【正文】 層地熱 能 的來源 是太陽能 。這是新的見解，我們應注意理解。 但隨著科技水平的發(fā)展和科技思路的創(chuàng) 新，科技界已普遍 認 同地殼淺層大約 200—400M 范圍內(nèi)是一個“天賜的 儲 熱 庫 ”它的溫度平均在 15℃ — 20℃ 左右，它的來源主要太陽能，是一種無處不有，取之不盡，用之不竭的可再生能源，將它稱之為淺層地熱能。 最典型的例子是溫泉。 是地礦部門 所說 熱田的熱能。絕望、悲觀 的 論點是站不住腳的。 依靠科技 尋找出路 解決 能源危機的根本途徑是開發(fā)新能源和可再生能源 目前人類已利用和可能被利用的能源種類和儲量見下表 : 表 1 世界能源種類及儲量表 可 再 生 能 源 能源種類 儲量（標準） 太陽能 870000 億噸 /年 水能 24 億噸 /年 風、波浪能 80 億噸 /年 地熱能 億噸 /年 潮汐能 億噸 /年 非 再 生 能 源 煤 64000 億噸 石油 4100 億噸 天然氣 106 億 m3 油頁巖 31000 億噸 235U（鈾） 300 億噸 釷 109 億噸 氘 1012 億噸 摘自清華大學 2020 年物理學教材 表 1 內(nèi)，非再生能源中，油 頁巖 儲量比較大 ，顯然有一定的潛力 ， 5 但 開采 ，提取難度大，成本高，氘， 在 海水中大量存在，儲量非?？捎^，但使用的原理是要 使之產(chǎn)生核聚變 ，在常溫下聚變 尚只 在實驗室研究階段，應用前景未卜。 環(huán)保， 總的目標是使人類有一個適宜生存而且非常舒適的環(huán)境，還要保持地球生態(tài)平衡和優(yōu)化。 科學用能。 節(jié)能 ，首先是節(jié)省能源的使用，目前提出低碳生活。 綜合以上，目前人類面臨著能源危機和環(huán)境惡化 兩 大課題， 總的問題 是人類如何保持可持續(xù)發(fā)展。 主要來源就是燃 煤 、燃油等一次性礦物燃料之過程中排放的二氧化硫、氮氧化物。 （ 4）酸雨蔓延 從我國情況看， 1982 年全國進行普查，對各省市 2400 次雨水進行抽樣檢查，結果表明屬酸雨者達 %，重慶、貴陽、南昌、武漢、沈陽、哈爾濱、廣州等城市均屬酸雨較嚴重的城市。此外溫室效應還引發(fā)氣候異常多變、旱澇頻發(fā)，森林草原火災增多，水資源緊缺問題將會更加突出?？茖W家估計，按目前的 CO2 等排放增長率，到 2030 或 2050 年，全球溫度可上升 ℃ ~℃ 。 使臭氧層變簿 成洞。 紫外線 還 3 會殺死水中的魚卵和單細胞 藻類，還可以導致海洋生物物種的滅絕。隨后 在 北美、歐洲、新西蘭等地上空，科學家相繼發(fā)現(xiàn) 臭氧 層在變 薄 。后來美國“雨 云 — 7 號”氣象衛(wèi)星，觀測到這個洞大如 美國領土面積，高如珠穆朗瑪峰。能源危機經(jīng)常是引起人類 戰(zhàn)爭的起端。 節(jié)能、環(huán)保兩大課題的提出 反思過程中，世界各界專家、學者紛紛發(fā)現(xiàn)一系列影響人類持續(xù)生存和發(fā)展的問題。但這些財富和文明取得的同時也付出了慘重的代價，諸如有限資源的過度耗費；自然環(huán)境的嚴重污染；生態(tài)平衡遭到摧殘性的破壞等等。2 地源熱泵技術及其應用 —— 巖土工程的一個新的延伸 —— 巖土工程在節(jié)能減排中應有所作為 中工武漢 大學 設計研究有限公司 邸作述 1 緒論 人與自然的歷史回顧 18 世紀工業(yè)革命以來，人類認識和改造自 然的能力愈來愈強。這個過程中創(chuàng)造了日益豐富 的財富 和人類繁榮的文明。人類正在或將要承受來自大自然的報復，嚴酷的現(xiàn)實迫使人類不得不對自己所走過的道路進行深刻的反思。 （ 1）能源枯竭 權威專家預言，石油天然氣 50～ 70 年即將耗盡 ， 煤 炭類資源也只能維持 300 年左右。 （ 2） 臭氧 層破壞 臭氧層是地球生物圈阻止紫外線輔射的保擴圈 (層 ),1985 年，美國科學家首先發(fā)現(xiàn) 南極 上空 臭氧 層出現(xiàn)了空洞。這個發(fā)現(xiàn)震驚了全世界。 臭氧 層的破壞給人類帶來非常嚴重的后果，大氣中的 臭 氧每減少1%，照射到地球表面上 的紫外線就會增加 2%，人類的皮膚癌的發(fā)病率就會增加 7%，白內(nèi)障患者就會增加 6%，紫外線對動植物的生存是災難 性 的 ， 據(jù)試驗，臭氧減少 25%，大豆將減產(chǎn) 25%，對水稻、小麥的生長都會造成極不利的影響，進而可以引發(fā)糧食危機。 產(chǎn)生臭氧 層 破壞的主要原因是人類自己，具體原因是人類大量使用制冷劑、消毒劑、滅火器、計算機、汽車等過程中，產(chǎn)生大量氟氯烴氣體，紫外線會把氟氯 烴中的氯原子分解出來，氯原子 非?；畹?，可把臭氧中的氧原子奪去，使臭氧變成了一般氧氣。 （ 3）溫室效應 人類大量使用石油、 煤 炭和天然氣等礦物燃料，釋放到大氣中的CO2 氣體越來越多，之外還有水汽、甲烷、氧 化亞氡、氟氯烴等， 它們可以吸收地球表面 向外 的 輻射熱，并將其反射到地球表面，使地球氣候增溫，出現(xiàn)像塑料大棚一樣的溫室效應，造成全球氣候變暖。 全球氣候變暖將是一場世界性環(huán)境災難，它會導致 海 水升溫、膨脹，加速極地水溫 增高 后退 和 凍土 的融化；海平面上升，美國環(huán)保局的資料 認為 ，如果溫室氣體繼續(xù)按目前狀況釋放，估計到 2050 年，海平面將上升 10— 40 厘米，到 2100 年將上升 60— 200 厘米，這樣沿海低洼地帶和島嶼將被淹沒 ，一些城市也 將會無立足之地。這一問題已引起全世界各國的高度重視， 召開了一系列國際性會議，共討應對策略。酸雨可直接 使 大片森林死亡，農(nóng)作物枯萎，會抑制土壤中有機物的分解和氮的固定，淋濾 與土壤顆粒結合的鈣、鎂、鉀等營養(yǎng)元素，使土壤貧瘠化。 4 （ 5）煙塵、 廢渣 及噪音等污染 城市中的機動車輛及工廠煙囪排出是主要來源，其次沙塵暴的吹揚 物也是一種污染，城市熱島效應 ，由于空調(diào)、機動車把熱氣直接排入大氣 而 形成 污染 。為此全球各國都去共同關注著人類自己的命運， 1992 年，聯(lián)合國在巴西里約熱內(nèi)盧 召開 了世界環(huán)境與發(fā)展大會，并制定通 過了《 21 世紀議程》，其精神就是全世界各國都明確了節(jié)能 、 環(huán)保是人類可持續(xù)發(fā) 展的兩個共同課題。第二是 有 效使用能源，采取各種先進的手段， 在 能源利用、能源 持續(xù) 方面充分發(fā)揮能源的 使用 效率和作用。 第三方面還要開發(fā)新能源和盡量使用可再生能源。建設一個“天人合一”的和諧世界。 在可再生能源中太陽能居首位，太陽能儲量每年相當 870000 億噸標準煤，而今世界每年所 需 總能量為 億噸標準煤，太陽能每年儲量是人類每年耗能 量 的 725000 倍， 太陽能利用的技術已日趨成熟，我們可以樂觀的說，只要有太陽存在，能源就不會是人類持續(xù)發(fā)展的瓶頸。 今 天要重點講一下可再生能源中的地熱能，表 1 中的地熱能儲量并不顯眼，僅 億噸 /年，這里要進行以下解釋 ： 表 1 中的地熱的儲量是指傳統(tǒng)地熱能的儲量，這個熱能是指由地心熱所產(chǎn)生的那一部分熱能。 我們學地質的人都知道：地心是一個 封閉的 高溫體，地核的溫度可達 6000— 8000℃ ，地幔深度處的溫度 可達 3000℃ 左右，它們是由地心物質的熱核反應熱，化學反應熱以及重力熱，體變 轉換熱等 ，在地殼的斷裂處，或其他 薄弱環(huán)節(jié)處傳上來 被人 們 利用。是地熱田露頭。 而 傳統(tǒng)地熱能 則被稱為深層地熱源。 淺層地熱能到底從何而來？存在許多有分歧的學術觀點，但目前的主流 觀點仍然是太陽能，持這一觀點的 人對地殼表層的熱源作了如圖 1 的分析。提出與以上覌點不同的是 國際地熱協(xié)會副主席 教授 ，他認為： 地殼淺層的地熱能主要仍是深部傳上來的地熱熱流，而太陽能和地熱能共同作用，以太陽能為主的地熱能 只 在很淺的部位上。 圖 2 淺層地熱能資源 分布 7 他估計的太陽能與地熱流共同作用的深度由下式 算 出： 2110??? ? —— 為土壤深度全年不變的深度 （ m） ? — — 土壤的熱導率，單位為： W/ 當 ? 取 W/mk 時， ? =14m，他的觀點 認 為 14m 之下，即土壤深度全年 溫度 不變的深度之下，仍是地熱熱流提 供 熱能。這些是目前尚未形成定論的學術問題，我們只要知道大約 在 地殼淺層 200— 400m 之內(nèi)是一個巨大的 儲 熱 庫 就行了。淺層地熱 能 它 所賦存的介質是巖石、土壤、和地下水，這是 主 要的 。這些介質絕大部分都是我們巖土工程研究的對象，過去我們關注的問題主要是強度和變形，當 它們作為熱能介質時 ，則 要研究它們的熱 學性質。因此，我認為巖土工程，工程地質，水文地質工作者應該在淺層地熱的開發(fā)利用中延伸我們的業(yè)務范圍，是大有 作為的。 這個產(chǎn)業(yè)的主要任務是如何開發(fā)利 用 地殼淺層的這種低位熱能 ，為人類可持續(xù)發(fā)展服務。把淺層地熱作為低溫熱源的熱泵叫做地源 熱泵，把巖石、土壤、地下水 等 的熱量 通過水媒介 質 載體 使 地熱與熱泵 8 機組耦合 運 行 達到 制冷、制熱目的。為利用難以聚集的淺層地熱能開創(chuàng)了先河。而熱泵是通過動力驅動可把低溫熱傳遞到高溫熱中去。世界能源聯(lián)合會（ WEC），國際能源機構（ IEA）、國際冷凍技術學會（ JIR）等 組織和權威研究者，普遍認為地源熱泵技術是 21 世紀最有前途的節(jié)能、 減 排的新技術，是國際制熱、制冷行業(yè)中的 前沿課題 之一，是最有前途的節(jié)能裝置和系統(tǒng)。在巖土工程、工程地質、水文地質 學中 將會產(chǎn)生 一個新的研究領域，有強大的生命力。 在建筑物制冷空調(diào)的工況下，機組內(nèi)工作的循環(huán)方向逆轉，反向循環(huán)，建筑物 末端則 成為低溫熱源 端 ， 通過 熱泵工 質 循環(huán)， 吸收 建筑物中的熱量，降低建筑物的溫度，使之冷卻降溫，達到制冷空調(diào) 效果 ，把從建筑物中的熱量吸出后，通過熱泵機組傳到地源介質中去，使地源介質 吸熱而 升溫。 與淺層地熱能進行熱交換要 通過“水”這個 傳媒介質，