加拿大浅层地热能源评估

加拿大浅层地热能源评估*——热增益与热汇Jacek Majorowicz等（Department of Geology and Geological Engineering, University of North Dakota, Grand Forks, ND, USA；Geological Survey of Canada, Calgary, AB, Canada.）翻译：赵玉军；校对：佟元清【摘要】加拿大浅层（自地表到地下250m）温度分布图显示了巨大的可变性，这主要与地表气候强迫有关。

自地下250m往上温度随深度变化非常小，这与由近来全球气候变暖引起的地下热量获取有关。

根据在达到平衡水井中开展的精确温度测井获得的温度数据，以及从气象站网络获得的温度时间序列，可计算在寒冷时期用于供热，以及在温度最高月份用于制冷的有效热能。

在加拿大利用地热能开展二氧化碳减排具有巨大潜力。

通过地源热泵可利用地下存储的地热能在特定温度非常低的冬季进行供热。

潜在有效热能的储量是巨大的。

在加拿大多年冻土边界以南地下50m的区域，在供热季节潜在的有效热能总值为1.1 E21 J (1100夸特)。

【关键词】地热能加拿大地热热泵热流气候变化缓解序言在加拿大，高成本的不可再生能源以及对二氧化碳排放影响的关注，大大增强了人们对开发可再生能源潜力的兴趣。

虽然以往开展的工作证实，加拿大有很大的地热能资源开发前景，但到目前为止，人们还是低估了地热能源储量。

在加拿大西部和北部地区发现的高热流（平均90±15 mW/m2)以及在加拿大和美国的高山热流，能提供用于空间供热与发电的可用地热能，但在加拿大大多数地区低温地热能源潜力巨大。

加拿大各处储存的丰富的近地表地热能源目前已得以成功利用。

在加拿大所有的民用住宅中，约30 000套系统直接利用的地热能为2546TJ/a。

在这些住宅区，一般住宅利用的热泵系统容量为10KW。

此外，在加拿大约有5000套地热系统用于工业区、办公大楼、溜冰场和公共机构供热与制冷，例如大学和监狱。

这些浅层地热系统仍处于初期利用阶段，可对其进行进一步开发。

在加拿大，广泛利用地源热泵技术（GHSP）替代普遍安装的基于化石燃料的供热与制冷技术，可实现每年累积减排37Mt的二氧化碳等价物。

对于目前住宅空间调节与水供热系统的二氧化碳排放而言，这相当于减小了62%，并大大降低了不可再生能源的需求量。

地热能开发的关键环节是增强人们对地热资源的认识，了解地热能源潜力与分布，以及开发新的经济模型，包括能显示其竞争本质的二氧化碳减排。

我们首次对加拿大浅层地热资源潜力开展了全国性评估。

背景低温地热资源（小于80℃）的利用依赖于热泵技术。

利用热泵从地下低温系统提取热量并以更高的温度输出，使设备能够供应比运转热泵所需等价能量更高的热能，最终实现净能获取。

这种有效的热量传递装置直接安装在建筑物内地表（或储水池）以下。

一般来说，地下能量交换系统（EE）需要120m的水平回路或90m的垂直回路，以便为每吨单位尺寸提供热能。

因此，对于热泵系统而言，垂直孔是最有效的布置方式。

利用热泵耦合钻孔换热器(BHE)系统(地表耦合或地源热泵)可提取浅层地热能源（深度小于数百米）。

图 1 艾伯塔省Winagami省立公园水井的温度-深度测井曲线在所谓的‘中性区’（在加拿大深度约为地下20m）以下，温度场受非日或非季节性变化的影响。

在该深度以下区域的温度与地表气候强迫和深层陆地热流有关。

换热器的能量供应来自于垂直地热通量、水平热传递、地下水的对流传递（如果存在）以及地表与大气之间的热交换。

在加拿大北方寒冷气候条件下，热泵耦合钻孔换热器系统最适于空间/民用水供热。

应用最广泛的热泵耦合钻孔换热器供热系统，安装于地下深度50至250m的一个或多个钻孔，是一种闭合回路热泵耦合系统。

这些热泵系统适于为一些小规模、分散的建筑物供热，例如独立住宅或联排住宅。

换热器（大多数为安装于回填钻孔中的双U形塑料管）几乎可以安装于任何类型的地质介质中，但具有低导热性的物质除外，例如干燥砾石层。

对基于热泵系统的浅层地热能潜力进行评估，需要精确的温度数据与等温线图，该图描绘了在不同深度温度大于0℃的空间变化。

同样也需要地表温度（GST）分布模式。

在后面的实例中，我们需要基于通常在侧压面（变化范围为数米到数十或数百米）以下获得的温度测井来评估温度，以及模拟地表温度。

最新的研究成果表明，近来气候变暖已对浅层地表温度产生了影响。

在与平均气温增加有关的净热能通量区域，任何有关浅层地热潜力的评估也都需要阐明地表气温和地表温度之间的关系。

我们在地热资源评估中包括了这一部分内容。

图 2 加拿大基于水井温度-深度测井的温度分布图（℃），（a）深度50m（三角形代表所使用井场的位置）；（b）深度100m；（c）深度150m；（d）深度200m；（e）深度250m方法温度-深度评估对加拿大所有地区地下深度0、50、100、150、200和250m的区域绘制了温度图。

这些温度数据以加拿大各地水井的高精度井温测井（一些数据以多级温度-深度测井为基础）为基础。

温度数据由达到热平衡条件的浅水井的点温度与深度测量值组成。

从水井水位顶部到井底温度记录的间隔通常在2－10m之间。

图1所示为在艾伯塔省Winagami 省立公园测量的温度-深度剖面实例。

根据加拿大多个现有数据文件和未公开的测井结果，对温度记录进行汇编。

温度-深度数据来源包括如下：●在“加拿大地热数据采集”——地热丛刊上公布的由矿能与资源公司（EMR）地球物理分公司在加拿大北部（北纬60°）测量的温度数据；EMR地球物理分公司于1973－1981年创建的温度与深度曲线图与清单。

●加拿大（主要在加拿大东部与不列颠哥仑比亚省)各地温度测井曲线，来自于国际热流委员会的数据库(IHFC 和 NOAA 钻孔温度与气候改造数据库， 2002)。

这些数据由密歇根州立大学收集，由加拿大与美国多名研究者提供。

在该数据库中给出了数据提供者的姓名、测井日期、位置和温度-深度数据对。

●由埃得蒙顿市的北方地热咨询公司和EMR 地球物理分公司以及位于卡尔加里加拿大地质调查局 (GSC)，于1991－2006年间记录的有关加拿大西部沉积盆地未公开的测井记录。

这些数据将收录于GSC卡尔加里加拿大温度数据采集期刊。

图 3 由全球变暖（——温度异常与深度（m）的关系）引起的加拿大不同地区温度瞬变所有收集的数据均来自于通过附装电缆热敏探测器获得的高精度温度-深度测井曲线，这种热敏探测器的校准精度通常为0.003℃。

在某些情况下利用数据记录器测量温度数据，温度与压力数据由记录器内的计算器记录，而这种记录器通过钢丝绳下入井内。

把热敏探测器下入井内，并在充满水的井段开始记录不同深度间隔内的温度数据。

通常对用于测井的水井进一步钻进，以开展矿物探测和建立水文地质观测网。

这些水井在初始钻进终止后数年内达到热平衡。

在深度50、100、150、200、250m处的温度可以直接从温度读数获取，或者通过计算不同点之间的热梯度从数据点的上限和下限推断得出。

在某些情况下，对某个单独场地进行重复测井，或者在20-30m 半径范围内对多个水井测量（例如艾伯塔省地下水观测井）。

在这些区域，对各个场地的测量数据求平均值。

基于对地下50、100、150、200和250m 深度的温度数据的汇总，创建一系列新的温度分布图（图2a-e）。

地表气温评估使用的地表气温（SAT）数据来自于加拿大均匀分布的历史气候网（HCN）数据库，且长期温度时间序列专门设计用于分析加拿大各地的气候变化。

利用一种基于回归模型的技术年对最大、最小温度系列进行测试，以实现环境气象站的“相对一致性”。

该方法包括对温度系列异质性的测定，而这些温度系列由于气象站的变更因而是非气候阶段变化的，包括场地暴露、位置、仪器、观测者、观测计划或以上所有方面的改变。

从回归模型导出月调整值，并按照最新的同质温度系列部分采用这些调整值以获得每个同质的温度片段。

只要有可能，通过历史证据更正鉴定的异质性的主要原因，例如调查员报告。

历史SAT数据代表最初主要在飞机场或农业站的测量值。

在天然草地上铺设组合仪器，以保持全国观测的一致性。

考虑了仪器最邻近区域的温度变化，并做了调整以确保时间系列的同质性。

通常，仪器周围的地表特征并不一定代表更广泛的区域地貌特征。

其温度系列将计划用于代表森林区域。

相反，从井温测井获得的GST数据具有不同的场地观测特征。

这些场地位于自上个世纪土地利用和土地覆盖已发生变化的自然区域。

图 4 基于深层温度测井计算的目前地表温度（GST）（℃），以及修止的温度测井日期与当前日期之间时间间隔内近来全球变暖的响应气候变暖引起的热通量Majorowicz和 Skinner (1997)首次计算了艾伯塔省以及整个加拿大由人为地表变暖引起的的热增益（部分由气候变暖引起，部分与皆伐等导致的陆地变化有关）。

地下有效热能部分是储存的与上个世纪以来全球变暖有关的热量。

了解这一部分热能非常重要。

根据温度与深度△T(z)（图3）的瞬变值和比热C计算单位体积内累积的热量：H=cΔT（z），（1）式中，T(z)——与气候变暖有关的温度与深度瞬变值；C——比热2.5MJ/m3K；H用J/m3表示。

表面积S（m2）的总热能E为：，（2）式中，E用焦耳表示。

在加拿大将其评估为E21 J。

由于近来的气候变暖，对于陆地而言该值为9.1E21 J。

热通量Q为：，（3）式中：△T(z)——随深度变化的温度；t——时间，C——比热容量。

热流——W/m2。

图 5 在气象站百叶箱（高于地表1.5m）记录的年正常（1971-2000）日地表气温（SAT）（℃）：（a）日均SAT；（b）日最大SAT和（C）日最小SAT结果深度-温度分布图2a-e所示为温度-深度图。

这些图显示了两个一般趋势：（1）温度由南向北逐渐下降；（2）在某些位置温度随深度的增加而增大。

在所有深度观测的浅层地下温度模式显示了向北下降的趋势。

加拿大北部大部分地区的年均气温低于0℃，这与其形成多年冻土条件的地下温度也低于0℃有关。

加拿大北部多年冻土的基底深度限制了其浅层地热系统的利用率。

在北部地区，我们利用5℃的等值线确定适于浅层地热能利用的区域。

对于深度大于100m的区域而言，这将延伸至加拿大南部育空地区最北部区域及西北地区。

然而，在深度250m处，在南部地区某些位置的地下温度高达10℃。

通常，在加拿大南部的浅层温度最高，且利用地源热泵开采浅层地热能将是最有前途的。

图 6 地表温度（GST）与地表气温（SAT）之间的差异（℃）：（a）年正常（1971-2000）日最大SAT；（b）年正常（1971-2000）日最小SAT。