貴陽(yáng)市淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

段啟杉，孟凡濤，宋小慶，曹振東

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽(yáng)550008)

淺層地溫能是地球淺表恒溫帶至200 m埋深內(nèi)的土壤巖石和地下水中所蘊(yùn)藏的一種低溫?zé)崮?，其能量主要?lái)源于太陽(yáng)輻射和地球梯度增溫，是一種可再生的新型環(huán)保能源，該能源具有分布范圍廣、儲(chǔ)量巨大、開(kāi)采成本低等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)發(fā)利用淺層地溫能對(duì)構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)、保障國(guó)家能源安全、改善我國(guó)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 貴陽(yáng)市淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用條件

1.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況

貴陽(yáng)市地處我國(guó)西南的貴州省中部，是貴州省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科教、交通中心，西南地區(qū)重要的交通通信樞紐、工業(yè)基地及商貿(mào)旅游服務(wù)中心。根據(jù)《貴陽(yáng)市城市總體規(guī)劃(2011-2020年)》，至2020年，市域城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)模372 km2，全市常住人口500萬(wàn)，其中城鎮(zhèn)人口400萬(wàn)，全市生產(chǎn)總值突波4 000億元，人均生產(chǎn)總值突破11 000美元。

1.2 氣象條件

貴陽(yáng)市處于低緯度高海拔的黔中山原區(qū)，為冷暖氣流的交匯地帶，屬副熱帶溫和濕潤(rùn)的氣候。多年平均氣溫為15.3℃，最熱月(7月)平均氣溫24℃，最冷月(1月)平均氣溫5℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫-9.5℃。貴陽(yáng)地區(qū)供暖期為每年12月至次年2月3個(gè)月，制冷期為每年7月至9月3個(gè)月。

1.3 地質(zhì)、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件

貴陽(yáng)市地處云貴州二級(jí)高原臺(tái)面，屬高原低中山地貌，區(qū)內(nèi)地貌可劃分為溶蝕地貌、溶蝕-侵蝕地貌、侵蝕-剝蝕地貌及侵蝕-堆積地貌四種形態(tài)。區(qū)內(nèi)除缺失上志留統(tǒng)、上侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)外，從寒武系到第四系地層均有出露。巖層累計(jì)最大厚度達(dá)萬(wàn)米。其中，碳酸鹽巖及夾層狀碳酸鹽巖分布面積最廣，占規(guī)劃區(qū)總面積的 91.36%，碎屑巖占8.64%。第四系主要分布于溶蝕盆地、谷地及溝谷地帶，厚度小，平均厚度不足10 m。

特殊的地質(zhì)條件和地貌條件造就了貴陽(yáng)地區(qū)獨(dú)特的水文地質(zhì)條件，區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型以碳酸鹽巖巖溶水為主，地下水位埋深多小于30 m。廣泛分布的碳酸鹽巖區(qū)域巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，巖層富水性呈現(xiàn)不均一性，其含水性主要受裂隙及巖溶發(fā)育控制，不同的含水巖組富水性有比較明顯的差異，而同一含水巖組因其所處得地質(zhì)構(gòu)造及地貌部位不同，其富水性也存在著差異，地下水分布極不均勻。根據(jù)鉆孔資料，鉆孔單井涌水量0.14～3.4 l/s·m。貴陽(yáng)地區(qū)強(qiáng)烈的發(fā)育巖溶，為巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了條件，這是區(qū)內(nèi)地下水開(kāi)發(fā)利用的一大制約因素。

2 淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

貴陽(yáng)市淺層地溫能勘查、開(kāi)發(fā)工作起步較晚，目前共建設(shè)了5個(gè)熱泵工程，且均為地下水水源熱泵工程，其中僅有2個(gè)地?zé)峥照{(diào)系統(tǒng)投入運(yùn)行。

2002年建成的貴陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院富爾達(dá)地溫中央空調(diào)工程，共施工鉆孔10個(gè)，總進(jìn)尺971.74 m，其中抽水井、回灌井各5口，開(kāi)采量5 760 m3/d。制冷(制熱)面積8 000 m2，利用溫差 3.1℃～5.0℃，制熱期為 180 d，制冷期為 90 d。制冷期能效比(COP值)約為5.8，制熱期能效比(COP值)約為4.1，每年可節(jié)約資源量為 1.7×107kw·h，相當(dāng)于2 089 t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳排放5 207.9 t。

2009年建成貴陽(yáng)市金陽(yáng)新區(qū)景怡苑地溫空調(diào)工程，共施工鉆探孔17個(gè)，總進(jìn)尺3 017.30 m，其中抽水井11口、回灌井6口，允許開(kāi)采量6 000 m3/d，該項(xiàng)目無(wú)工程運(yùn)行記錄。

2003年～2004年，貴陽(yáng)醫(yī)學(xué)院學(xué)院部地溫中央空調(diào)項(xiàng)目、貴州廣播電視大廈地溫空調(diào)項(xiàng)目、貴州省第二人民醫(yī)院地溫空調(diào)項(xiàng)目完成了水源勘查和鉆井工程施工，由于水量、地面塌陷等原因空調(diào)系統(tǒng)沒(méi)有投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。

3 淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用前景分析

貴陽(yáng)市夏季制冷3個(gè)月、冬季供暖期3個(gè)月，貴陽(yáng)市恒溫層深度在30 m左右，恒溫層的溫度約為15.3℃。

3.1 水源熱泵系統(tǒng)利用前景

貴陽(yáng)市地質(zhì)環(huán)境薄弱，地下水開(kāi)發(fā)利用易引發(fā)巖溶地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，因此，水源熱泵的開(kāi)發(fā)利用受到極大限制。

3.1.1 地質(zhì)環(huán)境脆弱

地下水開(kāi)采易導(dǎo)致巖溶塌陷、地下水降落漏斗等災(zāi)害。2002年建設(shè)的貴陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院水源熱泵系統(tǒng)抽水試驗(yàn)時(shí)就曾出現(xiàn)過(guò)巖溶塌陷。

3.1.2 成井率低

貴陽(yáng)市屬典型的碳酸鹽巖巖溶發(fā)育區(qū)，地下水含水介質(zhì)以溶洞、溶隙、孔隙為主，含水介質(zhì)的及不均勻性與隨機(jī)性使得地下水鉆探成井率偏低，巖層富水性差異明顯;再者，貴陽(yáng)地區(qū)一般鉆井的單井產(chǎn)量?jī)H400～1 000 m3/d，水源熱泵工程的成本相對(duì)較高，供水量對(duì)于大面積的開(kāi)發(fā)利用難以滿(mǎn)足。

3.1.3 政策限制

考慮到地下水資源的保護(hù)及地下水開(kāi)采對(duì)地質(zhì)環(huán)境的負(fù)面影響，1998年頒布的《貴陽(yáng)市城市規(guī)劃區(qū)地下水開(kāi)發(fā)利用保護(hù)辦法》及貴陽(yáng)市城市總體規(guī)劃(2011-2020年)中明文規(guī)定:“在貴陽(yáng)市境域嚴(yán)格控制超采、濫采地下水，加大地下水資源管理力度，在城市公共管網(wǎng)到達(dá)范圍內(nèi)，嚴(yán)禁新鑿井開(kāi)采地下水資源”。2006-2010年城市總體規(guī)劃中還提出了“重點(diǎn)對(duì)開(kāi)采地下水用于地溫空調(diào)的情況嚴(yán)格控制”。

以上從各方面說(shuō)明水源熱泵的利用在區(qū)內(nèi)受到一定限制，并不是區(qū)內(nèi)供暖、制冷的首選方式。

3.2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)利用前景

目前，貴陽(yáng)市無(wú)地埋管地源熱泵的開(kāi)發(fā)利用實(shí)例，但根據(jù)“貴陽(yáng)市淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目數(shù)據(jù)分析，貴陽(yáng)市大部分區(qū)域均適宜地埋管地源熱泵開(kāi)發(fā)。

巖土體導(dǎo)熱系數(shù)是設(shè)計(jì)地埋管換熱器的重要參數(shù)，它對(duì)換熱器的換熱效果有著顯著的影響。導(dǎo)熱系數(shù)越大，地埋管換熱器的單位換熱效果就越好。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)和巖土體熱物性測(cè)試，貴陽(yáng)市寒武系婁山關(guān)群的地層綜合導(dǎo)熱系數(shù)最高，達(dá)4.2～4.8 w/m·℃，次為第三系、三疊系安順組2.0～3.2 w/m·℃，第四系綜合導(dǎo)熱系數(shù) 0.7～0.8 w/m·℃。區(qū)內(nèi)第四系平均埋深厚度約為4.3 m，地埋管換熱地層基本由基巖構(gòu)成?？傮w來(lái)說(shuō)巖石導(dǎo)熱系數(shù)一般大于2.0，單管換熱功率相對(duì)較高，適宜地埋管熱泵系統(tǒng)的建設(shè)。

4 淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用中存在的問(wèn)題

1)貴陽(yáng)市淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用起步較晚，已建地?zé)岜霉こ涛催M(jìn)行過(guò)專(zhuān)門(mén)勘查，對(duì)資源量進(jìn)行系統(tǒng)勘查評(píng)價(jià)。盲目的工程建設(shè)，使得工程設(shè)計(jì)不合理、施工不規(guī)范、地下水開(kāi)發(fā)利用率低、巖溶塌陷等問(wèn)題。

2)地下水水源熱泵開(kāi)發(fā)利用受水文地質(zhì)條件限制明顯。區(qū)內(nèi)地層富水性差異明顯，地下水分布極不均勻，除主城區(qū)等幾個(gè)富水地段外，大部分區(qū)域單井開(kāi)采量小，開(kāi)發(fā)成本大。

3)貴陽(yáng)市屬碳酸鹽巖巖溶發(fā)育地區(qū)，水源熱泵的不合理開(kāi)發(fā)利用將導(dǎo)致地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

5 結(jié)語(yǔ)

貴陽(yáng)市淺層地溫能資源量較大，且已利用量小，開(kāi)發(fā)利用潛力巨大，合理的開(kāi)發(fā)利用將對(duì)能源結(jié)構(gòu)和節(jié)能減排做出巨大貢獻(xiàn)。

貴陽(yáng)地區(qū)特殊的巖溶水文地質(zhì)條件和政策法規(guī)，對(duì)區(qū)內(nèi)水源熱泵系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)利用具有較多限制，影響其推廣運(yùn)用。

地埋管熱泵系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等多方面的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)貴陽(yáng)市淺層地溫能調(diào)查成果分析，貴陽(yáng)地區(qū)具備地源熱泵開(kāi)發(fā)利用的各項(xiàng)條件，適宜地埋管地源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)，可進(jìn)行大力推廣。

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