江蘇徐州城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能研究

翟如偉+劉愛斌+景佳俊

摘 要： 通過對江蘇省徐州城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能研究，闡述淺層地熱地質條件，調查淺層地溫場分布特征，按照淺層地溫能勘查評價規(guī)范對城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能進行適宜性分區(qū)、淺層地溫能資源估算及開發(fā)利用潛力評價，提出合理開發(fā)利用淺層地溫能資源的意見與建議。

關鍵詞： 淺層地溫能； 城市規(guī)劃區(qū)； 地溫能容量； 可利用資源量； 資源潛力評價； 江蘇徐州

Abstract： Through the shallow geothermal energy research in Jiangsu Province， Xuzhou city planning area， expounds the shallow geothermal geological condition， to investigate the distribution of shallow geothermal field in shallow geothermal energy exploration and evaluation standard of city planning area of shallow geothermal suitability zoning， shallow geothermal resource estimation and utilization potential evaluation， offers proposals for reasonable development and utilization of shallow geothermal resource.

Keywords： Shallow geothermal energy； Urban planning zone； ground temperature energy capacity； Available resources； Resource potential evaluation； Xuzhou， Jiangsu

淺層地溫能是指近地表以下一定深度范圍內，溫度低于25℃，在當前技術經(jīng)濟條件下具備開發(fā)利用價值的地球內部的熱能資源[1-3]。它是地熱資源的重要組成部分，屬清潔、安全、可再生能源，是國家重點支持開發(fā)利用的能源方向。

規(guī)劃區(qū)為徐州市城市遠期規(guī)劃區(qū)，面積為3157km2，因規(guī)劃區(qū)范圍大，以徐州市主城區(qū)為本次重點研究區(qū)，主城區(qū)面積為641km2，外圍以資料收集為主，研究深度為地表以下200m以淺。淺層地溫能利用分為地埋管式和地下水式，規(guī)劃區(qū)處于地下水水源保護區(qū)，故本文僅對規(guī)劃區(qū)進行地埋管式適宜性評價。

1. 淺層地溫能賦存條件

1.1 自然地理特征

規(guī)劃區(qū)位于江蘇省北部，地處黃泛平原，同時又位于魯南山區(qū)南緣，屬華北平原的一部分。總體地形特征：西北和東南部為平原區(qū)，中東部和西南部為低山丘陵及山前、山間平原區(qū)。地勢總體微向東南傾斜。按地貌成因和形態(tài)特征，可劃分為構造剝蝕—溶蝕地貌、剝蝕堆積地貌和堆積平原三大類型。

規(guī)劃區(qū)地處北亞熱帶與暖溫帶之間過渡帶，屬濕潤至半濕潤季風氣候區(qū)。日照充足、四季分明，春季氣候多變，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季干燥寒冷。常年主導風向偏東風，冬天多西北風，夏天多東南風；徐州年氣溫14℃，一月平均氣溫-0.7℃，七月平均氣溫27℃，年均降水量800mm～930mm，雨季降水量占全年的56%，最大年降水量為1297mm，最小年降水量為259.5mm。

規(guī)劃區(qū)地處古淮河的支流沂、沭、泗諸水的下游，以黃河故道為分水嶺，北屬泗運水系，南屬濉河水系。境內河流縱橫交錯，湖沼、水庫星羅棋布，北部主要地表水體有京杭運河、房亭河和微山湖，南部主要河流有閘河、奎河、運料河、閆河、瑯溪河等。

1.2 地質概況

按大地構造位置，本區(qū)大地構造屬于中朝準地臺—淮河臺坳—淮北臺陷褶帶—徐州—（宿縣）弧形斷褶帶。山地、丘陵約占城市規(guī)劃區(qū)總面積的20%，其余為廣大第四系松散堆積物覆蓋。

1.2.1 地層

徐州城市規(guī)劃區(qū)內第四系分布較廣泛，規(guī)劃區(qū)內沉積類型有：沖積、沖—湖積、沖—洪積、湖—沼積、坡—洪積等（見表1）。地層屬華北地層區(qū)魯西分區(qū)徐州—宿縣地層小區(qū)的一部分。上元古界青白口系新興組（Pt3x）是區(qū)內最古老地層，其上依次是：青白口系（Qnt）、震旦系（Z），為一套濱淺海相碳酸鹽巖—碎屑巖沉積；古生界寒武系（∈）、奧陶系下—中統(tǒng)（O1-2），組成區(qū)內山系的主體，主要為濱淺海相—臺地相碳酸鹽巖—碎屑巖沉積；缺失奧陶系上統(tǒng)—石炭系下統(tǒng)；上古生界石炭系上統(tǒng)（C2）、二疊系（P）為區(qū)域主要的含煤巖系，巖性為海陸交互相—濱海沼澤相的碳酸鹽巖—含煤碎屑巖沉積建造；區(qū)內中生代地層發(fā)育不全，侏羅系上統(tǒng)（J3）、白堊系（K），為一套河湖相—火山盆地沉積相的陸源碎屑—火山沉積建造；區(qū)內第四系發(fā)育程度不均，受基巖起伏面和古地理環(huán)境的變化影響，其厚度變化較大：微山湖—臥牛山以西40m～140m；潘塘—棠張一帶40m～65m；其他地區(qū)10m～40m，以沖洪積、沖湖積為主，主要分布在平原區(qū)，上覆于基巖以上（圖1）。

1.2.2 地質構造

規(guī)劃區(qū)位于徐（州）—宿（縣）弧形斷褶帶中北段，東距郯廬深大斷裂帶約100km。在區(qū)域上南北向擠壓與扭轉作用下，形成區(qū)內獨特的徐州弧形構造樣式。

規(guī)劃區(qū)內斷裂構造主要有兩組，一組呈北東—北北東向的壓、壓扭性縱向斷裂，走向基本與弧形褶皺近于平行，主要發(fā)育復式褶皺構造的翼部或向斜構造的核部，多數(shù)為逆掩形成的疊瓦狀構造；另一組是北西、北西西向的張、張扭性斷裂構造，橫切北東—北北東向褶皺與斷裂構造。

規(guī)劃區(qū)斷裂構造組合特征對淺層地溫能賦存條件有重要影響，進一步影響了淺層地溫能資源的儲集和分布特征。

1.3 淺層地溫場特征

1.3.1 地溫場垂向分布特征

地殼淺層地溫場在垂向上的變化特征受地層巖性、結構、孔隙率、當?shù)貧夂?、地下水活動等多種因素的影響，自上而下依次為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。

恒溫帶是太陽的輻射與地球的內熱二者相互影響達到平衡狀態(tài)，地溫相對保持恒定，不隨時間變化。規(guī)劃區(qū)恒溫帶埋深在20m～30m，恒溫帶溫度16.6℃～17.1℃，恒溫帶溫度比徐州年平均氣溫略高2.6℃～3.1℃。

變溫帶的溫度受太陽輻射影響，呈現(xiàn)四季變化，與氣溫呈現(xiàn)高度一致性，即一月份最低，平均地溫0.4℃，七月份最高，平均地溫27.1℃，1月～7月逐漸升高，7月～12月逐漸降低的趨勢。年平均溫差26.7℃，從地表往下溫度逐漸降低，地溫梯度2.0℃/100m～2.3℃/100m。

增溫帶的溫度主要由地球內熱控制，基本不受大氣溫度變化影響。一般情況下，地溫隨深度增加而增高，但不呈線性增加，而是地溫梯度隨深度增大而逐漸變小，地溫梯度平均最高2.70℃/hm，平均2.28℃/hm。

1.3.2 地溫場平面分布特征

規(guī)劃區(qū)20m埋深深度的地溫普遍低于19℃，溫度范圍基本在17.0℃～19.0℃，其中西部區(qū)域地溫高于17.5℃，中東部絕大部分區(qū)域地溫低于17.5℃?？傮w而言，規(guī)劃區(qū)20m深度地溫平面分布規(guī)律大致是西高東低（圖2）。

1.3.3 巖土熱物性特征

采集測試樣41件進行熱物性測試，導熱系數(shù)1.34W/（m·K）～2.81W/（m·K），比熱容0.86kJ/（kg·K）～1.64kJ/（kg·K），導溫系數(shù)1.46～3.85×10-3m2/h，密度1760kg/m3～2870kg/m3，含水率0.09%～26.2%，孔隙率0.073～0.452。測試結果顯示，不同巖性的巖土樣其熱物性參數(shù)有明顯差異（見表2）。

1.3.4 巖土熱響應特征

根據(jù)規(guī)劃區(qū)地貌和地層的異同，共進行了5組單孔熱交換測試，由于規(guī)劃區(qū)巖性以灰?guī)r為主，地源熱泵多布設于灰?guī)r區(qū)，根據(jù)熱響應實驗結果，巖土體導熱系數(shù)主要受巖性影響，5組測試數(shù)據(jù)顯示導熱系數(shù)2.11W/（m·K）～2.75W/（m·K）。根據(jù)熱響應實驗結果，巖土體導熱系數(shù)主要受巖性影響，不同巖性的巖土樣其熱物性有明顯差異，單孔換熱量夏季62W/m～78W/m，冬季46W/m～50W/m，潘塘盆地換熱量較低，僅相當于其余區(qū)域的70%左右?？傮w來看測試孔熱導率數(shù)值較高，適宜于地埋管地源熱泵開發(fā)利用條件（見表3）。

1.4 淺層地溫能影響因素分析

通過在規(guī)劃區(qū)地質鉆探、巖土熱物性測試、現(xiàn)場熱響應試驗、布設地溫場長期監(jiān)測點等方法措施取得了翔實數(shù)據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計分析得出，區(qū)內地層巖性、地下水、地質構造及氣候等是淺層地溫賦存條件，同時也是構成地溫場分布及其變化的主要影響因素。其中以灰?guī)r為主的固結巖類具有較高的導熱系數(shù)；地下室良好的儲溫載體，同時也是良好的熱傳遞介質；變溫帶地溫隨氣候因素變化而變化，地溫場在垂向及平面上分布特征的差異性，間接地影響到不同區(qū)域的淺層地溫能熱容量。

2. 開發(fā)利用現(xiàn)狀

2.1 項目概況

徐州市植物園工程項目位于徐州市平山路東側，豪紳一百居住小區(qū)南側，環(huán)境優(yōu)美，交通便利，地理位置優(yōu)越。本項目為徐州市植物園生態(tài)自然館空調熱泵項目，建筑面積3180m2，設計熱負荷1370kW，配置有2臺螺桿式地源熱泵機組的地源熱泵系統(tǒng)，概況信息如表4、表5所示。

2.2 基礎數(shù)據(jù)采集與估算

本項目一次性初始投資約為600萬，折合單位建筑面積投資1887元/m2。

運行費用由于并沒有直接獲取到相關數(shù)據(jù)，現(xiàn)在采取根據(jù)設備功率預估的方法估算，運行費用包括：能源費（主要）、設備基本維護費估算：根據(jù)設計書，系統(tǒng)運行時間為夏季制冷120天、冬季供暖120天。期間系統(tǒng)每天運行時間折算為滿負荷運行時間12小時，電費按每度電0.55元估算，那么，年運行能源費用為：

（120×378.5+120×490.5）×10×0.55=573540（元）

設施維護保養(yǎng)費估算：據(jù)該項目物業(yè)負責人提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，年設備保養(yǎng)費按照設備費總額的2%估算，按照工程經(jīng)驗設備費用一般占一次性總投資的2/3，那么設備保養(yǎng)費用約為8萬元

所以，該項目運行費用總計為653540元，均攤值單位建筑面積為205.5元/m2。

2.3 指標估算

（1）經(jīng)濟指標—動態(tài)費用年值AW

估算公式為： （2-1）

式中，i為銀行利率，取3%，n為使用壽命，本項目中取50年，C0為初始投資600萬元，C為年運行費用653540元；

代入估算，可得該項目費用年值AW為：886733元；

均攤至單位建筑面積費用年值為：278.8元/m2；

年值指標的引入使得不同壽命期的項目之間可以進行比對，因為年值已經(jīng)將初始投資及運行費用按照一定收益率均攤到每個年份，這樣即使兩個項目的壽命不同，其經(jīng)濟效應也可通過這個值進行比較。

（2）節(jié)能指標—能效比COP

這兩個值反映的都是地源熱泵節(jié)能的能力，但分別表示的意義有所差別，其中，COP 表示的為熱源效率，其估算表達式為：

（2-2）

其中：Qh表示熱源輸出功

W表示熱源輸入功

C表示建筑物冷（熱）負荷

P表示設備功率

S表示面積

由建筑物概況信息可知，該建筑物冷熱負荷分別為：

270w/m2（冷）、430w/m2（熱）

根據(jù)該項目設備相關參數(shù)，兩臺熱泵機組的供熱效率可以承擔建筑負荷，所以根據(jù)系統(tǒng)設備總輸入功率，可算得該系統(tǒng)的能效比：

COPc=2.26（制冷）、COPh=2.79（制熱）

（3）環(huán)保指標—△CO2、△SO2、△NOX、粉塵

本項目制冷期節(jié)能量： （2-3）

Ec為項目制冷期耗電量，根據(jù)前文估算，為120x10x378.5=454200kWh，由此可估算出TC為572292kWh，此部分能量為電能，根據(jù)國家發(fā)改委的數(shù)據(jù)火電廠1kWh的供電煤耗為360g標準煤，所以這部分能源所相當?shù)臉藴拭寒斄繛椋?06025kg。根據(jù)污染物排放定額（如表6）可算得相應氣體的減排量，估算公式如下：

（2-4）

其中：表示相應污染物消減量

表示電能的污染物排放定額

由此可算得，制冷期各污染物減排量為：

△CO2=644401kg、△SO2=7039kg、△NOX=916kg、粉塵=4693kg。

項目供暖期節(jié)能量： （2-5）

Eh為項目制熱期耗電量，根據(jù)前文估算，為120x10x490.5=588600kWh，由此可算得Th=1053594kWh。

此部分能量需轉化為標準煤的量，根據(jù)換算關系，1kWh的電能相當于0.123kg的標準煤燃燒產(chǎn)生的熱量，所以這部分能源所相當?shù)臉藴拭寒斄繛椋?29592kg

根據(jù)表6標準煤燃燒的排放定額，可估算出相應氣體及粉塵污染的減排量，估算公式：

（2-6）

其中表示標準煤燃燒的排放定額

由此可算得：

△CO2=356378kg、△SO2=3888kg、△NOX=518kg、粉塵=2592kg。

綜上，本項目每年節(jié)約的標準煤量為335617kg，相關氣體污染的減排量為：

△CO2=1000779kg、△SO2=10927kg、△NOX=1434kg、粉塵=7285kg。

（4）綜合指標——投資節(jié)能率

投資節(jié)能率估算中使用的節(jié)能參數(shù)為COP，表示的是熱泵運行所節(jié)約的能源價值與投資額的比值，以此作為項目單位投資額節(jié)能能力的指標，估算過程如下：

制冷期節(jié)能量： （2-7）

tc為全年供冷時間（小時），代入具體數(shù)值得：

Tc=572292kWh

供暖期節(jié)能量同理，具體估算可得Th=1053594kWh

全年節(jié)能量及能源價值：依然取電能費用為0.55元/kWh。全年節(jié)能量為1625886kWh，其價值為894237.3元，此項目年值為886733元，則項目投資節(jié)能率：節(jié)能效益/投資額=100.8%

此數(shù)值的意義為，在本項目中每1元的投資能節(jié)約1.008元的能源費用。

2.4 經(jīng)濟分析

對徐州地區(qū)典型地源熱泵系統(tǒng)進行了經(jīng)濟性分析，結果發(fā)現(xiàn)當該地源熱泵系統(tǒng)節(jié)約的標準煤量為335617kg，全年節(jié)能量為1625886kWh，其價值為894237.3元。相關氣體污染的減排量為：△CO2=1000779kg、△SO2=10927kg、△NOX=1434kg、粉塵=7285kg，節(jié)能環(huán)保效益明顯。

3. 開發(fā)適宜性分區(qū)

3.1 分區(qū)原則

（1）地質條件為基礎。地質條件是淺層地溫能資源賦存的基礎條件，巖土體的物理性質、熱物理性質是形成淺層地溫能資源的物質基礎。（2）水文地質條件為依托。含水層分布、水動力條件和特點為能量的運移創(chuàng)造了有利的條件，地下水的作用不容忽視；含水層的水化學特征影響著淺層地溫能資源的開發(fā)應用方式。（3）淺層地溫能開發(fā)利用與地質環(huán)境保護相結合。如地質災害易發(fā)區(qū)、生態(tài)及水源地保護區(qū)等。（4）經(jīng)濟與效益相結合。在當前經(jīng)濟技術條件下，選擇經(jīng)濟與效益最優(yōu)的區(qū)域及開發(fā)利用方式是理智的。（5）淺層地溫能資源開發(fā)利用依存于政府的各種政策、法律法規(guī)和規(guī)劃。

3.2 分區(qū)類型

目前對淺層地溫能資源開發(fā)主要的利用方式為地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)。由前文可知該區(qū)域屬地下水源保護區(qū)，不具備地下水源熱泵開發(fā)利用條件，僅適宜采用地埋管式地源熱泵開發(fā)利用淺層地溫能。徐州城市規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵的適宜性分區(qū)劃分為三級：適宜區(qū)、較適宜區(qū)及不適宜區(qū)。

3.3 分區(qū)評價方法

依據(jù)《淺層地溫能勘查評價規(guī)范》（DZ/T0225-2009）對徐州城市規(guī)劃區(qū)地埋管換熱進行適宜性分區(qū)，分區(qū)評價方法如下表7。

考慮到徐州地區(qū)100m深度范圍內卵石層總厚度基本上都不超過5m，故分區(qū)評價時只需對第四系厚度、含水層厚度因子進行評價即可。

3.4 開發(fā)適宜性分區(qū)綜合評價

規(guī)劃區(qū)僅適宜采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用，適宜區(qū)主要分布在第四系地層大于100m且含水層厚度大于30m的規(guī)劃區(qū)西北部；較適宜區(qū)主要分布在第四系后度小于30m或者50m～100m或者含水層總厚度10m～30m的規(guī)劃區(qū)大部分區(qū)域都有分布；不適宜區(qū)主要分布在第四系厚度在30m～50m且含水層厚度小于10m的規(guī)劃區(qū)東部和南部。

4. 淺層地溫能資源評價

4.1 淺層地溫能熱容量

在淺層巖土體、水體中儲存的單位溫差熱量稱為淺層地熱容量，通常采用體積法估算。估算主要參數(shù)有巖土體埋深、巖土體密度、比熱容和孔隙率等。

經(jīng)估算，規(guī)劃區(qū)100m深度范圍內淺層地溫能熱容量約為8.11×1014kJ/℃，相當于燃燒約27672萬t標準煤獲得的能量，每年減排量（CO2、SO2、NOx、懸浮質粉塵、灰渣）66911萬t，節(jié)省環(huán)境治理費約769.6億元，節(jié)能減排效益十分可觀。

4.2 可利用資源量

從淺層巖土體、水體中單位時間內交換的熱量稱為淺層地熱換熱功率，可利用資源量通過淺層換熱功率表示。

地源熱泵型可利用資源量采用熱傳導法，根據(jù)規(guī)劃區(qū)內地層巖性、地層結構等條件，計算地源型區(qū)域換熱功率。規(guī)劃區(qū)適宜區(qū)、較適宜區(qū)面積約為2798.1km2，孔間距取5m，雙U型；地埋管地源熱泵工程建設時，還要考慮建筑布局、建筑負荷需求、建筑占地面積、資源承載力等因素，本次計算考慮根據(jù)城市不同行政區(qū)的建設情況，相應的對地埋管建設的面積進行折減，折減系數(shù)為30%，則土地利用系數(shù)取3.43%～15.54%；經(jīng)估算本區(qū)可安裝換熱孔為6326725個；根據(jù)現(xiàn)場熱響應測試獲得的可利用溫差，計算周期為一個90天制冷期和一個90天制熱期；經(jīng)估算規(guī)劃區(qū)100m地埋管地源熱泵系統(tǒng)的總換熱功率為7.47×107kW，其中夏季總換熱功率為4.42×107kW，冬季總換熱功率為3.05×107kW，若全部開發(fā)利用相當于每年可節(jié)約602萬t標準煤，每年減排量（CO2、SO2、NOx、懸浮質粉塵、灰渣）1456萬t，節(jié)省環(huán)境治理費約16.7億元，節(jié)能減排效益十分可觀。

4.3 資源潛力評價

資源潛力評價將在適宜性分區(qū)的基礎上，結合淺層地溫能的可利用資源量，考慮地源熱泵的能效比（COP和EER），采用單位面積可利用資源量的供暖和制冷面積表示。當?shù)仄胀ㄗ≌緹嶝摵?、夏季冷負荷指標分別取50w/m2、80w/m2。

根據(jù)地埋管地源熱泵換熱方式和可利用資源量，規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵的夏季總制冷面積為4.42×108m2，冬季總供暖面積為8.14×108m2。按照單位制冷面積評價估算，規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵的潛力位于9.06×104m2/km2～4.48×105m2/km2。

5. 結論與建議

（1）徐州城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能資源量豐富，地層巖性、地下水、地質構造及氣候等是區(qū)內淺層地溫能主要賦存條件?？晒╅_發(fā)利用資源量較大，預期節(jié)能減排的經(jīng)濟環(huán)境效益顯著。

（2）規(guī)劃區(qū)主要適宜地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用，區(qū)內地下水雖然豐富，但屬于城市供水源地、地下水保護區(qū)，故不適宜采用地下水地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用。

（3）建議徐州城市規(guī)劃區(qū)根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃與布局，依據(jù)淺層地溫能資源賦存條件和開發(fā)利用適宜性分區(qū)，編制完成淺層地溫能資源開發(fā)利用方案，明確淺層地溫能資源開發(fā)利用方向。

（4）建議啟用其他輔助設備和方法（如：冷卻塔和加熱生活用水等）消除淺層地溫能開發(fā)利用過程中引起的熱堆積問題，提高淺層地溫能的開發(fā)潛力，實現(xiàn)淺層地溫能的可持續(xù)開發(fā)利用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國土資源部. 淺層地熱能勘察評價規(guī)范：DZ/T0225-2009[S]. 北京：中國標準出版社， 2009.

[2]韓再生， 冉偉彥. 城市地區(qū)淺層地溫能評價方法探討[J]. 城市地質， 2007， 2（4）：10-16.

[3]官煜， 陳循， 陳學鋒，等. 安徽蚌埠城市規(guī)劃區(qū)淺層地熱能研究[J]. 地質學刊， 2014， 38（1）：88-93.