得天独厚的地热资源——新西兰地热热泵（GHP）市场简析（上）

　　地热热泵（geothermal heat pump，以下简称GHP）是一种利用地下水、土壤或地表水等浅层地热资源即可以供热又可制冷的高效节能空调设备，能够通过输入少量的高品位能源（如电能）实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，也就是说在冬季把地能中的热量“取”出来，提高温度后供给室内采暖；而到了夏季则把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常GHP消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。

　　GHP不但能加热和冷却建筑物空间、游泳池和生活用水，而且在满足工业供热方面也大有用武之地。它在北半球使用较为普遍，然而在南半球却是相对未充分利用的技术，拥有巨大的开发潜力。

　　与国际潮流相比，新西兰GHP市场正处于起步阶段。但发展势头令人鼓舞，市场正在加速增长。新西兰2008年开始推出GHP，现在已发展成为一个有多个机构积极参与研究、宣传和开发的大项目。2012年，新西兰地热热泵协会（GHANZ）成立，更是GHP市场发展的一个转折点。该机构由供应商、安装商、设计师、政府机构和私营机构的代表组成，他们共同努力，为促进本国GHP市场的发展出谋献策。

　　本文将提出一系列探索制约GHP障碍、加快技术转让和扩大市场机遇等方面的举措，其中包括创建地面温度和浅层岩石性质的模拟系统、了解供热致冷实务、开展建筑师和工程师的咨询工作、支持质量保证、推广促销手段、完善监管制度、建立经济模型和改善部门之间的协作和沟通。为了更直观地说明GHP带来的效益，还专门介绍了三个行业样板。

　　地温较为稳定

　　新西兰位于大洋洲，太平洋南部，介于南极洲和赤道之间，自上而下延绵1600公里，穿越13个纬度线。领土由南岛、北岛两大岛屿组成，首都惠灵顿和最大城市奥克兰分别位于北岛的南端和北部。新西兰以库克海峡分隔，南岛邻近南极洲，北岛与斐济及汤加相望。

　　因为太阳光对地球直射的角度，地球自转的倾斜角为23.5度，所以当太阳光直射在北半球时，太阳光射到南半球的角度就会减小，造成南半球和北半球的季节正好相反。地处南半球的新西兰气候温和，没有明显的极端气温，但是早晚温差较大。夏天不太热，平均最高气温在20℃~30℃，最温暖的月份为12月、1月和2月。

　　冬天不太冷，平均气温10℃~15℃，最冷的月份是6月、7月和8月。从北方的亚热带气候到南部的冷凉型温带气候，全国各地的气候变化很大。北部地区年平均气温为16℃，而南部只有它的一半，仅8℃，一些高山的平均气温低至2℃。在许多地方，季节之间温度的波动幅度达20℃。地面温度全年保持相对恒定，平均在12℃~16℃。

　　新西兰水与大气国家研究院（NIWA）是新西兰主要的环境科学和应用研究单位，从事先进的环境科学研究，在低碳技术和解决方案方面提供服务，以实现新西兰和整个地球的自然资源的可持续性管理。在NIWA的具体工作中，有一项是对各地气候站的工作进行监测和指导。

　　新西兰许多气候站将测量地下温度作为日常事务，为此从地面往下钻开1米深的孔。为了研究气候对全国不同类型土壤的热力性质所产生的影响，新西兰地质和核科学研究所（GNS）选择了几个气候站作为试点，和当地技术人员一起，将监测土壤热力性质的钻孔深度延伸至10米。因为在安装GHP时，掌握土壤类型的热力性质是设计的关键。

　　一般来说，日常环境温度的变化会影响到深度约50厘米土壤的温度，而季节性温度变化则可以传播到地下7~9米深。深度约10米以下的地温是相当稳定的，特别地区的温度曲线可以在年平均气温的基础上再增加2℃。北岛北部的奥克兰市的平均地面气温为16.1℃，北岛南部的惠灵顿市14.3℃，南岛的最大城市克赖斯特彻奇13.2℃，南岛南部的达尼丁市12.2℃。

　　在测量常用的环境温度时，采用干球温度法和湿球温度法。前者在温度计的水银球不加任何包被的情况下进行测量，测出的温度是大气温度，俗称气温。后者用湿棉纱把温度计的水银球包起来进行测量，测出的温度是大气湿度饱和情况下的温度。干球温度与湿球温度的差值可表现出环境的湿度。这两种温度所反映的环境温度性质是不同的，所以在表示环境温度时必须说明所采用的测量方法。

　　通过连续不断地监测现场地温，热力性质（如热扩散、热导率和体积热容量）便可以确定下来。在地热资源的开发中，这些参数对于提高GHP效率和用这种热泵进行合算的热回收尤为重要，还可以测算到雨量和水分含量对通过不同土壤的热传播的影响。

　　地热资源丰富

　　地热资源是指贮存在地球内部的可再生热能，一般集中分布在构造板块边缘一带，起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。全球地热能的储量与资源潜量非常巨大，每年从地球内部传到地面的热能相当于100PW·h。但是地热能的分布相对比较分散，因此开发难度很大。由于地热能是储存在地下的，因此不会受到任何天气状况的影响，并且地热资源同时具有其它可再生能源的所有特点，随时可以采用，不带有害物质，关键在于是否有更先进的技术进行开发。目前地热能在全球很多地区的应用相当广泛，开发技术也在日益完善。

　　GNS的地质调查研究表明，新西兰是一个地热资源蕴藏量极大的国家。全国有四个地热区，即北部地热区、豪拉基地热区、罗托鲁瓦—陶波地热区和南阿尔卑斯地热区。前三个在北岛，后一个在南岛。四个地热区共有68个地热田和泉群（指泉眼密集地带），热泉总数超过1000个，总面积达207平方公里，测得最高温度为307℃，热储总体积414立方公里，热量总蕴藏量大约为200万瓦。

　　在四个地热区中，以北岛中部的罗托鲁瓦—陶波地热区最大，它南起鲁阿佩胡火山，向东北经陶波湖直抵普伦提湾上的白岛，呈东北—西南向延伸，长达240公里，宽约48公里。这里火山、湖泊特多，数以千计的间歇泉、沸泉、喷气孔、沸泥塘等，地热现象随地可见。聚居在这里的新西兰土著居民毛利人很早就开始利用地热能，并广泛应用于做饭、洗衣、洗澡、养殖和工农业等方面。

　　上世纪50年代用于地热发电，怀拉基曾是世界上第二大地热电站。

　　新西兰为什么会有这样丰富的地热资源呢？GNS的专家介绍说，这与独特的地质构造有关。北岛形状曲折，中部山岭起伏多火山，以鲁阿佩胡火山、埃格芒特火山和塔拉韦拉火山最有名。在岛上的最大湖泊陶波湖四周，有厚层火山物质。北岛是东北—西南向和西北—东南向两种不同走向山脉的相会处，中部形成一个断裂带。这里地壳活动频繁，地球内部炽热的岩浆沿裂缝不断地接近地表，甚至喷出地面。它们加热了地下水，使之成为温度很高的热泉和蒸汽。由此可见，断裂带通常是地热资源最丰富的地区。

　　新西兰低焓地热资源分布广泛，包括北岛、南岛和外岛水温90℃的温泉系统、陶波火山带内高焓地热系统的边缘或边界、在东岸和西岸废油井3.5公里深处水温介于120~160℃的地热水和地表以下15~20米处的天然热流。

　　新西兰的温泉系统在四大构造背景区均有发现，具有四大特点：一，与第四系俯冲作用相关的裂谷作用和板块内部火山作用，包括深部的岩浆体；二，热地幔（物质）上涌；三，在北岛增生棱柱体内热水沿断裂迅速上升；四，南阿尔卑斯（山)）迅速隆升。在陶波火山带内，排放的流体来源有两种：第一种是来自东部边缘俯冲物质的岛弧型岩浆水；第二种是源自裂谷作用和强烈的流纹岩火山作用地带的富含地幔物质的挥发组分。

　　在纳瓦与板快内部玄武岩火山作用有关的流体排出物中，含有大量地幔成分。在陶波火山带和纳瓦以外的地区，大部分温泉水来源于深循环地下水，可能含有痕量的源自地幔的挥发成分、盐类水和变质水。在北岛东岸增生的棱柱体内，热储水来源于海水和由海相粘土中脱出的水。总之，新西兰地热资源分布广泛，具备发展GHP的有利条件。