江蘇泰州城市規劃區淺層地熱能特征及其開(kāi)發(fā)利用

  0 引言

 

  泰州地處江蘇中部、長(cháng)江沿岸，是一個(gè)快速崛起的新興工貿城市，常規能源貧乏，淺層地熱能是一種可再生的新型環(huán)保能源，利用前景廣闊( 衛萬(wàn)順等，2010a) 。

 

  泰州市城市規劃區地處長(cháng)江沖積平原，淺層地熱能資源豐富，為了能更好地、科學(xué)地開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能，在對該區已有區域地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等資料分析的基礎上，補充了地熱地質(zhì)、巖土工程地質(zhì)及地熱能開(kāi)發(fā)利用現狀等項調查，通過(guò)鉆探、現場(chǎng)熱響應試驗和室內測試研究，查明了區域地層熱物性參數、淺層地熱能的賦存條件、分布特征，估算了可利用資源量，并進(jìn)行了適宜性分區，同時(shí)提出了可行的開(kāi)發(fā)利用方案及合理的開(kāi)發(fā)利用建議，為淺層地熱能可持續利用、保護和管理提供了科學(xué)依據。

 

  1 地質(zhì)背景

 

  研究區地質(zhì)構造上位于下?lián)P子地塊的蘇南隆起與蘇北凹陷交界部位，主體處于蘇北盆地的泰州低凸起中，北鄰溱潼凹陷，東南有海安凹陷，低凸起軸向北東東，普遍分布巨厚的古近紀地層。本區處在新生代以來(lái)的沉降地帶，前第四系地層主要有新近紀、古近紀、白堊紀以及侏羅紀地層，200 m 以淺均為第四系松散層覆蓋。區內第四紀地層發(fā)育齊全，地層厚度大于220 m。以新通揚運河為界，大體可分為2 個(gè)沉積區: 北為里下河沉積過(guò)渡區，南為長(cháng)江三角洲沉積區。

 

  2 淺層地熱能資源賦存條件

 

  2． 1 第四紀巖土體地質(zhì)條件

 

  研究區第四紀地層發(fā)育齊全，厚度大于220 m。

 

  本次自北往南在研究區農業(yè)園( CSK04) 、海陵國土資源分局( CSK05、CSK06) 、醫藥城( CSK03) 、永勝村( CSK01、CSK02) 4 個(gè)點(diǎn)共施工了6 個(gè)鉆孔 ，其中4 個(gè)鉆孔孔深為120 m 左右，2個(gè)鉆孔孔深為150 m 左右，均未揭穿第四紀地層。從工程地質(zhì)角度來(lái)看，整個(gè)區域分為4 個(gè)工程地質(zhì)區，由南往北分別為低河漫灘沉積工程地質(zhì)區、高河漫灘沉積工程地質(zhì)區、埋藏型古階地工程地質(zhì)區、潟湖相沉積工程地質(zhì)區。整體上以黏土、砂層為主，在區域上呈現由南往北黏土層增厚、砂層減少的趨勢，南部地區偶見(jiàn)含礫石層存在，而北部地區則以黏土層為主，無(wú)礫石。

 

  2． 2 第四紀巖土體物性條件

 

  本次研究分別在永勝村、醫藥城、農業(yè)園區、海陵國土資源分局各實(shí)施巖土體熱物性測試分析取樣鉆孔1 個(gè)，合計送分析樣品47 件。經(jīng)測試分析，區內巖土體導熱系數為1. 067 ～ 2. 292 W/( m·K) ，平均為1. 614 W/( m·K) ; 熱擴散率為1. 23 × 10 － 3 ～4. 23 × 10 － 3 m2 /h，平均為2. 52 × 10 － 3 m2 /h。全區平均巖土體導熱系數及熱擴散率統計見(jiàn)表1。從表1 可以看出，整個(gè)區域的巖土體導熱系數和熱擴散率均較強，整體上呈現由南往北逐步減低的趨勢，這與第四紀巖土體黏土層增厚的地質(zhì)特征密切相關(guān)。

 

  2． 3 水文地質(zhì)條件

 

  區內地下水類(lèi)型主要為松散巖類(lèi)孔隙水。泰州市城市規劃區呈南北長(cháng)條形分布，在沉積物厚度、沉積物特征、含水層結構、富水性、補給條件等各個(gè)方面都顯示出南北向差異，條件較為復雜。根據沉積環(huán)境、含水層厚度、含水層巖性等將調查區分為長(cháng)江三角洲沉積區和里下河沉積過(guò)渡區。以新通揚運河為界，以北為里下河沉積過(guò)渡區，以南為長(cháng)江三角洲沉積區。根據地下水在含水介質(zhì)中的賦存條件、形成時(shí)代、水力特征，將區內松散巖類(lèi)孔隙水分為5 個(gè)含水層組，即潛水、第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ承壓水( 表2) 。在寺巷以南地段，第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ承壓水相互連通，形成巨厚型含水層分布區。

 

  2． 4 地溫場(chǎng)條件

 

  本次研究利用分布在4 個(gè)點(diǎn)的6 個(gè)現場(chǎng)熱響應測試孔對地層原始地溫進(jìn)行了測試，整個(gè)區域測定的不同深度原始地溫在13． 82 ～ 22． 32 ℃之間，巖土體平均原始地溫在17． 9 ～ 18． 2 ℃之間。所有測試孔不同深度巖土體的原始溫度都呈現隨深度增加而溫度升高的趨勢。不同測試點(diǎn)地表下不同深度巖土體原始溫度對比如圖2 所示。

 

  3 現場(chǎng)熱響應測試

 

  3． 1 測試原理及方案

 

  測試根據傳熱學(xué)相似理論，簡(jiǎn)單模擬地源熱泵空調系統夏季工況制冷( 向地下排熱) 和冬季工況供暖( 向地下排冷) 的運行模式( GB 50366—2005;韓再生等， 2007) ，通過(guò)整個(gè)試驗，對該地區的水文地質(zhì)狀況、溫度場(chǎng)、傳熱系數等進(jìn)行測算、分析。測試分2 種模式: 一種是模擬地源熱泵空調系統夏季制冷的運行模式，通過(guò)向地下排熱獲取巖土的熱物性參數，測試持續時(shí)間不小于72h; 另一種模式是模擬地源熱泵空調系統冬季供暖的運行模式，通過(guò)向地下排冷來(lái)獲取巖土的熱物性參數，測試持續時(shí)間不小于72h。2 種工況測試過(guò)程中，為了解土壤的自我恢復能力，2種模式測試時(shí)，中間間隔不小于24h。

 

  具體測試原理如下: 將儀器的水路循環(huán)部分與所要測試換熱孔內的PE 管路相連接，形成閉式環(huán)路，通過(guò)儀器內的微型循環(huán)水泵驅動(dòng)環(huán)路內的液體按設定的流速不斷循環(huán)，同時(shí)儀器內的加熱器/制冷設備按設定的功率不斷加熱/冷卻環(huán)路中的液體介質(zhì)。該閉式環(huán)路內的液體不斷循環(huán)，加熱器/制冷設備所產(chǎn)生的熱量/冷量就不斷通過(guò)換熱孔內的換熱管釋放到地下。閉式環(huán)路內的液體循環(huán)過(guò)程中，將進(jìn)/出儀器的溫度、流量和加熱器/制冷設備的加熱功率/制冷參數進(jìn)行適時(shí)采集記錄，然后通過(guò)理論上參數的變化規律，利用專(zhuān)業(yè)軟件來(lái)模擬計算巖土的熱物性參數; 同時(shí)，通過(guò)巖土的熱物性參數及熱響應規律分析校核巖土的熱響應規律。

 

  本次熱響應測試采用大功率恒流法，并采用圓柱熱源理論模型結合參數估計法來(lái)計算土壤導熱系數及其他相關(guān)參數( 彭清元等，2010) 。其中CSK01和CSK02 同在一個(gè)工地，深度相同，埋管方式不同，用來(lái)對比同一地質(zhì)條件下，不同埋管方式的單位孔深換熱量; CSK05 和CSK06 同在一個(gè)工地，埋管方式相同，深度不同，用來(lái)對比同一地質(zhì)條件及埋管方式下，不同孔深的單位孔深換熱量; CSK01 和CSK04在不同工地，孔深相同，埋管方式均為單U，用來(lái)對比相同孔深及單U 埋管方式下，不同地質(zhì)條件的單位孔深換熱量; CSK03 和CSK05 在不同工地，孔深相同，埋管方式均為雙U，用來(lái)對比相同孔深及雙U埋管方式下，不同地質(zhì)條件的單位孔深換熱量。

 

  3． 2 測試結果

 

  由換熱孔測試數據分析，該地區巖土體平均原始溫度在17． 9 ～ 18． 2 ℃之間。測試中綜合單U 和雙U 埋管相比，雙U 換熱效果相對較好。實(shí)際工程中，需要將鉆孔、管材的經(jīng)濟成本聯(lián)合考慮，選出性?xún)r(jià)比較高的埋管方式( 表3) 。

 

  由于單位延米換熱量是在特定測試工況下得到的數據，受工況影響很大，比如流量大小介質(zhì)等因素，用于地埋管地源熱泵系統設計時(shí)，可根據相應工況，利用安全裕量系數進(jìn)行調整?？拷L(cháng)江附近區域可能地下水流動(dòng)性較好，換熱效果可能較理想。

 

  通過(guò)利用模擬軟件進(jìn)行分析，假設地層各個(gè)方向均勻分布，熱量會(huì )以柱狀熱源為中心向四周蔓延，在距離熱源中心半徑越大，溫度影響越小，溫升幅度越小。換熱孔橫向影響半徑在不考慮地下水徑流及冷熱負荷間歇作用的情況下，推薦雙U 埋管間距一般在5 m 左右，單U 埋管間距一般在4． 5 m 左右。

 

  所以，在鉆孔場(chǎng)地富裕的情況下，雙U 型換熱器之間間距取5 m 應該較為經(jīng)濟合理?？v向方向上，溫度呈現一定的梯度，在換熱器底部，熱量向下傳導的作用減小，影響范圍一般是孔底向下0． 5 m 深處。

 

  3． 3 測試結果的分析研究

 

  3． 3． 1 不同埋管方式的對比分析本次測試在永勝工地布置了CSK01 和CSK02 兩個(gè)測試孔，兩孔相距5 m，孔深均為120 m。其中CSK01 采用單U 埋管方式，CSK02 采用雙U 埋管方式，經(jīng)測試結果對比發(fā)現，在相同的地質(zhì)條件和深度下，雙U 的換熱效果明顯比單U 的換熱效果高，其中排熱工況下，雙U 比單U 高出19． 5%，排冷工況下，雙U 比單U高出35． 7%。

 

  3． 3． 2 不同埋管深度的對比分析本次測試在海陵國土資源分局工地布置了CSK05 和CSK06 兩個(gè)測試孔，兩孔相距5 m，均采用雙U 埋管方式，其中CSK05孔深為150 m，CSK06 孔深為120 m。從測試結果對比發(fā)現，在相同的地質(zhì)條件和埋管方式下，孔深120 m的換熱效果明顯比孔深150 m 的換熱效果高，其中排熱工況下，孔深120 m 比孔深150 m 高出17． 9%; 排冷工況下，孔深120 m 比孔深150 m 高出4． 1%。

 

  3． 3． 3 不同地質(zhì)條件的對比分析本次測試在永勝工地布置的CSK01 孔和在農業(yè)園區布置的CSK04 孔均采用單U 埋管方式，孔深均為120 m，經(jīng)對比可知: 在相同的孔深和埋管方式下，永勝工地的CSK01 孔的換熱效果比農業(yè)園區的CSK04 孔的換熱效果略高，其中排熱工況下，永勝工地的CSK01孔比農業(yè)園區的CSK04 孔高出1. 6%，排冷工況下，永勝工地的CSK01 孔比農業(yè)園區的CSK04 孔高出2. 7%。

 

  在永勝工地布置的CSK02 孔和在海陵國土資源分局布置的CSK06 孔均采用雙U 埋管方式，孔深均為120 m，經(jīng)對比發(fā)現，在相同的孔深和埋管方式下，永勝工地的CSK02 孔的換熱效果比海陵國土資源分局的CSK06 孔的換熱效果高，其中排熱工況下，永勝工地的CSK02 孔比海陵國土資源分局的CSK06 孔高出6. 8%，排冷工況下，永勝工地的CSK02孔比海陵國土資源分局的CSK06 孔高出32. 3%。

 

  在醫藥城工地布置的CSK03 孔和在海陵國土資源分局布置的CSK05 孔均采用雙U 埋管方式，孔深均為150 m。從測試結果可以看出，在相同的孔深和埋管方式下，醫藥城工地的CSK03 孔的換熱效果比海陵國土資源分局的CSK05 孔的換熱效果要好，其中排熱工況下，醫藥城工地的CSK03 孔比海陵國土資源分局的CSK05 孔高出21. 1%; 排冷工況下，醫藥城工地的CSK03 孔比海陵國土資源分局的CSK05 孔高出16. 2%。

 

  3． 4 測試結果的對比分析

 

  通過(guò)分析對比，整個(gè)研究區換熱效果均較好，但南部明顯比北部地區換熱效果要高，主要是由于砂層含量高和地下水含量及徑流的原因，整體上呈現出由南往北換熱效果逐漸減低的趨勢，但總體差別不是很大。另外，雙U 的換熱效果明顯比單U 的換熱效果要好，建議在淺層地溫( 熱) 能開(kāi)發(fā)利用工程中盡量采用雙U 的埋管方式。

 

  4 淺層地熱能資源評價(jià)

 

  4． 1 評價(jià)計算方法

 

  計算垂直地埋管換熱系統淺層地熱能可開(kāi)采量時(shí)采用單位換熱量法，計算公式如下( DZ /T 0225—2009; 衛萬(wàn)順等， 2010b) :

 

  Dq = Dnτ

 

  式( 1) 中，Dq為評價(jià)區總地熱能，kW; n 為可鉆換熱孔數; τ 為土地利用系數; D 為單孔地熱能，kW:

 

  D = KyΔtL /1 000 ( 2)

 

 式( 2) 中，D 為單孔地熱能，kW; Ky為每延米換熱量，W/( m·℃) ; Δt 為溫差，℃，即為U 形管內溫度平均值與埋管影響范圍內巖土體溫度之差; L 為單孔有效換熱長(cháng)度，m。

 

  4． 2 計算參數的獲取

 

  根據泰州市城市規劃區土地利用規劃估算土地利用系數τ 為0. 22。根據現場(chǎng)換熱測試，夏季在120 m 深度分別為64. 7 W 和60. 33 W，則設定KyΔtL 為( 64. 7 + 60. 33) ÷ 2 = 62. 52 W。

 

  D夏= 62. 52 × 120 ÷ 1 000 = 7. 50 kW

 

  冬季在120 m 深度分別為47． 83 W 和36． 16W，則設定KyΔtL 為( 47． 83 + 36． 16 ) ÷ 2 =41. 99 W。

 

  D冬= 41． 99 × 120 ÷ 1 000 = 5． 04 kW

 

  按每孔間距5 m 計算，則每孔占地面積為25 m2，可鉆換熱孔數n =428 ÷25 ×106 =17 120 000 個(gè)。

 

  地熱能提取利用系數設為32%( 參照北京) ，開(kāi)發(fā)利用時(shí)間夏季和冬季各取120 天。

 

  4． 3 計算結果

 

  夏季可開(kāi)發(fā)利用功率為:

 

  Dq 夏= D夏nτ = 7. 50 × 17 120 000 × 0. 22 × 0. 32= 9. 04 × 106 kW

 

  夏季可開(kāi)發(fā)利用資源制冷量為:

 

  Q夏= Dq 夏h = 9. 04 × 106 × 24 × 120 = 2. 60 ×1010 kWh

 

  冬季可開(kāi)發(fā)利用功率為:

 

  Dq 冬= D冬nτ = 5. 04 × 17 120 000 × 0. 22 × 0. 32= 6. 07 × 106 kW

 

  冬季可開(kāi)發(fā)利用資源制熱量為:

 

  Q冬= Dq 冬h = 6. 07 × 106 × 24 × 120 = 1. 75 ×1010 kWh以120 m 深孔計算的可開(kāi)采量見(jiàn)表4 所示。

 

  表4 研究區可開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能資源量表( 120 m 以淺)面積/km2可利用功率/kW 可利用量/kWh

 

  夏季冬季夏季冬季

 

  428 9． 04 × 106 6． 07 × 106 2． 60 × 1010 1． 75 × 1010如果以夏季100 W/m2、冬季80 W/m2 負荷計算，則泰州市城市規劃區淺層地熱能可供暖服務(wù)面積7． 59 × 107 m2，可制冷服務(wù)面積9． 04 × 107 m2。

 

  4． 4 環(huán)境效應評價(jià)

 

  泰州城市規劃區可開(kāi)發(fā)利用的淺層地熱能每年達到4． 35 × 1010 kWh，按照推薦的地熱利用節能減排量估算( GB /T 11615—2010) ，相當于5 352 kt 標煤完全燃燒所釋放的能量。如被充分利用，可減少排放二氧化碳12 769． 87 kt、二氧化硫90． 98 kt、氮氧化物32． 11 kt、粉塵42． 82 kt; 減少煤灰渣等固體廢物排放5． 35 kt。即使按其10%的開(kāi)發(fā)利用量，仍具有顯著(zhù)的節能減排效應。

 

  5 淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用建議

 

  ( 1) 泰州市夏季制冷和冬季供暖時(shí)間基本相當，非常適合淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用。以120 m 以淺計算，泰州市城市規劃區可合理開(kāi)發(fā)利用的淺層地熱能每年將達到4． 35 × 1010 kWh，而根據調查情況表明，目前僅有醫藥城和第四人民醫院進(jìn)行了淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用。醫藥城、濱江新城、農業(yè)園區有大量在建、擬建的工程，非常適宜進(jìn)行淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用。淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用率的提高，也有助于泰州市節能減排指標的實(shí)現。

 

  ( 2) 泰州市城市規劃區地層可鉆性強，換熱效果好，非常適合利用垂直地埋管地源熱泵進(jìn)行淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用。垂直地埋管建議采用雙U 埋管方式，口徑為25 mm 或32 mm，深度控制在80 ～120 m，視工程的場(chǎng)地情況而定，一般宜在100 m 深度，能取得較好的換熱效果和性?xún)r(jià)比。

 

  ( 3) 鑒于蘇錫常地區開(kāi)采地下水而引發(fā)的地質(zhì)災害先例，以及地下水回灌存在的技術(shù)難題，結合泰州市城市規劃區的地下水特征和泰州市城區已有地面沉降的實(shí)際情況，不推薦使用水源熱泵方式來(lái)進(jìn)行淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用。

 

  ( 4) 泰州市淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用率較低，需要加大宣傳力度，制定相關(guān)的政策措施來(lái)規劃、規范、引導、支持淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用。

 

  6 結論

 

  ( 1) 泰州市城市規劃區淺層地熱能資源潛力巨大，夏季可利用量達2. 60 × 1010 kWh，冬季可利用量1. 75 × 1010 kWh。利用淺層地熱能可供暖面積為7. 59 × 107 m2，可制冷面積9. 04 × 107 m2。

 

  ( 2) 泰州市城市規劃區地質(zhì)條件好，地層可鉆性強，換熱效果佳，非常適合利用垂直地埋管地源熱泵系統進(jìn)行淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用，工程初投資成本低，具有明顯的開(kāi)發(fā)優(yōu)勢。

 

  ( 3) 泰州市城市規劃區可開(kāi)發(fā)的淺層地熱能每年可達到4. 35 × 1010 kWh，相當于5 352 kt 標煤完全燃燒所釋放的能量。如被充分利用，可減少排放二氧化碳12 769. 87 kt、二氧化硫90. 98 kt、氮氧化物32. 11 kt、粉塵42. 82 kt。節能減排效益明顯。

 

  ( 4) 泰州市城市規劃區可開(kāi)發(fā)利用的淺層地熱能資源量巨大，但目前開(kāi)發(fā)程度相對較低，建議加大開(kāi)發(fā)力度。