地热能在农业中的应用及热导率对地热能回收的影响

前言

农业和食品加工业是世界上最大和最需要能源的行业。该行业消耗了全球约三分之一的能源生产，其中约12%的能源用于作物生产，近80%能源用于加工、分销、零售、制备和烹饪（粮农组织，2010年）。它们还占全球淡水使用量的80-90%，而其中的70%淡水仅用于灌溉（Hoff，2011年）。从气候变化和过度开发自然资源的角度来看，这些统计数据将认定农业和农产品供应链是对环境最有害的行业之一。农业的生产力主要取决于水、能源和土地资源的可用性。

随着全球人口继续呈指数级增长，我们对这些资源的需求也在增加。这些行业严重依赖化石燃料生产，以至于当原油价格飙升时，一盒谷物的平均价格也会上涨。为了减少过度使用不可再生资源对环境造成的破坏性影响，农业和农产品供应链，应利用各种可再生能源来代替化石燃料促进生产，以达到提高全球粮食安全、减少温室气体排放的目的。

所以，在该行业形成对环境造成不可逆转的破坏之前，发现和使用安全、可获取和环保的能源，成为了该行业的当务之急。

图一：可再生能源

由于人口继续呈指数级增长且地球缺乏可用资源，农业和农副产品供应链不仅要跟上人类日益增长的物质需求，还需要适应气候变化并减少温室气体排放，这给农业生产者带来了严峻的生产和技术挑战。而太阳能、风能和地热能等可再生能源的开发，有可能降低生产成本并最大限度地减少对环境的影响。其中，地热能被归类为来自地壳内部的热量，是岩石和流体中包含的热能填充了地壳内的孔隙和裂缝，也是最近在农业生产过程中使用的最稳定和最强大的可再生资源之一。

人们可以通过在地下水库中钻大孔以提取蒸汽和热水到地面，为各种不同的应用提供动力。大多数地热能来自地球的最初形成以及材料的放射性衰变，具有成本效益佳、可再生、可靠和可持续的特点，而以往的应用场景仅限于位于构造板块边界附近的地区。

新技术的出现极大地扩展了地热能资源的范围和可使用性，如今，地热能可在大范围的家庭供暖等使用场景中应用。虽然地热井仍然会释放出被困在地球深处的微量温室气体，但与传统化石燃料能源产生的排放相比，这些排放要低得多。

图二：地热能回收 

材料的导热性

基岩材料的热导率是地热建模的一个极其重要的参数，因为它直接控制着稳态温度场。地面的热导率会对地热热交换器的工作温度和整体性能产生巨大影响，而热导率描述的是一种材料通过传导过程有效传递热量的能力。地热材料的热导率从0.5W/(mK)到8W/(mK)不等，虽然这是一个相对较窄的值范围，但大多数地热系统对基底的热导率极为敏感。

例如，跟高热导率6W/(mK)的材料相比，低热导率2W/(mK)的地质材料满足建筑能源所需的钻孔长度，需要增加50%以上。而钻孔可能是一个昂贵的成本，所以我们了解地下材料的导热性有助于获得最准确的钻孔长度，以满足所需的能量。

地热能的应用

在农业和食品工业中，地热能的使用正慢慢开始变得越来越普遍，如常用于加热和冷却建筑物及土壤和水（包括水产养殖用水）、干燥作物和谷物、加热温室。地热能的许多常见应用与太阳能相似，而地热能能够365天*24小时都可以被人类利用，这使得它比太阳能更方便获取，这对高纬度阳光更少的地区来说更是福音。截至2014年底，全球地热能的使用量增加了24%以上。在全球范围内，4.5%的地热用于温室和露天供暖，2%用于水产养殖，1.8%用于工业加工，0.4%用于干燥。

图三：地热能的利用

温室的热调节就是用地热能代替传统的加热方法，有益于环境、大大降低生产者成本的一个实际应用案例。地热采暖利用土壤或空气中的热量，来替代和改造以往由电力或化石燃料驱动的加热器。

从2010年到2015年，全球用于温室供暖的地热能应用增加了15%以上。

灌溉是目前世界上最大的淡水消耗者，而地热水脱盐是一种可以确保高质量的淡水用于各种应用的简单方法，所以地热系统也可以被视为淡水生产的解决方案。

在猪和家禽等农业养殖中，空间加热（和冷却）是食品生产行业的重要能源消耗。这些机械或蒸发冷却循环需要在恒定温度和空气质量的封闭建筑中进行，以促进动物达到最佳健康生长状态。而室内恒定的温度、湿度及空气质量，可以通过地热或太阳能来替代化石燃料等不可再生资源达成目标。

农作物、谷物和动物产品的干燥，是目前在食品和农业行业中最通用和最简单的地热能和太阳能应用之一。这些干燥过程的范围可以从“自己动手”的方法到复杂的工业规模地热动力脱水机。与太阳能干燥相比，地热能可以在接收较少太阳辐射的地区（例如海拔较高和气候较冷的地区）中获得。

15个国家报告显示，他们目前正在工业规模上使用地热能源干燥各种谷物、蔬菜和水果作物，如海藻、洋葱、小麦和谷物等。其中，这些可再生资源用于干燥目的的主要应用者是中国、匈牙利和美国。

图四：利用地热工艺建设农业温室

总结

地热能是一种不受气候、天气条件变化影响的无限可再生资源，一年365天都可以使用。在农业和食品生产行业中，用地热能替代传统不可再生能源的应用，将大大降低成本，并最大限度地减少对环境的有害影响。

从理论上讲，地球的地热资源可以提供足够的能源来满足人类对能源的需求，然而目前只有一小部分地热能源可以被开发利用。这些资源的钻探和勘探成本最初可能很高，使得许多公司和生产商缺乏生产动力。尽管从化石燃料转向地热能需要初始投资，但总体而言，在过去几十年中，这种可再生资源在农业中的使用量已大大增加，而随着新机器和技术的不断设计和制造，地热能在农业和食品加工业中的使用量和应用范围将持续增长。