淺層地溫專欄

淺層地溫（熱）能專欄為了使廣大從事地源熱泵技術(shù)應(yīng)用的技術(shù)人員，其中包括暖通空調(diào)、工程設(shè)計和地質(zhì)勘察等專業(yè)的人員了解淺層地溫（熱）能在地源熱泵工程中的作用，我們開辟了這一專欄，介紹有關(guān)淺層地溫（熱）能方面的基本知識，并與感興趣的人士探討有關(guān)問題，歡迎廣大讀者參加討論。本期首先介紹一些地質(zhì)的基本知識：地球結(jié)構(gòu)地球半徑6378km（赤道）?6357km（極地），平均6371km；地球表層稱為地殼（巖石層），其厚度為0?35km；通常地下深1km，其溫度可達38-40°C；上地幔厚度35?670km；2000-3500C下地幔厚度670?2800km；上下地幔也稱為覆蓋層地外核厚度2800?4600km；3900C地內(nèi)核厚度4600?6371km；溫度4900C。地殼由巖石組成的固體外殼，它是地球的最外層。其底界為莫霍洛維奇不連續(xù)面（莫霍面），或稱地幔。地殼厚度與地球半徑之比為0.00627；可見，地殼對于地球本身的厚度是極其淺薄的，但它具有保護地球內(nèi)部熱量的功能。整個地殼平均厚度約17千米，大陸地殼厚度平均為35千米。高山、高原地區(qū)地殼更厚，如青藏高原（岡底斯山脈）最高可達70千米；平原、盆地地殼相對較薄。大洋地殼遠薄于大陸，厚度約5至10千米。其溫度隨深度增加而升高，世界各地（或海底）的火山噴發(fā)、深大斷裂的熱流體以及地表溫泉水的熱能釋放是地球釋放熱能的明顯表現(xiàn)形式。同時，地球表面（陸地或海洋）也在向大氣層不斷釋放熱能。只是單位面積內(nèi)，單位時間內(nèi)所釋放的熱能較小，人們用感官察覺不到?？梢哉f，地球是一個巨大的熱能庫，它的熱能來源于其內(nèi)部放射性物質(zhì)的熱核反應(yīng)。根據(jù)地質(zhì)學(xué)家的研究，目前，地球的年齡已經(jīng)是46億年了。根據(jù)它產(chǎn)生的熱能和釋放的狀況，在正常情況下，地球還可以存在45多億年。但，根據(jù)地球前期的發(fā)展趨勢推測，其溫度變化總的趨勢是逐漸變冷（圖1）。圖1地球的結(jié)構(gòu)大地?zé)崃髦竼挝粫r間內(nèi)從地球內(nèi)部向地表單位面積散失的熱量，熱流量單位（HeatFlowUnit）常用單位是微卡/平方厘米?秒（gcal/cm2.sec），工程單位毫瓦/平方米（mW/m2）其兩者的關(guān)系為1HFU=1”al/cm2?sec=41.868mW/m2。在陸地上可以通過在鉆孔中測量溫度的垂直梯度和巖石導(dǎo)熱率求取，即:q=-A（dT/dZ）;q—大地?zé)崃鳎╩W/m2），A—巖土導(dǎo)熱率（gcal/cm2^sec），—溫度（°0,Z一深度（cm）。熱流與溫度梯度（d〃dZ）成正比，負號表示熱量流向溫度減小的方向。大地?zé)崃髦档臏y量與計算應(yīng)該在恒溫帶內(nèi)進行，以減少地表溫度受季節(jié)變化的影響。一般情況，地球內(nèi)部熱能向地球表面?zhèn)鬟f的方式有三種：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。在地球表面所得到的總熱流量是這三種熱流量之和。巖土導(dǎo)熱系數(shù)或稱熱導(dǎo)率以）巖土中沿?zé)崃鱾鬟f方向單位長度（1）上溫度降低1（°。，單位時間（T）內(nèi)通過單位面積（S）的熱量（Q），即：久=StQ/（Ai/Al）［卡?厘米?秒?°（或kcal/mhQ。巖土的導(dǎo)熱率取決于其成分、結(jié)構(gòu)、濕度（含水量）、溫度以及壓力等條件。多年了為計算大地?zé)崃髦?，世界主要從事地?zé)嵫芯康膶嶒炇覍Φ湫偷膸r土、礦物等進行了熱導(dǎo)率的測量。試驗表明，巖土中的礦物對熱導(dǎo)率起主要控制作用。其中，石英的熱導(dǎo)率最高，為17.0。由于花崗巖中含長石、黑云母、角閃石、輝石和石英礦物最多，其熱導(dǎo)率在所有巖土中為最高。這也是以含砂量較高的土質(zhì)作為固定地埋管換熱器的回填料，以提高換熱能力的原因。巖土導(dǎo)熱系數(shù)的倒數(shù)即為巖土的熱阻系數(shù)或熱阻率（g;m?h°（/kca1）。表1主要礦物的導(dǎo)熱率礦物導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）（危0-3卡/厘米?秒^。長石、白云母、絹云母、沸石等4.5黑云母、綠泥石、綠簾石6.0磁鐵礦、方解石、黃玉8.5角閃石、輝石、橄欖石10.0白云石、菱鎂礦13.0石英17.0巖土熱傳導(dǎo)系數(shù)或傳導(dǎo)率（a）又稱熱擴散系數(shù)，是一個綜合性參數(shù)，即巖土層中熱能傳播的速度。表示在非穩(wěn)定熱態(tài)下，巖土單位體積在單位時間內(nèi)溫度的變化（m2/h;或cm2/sec）。在分析鉆孔內(nèi)溫度平衡的形成條件和用人工熱場方法研究孔內(nèi)溫度場變化具有意義。其關(guān)系式：a=k/（Cp）=X/Cp=刀（關(guān)p），其中：a一巖土熱傳導(dǎo)系數(shù)；人一巖土導(dǎo)熱率；C一巖土比熱（kca1/kg.°0；p—巖土容重（kg/m3）；Cp—巖土單位熱容量（kca1/m.°C）；￡—巖土熱阻率。巖土的導(dǎo)熱率隨著巖土的濕度（含水量）的增加而提高，隨溫度升高變化而略有降低。對層狀巖土具有各向異性特征，導(dǎo)熱率順層理方向比垂直層理高。我國各地區(qū)的地溫梯度、大地?zé)崃髦涤杏蓶|到西，從高到低的總體變化趨勢。如地溫梯度，東部、中部及西部分別為30?40、24?26及18?27C/km；大地?zé)崃髦?，東部為60?75mW/m2,中部為50?60mW/m2，西部為40~60mW/m2。可見，東部高于西部，中部為過渡值。淺層地溫（熱）能淺層地溫（熱）是分布在整個地殼淺部的常溫能量，根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器通常設(shè)置的深度，人為設(shè)定為地下200m以淺的巖土層、地下水中所存在的能量。在這一地帶，地下溫度的變化形成具有三個不同特征的溫度帶：變溫帶又稱變溫層、外熱帶，主要受太陽輻射熱影響的地帶，影響深度為10-15m。在變溫帶內(nèi)地溫分布具有明顯的日變化、年變化和多年變化。其溫度變化幅度隨深度而遞減。日變化

深度為1~2m，年變化深度為13~15m。在多年凍土帶凍土厚度可達700~800m，青藏高原凍土帶約180m。又稱常溫層、中性層，位于變溫帶之下（12?20m），其厚度不大，只有幾米。這一地帶由于太陽輻射熱影響逐漸減弱，地球內(nèi)部上升的熱能與上部變溫帶傳導(dǎo)下來的熱能，在此帶內(nèi)達到平衡。其埋藏深度即為變溫帶的影響深度。常溫帶的溫度受不同地區(qū)緯度、氣候條件、巖土性質(zhì)以及植被等影響而各異。如哈爾濱5?7°C，北京14?16°C，西安13?15°C，廣州20?22°C等，通常比當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁馗?~2.5C。增溫帶又稱內(nèi)熱帶，主要受地球內(nèi)部熱能影響地帶，埋藏深度在恒溫帶以下（約15~20m以下），其溫度隨深度增加溫度升高。一般情況，溫度向地心方向遞增，這里指在地殼（33km）范圍內(nèi)，其平均溫度遞增率為2~2.5C/100m。但到達一定深度后增溫速率減緩，否則按此次推導(dǎo)下去，到達地心要高達十幾萬度，這是不符合實際的。-11 *3 1 -11 *3 1 5