地热研究论文

地热资源世界上最古老的能源之一。据测算，地球内部的总热能量，约为全约煤炭储量的1.7亿倍。每年从地球内部经地表散失的热量，相当于1000亿桶石油燃烧产生的热量。 关于地热的来源，有多种假说。一般认为，地热主要来源于地球内部放射性元素蜕变放热能，其次是地球自转产生的旋转能以及重力分异、化学反应，岩矿结晶释放的热能等。在地球形成过程中，这些热能的总量超过地球散逸的热能，形成巨大的热储量，使地壳局部熔化形成岩浆作用、变质作用。 现已基本测算出，地核的温度达6000°C，地壳底层的温度达900－1000°C，地表常温层（距地面约15米）以下约15公里范围内，地温随深度增加而增高。地热平均增温率约为3°C/100米。不同地区地热增温率有差异，接近平均增温率的称正常温区，高于平均增温率的地区称地热异常区。地热异常区是研究、开发地热资源的主要对象。地壳板块边沿，深大断裂及火山分布带等，是明显的地热异常区。 普查勘探地热资源，一般采用地表地热调查、钻探和各种物探方法。近年来红外线遥感技术在勘查中取得显著效果。20世纪末，地热资源的开采对象，主要是埋藏浅、热储量大、有流体（地下水或人工灌水）把热能传引到地表的湿地热田。干热岩地热资源和低温湿地热田的开发利用处在研究试验阶段。 中国的地热资源丰富，有悠久开采历史，以往主要利用温泉洗浴治病。1970年后，在广东丰顺、河北怀来、天津和西藏等地曾进行地热发电、建筑物采暖、农业温室采暖、温水育种、灌溉等多方面试验性开发工作，取得一定成果。如此“学术”价值几何？评《地热资源及其开发利用和保护》兼评《云南省志第25卷温泉志》作者：愤怒的北大人 据《地热能》杂志报道：《21世纪可持续能源丛书》新闻发布会于2004年12月在北京召开。当前，我国的可持续发展面临国内优质能源资源不足、能源环境问题突出等严峻挑战，该套由化学工业出版社出版的丛书包括新能源和可再生能源在内共计11本。中科院王大中院士在丛书的序中指出：“在我国能源领域中，这套丛书在深度和广度上都达到了较高的学术和实用价值”（司士荣、刘时彬，2005）。本文所评的《地热资源及其开发利用和保护》（以后简称为《刘书》）就是丛书之11本之一，由刘时彬编著，全书310页，装帧漂亮，图文并茂，售价42元。但就其学术水平而言却只能用3字概括：低水平。它表现在下面几方面。 一、 剽窃之大作 低水平首先表现在：该书作者充分利用了“编著”的“编”字，剪刀加浆糊，拼成了他的大作。当然，现在是处于计算机时代，剪刀与浆糊都不必用了，只要一台计算机就行。总体来说他的剪切是相当大胆的，相当数量的段落是从别的书中一字不拉、一连数页地照搬过来，而且不注明出处。如该书中3．4．1‘什么是地热田’一节从P．102－104，基本是抄自阿姆斯特德1973年所写的《地热能》一书的中译本（1978）第54－56页。该书中3.4.2节‘高温地热田形成特征和条件’，基本抄自黄尚瑶等1986年所写《火山温泉地热能》一书的第81页。3.4.3‘著名高温地热田’一节从105页至108页基本抄自《地热能》一书的第60－62页。其中美国盖色尔斯地热田和日本大岳地热田图文完全一样。3.5节‘板内地热活动带的形成和分布’抄自《火山温泉地热能》一书的第89－90页。3.6节‘世界著名的中低温地热田’中介绍了3个实例，其中匈牙利潘诺宁盆地一段是抄自《地热系统》，而巴黎盆地和西西北利亚盆地抄自《火山温泉地热能》一书的第92－94页。5.4.4节‘微地震观测’一节从第173－178页抄自《腾冲地热》第200－208页。5.4.5节的‘地球物理勘探应用成果示范’其中‘美国加里福尼亚梅萨地热异常’一小节是照抄克鲁格尔和奥托于1973年合作的《地下热能（资源，生产，人工激发）》的中译本（1978）第70－75页。9.3.3节‘腾冲水热活动今昔’一节分数段抄自《腾冲地热》第四章的64－67、69－70、74－79页。仅此节就抄了12页。 除了上面所说的大段大段地抄袭之外，一些章节是从数篇文章组合而成。如9.4节‘地热与北京2008年奥运会’抄自2002年《北京地热国际研讨会论文集》中三篇文章，即由宾德智等的《北京地热资源》（抄自《论文集》169－175页）、高建柯的《北京奥林匹克公园简介》（抄自《论文集》145－146页）和徐光辉的《北京奥运公园地区地热地质条件的地球物理论证》（抄自《论文集》180－185页）组合而成。 另外一种抄袭方式则是将几篇文章选择一些段落交替着抄。如1.7节火山喷发一节是交替抄袭黄尚瑶等所著《火山温泉地热能》和廖志杰所著《中国的火山温泉和地热资源》的有关段落组合而成，其中提及世界火山的分布那一部分，所用插图是采用《火山温泉地热能》的，文字描述是采用《中国的火山温泉和地热资源》的。 仔细看来这本书90％是抄袭别人的劳动成果，抄袭分量之大在近年来是罕见的，特别是现今强调“尊重知识产权”的情况下，依然大胆犯案，是可忍，孰不可忍？ 《刘书》的最后也有参考文献，共49件，至于正文中那些段落参考了那些文献，作者是讳莫如深，由读者自己去猜吧！ 二、陈旧的资料 低水平还表现在资料的陈旧。现在是21世纪了，本书属于“21世纪可持续能源丛书”的十一本书中之一本，可是所用的资料基本是70年代的。例如，高温地热田所用的三个实例：美国加里福尼亚的盖色尔斯地热田、日本九州的大岳地热田是全文抄袭1973年阿姆斯特德的《地热能》一书的描述；至于对于意大利拉德瑞罗热田的认识在90年代已经发生很大的变化，1995年出现的最新认识是有人认为该热田的形成与变质核杂岩有关，而本书作者则丝毫未提及。关于低温地热田本书中介绍了三个实例：匈牙利潘诺宁盆地、法国巴黎盆地和俄罗斯西西佰利亚盆地，潘诺宁盆地的资料摘自1981年出版的《地热系统》一书，而巴黎盆地和西西佰利亚盆地的介绍则完全抄袭自1986年出版的《火山温泉地热能》的第91至95页。在该书中，巴黎盆地的资料是引自1974年的《巴黎地热》，而西西佰利亚盆地的地热资料是引自1971年玛夫林茨基所发表的《苏联褶皱和地台区的热水》一书，因此，其原始资料都是70年代的。 加上前节所述该书第5.4.5节地球物理勘探应用成果示范一节中范例之一美国加里福尼亚东南部梅萨地热异常一段连图带文字则照搬自克鲁格尔和奥托在1971年合作的《地下热能（资源，生产，人工激发）》的中译本的第70－75页。三、低劣的知识 作者知识水平的低劣最充分地反映在第5章《如何找地热资源》这一章内，一方面表现在作者不了解当代应用地热学的发展现状；另方面暴露出作者缺乏一些最基本的地热知识。这一章的基本架构雷同于黄尚瑶等所作科普著作《火山温泉地热能》的第四章，同时也参考了《地热系统》一书中由伦贝所写的第三章“地热资源勘探”。现表列如下：_________四、糊涂的概念 前节中提到的将“摩尔”与“毫克当量”等同，就是概念糊涂之一例。在书中绝非仅此一例。在《刘书》的第97页，有这样一段奇文：“高温地热区都集中分布在相对比较狭窄的地壳活动带附近，而低温地区则集中分布在板块内部。不过板块内部区域也偶见一些高温地热区的出露，这是由于板内局部存在有特殊热源—岩浆囊等所致，诸如我国西藏羊八井热田，美国夏威夷群岛等。”请问作者：西藏羊八井是归为板缘还是板内呢？羊八井与夏威夷有着同样的构造背景吗？ 在《刘书》的第99页作者探究了“板缘地热活动带的形成和分布”，把全球的板缘地热带划分为4个大带和3个亚带，即：1、环太平洋地热带，包括：东太平洋中脊地热亚带；西太平洋岛弧地热亚带；东南太平洋缝合线地热亚带。2、地中海－喜马拉雅地热带。3、红海－亚丁湾－东非裂谷地热带。4、大西洋中脊地热带。 这个划分是抄袭自《火山温泉地热能》的第78页，该书的作者不是学构造地质出身，错误的将东南太平洋的只有大洋壳的纳兹卡板块与具有陆壳的南美洲板块的聚敛带称为缝合线，而《刘书》的作者丝毫不察，照样抄来，也不可原谅。至于所谓红海－亚丁湾－东非裂谷地热带是冈瓦纳古陆上的阿法尔三联接点发育成的三条裂谷，它们并非连接成带，而是排列呈“Y”字形。红海和亚丁湾是将阿拉伯板块与非洲板块分开的两条裂谷。而东非裂谷则是从三联接点向西南伸的一支，发育在非洲板块之内，怎能说是板缘地热带呢？五、错误千出的专著 这是刘时彬的另一本大著，但不归他一人负责就是了。《刘书》的参考文献第6条为：“吴光范，任湘，刘时彬，梁乃英主编，云南省志•温泉志。昆明，云南人民出版社，1999。” 该书的正确名称应该是：《云南省志•卷25•温泉志》（简称《滇温泉志》）。需要说明的是，该书第一作者吴光范当时是云南省人民政府秘书长，后为省人大副主任，无疑是出版该书的财东；任湘是中国能源学会地热专业委员会的主任，当时正主持“八五科技攻关”中的地热研究项目，常到云南工作。因此，能够出版此书应赖于此两人的筹划与拍板。而主要的执行人应该是刘。因为《滇温泉志》全书304页中有242页（即80％）是照抄佟伟等主编的《腾冲地热》和《横断山区温泉志》。为了剽窃的方便，在《滇温泉志》的作者名录中也将佟伟拉入其中。 说《滇温泉志》是一本错误千出的专著，绝对没有贬低之意。现将主要问题列举如下：1、大的硬伤有8处之多。（1）《滇温泉志》第166页第18－23行为重印物。其中第18行至第21行的前半节，已经见于第165页的倒数1－4行，它们是描述石竹坝温泉的，不应该在描述硫磺塘老滚锅段落中再出现。（2）《滇温泉志》第166页第21行后半段至第23行则是第15－17行的重复。不过第15行是以“据《光绪腾越乡土志》云：”开始；而第21行后半段则改为“光绪《腾越乡土志》：”开头。（3）《滇温泉志》第167页第18－21页与第24－27行是完全一样的。讲的是热海第4区的“种磺地面”的一片不毛之地。而第18－21行是放在热海第3区硫磺塘大滚锅的末尾，根本放错地方。（4）《滇温泉志》第167页的第13－17行与第28－30行是重复文字。第13－17行描述的是硫磺塘大滚锅温泉水的化学分析结果。而第28－30行则是描述热海第4区种磺地面的温泉水化学组分。真是乱点鸳鸯谱，种磺地面是一片蒸汽地面，无法取水样，那来的分析结果。就把大滚锅水样的分析结果搬来了。为何第13－17行为5行而第24－27行只有3行呢？因为后者只有元素符号，没有元素名称。（5）《滇温泉志》的腾冲温泉名录中丢失了“玛玉窝澡塘”温泉。须知玛玉窝温泉是腾冲四大名泉之一，在明朝的《景泰云南图经金腾两指挥使司志》和稍后的《天启滇志》就有报道。《滇温泉志》的作者在抄录《腾冲地热》的第三章时将“玛玉窝”抄丢了，而没有发现。（6）。《滇温泉志》第163页瑞滇地热田第三区项目内，将“温泉水化学组分：水样温度、酸碱度、矿化度、钠、钾、钙、镁、锂、铷、铯、铵、碳酸根、重碳酸根、氯、硫酸根、氟”等组分全丢光了，只剩下“溴、碘、二氧化硅、偏硼酸、砷和水型”诸项。（7）《滇温泉志》第270页福贡县罗底热水塘条目，其泉水化学组分项目中，只剩下：水样温度、酸碱度、矿化度、钠、钾、钙、镁。余下（锂以后11项）的都抄丢了，抄袭的东西也丢三拉四。（8）《滇温泉志》的第272页的第8－19行的“红石岩温泉” 条目与第273页第20－31行的“河西澡塘”为同一个温泉。它们除了名字不同外，经纬度、描述、化学组分都是一样的。此外，不同之点还在：第272页“红石岩温泉” 条目末尾两行云：“1994年《横断山区温泉志》把温泉区定名为“河西温泉”，本书据1991年《兰坪白族普米族自治县地名志》载文，将它更名为红石岩温泉。” 第273页的“河西澡塘”条目中没有这两行字，但是，在泉水化学组分栏目中增加了地球化学温标温度，遗憾的是将“TNK（钠钾温标）”写成为“TNK（克氏氮量）”，真是令人难解。2、不该有的错误（1）“硫酸根”变成为“硫酸”；“二氧化硅”变成为“氧化硅”。 前面曾经提及，《滇温泉志》的温泉条目百分之八十是抄自《腾冲地热》和《横断山区温泉志》，但是为了去掉抄袭之嫌，不得不有所变动。变动之处在于：《腾冲地热》和《横断山区温泉志》两书中的温泉水化学组分栏中只有化学元素符号，没有化学元素名称。《滇温泉志》就在每个化学元素符号之后的括号中加入元素名称。这样一加就露馅了。《滇温泉志》全书收录的水化学数据达600多套，其中大约有608套含有SO4和SiO2，它们的元素名称都写成“硫酸”和“氧化硅”，因此，在书中的错处就达1216处。所以，说本书“错误千出”，绝不冤枉。但是，需要说明的是：在书的首页“编纂说明”中谈到水化学分析结果的表示时，其元素符号和元素名称是完全对应的，是书中唯一没有错误的一处，意味着“编纂说明”是由另一作者起草的，只是正文的作者并不依从。也应当指出“编纂说明”也有毛病：没有说明水化学组分的单位为毫克/升，矿化度单位为克/升；另外，重碳酸根（HCO3）写成NCO3，未予校正，也不应该。（2）书中多处将硫磺气味和硫化氢的分子式写成“HS气”。（见于第20页、39页和302页）。恐怕这是初中的孩子们都不会犯的错误。（3）作者对什么是“游CO2”和“CO3”是分辨不清、搞不明白的。有时将“游CO2”的名称标为“碳酸根”（见于14、40、41页）；有时将“游CO2”的名称标为“碳酸”（见于第15页）；“CO3”之后大部分未标中文名称（与其他元素的表示方法相背）；有时在“CO3”之前加“游”字，变成“游CO3”，（见于64、73、74、82、92、93、212、217、638、642、644页）；更为奇特的是，有时“CO3”的中文名称标为金属“钴”，（见于268、578、579、580、583、584、585、586、598页）。将《横断山区温泉志》中的某些泉的“CO3”抄袭时改成“游CO2”（50页）。（4）错字太多，未加校正。有的影响文章的性质。如第168页热海地热田的狮子头的酸性水酸碱度实为3?1，书中则写成“8?1℃”。第244页的小定西沸泉温度为95℃。书中则写成“59℃”。许多地方将河岸写成河岩。不通的句子太多，如：泉水系石灰系灰岩（9页）、泉水之东北向断层系导热断层（33页）、水清澈见底为石灰岩（102页）、泉口喷涌的泉水饱和温度似沸水（132页）、泉水沿安山应为玄武岩缝隙溢出（280页）、地下水的来源为C级Cm1l与D3zg灰岩补给，受西部构造影响而成（289页），上面这些话，你懂吗？不一一列举。（5）地质上非规范化术语比比皆是。如：石炭系灰岩写成石炭纪灰岩（应该写“系或统”的地方写成“纪或世”，数不胜数）、泉水出露于正常（应为长）岩断裂带上（35页）、储热层时代为砂岩（40页）、受N字型地层之阻后溢出（41页）、围岩性质为岩性砂砾岩、基岩粉砂岩（42页）、地热北高南低（45页）、中温断裂型温泉（56页）、砂岩积石奠砂岩（66页）、围岩性质为绢英片岩变质岩（93页）、三叠世石灰岩（120页）、围岩性质为断裂带（299页）等等，不一一列举。此外地质年代的符号乱写；水化学类型有的用汉字，有的用英文，有的干脆不写，体例不统一。这些现象可能意味着作者似乎未受过系统的专业知识的训练。（6）“编纂说明”中云：“任湘教授和刘时彬教授于1993年3月向云南省人民政府提出报告。指出温泉志的编纂必将为云南省的新能源领域提供一份翔实的资产清单…。”“于1996年4月初稿完成，编辑的温泉名录共905条。”“概述”一节中云：“全省温泉区1015处。”可是在《刘书》的附录的“表1 云南省各县市温泉分布和分类统计表”中，总计856处。三个数据中，到底哪个数据对？真把人弄糊涂了。 这样的错误其实都是低级的错误。作者们的责任何在？责任编辑的责任何在？出版社领导的责任何在？到底谁该负责呢？六、一点闲话 呜呼！像这样满目疮痍的学术著作，近年来实属罕见。何况是“志书”，要流芳百世的呢！笔者真不知道作为地方当局父母官的《滇温泉志》第一作者看过该书的草稿否？当他手捧装帧漂亮、图文并茂的成果、细读之后察觉漏洞百出后真不知是怎样的感觉。笔者也敢于相信被列为《滇温泉志》作者之一的佟伟教授是绝对没有看过该书的草稿的，因为这位被公认为治学严谨北大教授绝对不会让这样稀松的烂稿过关。其实该书的操作者真正想要的只是“佟伟”这两个字，而不想要真神来把关。有了这两个字，就可以将《腾冲地热》和《横断山区温泉志》两本书的其他作者撇掉；有了这两个字，就可以将横断山区地热调查的组织者中科院综考会晾到一边。这样就可以将众多人的成果为少数人所占有。笔者倒是不知道云南人民出版社的负责人看到他们的产品是怎样的感觉，他们可能会奇怪：“北大的教授怎么是这样的水平？” 《滇温泉志》最终弄成这样。北京大学的刘时彬教授到底要负多大的责任，我们局外人不得而知。从《滇温泉志》的“编撰职名”中撰稿人共10人，其中：北京大学地质学系：刘时彬、佟伟；中国能源研究会：任湘；云南省地质矿产厅：丁建博；云南省地名委员会：梁乃英等二人；云南师范大学两名；云南省人民政府两名。在主编中作为第三位，在撰稿人中作为首位的刘时彬，难免其咎。据闻：刘时彬中学毕业之后就到北京大学工作，70年代起为北大地质学系地热研究室成员，1976年起参加青藏高原科考队，吃苦耐劳、工作积极、累有著述。90年代起在中国能源研究会地热专业委员会先后担当副秘书长和秘书长，在任湘主任的麾下，车前马后，积极努力，敢于负责。90年代中期，北京大学将其职称提为“高级实验师”。“尺有所短、寸有所长”，术业有专攻，一个人总是有所长，也会有不足之处。刘时彬的缺点在于研究水平不高，而又不肯下功夫去钻研。科学是来不点半分取巧的，是要经过长期的工作一步步积累的。当然，今天的社会太过浮躁，人们又都过于注重名声。古人说：人贵有自知之明。在基础研究方面的不足，必然导致缪误百出的编抄。而如此学术专作，又有何价值？只能令人齿冷。望诸位学者同仁，做文做事做人意在专心如一，方不为虚名所累。

一、国外研究利用现状与发展趋势

1.早期发展阶段

浅层地热能的研究与开发利用是随着热泵技术的研究与开发而兴起的。早在186年前（1824年）法国物理学家卡诺奠定了热泵理论基础。之后英国的物理学家焦耳论证了改变气体的压力引起温度变化的原理。英国勋爵汤姆逊教授首先提出了“热量倍增器”可以供暖的设想。1912年，瑞士苏黎世已成功安装了一套以河水作为低品位热源的热泵设备用于供暖，并以此申报专利，这就是早期的水源热泵系统，也是世界上第一个水源热泵系统。

在此之后的几十年，地源热泵基本处于实验研究阶段，并先后有地表水源热泵、地下水源热泵及土壤源热泵系统的问世与发展。20世纪30年代地表水源热泵系统问世，是地源热泵中最早使用的热泵系统形式之一。欧洲第一台较大的热泵装置是1938～1939年间在瑞士苏黎世市政大厅投入运行的，它以河水作为热源，供热能力175k W；20世纪40～50年代，瑞士、英国早期使用的地表水源热泵地下水源热泵系统除了用于建筑物采暖外，还用于游泳池加热和人造丝厂工艺加热和鞋厂空调等。随后欧洲其他一些国家也开始安装地表水源热泵系统，热泵系统的供热量不断增大，性能系数也有很大提高。

地下水源热泵也诞生于20世纪30年代，到1940年美国已安装了15台大型商用热泵，其中大部分是以井水为热源。1937年，日本在大型办公楼内安装了2台194k W 压缩机带有蓄热箱的地下水热泵系统，其性能系数达4.4。至20世纪40～50年代，美国应用的主要是地下水地源热泵。

1941年，第二次世界大战爆发后，影响和中断了空调供暖用热泵技术的研究和发展。二战结束后，热泵技术研究及应用逐步恢复，至1950年美国已有20个厂商和10余所大学研究单位从事热泵开发研究，在当时拥有的600台热泵中，50%用于房屋供暖。地埋管式地源热泵技术初始于美国和英国。1950年前后，两国开始使用地埋管吸收地热作为热源为家用房屋供暖的小型土壤热泵。1952年，美国约出厂1000套热泵，1954年出厂约2000套热泵。由于地源热泵的日趋成熟，有力地促进了浅层地热能的广泛应用。

1957年，美国军用基地住房大量采用热泵供暖代替燃气供热方案，热泵产量达2万套，1963年年产量增加到7.6万套。至20世纪60年代初，美国安装的热泵机组已达近8万台。但当时压缩机质量尚不过关，设备费用高而影响了热泵供暖技术的推广，开始处于停顿状态。

到1964年，热泵可靠性的问题已成为一个十分严峻的问题。60年代电价持续下降，使得电加热器的应用不断增加，限制了热泵的发展。

2.迅速发展阶段

20世纪70年代，世界石油危机的出现，又引起人们对地下水源热泵的关注与兴趣，又开始大量安装与使用地下水源热泵，热泵工业进入了黄金时期。这一时期，世界各国对热泵的研究工作都十分重视，诸如国际能源机构和欧洲共同体都制定了大型热泵发展计划，热泵新技术层出不穷，热泵的用途也在不断地开拓，并广泛应用于空调和工业领域，在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。

热泵真正意义的商业应用也只有近20年的历史。20世纪90年代后，随着环保要求的进一步提高，美国地下水源热泵系统的应用一直呈上升趋势。美国能源信息部的调查表明：美国地下水源热泵的生产量从1994年的5924台上升到1997年的9724台。再如美国，截止到1985年全国共有1.4万台地源热泵，而1997年就安装了4.5万台，到目前为止已安装了40万台，而且每年以10%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中在新建筑中占30%。目前，每年大约有5万套地源热泵在安装，其中开式系统占5%。美国热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会，该协会在近年中将投入1亿美元从事开发、研究和推广工作。

欧洲一些国家由于采取积极的促进政策（包括财政补贴、减税、优惠电价和广告宣传等），热泵市场得到快速发展。1997年，欧洲发展基金会重新提出热泵发展计划。到2000年，欧洲用于供热、热水供应的热泵总数约为46.7万台，其中地下水源热泵约占11.75%。与美国的热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅部地热资源，地下土壤埋盘管的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计，在家用的供热装置中地源热泵所占比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。

3.发展趋势

近年来，各国浅层地热能的开发利用规模和发展速度都在快速增长。美国和加拿大一些大学和研究机构，对于土壤源热泵进行了较深入的试验研究，取得了一些重要数据。美国能源部（DOE）、美国环保局（EPA）及爱迪生电器学会（EEI）、国家农业电力合作公司等财团组成一家政府参与的工业设施国际集团，推广热泵供暖系统。目前从国外发展趋势看，开发利用浅层地热能，将是地热资源开发利用的主流和方向。

浅层地热能是宝贵的新型能源。与风能、太阳能等非人力控制的自然资源相比，浅层地热能是一种在开采利用时间上，可人为控制使用的可再生能源，是集热、矿、水为一体，具有洁净、廉价、用途广泛的新能源。开发利用浅层地热能可以降低常规能源消耗，减少环境污染，尤其是大气污染，又可以在发展某些相关产业经济与提高人们生活质量方面发挥作用，具有显著的商业价值。因此，引起了各国对其开发利用的重视。特别是1973年世界能源危机以来，浅层地热能的勘查与开发利用正在迅速向深度和广度发展。

4.地下水热运移数值模拟研究进展

地下水源热泵运行后，回灌井注入含水层的冷热能会在对流和热传导的作用下向抽水井运移，从而对地下水温度场产生影响，因此有必要对地下水热运移过程进行深入研究。数值模拟方法以其高效性、便捷性和灵活性等众多优势，逐渐成为研究这一问题的有效工具。鉴于此，本节对国内外地下水热运移数值模拟研究进展进行回顾，为本专题的后续研究提供基础和参考。

从20世纪70年代末开始，国外提出了许多描述含水层中热量运移的数学模型.Mercer等（1985）、Crawford等（1982）以及Mirza等对含水层储能的一些模拟技术进行了讨论。1985年.P.Heijde和Y.Bachmat等统计了当时已有的21个热运移数学模型，所有这些模型均只考虑对流和热传导作用，忽略了自然对流对热运移的影响，除了两个是三维水流耦合模型外，其余均为一维和二维的。Tsang等（1981）和Sykes等（1982）曾先后利用有限差数值模拟方法，对Auburn大学第二期地下含水层储能野外试验中水和热量运移规律进行了模拟研究，模拟结果与试验观测结果基本吻合。Buscheck等（1983）利用Aubum大学储能试验前两个周期的资料进行了二维数值模拟，并在模拟过程中考虑了自然对流的影响。Rouve等（1988）应用有限元模拟方法对德国Stuttgart大学的人工含水层季节性储能试验进行了二维数值模拟，并对含水层中各填充亚层的渗透性空间组合进行了优化。Molson等（1992）利用加拿大Ontario武装基地潜水含水层储能试验数据，对该试验过程进行了三维有限元模拟，其中考虑了自然对流影响和密度随温度的变化，该模型相对比较完整，但是试验条件比较简单，且连续性方程不尽完善。Forkeli等（1995）利用二维轴对称模型和三维有限元模型对人工含水层储能系统的储能效果进行了模拟研究，并通过对比模拟确定了效果最佳的人工储能系统。Travi等（1996）建立了二维非稳定流模型，通过数值计算给出了一个含水层剖面上温度的变化。Chevalier等（1999）应用随机游离法对多孔介质含水层储能进行了模拟研究，发现区域地下水的流动能够加速所储热能向下游含水层中扩散，从而降低所储热能的回采率。Nagano（2002）通过实验室试验和有限差分数值模拟研究得出，如果储热过程中回灌水的温度较高（>；50℃），含水层中将很可能发生自然对流现象，从而使得利用含水层储能的热回收率将受到较大影响。Chounet等（1999）利用混合有限元法对土壤中水流和热量运移进行模拟，提高了模拟精度，但所用模型是一个剖面的二维模型。

国内对地热数值模拟研究始于20世纪80年代后期，张菊明等（1982）用有限元法模拟了二维地热运移问题，并给出了有限元程序。李竞生等李竞生，王广才 1989.平顶山八矿热水补给来源及条件方式.煤炭科学研究总院西安分院科研报告.对平顶山地温场分别建立了二维和三维温度场数学模型，并采用有限元法求解，但是此模型仅是一个稳定的模型，并没有对水流场的变化规律进行研究。薛禹群等（1987）对上海储能试验建立了三维数学模型，且考虑了热机械弥散，但水流模型是一个稳定模型，用简单的解析表达式代替水流模型，没有考虑水密度随温度的变化和水动力黏滞系数随温度的变化。张菊明（1994）建立了三维地温场数学模型并提出了有限元解法，但没有考虑水流方程。胡柏耿胡柏耿.1995.地热田中的传热传质研究.北京：清华大学博士学位论文.采用二维双孔隙介质模型模拟了地热田中传热和传质过程，并分别模拟了西藏那曲地热田和羊八井地热田的热质运移规律。任理等（1998）用交替方向有限差分法研究了土壤二维水热运移规律。何满潮等（2002）首先研究了地下热水回灌过程中渗透系数变化规律，然后针对单井、对井回灌过程中渗流场的动态变化建立了地热回灌渗流场数学模型，推导了渗透系数恒定与变化不同条件下的单井、对井回灌的理论公式。

国内外专家对于专门针对水源热泵的地下水热运移也进行了一定的模拟研究。Gringarten等（1975）对地下水均匀流动条件下的含水层热能采集进行了理论研究。通过对边界条件的简化和进行适当的条件假设，建立了对井系统的热传递数学模型，并利用该模型对不同给定条件下的热突破事件进行了定量评价，为法国的对井采能系统的合理布局设计提供了有效的指导。为了定量评价目标含水层系统中热量的运移特征，从而指导采能系统的设计，Wiberg应用有限单元法，对单纯的热传导和传导－对流并存两种不同假设条件下，理想含水层系统中地温场的分布特征进行了对比模拟研究。根据美国威斯康星州的供暖和制冷负荷要求，Andrews（1978）应用二维有限元模型，定量评价预测了水源热泵利用对地下温度场的影响。模拟结果表明，与区域地下水处于静止状态的情况相比，当区域地下水以一定的速度流动时，冬灌井周围的温度降幅相对较小，而影响半径有所增加，并且温度扰动带沿水流方向发生一定的偏移。Rahman（1984）通过对含水层条件进行假设，建立了对井回灌系统的模拟模型，并对不同的回灌量、含水层厚度、初始储层温度和井距影响条件分别进行了定量模拟研究。研究结果表明，除回灌量和井对之间的距离外，含水层厚度对热突破的时间影响比较显著；而含水层的储水率和渗透系数对热突破事件的影响并不显著。为了确定开采井群和回灌井群之间的合理布局，Paksoy（2000）应用CONFLOW程序，对含水层采能过程中热锋面的运移特征进行了定量模拟研究。通过限定开采井和回灌井的水位变幅，同时确保不出现热突破，最终确定上述约束条件下开采井群和回灌井群之间的最小距离。Tenma建立了一个理想的对井模型，利用FEHM软件对不同的开采与回灌量、水井滤管长度与位置和运行周期情况进行定量对比模拟。研究结果表明，前两个因素是控制模型温度变化幅度的主要影响因素。在国内，辛长征等（2002）利用美国地质调查局编写的HST3D程序，对一典型双井承压含水层的速度场和温度场进行了全年运行模拟，由于程序的限制，模拟时采用全年固定流量和固定温度的办法。周建伟等（2008）利用基于HST3D的Flowheat程序对武汉市某地下水源热泵系统进行了模拟，并对布井方式和抽灌组合的合理性进行了分析。张昆峰等（1998）模拟了大口径井水源热泵的冬季运行工作情况，结果表明，大口径井中的井水流动为均匀下降。

二、国内研究现状及发展趋势

1.早期热泵的应用与起步阶段（1949～1966年）

相对于世界热泵的发展，我国热泵的研究工作起步约晚20～30年左右。20世纪50年代天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1956年吕教授的《热泵及其在我国应用的前途》一文是我国热泵研究现存的最早文献。20世纪60年代，我国开始在暖通空调中应用发展热泵，并取得了一大批成果。1960年同济大学吴沈钇教授发表了《简介热泵供暖并建议济南市试用热泵供暖》；1963年原华东建筑设计院与上海冷气机厂开始研制热泵式空调器；1965年上海冰箱厂研制成功了我国第一台制热量为3720W的CKT-3A热泵型窗式空调器；1965年天津大学与天津冷气机厂研制成功国内第一台地下水热泵空调机组；1966年天津大学又与铁道部四方车辆研究所共同合作，进行干线客车的空气/空气热泵试验；1965年，由原哈尔滨建筑工程学院徐邦裕教授、吴元炜教授领导的科研小组，根据热泵理论首次提出应用辅助冷凝器作为恒温湿空调机组的二次加热器的新流程，这是世界首创的新流程；重庆建筑大学、天津商学院等单位对地下埋盘管的地源热泵也进行了多年的研究。中国科学院广州能源研究所等单位还多次召开全国性的有关热泵技术发展与应用的专题研讨会。清华大学、天津大学分别与有关企业结成产学研联合体，开发出中国品牌的地源热泵系统，已建成多个示范工程，越来越多的中国用户开始熟悉热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣。

我国早期热泵经历了17年的发展历程，度过一段漫长的起步发展阶段。其特点可归纳为：①对新中国而言，起步较早，起点高，某些研究具有世界先进水平；②由于受当时工业基础薄弱，能源结构与价格的特殊性等因素的影响，热泵空调在我国的应用与发展始终很缓慢；③在学习外国基础上走创新之路，为我国今后热泵研究工作的开展指明了方向。

2.热泵应用与发展的停滞期（1966～1977年）

这一时期正处于“十年动乱”期间，在此期间热泵的应用与发展基本处于停滞状态。该期间没有一篇有关热泵方面的学术论文发表和正式出版过有关热泵的译作和著作等；国内没有举办过一次有关热泵的学术研讨会，也没有派人参加过任何一次国际热泵学术会议，与世隔绝10余年。只有原哈尔滨建筑工程学院徐邦裕、吴元炜领导的科研小组在1966～1969年期间，坚持了LHR20热泵机组的研制收尾工作，于1969年通过技术鉴定，这是在“文革”时期全国唯一的一项热泵科研工作。而后，哈尔滨空调机厂开始小批量生产，首台机组安装在黑龙江省安达市总机修厂精加工车间，现场实测的运行效果完全达到（20±1）℃，（60±10）%的恒温恒湿的要求.这是我国第一例以热泵机组实现的恒温恒湿工程。

3.热泵应用发展的复苏与兴旺期（1978～1999年）

1978～1988年，我国热泵应用与发展进入全面复苏阶段。在此期间，为了充分了解国外热泵发展的现状与进展，大量出版有关著作，国内刊物积极刊登有关热泵的译文，对国外热泵产品进行测试与分析，积极参加国际学术交流。同时，一些国外知名热泵生产厂家开始来中国投资建厂。例如美国开利公司是最早来中国投资的外国公司之一，于1987年率先在上海成立合资企业。

1989～1999年期间，我国热泵又迎来了新的发展历程。在我国应用的热泵形式开始多样化，有空气－空气热泵、有空气－水热泵、水－空气热泵和水－水热泵等。在此期间国内已有国有、民营、独资、合资等不少于300家家用空调器厂家，逐步形成我国热泵空调器的完整工业体系，且水源热泵空调系统在我国得到广泛应用。据统计，到1999年全国约有100个项目，2万台地下水源热泵在运行。20世纪90年代初开始大量生产空气源热泵冷热水机组，90年代中期开发出地下水热泵冷热水机组，90年代末又开始出现污水源热泵系统。土壤耦合热泵的研究已成为国内暖通空调界的热门研究课题。国内的研究方向和内容主要集中在地下埋管换热器，在国外技术的基础上有所创新。

1978～1999年，中国制冷学会第二专业委员会主办过9届“全国余热制冷与热泵技术学术会议”。1988年中国科学院广州能源研究所主办了“热泵在我国应用与发展问题专家研讨会”。自20世纪90年代起，中国建筑学会暖通空调委员会、中国制冷学会在其主办的全国暖通空调制冷学术年会上专门增设“热泵”专题交流。

1988年，中国建筑工业出版社出版了徐邦裕教授等编写的《热泵》教材；机械工业出版社1993年出版了郁永章教授主编的《热泵原理与应用》，1997年出版了蒋能照教授主编的《空调用热泵技术及应用》，1998年出版了郑祖义博士著的《热泵技术在空调中的应用》；1994年华中理工大学出版社出版了郑祖义著《热泵空调系统的设计与创新》。1989～1999年，正式发表有关热泵方面论文270篇，热泵专利总数161项，而发明专利为77项。这些教材、著作、译著和论文的出版，专利技术的应用，推动了热泵技术在我国的普及与推广。

4.热泵技术的飞速发展时期

进入21世纪后，由于城市化进程的加快，人均GDP的增长，拉动了中国空调市场的发展，促进了热泵在我国的应用，应用范围越来越广泛，热泵的发展十分迅速，热泵技术的研究不断创新。热泵的应用、研究空前活跃，硕果累累。2000～2003年，专利总数287项，是1989～1999年专利平均数的4.9倍。2000～2003年间发明专利共119项，是1989～1999年发明专利平均数的4.25倍。2000～2003年，热泵文献数量剧增，如2003年文献数是1999年文献数的5倍。全国各省市几乎都有应用热泵技术的工程实例。热泵技术研究更加活跃，创新性成果累累。在短短的几年中有3项世界领先的创新性成果问世，包括：同井回灌热泵系统，土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统，供寒冷地区应用的双级耦合热泵系统。

5.地源热泵的应用与研究

我国地源热泵研究起步于20世纪80年代，首先是一些高校和科研机构对地源热泵的相关技术进行了专题研究。如北京工业大学对深层地热水进行了研究，并设计了若干垂直埋管和水平埋管的土壤源热泵试验系统；哈尔滨工业大学的水环热泵空调系统应用基础的研究与评价，土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统的数值模拟与实验研究，土壤源热泵系统中地埋管的热渗耦合理论与关键技术研究；湖南大学建设了水平埋管土壤源热泵系统等。另外，青岛建筑工程学院、山东建筑工程学院、上海同济大学、天津商学院、重庆建筑大学等大学也进行了该方面的研究。近年来国内数所高等院校开展了土壤源热泵系统和水源热泵系统的试验研究，并取得了一些重要成果。

目前，我国浅层地热能的开发利用研究发展很快，经过近二十几年的研究和开发，热泵技术在我国已取得了很大进步，尤其是地源热泵技术发展迅速。已经初步建立了各类地下水源热泵系统的水源井施工技术和技术要求，井群设计和计算方法、水质评价和处理方法及环境评价方法等。

截止到2008年10月底，我国浅层地能应用面积超过1×108m2（《地源热泵》杂志2009年5月刊）。已遍及北京、上海、天津、河北、河南、山西、辽宁、四川、湖南、西藏、新疆等地。应用的建筑类型包括宾馆、住宅、商场、写字楼、学校、体育场（馆）、医院、展览馆、军队营房、别墅和厂房等，应用前景广阔。

6.浅层地热能的开发利用与发展趋势

浅层地热能的开发利用涉及城市能源结构、环境保护和提高人民生活质量的重大课题。特别是浅层地下水源热泵和土壤源热泵的可再生能量采集系统是解决上述重大课题的关键，其能量采集基本不受使用地域和四季气候的影响。浅层地热能作为建筑物的冷热源初始采集更具有推广价值。

浅层地热能的开发利用不仅受到学术界和企业界的关注，政府也更加重视。《中华人民共和国可再生能源法》明确指出：国家将可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术发展的优先领域。国家财政支持可再生能源的资源调查、评价和相关信息系统建设。该法的实施为浅层地热能的调查、评价和开发提供了强有力的依据和保障。国土资源部、中国地质调查局等部门多次召开浅层地热能勘查开发经验交流会、技术研讨会，并编制出台浅层地热能勘查评价规范，做到了浅层地热能勘查开发有标准可依。近年来，随着国家加大建设“资源节约型、环境友好型”社会的力度，实现节能减排目标，国家从中央财政安排专项资金用于支持可再生能源建筑应用示范和推广，财政部、建设部已批准下达3批包括浅层地热能利用的可再生能源建筑应用示范推广项目。各地也相继出台支持开发利用浅层地热能项目。如2006年5月31日，由北京市发改委联合市水利局、国土局等9个委办局联合发文对采用地下水源热泵系统实现供暖和制冷项目按每平方米35元的标准进行补贴，对采用地源热泵系统实现供暖和制冷项目按每平方米50元的标准进行补贴；沈阳市发布的《关于地源热泵系统建设和应用工作的实施意见》中要求在沈阳市三环内的455km2核心区范围内，对符合应用地下水热泵技术的409km2范围内的建筑物，原则上都要采用地下水源热泵技术规划研究。

进入21世纪，伴随中国经济的迅速发展，人们对生活品质和舒适性要求的不断提高，城市能源结构的改变，建筑市场的巨大，为浅层地热能开发利用技术的推广创造了前所未有的机遇。国内在热泵理论研究、试验研究、产品开发和工程项目的应用诸方面都取得了可喜的成果。

目前，我国已经建立了比较完善的开发利用浅层地热能的工程技术、机械设备、监测和控制系统，但回灌技术中的水质控制和回灌对储层及用水管的影响评价，堵塞井的处理技术，对井群采灌系统温度场、化学场和压力场的模拟计算方法，参数采集方法等尚在研究之中。

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