山西淺層地溫能開發(fā)利用前景分析

馬漢田,喬清海,翟一幟,李春云,呂義清

(1.山西省地質(zhì)調(diào)查院,太原 030003;2.太原市國土資源局,太原 030009;3.北京師范大學,北京 100875;4.太原理工大學 地震與地質(zhì)災(zāi)害防治研究所,太原 030024)

1 概述

淺層地溫能是蘊藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的熱能;是指通過地源熱泵換熱技術(shù)利用的蘊藏在地表以下200m以內(nèi),溫度低于25℃的熱能;是一種分布廣泛,儲量巨大,可再生且可循環(huán)使用,清潔環(huán)保,利用前景廣泛的新型環(huán)保能源[1]。山西地域遼闊,僅六大盆地平原區(qū)面積就達3萬多km2,且是山西人口集中、經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū),具備淺層地溫能開發(fā)和利用的條件,但目前山西淺層地溫能的調(diào)查評價范圍小,精度低,開發(fā)利用的程序低,因此,推進淺層地溫能的調(diào)查評價和開發(fā)利用,對山西構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好性社會、保障山西能源安全、改善我省現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)我省經(jīng)濟、社會與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展,促進我省節(jié)能減排戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)具有重要的意義。

2 山西淺層地溫能調(diào)查評價、開發(fā)利用現(xiàn)狀

2.1 山西淺層地溫能調(diào)查評價現(xiàn)狀

自2011年以來,在中央和地方財政的支持下,我省相繼開展了淺層地溫能調(diào)查評價工作。目前,已完成的淺層地溫能調(diào)查評價項目有3個,主要為2011年至2013年中國地質(zhì)調(diào)查局部署開展“太原市淺層地溫能調(diào)查評價”和山西省國土資源廳部署“山西省六大盆地重點地區(qū)淺層地溫能調(diào)查評價”工作;2014年至2015年,中國地質(zhì)調(diào)查局部署開展“山西省主要城市淺層地溫能開發(fā)區(qū)1:5萬水文地質(zhì)調(diào)查”工作。以上項目部署在太原市、大同市、朔州市、忻州市、晉中市、臨汾市、運城市、長治市8個主要城市規(guī)劃的中心城區(qū);面積4 317 km2。以上工作開展,查明淺層地溫能分布特點和賦存條件,評價淺層地溫資源量及開發(fā)利用潛力,編制淺層地溫能開發(fā)利用適宜性區(qū)劃,為山西省淺層地溫能合理開發(fā)利用和保護提供依據(jù)。

正在進行的項目有兩個,分別是:2016年山西省地勘局部署安排山西省淺層地溫能適宜區(qū)選區(qū)調(diào)查項目,工期2 a;2017年山西省國土資源廳部署山西省太原盆地城鎮(zhèn)密集區(qū)淺層地溫能調(diào)查評價項目,工作區(qū)范圍為交城、清徐、太谷、祁縣、文水、平遙、汾陽、孝義、介休九個縣市的平原區(qū)。面積3 351 km2。

2.2 山西淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀

山西省煤炭資源豐富,煤炭資源在能源消費中占有很大比例,長期以來,包括淺層地溫能在內(nèi)的可再生能源開發(fā)利用推廣緩慢,產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場規(guī)模均很小。根據(jù)山西省發(fā)改委和住建廳統(tǒng)計資料,截止2014年底,山西省(僅統(tǒng)計以下8地市)應(yīng)用淺層地溫能供暖制冷的建筑物面積約359.8萬 m2。其中地埋管地源熱泵面積200.3萬 m2,占總面積的55.7%;地下水地源熱泵面積151.5萬 m2,占總面積的42.1%;其他利用方式(污水源熱泵)面積8.0萬 m2,應(yīng)用面積占總面積2.2%。各市利用情況如表1所示。

表1 山西各市淺層地溫能開發(fā)利用面積Table 1 Development areas of shallow geothermal energy in major cities, Shanxi Province

2.3 山西淺層地溫能調(diào)查研究、開發(fā)利用存在問題

根據(jù)調(diào)查,在淺層地溫能開發(fā)利用過程中,山西淺層地溫能研究、開發(fā)利用主要存在以下問題:

1)起步晚,發(fā)展慢,空調(diào)面積小。淺層地溫能開發(fā)利用工程是從上世紀90年代進駐山西,90年代之后,淺層地溫能開發(fā)利用工程有較快發(fā)展,但與發(fā)展較快的城市相比還是有很大差距,空調(diào)面積較小。

2)宣傳力度不夠,認識不到位。淺層地溫能科普知識的宣傳力度不夠,沒能讓社會公眾充分認識利用淺層地溫能資源對促進經(jīng)濟發(fā)展、節(jié)能減排、保護環(huán)境的重要意義,全社會沒有自覺利用淺層地溫能資源的意識和節(jié)約能源的責任感、使命感,從而制約淺層地溫能開發(fā)利用事業(yè)的發(fā)展。

3)調(diào)查研究滯后,資源家底不清。山西適宜淺層地溫能開發(fā)利用的區(qū)域較大,目前僅調(diào)查評價的區(qū)域僅3351km2,大部分的區(qū)域沒有開展調(diào)查研究,資源家底不清,缺乏科學的總體規(guī)劃,不能有效指導開發(fā)和利用。造成對淺層地溫能開發(fā)利用都是憑需要而定,開發(fā)利用不規(guī)范,開發(fā)活動混亂。

4)項目前期未進行淺層地溫能資源勘查。山西省大部分淺層地溫能工程僅參照已有地源熱泵工程的經(jīng)驗進行設(shè)計,沒進行工程場地的淺層地溫能資源勘查,造成工程建成后產(chǎn)生諸多問題。據(jù)了解淺層地溫能開發(fā)過程中實施回灌等保護措施的還很少,需要在評價的基礎(chǔ)上進行合理的回灌。

5)缺乏對淺層地溫能開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測。據(jù)本次調(diào)查資料,山西省建成的淺層地溫能開發(fā)利用工程均無建立系統(tǒng)運行地質(zhì)環(huán)境影響監(jiān)測體系,缺少對系統(tǒng)中溫度、水位、水質(zhì)等的動態(tài)變化的監(jiān)測,無法評價淺層地溫能開發(fā)對地質(zhì)環(huán)境的影響。

6)缺乏相關(guān)政策支持。國內(nèi)業(yè)已開展淺層地溫能資源開發(fā)的省市均在財政補貼、示范工程推廣等方面給予了很大地支持,山西省在此方面缺乏必要地重視與資金和政策上的支持,造成山西省淺層地溫能資源開發(fā)工作發(fā)展滯后。

3 山西淺層地溫能的開發(fā)利用潛力及效益分析

山西淺層地溫能開發(fā)利用潛力巨大,現(xiàn)僅對開展工作的8個地級城市城市的資源潛力和效益分析如下:

3.1 潛力分析

依據(jù)已開展項目資料,僅對山西8個地級城市城市建設(shè)規(guī)劃區(qū),在考慮建筑布局等因素,土地利用系數(shù)在城市土地利用系數(shù)的基礎(chǔ)上再乘以折減系數(shù),地下水與地埋管重合區(qū)域按照地下水1/3、地埋管2/3比例進行資源分析。

全省8個地級城市城市建設(shè)規(guī)劃區(qū)地埋管的適宜、較適宜區(qū)面積約3906.79 km2,夏季淺層地溫能可利用總量為4.36×1014kJ,可提供空調(diào)面積約1.20×109m2,平均單位制冷面積為3.071×105m2/km2。冬季淺層地溫能可利用總量為4.42×1014kJ,可提供空調(diào)面積約6.50×108m2,平均單位制冷面積為1.664×105m2/km2。地下水的適宜、較適宜區(qū)面積約557.108 km2,夏季淺層地溫能可利用總量為為1.452×1013kJ,可提供空調(diào)面積約3.414×107m2,平均單位制冷面積為6.128×104m2/km2。冬季淺層地溫能可利用總量為為1.327×1013kJ,可提供空調(diào)面積約1.908×107m2,平均單位制冷面積為3.425×104m2/km2,詳見表2、表3。

目前山西應(yīng)用淺層地溫能供暖制冷的建筑物面積約359.8萬 m2,由此可見,淺層地溫能的推廣應(yīng)用有巨大的資源保障價值。

表2 地埋管淺層地溫能潛力評價計算成果表Table 2 Potential evaluation of the shallow geothermal energy with buried pipe

表3 地下水淺層地溫能潛力評價計算成果表Table 3 Potential evaluation of the shallow geothermal energy of groundwater

3.2 效益分析

3.2.1 經(jīng)濟效益分析

按熱能有效利用率80%;熱量7 000 kcal/kg;鍋爐熱效率80%;燃煤價格700元/t;淺層地溫能可利用系數(shù)取30%計算熱資源價值。計算結(jié)果:全省8個主要城市淺層地溫能可利用總能量為8.697×1014kJ。其中,夏季地下水、地埋管地源熱泵系統(tǒng)的交換量為4.803×1014kJ;冬季地下水、地埋管地源熱泵系統(tǒng)的交換量為3.894×1014kJ。淺層地溫能資源價值達62.424億元。其中夏季可制冷資源價值達34.475億元,冬季可供暖資源價值達27.945億元。各地市資源價值如表4所示。

表4 淺層地溫能開發(fā)利用經(jīng)濟效益統(tǒng)計表Table 4 Statistics of economic benefits of shallow geothermal energy development

由此可見,淺層地溫能每年可提供的資源價值相當可觀,可充分加以開發(fā)利用。

3.2.2 社會效益分析

淺層地溫能的開發(fā)利用除節(jié)約能源外,另一主要貢獻就是降低溫室氣體CO2的排放,減少煙塵、煤渣、SO2、NOx的排放,對緩解氣候變暖及減少環(huán)境污染具有一定的作用。在此,僅從淺層地溫能開發(fā)利用節(jié)約燃燒原煤量,相當節(jié)約標煤量,減少二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、懸浮質(zhì)粉塵、灰渣排放量和節(jié)省的環(huán)境治理費等項目分析。根據(jù)計算,年替代燃燒原煤量為6.924×1010kg,年替代標煤量為4.946×1010kg,年有效節(jié)約標煤量為1.731×1010kg,年減少二氧化硫排放量為2.943×108kg,年減少氮氧化物排放量為1.039×108kg,年減少二氧化碳排放量為4.130×1010kg,年減少懸浮質(zhì)粉塵排放量為1.385×108kg,年減少灰渣排放量為1.731×109kg, 年節(jié)省的環(huán)境治理費為4.883×109元(計算結(jié)果如表5所示)。

表5 山西省主要城市淺層地溫能開發(fā)利用社會效益分析計算匯總表Table 5 Social benefits analysis on the shallow geothermal energy development in major cities in Shanxi Province

4 結(jié)論

1)山西淺層地溫能調(diào)查評價的范圍小、精度較低,加強淺層地溫能的調(diào)查評價工作,摸清山西淺層地溫能家底,統(tǒng)籌科學規(guī)劃,對有效指導開發(fā)和利用具有重要意義。

2)山西淺層地溫能資源豐富,資源價值可觀,充分利用淺層地溫能資源對促進山西經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展、節(jié)能減排、保護環(huán)境具有十分重要意義。

3)加強淺層地溫能科普知識宣傳力度,提高社會公眾對淺層地溫能的認識,自覺利用淺層地溫能資源,從而推動淺層地溫能開發(fā)利用事業(yè)的發(fā)展,實現(xiàn)山西轉(zhuǎn)型發(fā)展目標。

4)政府應(yīng)該增強對淺層地溫能資源開發(fā)工作的重視程度,技術(shù)層面上應(yīng)積極開展淺層地溫能資源勘查利用試點和示范工程工作,政策層面上應(yīng)為推動山西省淺層地溫能資源開發(fā)利用管理給予資金與政策上的支持。

[1] 衛(wèi)萬順,鄭桂森,冉偉彥,等.淺層地溫能資源評價[M].北京:中國大地出版社,2010.

[2] 馬漢田,黃存寶,白雪峰,等.2013太原市淺層地溫能調(diào)查評價報告[R].太原:山西省地質(zhì)調(diào)查院,2013.

[3] 張海永,黃虎城,田金偉,等.2015太原市淺層地溫能調(diào)查評價報告[R].太原:山西省地質(zhì)調(diào)查院,2015.