天津濱海新區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用方式研究

■張云霞/馮 鑫

（天津市國土資源和房屋管理局，天津 300042）

1 淺層地溫能概念

淺層地溫能是指蘊藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)（一般為200m）的巖土體、地下水中具有開發(fā)利用價值的地溫能，是一種可再生的新型環(huán)保能源，利用前景廣闊。其埋藏深度淺、開采方便，通過熱泵技術(shù)可實現(xiàn)冬季采暖、夏季制冷的雙向應用，已引起人們的廣泛關(guān)注，成為近年來開發(fā)利用的新趨勢。

2 淺層地溫能的主要開發(fā)利用方式

淺層地溫能資源開發(fā)利用有多種方式，其中地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵是最主要的兩種方式。

2.1 地下水地源熱泵系統(tǒng)

地下水地源熱泵系統(tǒng)由地下水換熱系統(tǒng)、機房系統(tǒng)和末端系統(tǒng)三部分組成。地下水地源熱泵系統(tǒng)工作原理是通過抽取地下水，利用地下水全年溫度保持恒定的特點，與主機冷凝器或蒸發(fā)器進行熱交換，或通過板式換熱器與冷凝器產(chǎn)生的高溫熱水（冬季工作時）或蒸發(fā)器產(chǎn)生的低溫熱水（冬季工作時）進行熱交換，然后將置換冷量或熱量的地下水全部回入同一含水層中。

2.2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)

地埋管地源熱泵系統(tǒng)與地下水地源熱泵系統(tǒng)相似，由地埋管換熱系統(tǒng)、機房系統(tǒng)和末端系統(tǒng)三部分組成。其工作原理是傳熱介質(zhì)在密閉的豎直或水平地埋管中循環(huán)，利用傳熱介質(zhì)與地下巖土層、地下水之間的溫差進行熱交換，達到利用淺層地溫能的目的，并進而通過熱泵技術(shù)實現(xiàn)對建筑物的供暖和制冷。

3 淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀

3.1 國外開發(fā)利用現(xiàn)狀

20世紀70年代，歐洲主要采用地埋管地源熱泵（水平埋管）用于冬季供暖，特別是在歐洲的中部和北部地區(qū)，主要進行土壤的傳熱性質(zhì)、換熱器類型以及影響埋管換熱的因素等方面進行研究。希臘采用了復合地下水井和換熱器的地源熱泵方式對建筑物進行供暖和制冷。美國早期的熱泵系統(tǒng)都是運用地下水或湖水作為水源，利用水泵把水抽到地表再通過熱泵來實現(xiàn)供暖功能，目前主要采用這種方式。截止2007年底，美國50個州都安裝地源熱泵系統(tǒng)，總項目數(shù)超過45000套。其中，在單體住宅中占63%，商業(yè)建筑中占37%。瑞典在土壤熱物性測試方面做了較多的工作，開發(fā)了可移動熱響應測試儀器，目前年安裝臺數(shù)約為4萬臺。

據(jù)2010年世界地熱大會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全世界地源熱泵的年利用能量達到了214782 TJ（1012焦耳），與2005年世界地熱大會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比，五年內(nèi)增長了2.45倍，平均年增長率為19.7%。2010年世界地熱大會的統(tǒng)計的地源熱泵的設(shè)備容量為35236 MWt（兆瓦熱量），五年內(nèi)增長了2.29倍，平均年增長率為18.0%?？傊?，這是社會和客戶更好地認可了地源熱泵的能力而產(chǎn)生的效果。世界上地源熱泵應用前5位的國家是美國、中國、瑞典、挪威和德國。

3.2 國內(nèi)開發(fā)利用現(xiàn)狀

20世紀60年代，我國開始在暖通空調(diào)中應用發(fā)展熱泵技術(shù)，并取得了一大批成果。1965年天津大學與天津冷氣機廠合作研制成國內(nèi)第一臺地下水熱泵空調(diào)機組。1978～1988年，我國熱泵應用與發(fā)展進入全面復蘇階段，國外一些知名熱泵生產(chǎn)廠家開始來中國投資建廠。1989～1999年期間我國熱泵又迎來了新的發(fā)展里程。國內(nèi)企業(yè)開始投資生產(chǎn)熱泵，逐步形成我國熱泵空調(diào)器的完整工業(yè)體系。據(jù)統(tǒng)計到1999年，全國約有100個項目，2萬臺地下水地源熱泵機組在運行。

進入21世紀后，地源熱泵技術(shù)的研究更加深入，形成了產(chǎn)、學、研結(jié)合利用淺層地溫能的道路。由于熱泵技術(shù)的成熟，我國的地源熱泵機組在近幾年開始大量應用于工程實踐。據(jù)8個省市2009年底調(diào)查成果，應用淺層地溫能資源進行供暖和制冷的建筑面積為1.0244×108m2?？傮w上來看，淺層地溫能資源利用主要集中在我國華北和東北南部地區(qū)，占全國的80%。

3.3 天津濱海新區(qū)開發(fā)利用現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查，濱海新區(qū)第一個淺層地溫能資源開發(fā)利用工程項目于2001年建成（天津港7米橋磅站），利用面積為50m2。經(jīng)過近年來的發(fā)展，淺層地溫能開發(fā)利用工程的數(shù)量和利用面積均有了大幅度增加。截止2010年底，濱海新區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用工程達到87個，利用面積為112.09×104m2。其中：地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程為84個，占總數(shù)量96.55%；利用面積108.99×104m2，占總利用面積的97.23%。多采用雙U型地埋管方式，取熱深度為100～120m，埋管間距為4～5m；地下水地源熱泵系統(tǒng)工程3個，利用面積3.1×104m2。第四系主要開采層位為Ⅱ～Ⅳ組含水層，井深100～460m，單井抽水量30～140m3/h。在地下水地源熱泵中，開采方式主要為多井采灌，并以回灌量確定開采量，以同層采灌方式為主。

4 濱海新區(qū)淺層地溫能賦存條件

地殼淺層地溫場在垂向上的變化特征受地層巖性、結(jié)構(gòu)、孔隙度、當?shù)貧夂?、地下水活動等多種因素的影響，從上至下依次為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。通過收集已有資料以及本次工作過程中對地溫監(jiān)測資料的分析，證明濱海新區(qū)地殼最表層的溫度受地面溫度周期性變化的影響是隨著深度的增加而減弱的。不同鉆孔在30m～35m處溫度基本不受地表溫度影響，說明濱海新區(qū)恒溫帶位置在30～35m之間。恒溫帶以下隨著深度的增加地溫逐漸增高的地帶，稱為增溫帶。其值的大小用地溫梯度（G）表示，即深度每向下增加100m所增高的溫度值。濱海新區(qū)200m以淺地層的平均地溫梯度值一般3.0～4.0℃/100m。

第四系巖土體熱物性特征包括巖土體的熱導率、比熱容以及地溫場特征等，其反映了巖土體的蓄熱和導熱能力，是影響淺層地溫能資源賦存的重要影響因素。按照巖土體的巖性、物理性質(zhì)分類，把濱海新區(qū)巖土體主要概化為粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂四種。通過實驗可以得到120m以內(nèi)的地層，在同一地區(qū)不同巖性熱導率存在差異，粘土最小，粉質(zhì)粘土次之，粉砂最大。

濱海新區(qū)蘊藏淺層地溫能的第四系地下水劃分為四個含水組，四個含水組分為淺層地下水和深層地下水，淺層地下水是指第Ⅰ含水層組地下水，深層地下水是指第Ⅱ含水組、第Ⅲ含水組和第Ⅳ含水組地下水。

5 濱海新區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)

5.1 評價方法確定

對濱海新區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)采用層次分析法（采用yaahp軟件）和非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法兩種方法來計算權(quán)重并相互驗證，利用乘法合成歸一化法把兩種方法所求權(quán)重有機集成起來，確定綜合權(quán)重，克服單一賦權(quán)法的不足。在確定綜合權(quán)重的基礎(chǔ)上，利用綜合指數(shù)法進行綜合評價。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）是對一些較為復雜、模糊的問題做出決策的簡易方法，它特別適用于難于完全定量分析的問題。

非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法是典型的模糊數(shù)學方法，屬于客觀賦權(quán)法，是根據(jù)所選擇指標的實際信息形成決策矩陣，在此矩陣基礎(chǔ)上通過客觀運算形成權(quán)重，該方法盡量避免了主觀賦權(quán)法的人為因素。

本次綜合評價采用綜合指數(shù)法，綜合指數(shù)法是將一組相同或不同指數(shù)值通過統(tǒng)計學處理，使不同計量單位、性質(zhì)的指標值標準化，最后轉(zhuǎn)化成一個綜合指數(shù)，以準確地評價工作的綜合水平。

綜合評價指數(shù)法計算公式如下：

式中：Rk為綜合評價指數(shù)；ai為指標要素的權(quán)值；

Xi為指標要素屬性賦值；n為指標要素個數(shù)。

5.2 地下水地源熱泵適宜性分區(qū)

5.2.1 地下水地源熱泵適宜性分區(qū)評價結(jié)構(gòu)圖（圖1）

圖1 地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)評價結(jié)構(gòu)圖

5.2.2 適宜性分區(qū)結(jié)果

第Ⅱ含水組地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)：

濱海新區(qū)第Ⅱ含水組巖性大多以細砂和粉細砂為主，富水性較差，而且細砂和粉細砂地層不利于地下水回灌，同時第Ⅱ含水組在該區(qū)水位較高也不利于回灌，因此大部分為第Ⅱ含水組地下水地源熱泵系統(tǒng)欠適宜區(qū)。同時，漢沽城區(qū)、塘沽西部等地面沉降嚴重區(qū)和重要地下水源地保護區(qū)為欠適宜區(qū)。較適宜區(qū)分布在寧車沽、蔡家堡、清河農(nóng)場附近。

第Ⅲ含水組地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)：

濱海新區(qū)第Ⅲ含水組巖性大多以粉細砂為主，不利于地下水回灌，同時其它指標條件也相對較差。漢沽城區(qū)、塘沽西部等地面沉降嚴重區(qū)和地下水源地保護區(qū)為欠適宜區(qū)。因此濱海新區(qū)大部分為第Ⅲ含水組地下水地源熱泵系統(tǒng)欠適宜區(qū)。較適宜區(qū)分布在寧車沽、蔡家堡、清河農(nóng)場附近。

第Ⅳ含水組地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)：

濱海新區(qū)第Ⅳ含水組巖性以中細砂和粉細砂為主，富水性較差，而且導水能力較低。同時，漢沽城區(qū)、塘沽西部等地面沉降嚴重區(qū)和重要地下水源地保護區(qū)為不適宜區(qū)。較適宜區(qū)分布在茶淀、清河農(nóng)場附近。

濱海新區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性分區(qū)情況統(tǒng)計見表1所示。

5.3 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)

5.3.1 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)評價結(jié)構(gòu)圖（圖2）

5.3.2 適宜性分區(qū)結(jié)果

圖2 濱海新區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)評價結(jié)構(gòu)

適宜區(qū)（Ⅰ級區(qū)）為：該區(qū)域地層儲蓄和熱傳遞能力等條件好，很適合布置120 m地埋管，同時咸水底界埋深≥120m或者≤0m（即沒有咸水的存在），幾乎不受咸水層的影響，該區(qū)域面積約為86km2；

較適宜區(qū)（Ⅱ級區(qū)）為：該區(qū)域地層儲蓄和熱傳遞能力等條件較好，比較適合布置120m地埋管，咸水層對地埋管有一定的影響，該區(qū)域面積約為1279km2；

一般適宜區(qū)（Ⅲ級區(qū)）為：該區(qū)域地層儲蓄和熱傳遞能力等條件一般，對于布置120m地埋管，咸水層的影響較大，該區(qū)域面積約為905km2。（見圖3）

濱海新區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)情況見表2。

6 結(jié)論

根據(jù)濱海新區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)、地熱地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件和巖土熱物特性，結(jié)合濱海新區(qū)淺層地溫能資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和適宜性分區(qū)，得出如下結(jié)論：

表1 地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)范圍及面積

表2 濱海新區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)范圍及面積

圖3 濱海新區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)圖

（1）深度400m以內(nèi)第Ⅱ至第Ⅳ三個含水組地下水可作為地下水地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用的水源，但大部分區(qū)域均為欠適宜區(qū)。

（2）濱海新區(qū)平原區(qū)120m范圍適宜地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用；全區(qū)均可進行地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用。

（3）考慮到濱海新區(qū)含水層結(jié)構(gòu)特征和回灌井實際回灌能力，為防止地面沉降等地質(zhì)環(huán)境問題，在以粉細砂含水層為主的濱海新區(qū)，慎重開發(fā)利用地下水地源熱泵系統(tǒng)。

[1]韓再生.淺層地熱能勘查評價[J].中國地質(zhì),2007,12(6):1115-1121.

[2]韓再生.城市地區(qū)淺層地溫能評價方法探討[J].城市地質(zhì),2007(4):9-15.

[3]王秉忱.科學運用地源熱泵開發(fā)淺層地熱能[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2008(3):1-2.

[4]王貴玲,等.淺層地熱能研究現(xiàn)狀及亟待開展的工作[J].工程設(shè)計與建設(shè),2007(11):1-4.

[5]天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局.天津市地質(zhì)環(huán)境圖集[M].北京:地質(zhì)出版社,2004.

[6]天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院.天津市淺層地熱能資源調(diào)查報告[R].天津:天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院,2011.