達(dá)州主城區(qū)淺層地?zé)崮軡摿Ψ治?/h1>
2022-12-12 17:50:28陳潤
西部探礦工程 2022年8期
陳 潤
（四川省煤田地質(zhì)局一三七隊，四川 達(dá)州 635006）
淺層地?zé)崮苁翘N(yùn)藏在地表以下一定深度范圍（200m以內(nèi)）巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的熱能，通過地源熱泵技術(shù)向地下巖土體中提取或釋放熱量，溫度低于25℃的低溫地?zé)豳Y源，是在太陽輻射和地球內(nèi)部產(chǎn)生的大地?zé)崃骶C合作用下而形成[1-3]的一種可再生的新型清潔、環(huán)保能源，具有儲量大、可就地利用、安全性能高等特點。目前已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)溫室采暖、道路融雪、建筑供暖制冷等方面，以后者應(yīng)用最廣泛。根據(jù)《中國可再生能源發(fā)展報告2019》，截至2019年底，我國淺層地?zé)崮芙ㄖ?yīng)用面積約8.41×108m2，位居世界第一。
《中國建筑能耗研究報告（2020）》數(shù)據(jù)顯示，2018年全國建筑全過程能耗總量21.47×108tce，占全國能源消費總量的46.5%，全國建筑全過程碳排放總量49.3×108tCO2，占全國碳排放的51.3%。其中建筑運行階段能耗10×108tce，占全國能源消費總量的21.7%，碳排放21.1×108tCO2，占全國碳排放的21.9%[4]。隨著人民生活水平的提高，沿用傳統(tǒng)方式制冷供暖建筑運行階段能耗和碳排放量還有上升趨勢。2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話中提出中國二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。黨的十九屆五中全會在《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中提出將推動能源清潔低碳安全高效利用作為加快推動綠色低碳發(fā)展的重要內(nèi)容。達(dá)州市常住人口538.5萬，主城區(qū)常住人口105 萬，面積100km2，人口密度大，建筑能源消費和碳排放量大，達(dá)州市主城區(qū)開發(fā)利用淺層地?zé)崮軐?yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)節(jié)能減排有重要的意義。
1 研究區(qū)概況
1.1 自然地理特征
達(dá)州主城區(qū)地處達(dá)州中部，為四川盆地東平行嶺谷區(qū)、盆中丘陵區(qū)、盆周低山區(qū)連接地帶。地貌特征受構(gòu)造、巖性控制，山嶺走向與地質(zhì)構(gòu)造線走向基本一致，呈北東—南西向展布，地形總趨勢北高南低。區(qū)內(nèi)海拔高度一般300～500m，最高點為鳳凰山，海拔高程758m，最低侵蝕基準(zhǔn)面為州河，海拔高程267m，相對高差491m。屬川東褶皺帶剝蝕—侵蝕低山丘陵地貌。
研究區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候，具有四季分明、冬短夏長、氣候溫和、雨量充沛、降雨集中的特點。近年年平均氣溫18.1℃，最低氣溫在一月份，平均溫度5.8℃～8.6℃，極端最低氣溫-3℃，最高氣溫在七、八月份，平均溫度27.3℃～30.0℃，極端最高氣溫40℃。日照偏短，全年日照時間1049.7～1274.7h，年平均日照時數(shù)1174.7h。年降雨量為984.8～1478.8mm，年平均降雨量1181.2mm。
1.2 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件
研究區(qū)主要出露侏羅系紅色陸相地層，有侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組（J2xs）、上沙溪廟組（J2s）、上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)（J3p）及遂寧組（J3s），巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及細(xì)砂巖；第四系零星分布于緩坡地帶及河岸，巖性為粘土、粉質(zhì)粘土或砂質(zhì)粘土及卵石層，厚度5～20m。區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度簡單，主要褶皺為達(dá)縣—大竹向斜，為平緩開闊的對稱向斜，斷層不發(fā)育。
研究區(qū)主要干流為州河，多年平均流量為11165m3/s。較大的支流有明月江、雙龍河，明月江多年平均流量30.57m3/s，雙龍河多年平均流量1.01m3/s。區(qū)內(nèi)地表水分布不均衡且動態(tài)變化較大，主要地表水體州河水位近年較往常下降明顯，部分河段枯水期甚至接近斷流，供水穩(wěn)定性較差。地下水有碎屑巖孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水兩種類型，以碎屑巖裂隙水含水層為主，富水性貧乏，鉆孔單位涌水量0.017～0.459m3/（d·m），平均0.87m3/（d·m）。根據(jù)鉆孔簡易水位文觀測，無統(tǒng)一聯(lián)系的地下水水位，大部分為干孔，部分孔靜止水位0.5～42.5m。
1.3 淺層地溫場特征
根據(jù)四川省內(nèi)主要城市熱響應(yīng)試驗孔垂向溫度測量成果，初步確定了恒溫層分布深度基本都在20～60m之間，地域差異不明顯，達(dá)州市恒溫層溫度一般在17℃～21℃。
1.4 熱物性特征
研究區(qū)第四系零星分布且厚度小，地層巖性主要為侏羅系紅層泥巖、砂巖及砂泥巖互層，是區(qū)內(nèi)淺層地?zé)崮苜x存的主要載體，經(jīng)測試，導(dǎo)熱系數(shù)最大的為砂巖，導(dǎo)熱系數(shù)為3.5667W/（m·K），最小的是泥質(zhì)粉砂巖，導(dǎo)熱系數(shù)為1.8522W/（m·K）。根據(jù)現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗資料，區(qū)內(nèi)砂巖、泥巖地層均具有較好的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)在2.10～2.47W/（m·K）之間。
2 研究區(qū)建筑制冷供熱現(xiàn)狀
我國建筑采取空調(diào)制冷、地源熱泵制冷和區(qū)域供冷[5-6]方式，供熱方式多樣，有集中供熱和局部供熱，主要方式有熱電聯(lián)產(chǎn)、燃料鍋爐、熱泵空調(diào)、電采暖、燃?xì)獠膳⒒馉t采暖及太陽能供熱等[7-9]。受氣候條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和相關(guān)政策的影響，各地區(qū)制冷供暖方式不同。我國目前建筑運行階段能耗已超過總能耗的五分之一，建筑能耗中空調(diào)耗能的比例占比較大，可以達(dá)到65%[10]。
達(dá)州處于夏熱冬冷地區(qū)，主要采用中央空調(diào)、分體空調(diào)進(jìn)行夏制冷和冬季取暖。采用空調(diào)制冷采暖能耗高。據(jù)研究，室內(nèi)的溫度降低一度，空調(diào)所需要消耗的能量上升8%[11]。同時，空調(diào)運行可對環(huán)境造成熱污染，加劇城市熱島效應(yīng)，若發(fā)生制冷劑泄漏更會惡化空氣質(zhì)量。利用淺地層地?zé)崮懿粌H可以降低建筑能耗，也可以有效解決空調(diào)熱污染等問題。
3 資源評價
3.1 熱容量計算
研究區(qū)侏羅系砂泥巖地層厚度大，熱物性條件較好，大部分為地埋管地源熱泵適宜區(qū)。本次按照《淺層地?zé)崮茉u價規(guī)范》，在地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上，采用體積法計算了地表以下200m范圍淺層地?zé)崮軣崛萘?，分別計算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲存的熱量，然后合并計算評價范圍內(nèi)地質(zhì)體的儲熱性能。
綜合考慮地形地貌、地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、巖土體物性及熱性參數(shù)，總體上以行政區(qū)劃為基礎(chǔ)，對研究區(qū)地埋管地源熱泵適宜區(qū)和較適宜區(qū)進(jìn)行分區(qū)計算。本次地埋管地源熱泵適宜區(qū)和較適宜區(qū)計算面積142.72km2。經(jīng)計算，適宜區(qū)淺層地溫能熱容量為5.17×1013kJ/℃，較適宜區(qū)淺層地溫能熱容量為2.03×1013kJ/℃，研究區(qū)總熱容量為7.20×1013kJ/℃，單位面積熱容量為5.05×1011kJ/（℃·km2），按標(biāo)準(zhǔn)煤熱值為29307.6kJ/kg 計算，該熱量可折合245.81×104t標(biāo)準(zhǔn)煤。
3.2 潛力評價
利用巖土熱物性和現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)，估算地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)夏季制冷、冬季供暖的換熱功率分別為3533.04W、2998.63W。參照四川省主要城市建筑冷熱負(fù)荷參數(shù)，進(jìn)一步計算出可供暖和制冷面積，在不考慮土地利用系數(shù)即按土地利用系數(shù)，研究區(qū)地埋管地源熱泵夏季制冷潛力（1.49～2.12）×106m2/km2，平均1.77×106m2/km2，夏季可制冷面積總和2.69×108m2；冬季供暖淺層地溫能潛力（1.68～2.40）×106m2/km2，平均2.00×106m2/km2，冬季可供暖面積總和為3.05×108km2。
4 結(jié)論與展望
當(dāng)前節(jié)能減排是我國重要工作，達(dá)州市作為成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈和萬達(dá)開川渝統(tǒng)籌發(fā)展示范區(qū)中的關(guān)鍵節(jié)點，在未來將持續(xù)優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，著力推動綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展，落實中央碳達(dá)峰、碳中和部署。研究區(qū)淺層地?zé)崮軡摿^大，且開發(fā)利用條件較好，結(jié)合達(dá)州能源稟賦特征，可在新區(qū)建設(shè)、老城區(qū)改造和重大工程建設(shè)項目中采用天然氣取暖、電力取暖制冷聯(lián)合淺層地?zé)崮芟到y(tǒng)等方式推廣利用清潔可再生的淺層地?zé)豳Y源，優(yōu)化本地能源消費結(jié)構(gòu)，減少二氧化碳排放。
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陳 潤
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1 研究區(qū)概況
1.1 自然地理特征
達(dá)州主城區(qū)地處達(dá)州中部，為四川盆地東平行嶺谷區(qū)、盆中丘陵區(qū)、盆周低山區(qū)連接地帶。地貌特征受構(gòu)造、巖性控制，山嶺走向與地質(zhì)構(gòu)造線走向基本一致，呈北東—南西向展布，地形總趨勢北高南低。區(qū)內(nèi)海拔高度一般300～500m，最高點為鳳凰山，海拔高程758m，最低侵蝕基準(zhǔn)面為州河，海拔高程267m，相對高差491m。屬川東褶皺帶剝蝕—侵蝕低山丘陵地貌。
研究區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候，具有四季分明、冬短夏長、氣候溫和、雨量充沛、降雨集中的特點。近年年平均氣溫18.1℃，最低氣溫在一月份，平均溫度5.8℃～8.6℃，極端最低氣溫-3℃，最高氣溫在七、八月份，平均溫度27.3℃～30.0℃，極端最高氣溫40℃。日照偏短，全年日照時間1049.7～1274.7h，年平均日照時數(shù)1174.7h。年降雨量為984.8～1478.8mm，年平均降雨量1181.2mm。
1.2 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件
研究區(qū)主要出露侏羅系紅色陸相地層，有侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組（J2xs）、上沙溪廟組（J2s）、上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)（J3p）及遂寧組（J3s），巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及細(xì)砂巖；第四系零星分布于緩坡地帶及河岸，巖性為粘土、粉質(zhì)粘土或砂質(zhì)粘土及卵石層，厚度5～20m。區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度簡單，主要褶皺為達(dá)縣—大竹向斜，為平緩開闊的對稱向斜，斷層不發(fā)育。
研究區(qū)主要干流為州河，多年平均流量為11165m3/s。較大的支流有明月江、雙龍河，明月江多年平均流量30.57m3/s，雙龍河多年平均流量1.01m3/s。區(qū)內(nèi)地表水分布不均衡且動態(tài)變化較大，主要地表水體州河水位近年較往常下降明顯，部分河段枯水期甚至接近斷流，供水穩(wěn)定性較差。地下水有碎屑巖孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水兩種類型，以碎屑巖裂隙水含水層為主，富水性貧乏，鉆孔單位涌水量0.017～0.459m3/（d·m），平均0.87m3/（d·m）。根據(jù)鉆孔簡易水位文觀測，無統(tǒng)一聯(lián)系的地下水水位，大部分為干孔，部分孔靜止水位0.5～42.5m。
1.3 淺層地溫場特征
根據(jù)四川省內(nèi)主要城市熱響應(yīng)試驗孔垂向溫度測量成果，初步確定了恒溫層分布深度基本都在20～60m之間，地域差異不明顯，達(dá)州市恒溫層溫度一般在17℃～21℃。
1.4 熱物性特征
研究區(qū)第四系零星分布且厚度小，地層巖性主要為侏羅系紅層泥巖、砂巖及砂泥巖互層，是區(qū)內(nèi)淺層地?zé)崮苜x存的主要載體，經(jīng)測試，導(dǎo)熱系數(shù)最大的為砂巖，導(dǎo)熱系數(shù)為3.5667W/（m·K），最小的是泥質(zhì)粉砂巖，導(dǎo)熱系數(shù)為1.8522W/（m·K）。根據(jù)現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗資料，區(qū)內(nèi)砂巖、泥巖地層均具有較好的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)在2.10～2.47W/（m·K）之間。
2 研究區(qū)建筑制冷供熱現(xiàn)狀
我國建筑采取空調(diào)制冷、地源熱泵制冷和區(qū)域供冷[5-6]方式，供熱方式多樣，有集中供熱和局部供熱，主要方式有熱電聯(lián)產(chǎn)、燃料鍋爐、熱泵空調(diào)、電采暖、燃?xì)獠膳⒒馉t采暖及太陽能供熱等[7-9]。受氣候條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和相關(guān)政策的影響，各地區(qū)制冷供暖方式不同。我國目前建筑運行階段能耗已超過總能耗的五分之一，建筑能耗中空調(diào)耗能的比例占比較大，可以達(dá)到65%[10]。
達(dá)州處于夏熱冬冷地區(qū)，主要采用中央空調(diào)、分體空調(diào)進(jìn)行夏制冷和冬季取暖。采用空調(diào)制冷采暖能耗高。據(jù)研究，室內(nèi)的溫度降低一度，空調(diào)所需要消耗的能量上升8%[11]。同時，空調(diào)運行可對環(huán)境造成熱污染，加劇城市熱島效應(yīng)，若發(fā)生制冷劑泄漏更會惡化空氣質(zhì)量。利用淺地層地?zé)崮懿粌H可以降低建筑能耗，也可以有效解決空調(diào)熱污染等問題。
3 資源評價
3.1 熱容量計算
研究區(qū)侏羅系砂泥巖地層厚度大，熱物性條件較好，大部分為地埋管地源熱泵適宜區(qū)。本次按照《淺層地?zé)崮茉u價規(guī)范》，在地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上，采用體積法計算了地表以下200m范圍淺層地?zé)崮軣崛萘?，分別計算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲存的熱量，然后合并計算評價范圍內(nèi)地質(zhì)體的儲熱性能。
綜合考慮地形地貌、地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、巖土體物性及熱性參數(shù)，總體上以行政區(qū)劃為基礎(chǔ)，對研究區(qū)地埋管地源熱泵適宜區(qū)和較適宜區(qū)進(jìn)行分區(qū)計算。本次地埋管地源熱泵適宜區(qū)和較適宜區(qū)計算面積142.72km2。經(jīng)計算，適宜區(qū)淺層地溫能熱容量為5.17×1013kJ/℃，較適宜區(qū)淺層地溫能熱容量為2.03×1013kJ/℃，研究區(qū)總熱容量為7.20×1013kJ/℃，單位面積熱容量為5.05×1011kJ/（℃·km2），按標(biāo)準(zhǔn)煤熱值為29307.6kJ/kg 計算，該熱量可折合245.81×104t標(biāo)準(zhǔn)煤。
3.2 潛力評價
利用巖土熱物性和現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)，估算地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)夏季制冷、冬季供暖的換熱功率分別為3533.04W、2998.63W。參照四川省主要城市建筑冷熱負(fù)荷參數(shù)，進(jìn)一步計算出可供暖和制冷面積，在不考慮土地利用系數(shù)即按土地利用系數(shù)，研究區(qū)地埋管地源熱泵夏季制冷潛力（1.49～2.12）×106m2/km2，平均1.77×106m2/km2，夏季可制冷面積總和2.69×108m2；冬季供暖淺層地溫能潛力（1.68～2.40）×106m2/km2，平均2.00×106m2/km2，冬季可供暖面積總和為3.05×108km2。
4 結(jié)論與展望
當(dāng)前節(jié)能減排是我國重要工作，達(dá)州市作為成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈和萬達(dá)開川渝統(tǒng)籌發(fā)展示范區(qū)中的關(guān)鍵節(jié)點，在未來將持續(xù)優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，著力推動綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展，落實中央碳達(dá)峰、碳中和部署。研究區(qū)淺層地?zé)崮軡摿^大，且開發(fā)利用條件較好，結(jié)合達(dá)州能源稟賦特征，可在新區(qū)建設(shè)、老城區(qū)改造和重大工程建設(shè)項目中采用天然氣取暖、電力取暖制冷聯(lián)合淺層地?zé)崮芟到y(tǒng)等方式推廣利用清潔可再生的淺層地?zé)豳Y源，優(yōu)化本地能源消費結(jié)構(gòu)，減少二氧化碳排放。
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