馬鞍山市博望區的淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用及影響研究

當前，淺層地熱能主要應用在供暖和制冷環(huán)節，由于使用過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生污染物，國家越來(lái)越重視對淺層地熱能的開(kāi)發(fā)。本文主要探討馬鞍山市博望區的淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用工作。

1. 淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用的主要特點(diǎn)

淺地層的熱能主要指地表層200m深度范圍的熱能源，該能源的形成主要是由于地球梯度溫度提升以及太陽(yáng)輻射。淺層地熱能資源具有著(zhù)溫度適宜、常年溫度恒定、可再生以及可循環(huán)利用等特點(diǎn)，具有較高的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值，當前的淺層地熱能儲量十分豐富，為開(kāi)發(fā)利用提供更多可能。

2. 工作區的熱響應測試

本次研究的淺層地熱能開(kāi)發(fā)項目為馬鞍山市博望區淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用工程，結合項目設計要求，本工程在現場(chǎng)的工作區開(kāi)展熱響應測試，共設置三個(gè)測試孔，熱響應測試目的是對開(kāi)發(fā)地區的淺層地熱能儲量進(jìn)行評價(jià)了解，以便提出有效的開(kāi)發(fā)利用意見(jiàn)，具體測試包括以下兩個(gè)步驟。

2.1 進(jìn)行熱響應測試孔的合理布置

測試孔布置數量為3個(gè)，在成孔過(guò)程中采用鉆探取芯方式，總進(jìn)尺距離達到300 m，三個(gè)孔都分別下入管長(cháng)為100 m，埋管深度為98 m，管直徑為25 mm的單U形式HDPE管，三個(gè)孔號分別為DR01、DR02以及DR03,DR01和DR03號孔先進(jìn)行熱響應測試，時(shí)間為2017年5～6月，DR02號孔后進(jìn)行熱響應測試，時(shí)間為2018年5月。整體熱響應測試的方案為：測試巖土體的初始溫度、進(jìn)行3kW的穩定熱流測試、進(jìn)行6kW的穩定熱流測試、開(kāi)展冬季7℃的穩定工況測試。

DR01號孔主要進(jìn)行了巖土體初始溫度測試、3kW和6 kW的穩定熱流測試，測試工作中孔深設定為100 m，埋管形式為單U，埋管直徑為25 mm，埋管深度為98 m；與DR01號孔相比，DR02號孔額外增加了冬季7℃的穩定工況測試工作，測試工作中孔深設定為100 m，埋管形式為單U，埋管直徑為25 mm，埋管深度為98 m;DR03號孔開(kāi)展的熱響應測試與DR02號孔相同，具體包括冬季7℃的穩定工況測試、巖土體初始溫度測試、3 kW和6 kW的穩定熱流測試，測試中的孔深同樣為100 m，埋管形式為單U，埋管直徑為25 mm。埋管深度設定為98 m，三個(gè)孔的鉆孔編錄均為巖芯編錄。

2.2 開(kāi)展場(chǎng)地巖土熱響應測試

從現場(chǎng)勘察結果來(lái)看，三個(gè)測試孔的鉆孔深度一致，均為100 m，孔直徑根據管型號可知為25 mm，根據熱響應測試結果來(lái)看，在測試時(shí)間段內，DR01號孔的巖土體平均初始溫度為18℃，DR02號孔的巖土體平均初始溫度為18.4℃，DR03號孔的巖土體平均初始溫度為18℃。圖1為DR01號孔的巖土體平均初始溫度曲線(xiàn)；圖2為DR01號孔的巖土體平均初始溫度測試流量曲線(xiàn)。

在進(jìn)行3kW的穩定熱流測試時(shí)，DR01號孔的巖土體導熱系數為2.212W/m·K,DR02號孔的巖土體導熱系數值為2.407W/m·K,DR03號孔的巖土體導熱系數為2.589W/m·K；在進(jìn)行6kW的穩定熱流測試時(shí)，DR01號孔的巖土體導熱系數為2.666W/m·K,DR02號孔的巖土體導熱系數為3.006W/m·K,DR03號孔的巖土體導熱系數為2.909W/m·K。通過(guò)計算可知，DR01、DR02以及DR03號孔的平均巖土體導熱系數分別為2.439W/m·K、2.707W/m·K以及2.749W/m·K。

建筑物在建設時(shí)，若是推進(jìn)開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能，建議實(shí)時(shí)進(jìn)行能效及地熱變化的監測，尤其是重視監測熱泵系統實(shí)時(shí)運行過(guò)程中，對場(chǎng)地地質(zhì)環(huán)境以及地下溫度場(chǎng)產(chǎn)生的影響，對于能效的消耗情況及時(shí)掌握并做好記錄，后續會(huì )作為調節熱泵系統運行條件的重要依據。圖3為熱響應測試的系統原理。

3. 淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用要點(diǎn)

近些年，國內有關(guān)淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用項目越來(lái)越多，趨向于市場(chǎng)化推動(dòng)，但由于目前有關(guān)淺層地熱能開(kāi)發(fā)資源調查不充分、評價(jià)機制較滯后以及研究頗為薄弱，仍舊有許多開(kāi)發(fā)利用地區存在發(fā)展不足。此外，還有一些地區的開(kāi)發(fā)利用過(guò)于超前，家底不清晰，導致影響城市規劃與管理，在淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)的勘察技術(shù)標準與測試技術(shù)方面也缺乏完善性，而淺層地熱能在開(kāi)發(fā)之后也缺乏長(cháng)期監測機制，導致對地質(zhì)環(huán)境變化產(chǎn)生影響不明晰，缺乏數據支持?；谏鲜鲈?，城市的部分工程項目出現了設計不嚴謹、施工不規范、水資源浪費、水質(zhì)污染擴散、熱污染、地下水回灌效果差以及地面沉降等問(wèn)題，嚴重情況還包括工程失敗、效能低下以及達不到預期效果等。

根據項目所在地區的氣候條件可知，較為適宜進(jìn)行淺層地熱能的開(kāi)發(fā)與利用，具有地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的特征，不容易產(chǎn)生熱污染問(wèn)題。本地區對淺層地熱能具有較大需求，但對于熱泵系統的設計、資源勘察評價(jià)以及地質(zhì)環(huán)境影響監測和管理等方面也要重視，淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中還需把控以下三項要點(diǎn)。

一是積極推進(jìn)環(huán)境響應檢測工作，對地熱能的開(kāi)發(fā)與利用會(huì )對原有地下熱產(chǎn)生影響，打破原有結構的平衡，溫度場(chǎng)也會(huì )發(fā)生改變，間接影響地下微生物以及地下水，為了把控開(kāi)發(fā)利用的質(zhì)量，還需明確調查地表溫度效應，同時(shí)建立長(cháng)期的監測機制，以機制系統的數據為基礎制定開(kāi)發(fā)規劃。

二是重視對開(kāi)發(fā)市場(chǎng)的監督，目前的淺層地熱能開(kāi)發(fā)項目越來(lái)越多，市場(chǎng)規模逐漸擴大，而部分單位在實(shí)施項目時(shí)，存在主管部門(mén)分工不合理、不明晰，給開(kāi)發(fā)市場(chǎng)的監督帶來(lái)不利影響，甚至是出現監管缺位。再加上一些項目工程的設計、勘查以及施工等任務(wù)的準入限制不足，工程驗收標準也不夠完備，要求設置不合理，致使開(kāi)發(fā)中出現資源浪費，達不到理想狀態(tài)，為此，一定要重視對開(kāi)發(fā)市場(chǎng)的監督和管理，重點(diǎn)著(zhù)手于規范項目實(shí)施標準和驗收標準，還要保證分工明確、責任落實(shí)到位。

三是完善開(kāi)發(fā)利用方案，先是要對實(shí)際開(kāi)發(fā)的適宜性進(jìn)行分析，該適宜性主要由地質(zhì)條件、施工條件以及市場(chǎng)經(jīng)濟條件決定，分析淺層地熱能產(chǎn)生原因，主要是因為夏季與冬季外部環(huán)境溫差大，而地層中的溫度比較恒定，會(huì )產(chǎn)生反向溫差，這種自然形成的條件導致淺層地熱能從某種程度上來(lái)說(shuō)，具有取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)，伴隨熱泵技術(shù)水平的提升，其開(kāi)發(fā)利用的前景更好，有長(cháng)期使用的價(jià)值。但任何資源在開(kāi)發(fā)方面都要對強度進(jìn)行限制，尤其是可再生類(lèi)資源，要做好勘察資源工作。淺層地熱能事實(shí)上是存在于隱蔽地質(zhì)體中的一種無(wú)形資源，在開(kāi)發(fā)利用方案設計時(shí)，需要充分考慮地質(zhì)條件，在地質(zhì)條件資料獲取中，應當選擇專(zhuān)業(yè)的勘查手段，從而做好適宜性評估分析工作。其次，還要對淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用對地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究，在此基礎之上，進(jìn)一步構建管理淺層地熱能開(kāi)發(fā)的信息系統，方便于未來(lái)長(cháng)期實(shí)現淺層地熱能資源的規劃、開(kāi)發(fā)利用以及綜合管理，獲取更多效益，不限于經(jīng)濟效益，還包括環(huán)境效益。

4. 淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用的建議

4.1 因地制宜，合理開(kāi)發(fā)

我國地域遼闊，各個(gè)地區在地質(zhì)條件與氣候方面具有很大差異，淺層地熱能資源不相同，在進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，需充分考慮這些地域差異，嚴格做到因地制宜，在本開(kāi)發(fā)項目中，對馬鞍山市博望區的地質(zhì)環(huán)境與氣候條件進(jìn)行了充分了解，同時(shí)將適宜進(jìn)行開(kāi)發(fā)的區域細致劃分，明晰熱系統參數范圍，大力推廣淺層地熱能項目，并有效推進(jìn)項目，對于地質(zhì)條件與水文條件優(yōu)質(zhì)的區域應當加強開(kāi)發(fā)利用，而地質(zhì)條件不太理想的區域則可先開(kāi)展試點(diǎn)工作，獲取開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，提升項目推進(jìn)的穩妥性。

4.2 強化技術(shù)能力，提升開(kāi)發(fā)水平

淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用水平與技術(shù)能力有著(zhù)直接聯(lián)系，一般采用換熱技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采，要保證該技術(shù)的高效。當前，國家能源局十分重視高效換熱技術(shù)與井下?lián)Q熱技術(shù)的研發(fā)，其成為淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用的重點(diǎn)。除此之外，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中還要保證整體系統具有節能性，要優(yōu)化地熱泵機組運行性能，提升運行質(zhì)量，從目前的市場(chǎng)情況來(lái)看，國內地熱泵機組還不夠成熟，產(chǎn)品質(zhì)量不高，可積極引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，并提升國內自主研發(fā)的質(zhì)量，保障淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用效益。

4.3 加強淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用管理工作

推進(jìn)淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用，還需進(jìn)一步加強開(kāi)發(fā)利用的管理工作，應當對其監督管理大力支持，尤其是生態(tài)環(huán)境、水利部門(mén)以及自然資源部門(mén)等，協(xié)調配合淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用工作，促進(jìn)項目順利實(shí)施，保證各部門(mén)通力合作，提升淺層地熱能開(kāi)發(fā)規劃水平。還可建立地熱能開(kāi)發(fā)利用的信息共享平臺，便于各部門(mén)信息有效流通，避免出現地熱能開(kāi)發(fā)的不規范行為。除此之外，還應當對勘察、設計以及施工完善管理制度，制定監督應對方法，促進(jìn)淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用。

綜上所述，對淺層地熱能的開(kāi)發(fā)有利于提升我國能源利用率，推動(dòng)可持續發(fā)展。由地大熱能整理分析可知，淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用應當做到因地制宜、合理開(kāi)發(fā)，同時(shí)強化技術(shù)能力，提升開(kāi)發(fā)水平，還要加強淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用管理，從而提升開(kāi)發(fā)利用效率。