辛琪 孫延宗 宋紅志

摘 要： 近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源形勢(shì)越發(fā)緊張，節(jié)能減排越發(fā)迫切。作為新型能源之一，淺層低溫能源開發(fā)利用逐漸成為持續(xù)發(fā)展的重要方向。基于此，本文就棲霞市淺層地溫能源調(diào)查評(píng)價(jià)和開發(fā)利用展開研究，首先闡述了淺層地溫能，其次對(duì)其調(diào)查評(píng)價(jià)進(jìn)行分析，最后對(duì)該能源的開發(fā)利用展開研究，以期能夠充分開發(fā)利用棲霞市淺層地溫能，緩解能源緊張問題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的。

關(guān)鍵詞： 淺層地溫能源;調(diào)查評(píng)價(jià);開發(fā)利用

【中圖分類號(hào)】P314 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.29.005

為落實(shí)《國家能源局、財(cái)政部、國土資源部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用的指導(dǎo)意見》、《山東省2013-2020年大氣污染防治規(guī)劃》和省政府大氣污染防治12條要求精神和有關(guān)決策部署，明確山東省淺層地溫能分布和存儲(chǔ)，評(píng)價(jià)其資源量和開發(fā)利用潛力，并充分開發(fā)利用適宜區(qū)域，為能源開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，山東省開展了淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)活動(dòng)，從2015年開始，相繼開展了多個(gè)地區(qū)的淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)活動(dòng)。

1 淺層地溫能概述

淺層地溫能就是在地表200米以下深度范圍內(nèi)地下水、巖石體和地表水中具備開發(fā)利用價(jià)值，溫度低于25℃的熱能。該能源和傳統(tǒng)地?zé)崮茉跍囟取⒎植己屠蒙喜煌琜1]。淺層地溫能溫度要更高，且無法直接應(yīng)用，需要利用熱泵供暖、制冷，傳統(tǒng)地?zé)崮芸梢灾苯討?yīng)用供熱或發(fā)電，其只分布在地?zé)崽镏?，淺層地溫能的分布范圍則比較廣。

淺層地溫能利用原理就在于冬夏兩季恒定溫度和外界空氣溫度之間具有較大反向溫差。地源熱泵通過地球表面淺層低溫能源轉(zhuǎn)換冷熱能量，進(jìn)而為建筑物供暖制冷。熱能地泵系統(tǒng)工作原理則是通過水和地溫能實(shí)現(xiàn)冷熱交換，冬季將地溫能熱量取出，為室內(nèi)采暖，地溫能就是熱源，夏季取出室內(nèi)熱量，將其放入到地下水、地表水中，地溫能就是冷能[2]。熱泵系統(tǒng)根據(jù)室外換熱方式可以分成三種，分別為地理管地源熱泵、地下室地源熱泵、地表水地源熱泵三個(gè)系統(tǒng)。

2 淺層地溫能源調(diào)查評(píng)價(jià)

淺層地溫能源蘊(yùn)含在地下巖體、地下水內(nèi)，受到地質(zhì)條件和水文條件的限制，能源存儲(chǔ)、運(yùn)輸和開發(fā)利用受到影響。不同地區(qū)淺層地溫能源利用方式根據(jù)地理?xiàng)l件不同也存在差異。淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包括地質(zhì)勘察、賦存條件、適宜性分區(qū)、資源潛力評(píng)價(jià)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)。

2.1 地質(zhì)背景與淺層地溫能賦存條件：

（1）地形地貌：棲霞市屬低山、丘陵地形，可分成4個(gè)地貌亞區(qū)，分別為切割剝蝕構(gòu)造低山丘陵亞區(qū)、弱切割剝蝕構(gòu)造丘陵亞區(qū)、切割-強(qiáng)剝蝕丘陵亞區(qū)、剝蝕堆積山間平原亞區(qū)。工作區(qū)地形起伏大，東西高、中間低，南高北低，主要為微切割-強(qiáng)剝蝕丘陵和剝蝕平原地貌。

（2）地層構(gòu)造和巖石：棲霞市地層屬于華北地層區(qū)，包括新太古界膠東巖群、古元古界荊山群和粉子山群、新元古界蓬萊群、中生界萊陽群、青山群和王氏群、新生界臨朐群和第四系。棲霞市位于華北板塊，境內(nèi)構(gòu)造包括褶皺、韌性剪切、斷裂等構(gòu)造。棲霞市位于環(huán)太平洋花崗巖帶膠東花崗巖區(qū)，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，巖漿巖十分發(fā)育。

2.2 賦存條件：主要對(duì)巖石土體熱性特征、地溫場(chǎng)等方面進(jìn)行調(diào)查。

熱物理參數(shù)：通過對(duì)本次巖土體熱物理參數(shù)測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，工作區(qū)內(nèi)巖土體比熱容為0.752-1.067KJ/kg*k，平均值0.867KJ/kg*k;導(dǎo)熱系數(shù)為1.241-3.405 W/m℃，平均值2.687 W/m℃;導(dǎo)溫系數(shù)為0.589-1.640m2/s，平均值1.203m2/s;容積比熱容為1.794-2.699×103kJ/m3℃，平均值2.251×103kJ/m3℃。

地溫場(chǎng)分布：平面上地溫的高低主要與地層巖性、地下水徑流條件、裂隙發(fā)育程度等因素密切相關(guān)，根據(jù)調(diào)查，80m深度實(shí)測(cè)地溫最高處位于莊園街道謝家溝村地質(zhì)孔，監(jiān)測(cè)最高溫度16.48℃，其次為松山街道虎龍口村地質(zhì)孔，監(jiān)測(cè)溫度16.15℃，地溫最低處位于工作區(qū)東南的城東溝村，最低溫度15.10℃。垂向地溫特征一般與地層巖性、巖溶發(fā)育程度、裂隙發(fā)育程度、含水層富水性、第四系厚度等因素有關(guān)，根據(jù)調(diào)查，工作區(qū)恒溫帶上限埋深約14-20m，恒溫帶下限埋深約60-65m，以下便是增溫帶。

2.3 適宜性分區(qū)：基于地質(zhì)背景及淺層地溫能賦存條件，采用多種分析法進(jìn)行適宜性分區(qū)，根據(jù)利用方式不同可以劃分成適宜區(qū)、適宜性中等區(qū)和適宜性差區(qū)[4]。適宜區(qū)分區(qū)考慮的是地溫、單位涌水量、松散層厚度、含水量累計(jì)厚度、巖石導(dǎo)熱性、地下水水質(zhì)等等因素。

根據(jù)遵循地下水和地埋管換熱方式適宜性優(yōu)先原則得到，棲霞市城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用適宜性好區(qū)面積38.15km2，為地埋管換熱方式適宜性好的區(qū)域;適宜性中等區(qū)面積2.74km2，為地埋管換熱方式適宜性中等區(qū)，分布在城區(qū)白洋河以東-霞光路以西的區(qū)域;適宜性差區(qū)面積2.11 km2，為地埋管和地下水適宜性均差區(qū)。

2.4 資源潛力評(píng)價(jià)：資源潛力評(píng)價(jià)主要是為了評(píng)估一個(gè)地區(qū)單位面積內(nèi)資源量。區(qū)域淺層地溫能調(diào)查需計(jì)算評(píng)價(jià)淺層地溫能可開采量與地溫能存儲(chǔ)量。

經(jīng)計(jì)算，棲霞市城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)包氣帶淺層地溫能熱容量為0.26×1012kJ/℃。城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)120m深度飽水帶內(nèi)淺層地溫能熱容量11.27×1012kJ/℃，120m深度內(nèi)淺層地溫能熱容量11.53×1012kJ/℃。城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)200m深度內(nèi)飽水帶淺層地溫能熱容量19.18×1012kJ/℃，200m深度內(nèi)淺層地溫能熱容量19.44×1012kJ/℃。

對(duì)棲霞市城市規(guī)劃淺層地溫能源潛力評(píng)價(jià)，考慮土地利用系數(shù)，120m深度以淺和200m深度以淺，棲霞城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)，地埋管地源熱泵供暖和制冷潛力評(píng)價(jià)均為中等;不考慮土地利用系數(shù)，120m深度和200m深度地埋管熱泵系統(tǒng)供暖和制冷的潛力評(píng)價(jià)為高。

2.5 環(huán)境影響評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)：淺層地溫能源開發(fā)利用對(duì)周邊環(huán)境影響關(guān)系著和淺層地溫能有能否能夠持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，棲霞市淺層地溫能開發(fā)利用采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，構(gòu)建“控制中心-地方監(jiān)測(cè)站”，主要對(duì)埋管區(qū)及外圍的巖土體溫度、地下水水質(zhì)、管路循環(huán)水的壓力、流量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)對(duì)埋管區(qū)巖土體的溫度變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，了解地下水地源熱泵開發(fā)利用對(duì)地下水、水質(zhì)、溫度場(chǎng)、土壤溫度的影響，以及防凍液對(duì)環(huán)境的影響等，并提出了一些防治方案，例如施工前進(jìn)行地質(zhì)勘察、減少地下水和空氣接觸、對(duì)器材做好防腐處理、根據(jù)設(shè)計(jì)井間距施工、選擇好換熱器管材等等

3 淺層地溫能源開發(fā)利用

以淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)為基礎(chǔ)，結(jié)合城市規(guī)劃提出了棲霞市淺層地溫能開發(fā)利用初步方案。

棲霞市北部新建的市級(jí)行政辦公區(qū)、老城區(qū)以南的待開發(fā)區(qū)域和松山街道，處于大規(guī)模城鎮(zhèn)化建設(shè)階段，對(duì)淺層地溫能的需求較高，應(yīng)大力推廣地埋管地源熱泵技術(shù)。該市淺層地溫能開發(fā)利用工程為棲霞市財(cái)政局湖水源熱泵工程，水源取自庵里水庫。距庵里水庫130余米，適合于建造湖水源熱泵系統(tǒng)，該水源熱泵系統(tǒng)采用的是開放式，熱泵機(jī)房位于地下室，室內(nèi)采用風(fēng)機(jī)盤管散熱方式，熱泵功能為制冷、采暖，供熱期為120天/年，制冷期為90天/年，間歇運(yùn)行，夏季制冷效果室內(nèi)溫度22～26℃，冬季供暖室內(nèi)溫度18～22℃，已替代傳統(tǒng)能源的供暖和制冷方式，低于傳統(tǒng)供暖和制冷成本，經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果顯著。

3.1 開展區(qū)域調(diào)查評(píng)價(jià)和規(guī)劃開發(fā)工作

開展棲霞市淺層地溫能區(qū)域性調(diào)查評(píng)價(jià)、規(guī)劃開發(fā)工作目的和任務(wù)就在于，通過綜合調(diào)查方法開展淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)工作，明確地質(zhì)和地?zé)崽卣?，論證能源開發(fā)和利用前景，并做好適宜區(qū)規(guī)劃，為整個(gè)城市的淺層地溫能開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，選擇好典型區(qū)域，建立示范工程，為該項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用提供借鑒，為其他城市的淺層地溫能開發(fā)利用起到帶動(dòng)作用。

3.2 工作建議

（1）淺層地溫能資源有明顯的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)，但開發(fā)利用對(duì)地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境會(huì)有一定的影響。因此，地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)階段配套建設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在運(yùn)行期間要對(duì)熱泵系統(tǒng)、末端系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)開發(fā)利用淺層地溫能資源對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響。

（2）目前地源熱泵系統(tǒng)在開發(fā)利用中存在著一些亟待解決共性問題。在充分利用本地區(qū)調(diào)查成果基礎(chǔ)上，盡快建立適宜膠東低山丘陵地區(qū)的淺層地溫能開發(fā)利用場(chǎng)地勘察、施工方面的技術(shù)規(guī)程。

（3）在工程的立項(xiàng)、建設(shè)和后期管理等環(huán)節(jié)中，應(yīng)進(jìn)一步健全管理體制，明確管理主體，制定規(guī)章制度，依法實(shí)施監(jiān)管。

（4）加大淺層地溫能宣傳力度和示范工程引導(dǎo)

選取典型建筑物建設(shè)地源熱泵示范工程，探索適合當(dāng)?shù)氐拈_發(fā)利用的最優(yōu)模式，引導(dǎo)、促進(jìn)淺層地溫能的開發(fā)利用。

（5）加大政策扶持力度

為實(shí)現(xiàn)政府節(jié)能減排目標(biāo)，推進(jìn)淺層地溫能地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用，政府應(yīng)出臺(tái)符合當(dāng)?shù)貙?shí)際的地方性補(bǔ)貼政策，適度補(bǔ)貼地源熱泵工程建設(shè)單位，或在一定程度上減免城市配套費(fèi)等，對(duì)產(chǎn)業(yè)加以積極引導(dǎo)和大力扶持[3]。

結(jié)束語：綜上所述，在棲霞市地質(zhì)資料收集整理基礎(chǔ)上開展淺層地溫能評(píng)價(jià)調(diào)查工作，并根據(jù)城市總規(guī)劃進(jìn)行調(diào)查、試驗(yàn)、研究等活動(dòng)，了解棲霞市的淺層地溫能資源賦存情況，劃分淺層地溫能適宜性區(qū)域、熱容量和地埋管換熱功率、能源開發(fā)利用潛力等等，為淺層地溫能資源開發(fā)利用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提供科學(xué)的參考。

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