田光輝，王 曦，林 黎，趙蘇民，宋美鈺，蔡 蕓，王 平

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津 300250)

天津市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用試點工作成果淺析

田光輝，王 曦，林 黎，趙蘇民，宋美鈺，蔡 蕓，王 平

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津 300250)

為進一步推進淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用，總結(jié)探索調(diào)查評價與開發(fā)利用的工作模式，更好的指導(dǎo)全國工作。2009年至2010年，國土資源部和天津市聯(lián)合開展了“天津市淺層地?zé)崮苷{(diào)查評價與開發(fā)利用”試點工作。以天津市淺層地?zé)崮苜Y源背景，分析地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)兩種方式的開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在的主要問題，總結(jié)試點工作所取得的成果。天津試點工作成果，形成了可在全國推廣的淺層地?zé)崮堋百Y源調(diào)查模式”、“規(guī)劃編制模式”、“動態(tài)監(jiān)測模式”、“工程示范模式”和“工作監(jiān)管模式”。

淺層地?zé)崮?地源熱泵;試點工作;經(jīng)驗

淺層地?zé)崮苁侵柑N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(一般為200 m以內(nèi)，溫度低于25℃的熱能)。它是一種清潔的可再生能源，具有總量大、可再生、安全可靠、環(huán)境效益顯著等特點。2006年1月1日起實施的《中華人民共和國可再生能源法》將淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用明確列入鼓勵發(fā)展的新能源范圍之中。開發(fā)利用淺層地?zé)崮軐?gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、促進國家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)具有非常重要的意義。目前，北京、沈陽等地淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用達到了一定的規(guī)模，其中沈陽應(yīng)用淺層地?zé)崮艿拿娣e已經(jīng)超過4 300萬 m2，每年節(jié)煤151萬 t，減排CO2287萬 t，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

天津市處于華北平原東北部，平原區(qū)1萬多 km2范圍均覆蓋著200 m以上的松散沉積層，屬于暖溫帶半濕潤大陸與海洋過渡型季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季濕熱多雨，四季冷暖比較分明，恒溫層土壤溫度在13.5℃ ～15℃之間，這些條件對于開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源是非常有利的。同時，天津也是我國大規(guī)模開展地?zé)豳Y源勘查工作最早的城市。上世紀(jì)70年代，在李四光的倡導(dǎo)下，天津市開展了地?zé)岽髸?zhàn)。至今已先后探明了王蘭莊、山嶺子等8個地?zé)崽?，熱流體可采儲量達到8 378萬m3/a。鑒于此，國土資源部選擇天津作為全國淺層地?zé)崮苷{(diào)查評價與開發(fā)利用試點城市。本文對天津淺層地?zé)崮艿馁Y源背景、開發(fā)利用現(xiàn)狀及問題、試點工作的主要內(nèi)容和成果等進行了介紹。

1 資源背景

天津轄區(qū)面積為11 919.7 km2，除去775 km2的北部山區(qū)外，其余的廣大地區(qū)均覆蓋了松散的沉積層，平原區(qū)第四系地層厚度為300～450 m，地層以粘土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土為主，含水層巖性主要為細(xì)砂，部分為粗砂。第四系孔隙水劃分為四個含水組，三個含水亞組，即第Ⅰ含水組相當(dāng)于全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)(Ⅰ，Q 4+3)，包括淺層全淡水(位于全淡水區(qū))和淺層淡水(位于有咸水區(qū))兩個含水亞組，咸水亞組介于第Ⅰ、第Ⅱ含水組之間，淺部屬淺層水，深部具深層水特征。第Ⅱ含水組相當(dāng)于中更新統(tǒng)(Ⅱ，Q 2)，第Ⅲ含水組大致相當(dāng)于下更新統(tǒng)上段(Ⅲ，Q12)，第Ⅳ含水組相當(dāng)于下更新統(tǒng)下段，在隆起區(qū)尚包括部分新近系含水層(Ⅳ，Q11+N2)。第Ⅰ含水組屬于淺層地下水系統(tǒng)，第Ⅱ－Ⅳ含水組屬深層地下水系統(tǒng)。

受基巖面起伏和斷裂構(gòu)造的影響，蓋層平均地溫梯度介于2℃ ～8.3℃/100 m之間;地層溫度25℃處的最大埋深為600 m(寶坻斷裂以北地區(qū)除外)，最小為170 m。

天津市淺層地?zé)崮苜Y源十分豐富，潛力巨大，如果能夠科學(xué)合理的加以利用，必將為濱海新區(qū)和天津市的發(fā)展提供能源保障。

2 開發(fā)利用現(xiàn)狀

天津市開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源始于2000年，第一個淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用項目是天津東車輛段修所項目，服務(wù)面積為500 m2。經(jīng)過近10年的發(fā)展，截止2010年5月，天津市共有淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用項目174個，總的服務(wù)面積達294.79萬 m2。其中地埋管地源熱泵系統(tǒng)132個，占總數(shù)的75.86%，服務(wù)面積183.27萬 m2，占總面積的62.17%;地下水地源熱泵系統(tǒng)42個，占總數(shù)的 24.14%，服務(wù)面積 111.52萬 m2，占總面積的37.83%。主要用于企事業(yè)單位、商場和展館、學(xué)校和醫(yī)院等建筑物的供暖和制冷，具體比例見圖1和圖2。

圖1 天津市地埋管地源熱泵系統(tǒng)各建筑類型利用面積百分比

圖2 天津市地下水地源熱泵系統(tǒng)各建筑類型利用面積百分比

從2000年開始，淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用項目逐年增加。其中地埋管地源熱泵系統(tǒng)由于其具有節(jié)能、環(huán)保、可靠、不需要消耗地下水等優(yōu)勢，2003年以來該類項目增長較快(見圖3);而地下水地源熱泵系統(tǒng)需要豐富的地下水資源為基礎(chǔ)，對于天津這樣的缺水城市來說，它的推廣應(yīng)用受到一定的制約，因此，近幾年增幅并不大(見圖4)。

3 存在的主要問題

雖然天津市淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用規(guī)模在逐年增大，但在調(diào)查過程中也發(fā)現(xiàn)存在一些問題，只有及時發(fā)現(xiàn)這些問題和不足，采取相應(yīng)的對策，才能更加合理、科學(xué)的開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源。

圖3 天津市歷年地埋管地源熱泵項目數(shù)量及服務(wù)面積統(tǒng)計圖

圖4 天津市歷年地下水地源熱泵項目數(shù)量及服務(wù)面積統(tǒng)計圖

3.1 缺乏對巖土體熱物性特征的了解，造成設(shè)計偏差

從調(diào)查的結(jié)果來看，大部分已建的地源熱泵工程都沒有開展現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗，而是應(yīng)用經(jīng)驗值或其他地區(qū)的巖土體熱物性參數(shù)代替。而巖土體的熱物性參數(shù)是設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)的重要參數(shù)，它的準(zhǔn)確與否直接影響到設(shè)計方案的合理性和經(jīng)濟性。

3.2 施工隊伍良莠不齊，質(zhì)量不能保證

從事地源熱泵工程的生產(chǎn)、設(shè)計、安裝與施工隊伍中的一些技術(shù)人員，對這項技術(shù)仍然處于不十分清楚的狀態(tài)。地源熱泵技術(shù)性較強，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)一些非正規(guī)專業(yè)的公司承攬地源熱泵工程，而做出的工程很難保證質(zhì)量。例如，天津市平原區(qū)80%以上的面積都被咸水覆蓋，且咸水層較淺，在進行鉆探施工時，要對咸淡水界面進行特殊處理，以防止咸淡水串層，造成地下水污染，但在實際操作中，這一點往往被一些施工單位忽視;另外，合理的回填對于改善土壤側(cè)傳熱具有積極貢獻，但是，在實際操作中，由于回填存在一定難度，一些施工單位的回填率很低。這樣一來，不僅傳熱會由于空氣熱阻作用而明顯變差，而且對于保護地層結(jié)構(gòu)、埋管換熱器應(yīng)力釋放等也是十分不利的。

3.3 缺乏地溫及節(jié)能效果監(jiān)測

近年來，天津建成了大量的地源熱泵系統(tǒng)，但尚未建立地源熱泵系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測體系，缺少對地源熱泵系統(tǒng)中地溫、水位、水質(zhì)等動態(tài)變化的監(jiān)測，無法評價淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用對地質(zhì)環(huán)境的影響;大多數(shù)地源熱泵系統(tǒng)中都沒有安裝必要的節(jié)能計量裝置，如溫度表、流量計、功率表等，使得項目的節(jié)能計算工作存在一定困難，同時也不便于管理部門的進一步節(jié)能評定工作。

3.4 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用相關(guān)的政策、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)較少

雖然目前天津淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用發(fā)展迅速，但在開發(fā)中仍然存在一些技術(shù)和經(jīng)濟上的難題，有關(guān)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的政策、相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)相對較少，導(dǎo)致市場不規(guī)范、管理不到位等問題。

4 試點工作成果

為進一步推進淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用，總結(jié)探索調(diào)查評價與開發(fā)利用的工作模式，更好指導(dǎo)全國的工作。2009年至2010年，國土資源部與天津市聯(lián)合開展了“天津市淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用試點工作”，試點工作分為5個專題:一是淺層地?zé)崮苜Y源調(diào)查評價;二是淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用規(guī)劃編制;三是淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用示范工程建設(shè);四是淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)建設(shè);五是淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用政策研究。經(jīng)過一年多的奮戰(zhàn)，試點工作順利完成，取得了豐碩的成果，具體如下:

(1)全面完成了天津市淺層地?zé)崮苜Y源調(diào)查，查明了天津市淺層地?zé)崮芊植继攸c和賦存條件，評價了資源量和開發(fā)利用潛力。計算出淺層地?zé)崮艿目衫觅Y源量為1 748萬億千焦，冬季可供暖面積 13.4億 m2，夏季可制冷面積12.6億m2。每年淺層地?zé)崮芸衫觅Y源量全部開發(fā)可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5 974萬 t，扣除開采的電能消耗，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4 480萬 t，減少向大氣排放二氧化碳等1.17億 t，減少環(huán)境治理費用15.32億元。這一成果打破了以往認(rèn)為全國淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用潛力僅為6 000萬 t至8 000萬 t標(biāo)準(zhǔn)煤的結(jié)論。

(2)在調(diào)查評價的基礎(chǔ)上，結(jié)合天津市社會經(jīng)濟發(fā)展、城市建設(shè)和土地利用規(guī)劃，編制完成了天津市淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用規(guī)劃，劃定了開發(fā)適宜區(qū)，分別圈定了適宜地下水、地埋管開發(fā)方式的地區(qū)，提出了合理的開發(fā)利用規(guī)模。

(3)實施了梅江會展中心等10個具有代表性的淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用示范工程。通過示范工程建設(shè)，提出了工程建設(shè)與管理的標(biāo)準(zhǔn)和要求，為淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用規(guī)范化建設(shè)提供了依據(jù)。10個示范工程項目總供熱(制冷)面積約100萬m2，建成后每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4萬 t，減少排放二氧化碳等10萬 t。

(4)建立了由11個動態(tài)監(jiān)測站、1個監(jiān)測中心和1個試驗基地組成的天津市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，并起草了《天津市地埋管地源熱泵動態(tài)監(jiān)測規(guī)程》。

五是為實現(xiàn)統(tǒng)一管理、科學(xué)規(guī)劃、有序開發(fā)、合理利用淺層地?zé)崮苜Y源，全面系統(tǒng)地開展了政策研究工作，完成了《淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用相關(guān)政策研究報告》和《關(guān)于推進天津市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用工作的建議》。

5 結(jié)論

天津試點工作成果，得到了李克強副總理的重要批示:“天津試點的成果可喜，國土資源部要按已定部署聯(lián)合有關(guān)方面，繼續(xù)推動我國淺層地?zé)崮苷{(diào)查評估和開發(fā)利用工作，開拓新型能源，推動低碳經(jīng)濟發(fā)展”。

筆者相信，天津創(chuàng)建的“調(diào)查先行，規(guī)劃跟進，工程示范，監(jiān)測到位，政策保障”工作經(jīng)驗，必將對全國開展淺層地?zé)崮芄ぷ髌鸬街匾闹笇?dǎo)意義。

［1］DZ/T 0225－2009，淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范［S］.

［2］孫寶成，林黎，趙蘇民，等.天津市淺層地?zé)崮苜Y源調(diào)查報告［R］.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，2010.

［3］程萬慶，曾梅香，田光輝，等.天津市淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)專題報告［R］.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，2010.

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TV213.9

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1004－1184(2012)01－0064－02

2011－06－20

田光輝(1980－)，男，河南周口人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和熱儲工程研究工作。