工作中对天津市平原区近百眼深度在200m左右的浅井的测温资料 ，水温在17～28℃
，由于其温度变化不大，这五个含水层所占据部位的水和气 ，就成为巨大的能源库
，随着低温利用技术的成熟，规模开发利用这部分能源的时机已经成熟 。

4 浅层地热能利用技术

热泵是先进的热能利用与节能设备 ，能有效地利用空气、水体和土壤中蕴藏的低温热能
，其具有环保 、稳定
、高效节能、节省占地空间 、低维护
、运行费用低和减少环境污染等优点
。近年来在世界地热能直接利用中，应用热泵开发浅层地热能已独占鳌头 ，其装机容量和利用能量均以每年超过20%的速度增长，至2005年
，全世界有33个国家已安装了130万台热泵，总装机容量15723MWt。目前浅层地温的利用技术在欧美等发达国家已经很成熟 ，并得到广泛的应用 。我国浅层地热能的开发利用起步较晚
，20世纪90年代开始研究和推广地源热泵系统浅层地热能的开发利用技术，2000年以来在全国得到普遍推广
。2005年11月中华人民共和国建设部和国家质量监督检验检疫总局联合发布了《地源热泵系统工程技术规范》以指导热泵系统工程的建设。

表1 天津市平原区第四系和部分新近系含水层组划分及各组水文地质特征表

天津有相当丰富的浅层地热能资源 ，社会发展和人民生活水平不断提高
，目前在天津已有多个工程在利用地源热泵系统解决供暖、制冷问题，如梅江居住区 、开发区海滨大道
、国家安全局资料档案馆、塘沽凯华商业广场等 ，为天津浅层地热能的开发利用提供了借鉴 。因此天津利用热泵开发浅层地热能的技术和资源条件已基本具备
，发展前景非常看好。并且在当前能源形势十分严峻的情况下，积极推广热泵技术 ，规模开发浅层地热能
，具有重要的现实意义
。

参考文献

［1］天津地热勘查开发设计院.天津市王兰庄地热田普查.1987

［2］天津地热勘查开发设计院.天津热储工程研究.2005

［3］陈墨香等.华北地热.科学出版社，1988

［4］段永侯 ，王家兵，王亚斌
，邢贵发.天津市地下水资源与可持续利用.水文地质工程地质，2004

［5］郑克棪.浅层地热能开发利用的世界现状及在我国的发展前景.全国地热热泵技术培训班教材.2006

浅议太阳能技术在建筑设计中的应用工学论文

　 摘要: 能源是人类社会求生存和发展的物质基础 ，而以石油 、煤炭等为基础的常规能源体系曾经极大程度的推动并促进了人类社会的发展
，但这些常规的能源体系的过度开发直接导致了环境污染，为了可持续发展 ，我们应该充分开发和利用洁净能源。

　 关键词: 太阳能 建筑 能源

　 一、可持续发展太阳能在未来能源结构中的地位

　国际能源机构预测
，经济的发展离不开资源，目前全世界最常用的还是化石类能源 ，但随着经济的发展
，煤炭和石油需求量越来越大，终有一天会枯竭 。不同能源机构对世界能源供应情况的预测数据各有所不同 ，但基本结论都是相似的
。即全世界的煤炭只能用220年
，在未来短时期内化石类能源在能源供给结构站占据很大的比例，但随着科学技术的发展 ，可再生能源将逐渐替代化石类能源，并在2030之后开始逐渐进入大规模应用
，随着经济的持续发展，可再生能源将在能源资源中占据越来越大的比例。与有限的化石燃料能源相比 ，太阳能堪称最为理想的可再生能源之一 。随着太阳的辐射输出
，光子能量完全可以转换成各种人类需要的能源
。尤其是光能转换为最常见也是最高级的电能，而电能则可以转化为动能
、热能等其它形式的能源。也就是我们只要充分利用自然界中最丰富的'太阳能 ，完全可以满足人类的生活和生产需求 。

　 二、太阳能被充分利用的必然性

　现代工业革命开创了现代文明
，然而它都是建立在大规模开采和使用化石燃料的基础上的
。“石油是工业的血液，煤是工业的粮食
”是这一现状的最好诠释。化石燃料作为不可再生能源 ，之前的大规模开采和使用
，已使化石资源日益枯竭，它已逐渐不能满足日益增长的经济需求 ，还诱发了不少国家之间 、区域之间的政治经济纠纷
，甚至引起冲突和局部战争 。虽然我国矿物能源资源的储量是比较丰富，然而人均能源资源只有世界人均能源资源的二分之一左右
。从能源消费结构来看 ，我国是世界上最大的煤炭消费国，而根据大概的估计
，我国的煤炭资源只能开采80年，而石油资源只能开采20年。1997年我国正式成为了《京都议定书》签约国 ，但其影响和约束
，限排压力很大 。我国的火力发电，尤其是煤炭发电极大程度的受到了限制。随后我国也正式加入WTO ，我国的经济迎来了一个新的机遇
，同时我国也正式步入了工业化中期，即重化工业阶段 ，其能源需求量和消耗量也将快速的增长
。从环境保护方面来讲
，化石能源的利用已造成了严重的环境污染，温室效应
、酸雨等环境问题接踵而来 ，尤其是温室效应是全人类所面临的环境问题。为了可持续发展我们必须寻求新的可再生的绿色能源
，太阳能作为自然界最丰富的洁净能源，而我国全年辐射总量为917—2333kW·h/m2 ，是世界上太阳能资源丰富的国家之一，因此太阳能是我国可再生能源的首选 。

　 三、太阳能的利用方式

　目前太阳能的利用方式可分为光-热转换 、光-电转换
、光-化学转换
。其中最成熟的就是光-热转化和光-电转化。而光-化学转换尚处于研究开发阶段
，这种技术包括半导体电极产生电而电解水产生氧，利用氢氧化钙或重金属氢化物热分解储能形式 。太阳能制氢问题解决了 ，才有真正意义上的氢利用
，这将是引起时代的变革
。 四、太阳能在建筑设计中的应用

　目前建筑业是经济发展的重要产业，也是消耗能源较多的行业。尤其是现在住宅不仅仅是一个遮风避雨的场所 ，人们所追求的是建立在自然环境持续和谐发展基础上的优越的生活环境
，即建筑中充分利用绿色能源 、尽可能的减少建筑的能源消耗，在保护环境的根本前提下尽可能的因地制宜 ，合理利用当地的优势条件发展合宜建筑 。太阳能作为绿色洁净能源的使用对建筑行业来说是一种全新的发展思路
。目前太阳能在建筑设计中的应用主要有太阳能发电
、太阳能热水器、太阳能空调及太阳能暖气等
，至于太阳能发电在建筑中的应用因其技术限制，导致造价太高 ，不太适合广泛的推广。下面我们将着重论述太阳能热水系统 。太阳能热水器是太阳能技术在建筑设计中应用的最广泛的绿色能源
。太阳能热水系统主要是由太阳能集热系统和热水供应系统构成
，包括了太阳集热器 、贮水箱
、循环管道、支架 、控制系统、热交换器
、水泵设备和福建。其中太阳能集热系统又是太阳能热水系统特有的组成部分，是太阳能是否能得到合理利用的关键 。那么怎样充分利用太阳能 ，充分发挥太阳能热水系统的功效呢？

　第一，首先我们在思维上要接受绿色建筑的概念
，在建筑设计阶段就要把洁净能源的创意和思维与建筑的设计相结合。

　第二，前面提到太阳能集热系统是太阳能利用的关键 ，因此我们在建筑设计中要运用太阳能热水系统的话
，我们首先要做的就是尊重权威的质检部门出局的检测报告，在结合数据中的性能参数 ，再根据建筑物所在地的太阳能资源与气象条件进行优化设计
，确保太阳能集热系统的长期稳定运行
。

　第三，太阳能热水系统已形成了成熟的理论系统和实际构照 ，但很多传统的建筑没有给太阳能热水器预留空间。这会阻碍太阳能热水器的推广和发展
，因此在设计建筑时要充分考虑到太阳能热水器预留空间 。第四，为保证太阳能热水系统的设计合理 ，建筑设计单位和太阳能热水系统设计单位都应共同参与设计
。同时太阳能热水器的安装应该要满足建筑功能和建筑防护要求
，做到太阳能热水器和建筑有机结合，与周围环境想协调。总结：建筑是国民经济的主要支柱 ，而能源也是国民经济的命脉 。随着常规能源的日益枯竭和因过度开发带来的系列环境问题，我们应该坚持走可持续发展道路
，加快技术研究，充分开发和利用太阳能
。

　 参考文献：

　[1]李向军.节能技术在绿色建筑设计中的应用.建筑环境与设备,第38期

　[2]崔容强,赵春江,吴达成.并网型太阳能光伏发电系统.化学工业出版社

　[3]秦永丽.太阳能利用在绿色建筑设计中的应用.襄阳市水利规划设计院

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