臺州濱海工業(yè)區(qū)淺層地溫能資源評價與應用建議

周麗玲，張達政，朱正勇，黎 偉

(1.浙江省地質環(huán)境監(jiān)測院，浙江 杭州 310007；2.浙江地球物理地球化學勘查院，浙江 杭州 310005)

淺層地溫能是儲存在地表以下一定深度范圍內的巖土體、地下水中可開發(fā)利用的熱能，是一種分布廣泛、儲量巨大、清潔環(huán)保、可以再生的新型資源[1-3]。淺層地溫能的可持續(xù)利用，不僅可作為化石原料的替代資源，節(jié)能減排，而且運行成本低，不消耗地下水，應用前景廣闊。隨著地源熱泵技術的日益成熟，淺層地溫能資源已逐漸成為城市地區(qū)地熱能利用的新途徑[4]。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2010年底，已有43個國家開發(fā)利用淺層地溫能，而我國淺層地溫能服務面積已經(jīng)超過2×108m2[5]。目前，臺州地區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用也在逐步發(fā)展，典型案例有臺州黃巖御景華庭別墅、臺州椒江云頂佳苑別墅、臺州開元云頂、臺州臨湖公館、臺州臨湖國際、臺州三門中國海啊集團辦公樓、臺州三門中國海啊集團游泳池、臺州溫嶺九龍大酒店別墅等[6]。

臺州市濱海工業(yè)區(qū)是臺州灣循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的核心區(qū)域，資源集約利用和節(jié)能減排是集聚區(qū)建設的核心內容之一。對濱海工業(yè)區(qū)淺層地溫能資源進行勘查評價研究，能夠有力促進臺州灣循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)節(jié)能減排的示范作用，對構筑資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的生態(tài)和諧城市具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

臺州濱海工業(yè)區(qū)位于臺州市主城區(qū)東部濱海地帶，是臺州市區(qū)工業(yè)發(fā)展的重要平臺，范圍東至十一塘、三山北涂和三山涂圍墾區(qū)的防洪堤和自然山體，南與溫嶺市接壤，西至臺東大道，北到椒北快速路。東部十塘以東作為首批啟動區(qū)，目前處于大規(guī)模建設階段，是濱海工業(yè)區(qū)的核心區(qū)域，面積約81.7 km2。臺州濱海工業(yè)區(qū)地理位置及淺層地溫能孔分布情況見圖1。

圖1 臺州濱海工業(yè)區(qū)地理位置及淺層地溫能勘查孔分布圖Fig.1 Geographical location of Taizhou coast industrial area and the distribution of shallow geothermal nergy exploration holes

1.2 第四紀地質結構

濱海工業(yè)區(qū)第四紀地層厚度較大，一般超過150 m。其中，50 m以淺為黏性土為主的單層結構，60～80 m以淺含砂礫層，厚度10～20 m，80～150 m內含有2個砂、砂礫層，厚度10～20 m。0～150 m深度內第四紀地層總體結構較為單一，黏性土厚度占70%～80%。

1.3 水文地質條件

根據(jù)賦存形式及含水介質，濱海工業(yè)區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水，包括孔隙潛水和孔隙承壓水。孔隙潛水分布于平原表部，地下水埋深較淺，水量貧乏，水質以微咸水為主，含水層巖性主要為淤泥質亞黏土夾粉細砂，透水性差。松散巖類孔隙承壓水在區(qū)內廣泛分布，分為第Ⅰ孔隙承壓含水層(組)和第Ⅱ孔隙承壓含水層(組)，含水層分布穩(wěn)定，水量大，富水性較好。

2 淺層地溫能賦存特征

2.1 淺層地溫場特征

在地層巖性、地質構造、氣候、地下水活動等多因素的影響下，淺層地溫場在垂向上自上而下依次可劃分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶[7]。淺層地溫場綜合反映了埋深0～100 m松散層的地溫變化，主要用深度范圍內混合水的溫度來表征[8]。

采用TH-212溫度傳感器現(xiàn)場測量原始地溫，測量時將溫度傳感器放入PE管內，20 m以內測點間距為2.0 m/點，20 m以下測點間距為10 m/點，測溫精度為±0.1 ℃。通過CS01和CS02兩個淺層地溫能鉆孔的連續(xù)觀測，CS01孔所在地段恒溫層埋深約10 m，厚度約8 m，恒溫層溫度約18.9 ℃，地溫梯度約2.6 ℃/100 m，CS01所在的北部地段平均地溫為20.6 ℃。CS02孔所在地段恒溫層埋深約9 m，厚度約7 m，恒溫層溫度約18.8 ℃，地溫梯度約2.9 ℃/100 m，CS02所在南部地段平均地溫為20.7 ℃。

2.2 巖土體熱物性特征

2.2.1 室內熱物性測試

熱物性特征反映了巖土體的蓄熱和導熱能力，是淺層地溫能資源賦存的重要影響因素，其中的導熱系數(shù)、比熱容是淺層地溫能開發(fā)利用適宜性評價及潛力資源評價的重要參數(shù)。對56件樣品進行熱物性參數(shù)測試，結果見表1。

結果顯示，含水量較高的淤泥質土導熱系數(shù)基本為1.10～1.30 W/(m·K)，導熱系數(shù)較小，導熱性能不是很好，粉質黏土導熱系數(shù)一般為1.40～1.50 W/(m·K)，導熱性能一般；而整個調查區(qū)土體容積比熱容偏大，一般為3～4 kJ/(m3·K)，蓄熱能力較好。

2.2.2 原位熱響應試驗

熱響應試驗是獲取地下巖土熱物性的有效技術措施[9]，本次熱響應試驗埋管類型分別為雙U和單U，管材直徑為DN25，孔深150 m，共完成巖土熱響應試驗3次。熱響應測試孔循環(huán)介質流速大于0.2 m/s，保證循環(huán)介質處于紊流狀態(tài)，以達到充分換熱；測試時間為50 h，確保換熱已經(jīng)穩(wěn)定，使出口溫度在12 h內波動小于1 ℃，同時進出口溫度溫差相對比較穩(wěn)定。巖土體綜合熱物性參數(shù)結果見表2。

表1 淺層地溫能鉆孔巖土體熱物性參數(shù)測試統(tǒng)計表Table 1 A statistical table for measuring the thermal physical parameters of rock and soil with shallow geothermal energy drilling

表2 淺層地溫能鉆孔測試成果一覽表Table 2 List of test results of test holes with shallow geothermal energy drilling

3 淺層地溫能開發(fā)利用適宜性評價

3.1 評價指標選取

本次評價主要考慮地質條件，結合調查區(qū)自然地理、區(qū)域地質條件，選擇地質及水文地質條件、地層熱物性、土地利用及鉆進條件3個評價指標進行地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性評價。

3.1.1 地質、水文地質條件

地層巖性、地層厚度、含水層等參數(shù)決定地埋管的適宜性和換熱效果，根據(jù)規(guī)范要求結合地區(qū)實際，本次分析評價選用第四系厚度、礫石層總厚度、含水層厚度三個重要指標。

3.1.2 地層熱物性

地層的熱物性參數(shù)(綜合熱導率、地溫恢復能力、平均地溫)對埋管系統(tǒng)的換熱性能有著重要影響，決定單孔的換熱量，影響開發(fā)利用換熱孔深、施工綜合設計等。

3.1.3 土地利用及鉆進條件

淺層地溫能開發(fā)利用必須依托于土地利用狀況，鉆進條件是熱泵系統(tǒng)的初期投資及運行成本等經(jīng)濟合理性的重要因素。根據(jù)地區(qū)實際選擇土地利用現(xiàn)狀、場地土類型和巖土層結構作為評價因子。

3.2 評價體系建立

3.2.1 評價模型

評價體系從頂層至底層分別由系統(tǒng)目標層(O，object)、屬性層(A，attribute)和要素指標層(F，factor)3級層次結構組成。O層是系統(tǒng)的總目標，即淺層地源熱泵適宜區(qū)劃分。A是屬性指標層，由地質，水文地質條件(X1)、地層熱物性(X2)、土地利用及鉆進條件(X3)三個指標構成。F要素指標層，選擇第四系厚度、礫石層總厚度、含水層厚度、綜合熱導率、平均地溫、地溫恢復、土地利用現(xiàn)狀、巖土層結構、場地土類型等9個指標作為要素指標層，分別建立層次結構模型，進行綜合評價指標計算，在此基礎上進行地埋管地源熱泵適宜性評價。

3.2.2 因子賦值與權重確定

地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)因子賦值采用網(wǎng)格化賦值，針對每個網(wǎng)格按照9項指標進行賦值，賦值以是否適宜建設地源熱泵系統(tǒng)為比較標準，對各個要素的范圍值在1～9打分，越有利于地源熱泵系統(tǒng)應用則所獲分值越高。

權重是根據(jù)重要性程度得出各要素因子層目標層中所占的比重，結合浙江省主要城市淺層地溫能權重，賦值及權重表見表3。

3.3 評價結果

根據(jù)表4中地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性評價分區(qū)指標，濱海工業(yè)區(qū)地埋管系統(tǒng)開發(fā)適宜性評價均為6～7分，為較適宜區(qū)。

表3 各要素賦值及權重表Table 3 Assignment and weight of each element

表4 地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性評價分區(qū)指標Table 4 The suitability evaluation of ground source heat pump system

4 淺層地溫能資源評價

4.1 淺層地溫能熱容量

4.1.1 計算公式

淺層地溫能容量通常按式(1)計算。巖土體骨架的熱容量按式(2)計算。巖土體所含水中的熱容量按式(3)計算。

QR=QS+QW

(1)

式中：QR為淺層地溫能容量，kJ/℃；QS為巖土體骨架的熱容量，kJ/℃；QW為巖土體所含水中的熱容量，kJ/℃。

QS=ρSCS(1-φ)Mdi

(2)

式中：ρS為巖土體密度，kg/m3；CS為巖土體骨架的比熱容，kJ/(kg·℃)；φ為巖土體的孔隙率；M為計算面積，m2；di為計算厚度，m。

QW=ρWCWφMd

(3)

式中：ρW為水密度，kg/m3；CW為水比熱容，kJ/(kg·℃)。

濱海工業(yè)區(qū)淺層地下水埋深淺，富水性差，淺層水熱容量可以忽略不計，主要計算承壓含水層熱容量，d為承壓含水層厚度。

4.1.2 計算取值

1) 計算厚度。根據(jù)淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀，結合濱海工業(yè)區(qū)實際地質條件，僅計算100 m以淺熱容量值，其中CS01鉆孔所在北部地區(qū)巖土體計算厚度di為78 m，d厚度為22 m；CS02鉆孔所在南部地區(qū)100 m以淺巖土體計算厚度di為86 m，d厚度為14 m。

2) 熱物理參數(shù)。調查區(qū)巖土體密度、巖土體比熱容和巖土體孔隙度主要依據(jù)本次巖土體取樣分析成果，垂向上按照巖土體的巖性、物理性質，利用數(shù)理統(tǒng)計方法進行全孔段的加權平均計算，而區(qū)域上根據(jù)各鉆孔全孔段加權平均計算后利用內插法確定。水的密度、水的比熱容取經(jīng)驗值，水的密度為1 000 kg/m3，水比熱容為4.18 kJ/(kg·℃)。開發(fā)利用溫差為1 ℃。

4.1.3 計算結果

計算以調查孔所在地段1 km2范圍為計算單位，計算深度100 m，利用溫差 1 ℃，結果見表5。

本次調查區(qū)較適宜區(qū)面積為80 km2，假定兩個調查孔所代表的地層各占一半比例，濱海工業(yè)區(qū)較適宜區(qū)總的淺層地熱容量為2.99×1013kJ/℃，折合標準煤為1.02×109kg。

4.2 可利用資源量

4.2.1 單孔換熱功率

根據(jù)《淺層地熱能勘查評價規(guī)范》，穩(wěn)定傳熱條件下U形管的單孔換熱功率計算公式見式(4)。

(4)

式中：D為單孔換熱功率，W；λ1為地埋管材料的熱導率，W/(m·℃)；λ2為換熱孔回填料熱導率，W/(m·℃)；λ3為換熱孔周圍巖土熱導率，W/(m·℃)；L為地埋管換熱器長度，m；r1為地埋管束等效半徑，m；r2為地埋管束等效外徑，m；r3為換熱孔半徑，m；r4為換熱影響半徑，m；t1為地埋管內流體的平均溫度，℃；t4為溫度影響半徑之外巖土體的溫度，℃。

單孔換熱功率計算結果見表6，取平均值后制冷工況為4.2 kW/孔，供暖工況為4.7 kW/孔。

表5 淺層地溫能鉆孔容量計算結果Table 5 The calculation results of the shallow layer geothermal capacity

表6 淺層地溫能鉆孔換熱功率計算一覽表Table 6 List of heat transfer power calculation for test holes

4.2.2 可利用地溫能資源計算

可利用地溫能資源量計算采用熱導率法，計算公式見式(5)。

Qh=D×n×10-3

(5)

式中：Qh為淺層地溫能可利用資源量，kW；D為單孔換熱功率，W；n為區(qū)域內可鉆孔數(shù)。

根據(jù)濱海工業(yè)區(qū)土地利用規(guī)劃實際，可利用地溫能資源僅考慮商業(yè)及居住區(qū)，面積約10 km2，同時由于以上土地面積受道路、橋梁、已有建筑物、建筑布局、開發(fā)程度等影響，結合以往經(jīng)驗，需乘以折減系數(shù)25%，可利用地溫能資源按照2.5 km2計算。

換熱時考慮網(wǎng)格狀布置，孔間距5 m，較適宜埋設地埋管的面積按照總面積10 km2的25%計算。可鉆孔數(shù)量約為100 000孔，估算夏季可開采資源量為4.2×105kW，冬季可開采資源量為4.7×105kW。當取使用系數(shù)為0.6，一個制冷季(120天)可以向巖土中排放的熱量為2.61×1012kJ，折合標準煤為3.02×108kg；一個供暖季(80天)可以向巖土中提取的熱量為0.66×1013kJ，折合標準煤為2.24×108kg。

4.3 資源潛力評價

根據(jù)浙江省地區(qū)經(jīng)驗，按建筑面積浙江省公建建筑冬季供暖負荷約為80 W/m2，夏季制冷負荷約為110 W/m2；民建建筑冬季供暖負荷約為60 W/m2，夏季制冷負荷約為90 W/m2。本次資源評價按公建60%，民建40%的比例計算負荷，即冬季供暖負荷取70 W/m2，夏季制冷負荷取100 W/m2。

由此，在臺州市濱海工業(yè)區(qū)適宜區(qū)范圍進行地埋管系統(tǒng)淺層地溫能開發(fā)總潛力為夏季可供制冷面積為4.2×106m2，冬季可供取暖面積為6.7×106m2。

5 結論及應用建議

5.1 結論

1) 臺州市濱海工業(yè)區(qū)恒溫層平均埋深約9.5 m，平均厚度約7.5 m，恒溫層平均溫度約18.85 ℃；原位熱響應試驗測試巖土體導熱系數(shù)為1.62～1.85 W/(m·K)，容積比熱容3 020～3 240 kJ/(m3·K)。

2) 由地質及水文地質條件、地層熱物性、土地利用及鉆進條件3個評價指標對臺州市濱海工業(yè)區(qū)進行地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性評價，結果均為較適宜區(qū)。

3) 對濱海工業(yè)區(qū)淺層地溫能進行資源評價，總的淺層地熱容量為2.99×1013kJ/℃，折合標準煤為1.02×109kg，可利用淺層地溫能資源為9.21×1012kJ，折合標準煤5.26×108kg；濱海工業(yè)區(qū)進行地埋管系統(tǒng)淺層地溫能開發(fā)總潛力為夏季可供制冷面積為4.2×106m2，冬季可供取暖面積為6.7×106m2。

5.2 應用建議

臺州市正以“國家級的循環(huán)經(jīng)濟示范區(qū)”為發(fā)展目標，全力打造“發(fā)展模式循環(huán)性、產(chǎn)業(yè)導向高新型、空間環(huán)境生態(tài)型”的沿海循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。濱海工業(yè)區(qū)屬于集聚區(qū)的臺州市區(qū)東部組團(核心組團)，結合該組團“四片四帶、一主三副、二特四居、一軸三廊”的總體發(fā)展規(guī)劃，建議將城市遠景副中心和片區(qū)主中心、科技創(chuàng)新副中心、生產(chǎn)性服務業(yè)副中心、居住片區(qū)服務中心確定為淺層地溫能開發(fā)利用的重點區(qū)域。在重點區(qū)域內部署重點項目，一是優(yōu)先鼓勵大型公共建筑和辦公建筑項目開發(fā)利用淺層地溫能，例如集聚區(qū)配套的物流、商貿(mào)、信息、金融、交通、醫(yī)療、教育等服務業(yè)建筑區(qū)塊；二是積極引導和發(fā)展高檔民用住宅小區(qū)建筑項目開發(fā)利用淺層地溫能，如騰云、三甲、蓬街、金清等居住建筑區(qū)塊。