曾梅香 高寶珠 黎雪梅 李會(huì)娟（天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院）摘要：淺層地?zé)崮苁侵笍V泛存在于淺部地層（恒溫層至數(shù)百米范圍內(nèi)）中的熱能，是一種低品位（＜25℃）的能源。但因其分布廣泛、儲(chǔ)量巨大、節(jié)能顯著、可循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)而日益受到關(guān)注。隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展，淺層地?zé)崮鼙徽J(rèn)為是建筑供暖（冷）用新能源中是最為現(xiàn)實(shí)、最有前途的能源。本文主要介紹這種能源的資源潛力、開(kāi)發(fā)利用前景及優(yōu)化開(kāi)采方案。1 引言隨著生活水平的提高，人們對(duì)室內(nèi)舒適程度的要求越來(lái)越高，我國(guó)建筑用能占全社會(huì)能源需求的比例也由原來(lái)的1/6增長(zhǎng)到1/4，其中供暖、制冷、供生活熱水的能耗占了相當(dāng)大的比重。不斷增長(zhǎng)的能源需求和供給之間的矛盾，以及利用傳統(tǒng)能源對(duì)環(huán)境的巨大壓力，使人們對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿染G色能源的開(kāi)發(fā)抱著極大的熱情。淺層地溫源以其儲(chǔ)量巨大、分布廣泛、可循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)，在世界范圍內(nèi)備受推崇。以利用淺層地?zé)崮転橹鞯臒岜眉夹g(shù)，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展已相當(dāng)成熟。因此，國(guó)內(nèi)外一些能源專家認(rèn)為：采集大自然低溫可再生能特別是淺層地能（熱）是21世紀(jì)取代傳統(tǒng)供暖（冷）方式最為現(xiàn)實(shí)、最有前途的技術(shù)。2 淺層地?zé)崮艿奶攸c(diǎn)淺層地?zé)崮苁侵竷?chǔ)藏在地下數(shù)百米以淺的地層中、溫度介于基準(zhǔn)溫度（當(dāng)?shù)睾銣貛幍臏囟龋┖?5℃之間的低品位熱能，它是深部熱能向上傳導(dǎo)和太陽(yáng)輻射共同作用的結(jié)果。各地區(qū)的恒溫帶深度及其對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)溫度主要與所處緯度相關(guān)，基準(zhǔn)溫度與當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶜鉁叵喈?dāng)。我國(guó)地域廣闊，南北差距較大：我國(guó)已測(cè)得的恒溫層深度在15～30m之間，基準(zhǔn)溫度在10～23℃之間。淺層地?zé)崮艿奶攸c(diǎn)就是儲(chǔ)量巨大、分布廣泛、參數(shù)穩(wěn)定、幾乎不受環(huán)境氣候的影響，是能量較恒定的可再生清潔能源，是熱泵技術(shù)應(yīng)用最多的地溫資源層［1］。3 天津淺層地?zé)崮軆?chǔ)量概算天津轄區(qū)面積11919.7km2，除去775km2的北部山區(qū)外，其余的廣大地區(qū)均覆蓋了松散的新生界地層。但寶坻斷裂以北的松散層厚度僅100～300m，松散層底板處的溫度一般小于20℃，淺層低溫能的儲(chǔ)量有限，在此不做計(jì)算；該斷裂以南8700km2的范圍內(nèi)，松散層厚度均大于千米，恒溫帶埋深30m左右，基準(zhǔn)溫度為13.5℃；受基巖面起伏和斷裂構(gòu)造的影響，蓋層平均地溫梯度介于2～8.3℃/100m之間；地層溫度25℃處的最大埋深為600m（寶坻斷裂以北地區(qū)除外），最小為170m。根據(jù)以往的地?zé)岬刭|(zhì)數(shù)據(jù)，估算8700km2范圍內(nèi)的淺層低溫能儲(chǔ)量達(dá)3.6×1019J，折合發(fā)電量1×1013kW·h，相當(dāng)于可連續(xù)維持天津用電最高負(fù)荷（2005年為597萬(wàn)kW）190年。即使開(kāi)采其中的百分之一，也可以極大地緩解電力緊張的問(wèn)題。4 淺層地能開(kāi)發(fā)應(yīng)用實(shí)例在我國(guó)政府提出加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)節(jié)約型城市的情況下，在人口集中、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大城市，一些公共建筑如政府機(jī)構(gòu)、醫(yī)院、學(xué)校等，有條件的都要優(yōu)先使用淺層地溫、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能等再生能源，部分替代電能，或與電能互補(bǔ)，改變城市能源結(jié)構(gòu)單一的局面，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)多元化，有效緩解電力緊張問(wèn)題。如北京早在幾年前就開(kāi)始淺層地溫的利用，目前采用淺層地能供暖替代燃煤鍋爐的建筑物總面積已達(dá)200萬(wàn)m2，2006年有望達(dá)到300萬(wàn)m2［2］。天津是全國(guó)最早開(kāi)采利用地?zé)豳Y源的城市之一，但深部地?zé)豳Y源因補(bǔ)給緩慢而面臨越來(lái)越大的開(kāi)采壓力，某些地區(qū)已嚴(yán)格限采；而以開(kāi)發(fā)可循環(huán)利用的淺層地?zé)崮艿臒岜眉夹g(shù)在有關(guān)部門(mén)的大力支持下，正迎來(lái)它的快速發(fā)展階段。天津地礦珠寶公司改燃工程中成功地采用深部地層儲(chǔ)能反季節(jié)循環(huán)利用新技術(shù)，解決了面積約6200m2建筑物的冬季用熱、夏季用冷要求。其開(kāi)鑿了一對(duì)井深約200m的同層采灌對(duì)井（井距34m），利用淺層地?zé)崮埽ㄉ细率繯3地層20～100m、水溫14℃；中更新世Q2地層110～140m、水溫15.5℃；190～230m、水溫18℃），通過(guò)地下水作為載體聯(lián)系深部?jī)?chǔ)能地層和地上換能設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，采、灌量穩(wěn)定在40～50m3/h，基本達(dá)到平衡。系統(tǒng)建成后運(yùn)行工況表明：盡管冬、夏季室外溫度變化幅度較大，但室內(nèi)溫度在冬季控制在20℃左右，在夏季控制在26℃左右，不僅能完全滿足工程不同季節(jié)溫度要求，而且每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約27萬(wàn)元，增加寫(xiě)字樓及賓館收入約50萬(wàn)元；同時(shí)每年減少二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和煤塵等污染物的排放量分別約4800kg、1400kg、120m3和1100kg，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益相當(dāng)顯著。天津市中心海河商貿(mào)區(qū)古文化街。工程采用三眼900～1000m深井作為熱源井、三眼400～450m的淺井作為冷源井組成三個(gè)異層采灌井組，對(duì)井井距5m，三個(gè)井組，三角形布置，每組相距270m。夏季抽淺井中第四含水組的冷水水溫為19～20℃，通過(guò)熱泵制冷，38℃的尾水灌入深井儲(chǔ)熱；冬季抽深井明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層的地?zé)崴?、水溫?6～41℃，通過(guò)熱泵供熱，9℃的尾水回灌入淺井儲(chǔ)冷。該項(xiàng)目已安全運(yùn)行近兩年，效果良好。雖說(shuō)這種異層采灌還是個(gè)新鮮事物，但它通過(guò)一采一灌實(shí)現(xiàn)采補(bǔ)平衡，實(shí)現(xiàn)反季節(jié)儲(chǔ)能，不僅使寶貴的地?zé)豳Y源得到可持續(xù)性利用，通過(guò)調(diào)控回灌壓力控制地面沉降，還可充分利用地表淺層中溫度較低的地?zé)崮芘c高溫的地?zé)崴M(jìn)行循環(huán)供暖制冷，是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的真正體現(xiàn)。5 淺層地?zé)崮芾弥写嬖诘膯?wèn)題及對(duì)策利用地球表層恒溫層的特性，對(duì)人類的生存和活動(dòng)進(jìn)行有意義的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，是利用地溫資源的主要目的。開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源，主要是以水（或流體介質(zhì)）為載體，通過(guò)直接開(kāi)采回灌地下水或人工灌注循環(huán)與地層換熱得以利用。國(guó)內(nèi)外淺層地下水傳統(tǒng)的能量采集方式為對(duì)井抽灌，優(yōu)點(diǎn)在于抽水井的水溫在熱泵運(yùn)行周期內(nèi)基本保持穩(wěn)定，可使熱泵機(jī)組接近在額定負(fù)荷下運(yùn)行。但是，對(duì)井或多井抽灌不僅僅鉆井?dāng)?shù)量增多，其缺點(diǎn)主要回灌率較低，而易地回灌改變地下水的分布，容易產(chǎn)生移砂淤井的現(xiàn)象（特別是鉆孔成井工藝較差的施工，地下水含砂量超標(biāo)時(shí)，一個(gè)采暖期數(shù)十萬(wàn)噸水循環(huán)，帶走泥砂可達(dá)數(shù)噸以上）。為克服地下水回灌難的缺點(diǎn)，有關(guān)科研部門(mén)已結(jié)合實(shí)踐自主研制了“單井抽灌”技術(shù)，該淺層地能（熱）采集技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種類型的建筑供暖（冷）三聯(lián)供工程中，在全國(guó)已達(dá)200萬(wàn)m2，取得了良好的效果。目前，國(guó)內(nèi)外在采集淺層土壤低溫?zé)崃糠矫嬉炎隽撕芏嘞嚓P(guān)試驗(yàn)和研究。采集方式主要有三種形式：水平埋管（直管，螺旋管）、垂直埋管（U型管，螺旋盤(pán)管套管）、基樁埋管（與建筑物基樁做成一個(gè)整體）［3］。6 淺層地?zé)崮荛_(kāi)采中的注意事項(xiàng)地表水（江、河、湖、海等）低溫能量的采集雖然很方便，但受氣候的影響，溫度變化很大，特別是北方寒冷地區(qū)，水溫和氣溫卻很低，能量采集必須要考慮結(jié)冰防凍問(wèn)題，同時(shí)由于溫度過(guò)低，熱泵系統(tǒng)的能效比（COP值）降低并同時(shí)影響其額定熱輸出功率。淺層地能（地下水和土壤）的能量采集雖然不如地表水方便，但是其低溫能量相對(duì)很穩(wěn)定，溫度水平略高于當(dāng)?shù)貧夂虻哪昶骄鶞囟龋合那锒竞愣?，只要能量采集的工藝手段恰?dāng)合理，熱泵系統(tǒng)的能量平衡是相對(duì)穩(wěn)定的。淺層地?zé)崮茈m然儲(chǔ)量巨大，四季可再生，但對(duì)于具體的地域不同的水文地質(zhì)條件，其開(kāi)發(fā)利用還是要有選擇的，什么場(chǎng)合適合于淺層地下水低溫能量的采集，什么場(chǎng)合適合于土壤低溫能量的采集，采集的規(guī)模多大，用何種方式，開(kāi)發(fā)利用不能過(guò)度，否則不僅影響經(jīng)濟(jì)性、安全性，還會(huì)造成地下水文地質(zhì)條件的破壞。因此在工程配套設(shè)計(jì)施工中不僅僅要從能量的穩(wěn)定合理的采集考慮，還要特別注意環(huán)境效益，不污染地下水，不破壞地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，保護(hù)地下水資源［1］，注意下列各方面：（1）采集地?zé)崮軙r(shí)，要做到只用其熱、不耗其水，用熱后必須全部回灌，并監(jiān)控回灌的實(shí)施。（2）地下水采集井深度限制在地表淺層400m以內(nèi)，遠(yuǎn)離400m以下的國(guó)家二級(jí)水質(zhì)區(qū)域，保護(hù)生活飲水區(qū)，根據(jù)具體的水文地質(zhì)條件確定打井深度，盡可能采用地下百米以內(nèi)的淺層地下水。采用地下水源熱泵時(shí)，水源的選擇應(yīng)為：水量充足，水溫適當(dāng)，水質(zhì)良好，供水恒定，易于回灌。具體應(yīng)考慮：地下水取水深度多在100m以內(nèi)、各含水層厚度一般應(yīng)大于5m、冬季地下水溫應(yīng)不低于10℃、地下水含沙量小。（3）盡可能的就近回灌，在不影響熱動(dòng)力工況下，應(yīng)積極推廣“單井抽灌”技術(shù)，不具備“單井抽灌”條件的可采用對(duì)井抽灌，對(duì)井位置應(yīng)遠(yuǎn)離城市區(qū)域供水站（距離應(yīng)大于100m）且應(yīng)設(shè)置在其下游區(qū)，且回灌井應(yīng)設(shè)置在抽水井的上游區(qū)，井距應(yīng)在10～20m以上，回灌井深度不宜接近地下生活飲水區(qū)，一般與抽水井深度相當(dāng)（同層回灌），同時(shí)循環(huán)系統(tǒng)嚴(yán)格封閉，密切監(jiān)控回灌水質(zhì)，嚴(yán)防被污染，防止移砂、抽空和淤塞。（4）對(duì)于一抽一灌、一抽多灌的對(duì)井和多井要嚴(yán)格審批，限制打井?dāng)?shù)量，禁止過(guò)度開(kāi)采地下水，杜絕水資源的浪費(fèi)污染，有效合理的利用地下水資源。（5）井間距和井與建筑物的相對(duì)位置要設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)采用大溫差小流量，以降低動(dòng)力消耗。參考文獻(xiàn)［1］程韌.淺層地能（熱）的開(kāi)發(fā)與利用.2005［2］段金平.北京將推廣利用淺層地溫.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng)地勘導(dǎo)報(bào).2005
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。