金 光

(陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710086)

渭南市淺層地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀及效益分析

金 光

(陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710086)

淺層地熱能作為清潔的可再生的能源，是國家大力探索和發(fā)展的新能源。渭南市地處陜西關中盆地東部，具有豐富的淺層地熱能資源，在淺層地熱能地下水源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)利用方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，通過對渭南市淺層地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀進行分析，提出應改善和優(yōu)化渭南市建筑用能結構，大力推廣地源熱泵工程，根據(jù)不同區(qū)域采用地下水源熱泵和地埋管地源熱泵兩種不同方式加大對渭南市淺層地熱能的開發(fā)利用，以期產(chǎn)生良好社會效益和經(jīng)濟效益。對緩解渭南市持續(xù)霧霾天氣具有重要意義。

渭南市；淺層地熱能；適用性廣泛；資源量巨大；社會經(jīng)濟效益顯著

淺層地熱能是賦存在地球表層巖土體中的低溫地熱資源，是一種新型的優(yōu)質(zhì)清潔能源，具有可再生、分布廣、儲量大、清潔環(huán)保、經(jīng)濟實惠、安全性強和可用性強等特點。它是地球淺表層數(shù)百米內(nèi)(<200 m)的土壤巖石和地下水中所蘊藏的一種低溫熱能，其能量主要來源于太陽輻射和地球梯度增溫。與深層地熱相比，淺層地熱能分布廣泛、儲量巨大、再生迅速、采集方便、開發(fā)利用價值更大。淺層地溫能利用系統(tǒng)具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能、運行成本低、可持續(xù)利用、技術成熟、不消耗地下水等特點，應用前景廣闊，尤其對緩解當前入冬以來渭南市持續(xù)霧霾天氣具有重要意義。

1 地貌地質(zhì)概況

1.1 地貌概況

渭南市地處關中盆地東部，地勢由南北兩側(cè)渭河階區(qū)向中間河谷漫灘區(qū)呈階梯狀降落(圖1)，由南向北依次表現(xiàn)為渭河南岸三級階地—渭河南岸二級階地—渭河南岸一級階地—渭河南岸漫灘—渭河—渭河北岸漫灘—渭河北岸一級階地。區(qū)內(nèi)主要河流為渭河，自西而東縱貫全區(qū)，其南岸支流有零河、沋河、赤水河、遇仙河等，支流都呈南北向平行分布，塑造了起伏不平的地貌形態(tài)。

1.2 地質(zhì)概況

渭南市200 m以淺地層全部為第四系更新統(tǒng)和全新統(tǒng)地層。

1)第四系全新統(tǒng)上部沖積層(Q42al)分布于渭河河床及漫灘地帶。巖性：上部為粉質(zhì)砂土；下部為含礫中粗砂，粒度不均，分選性較差，總厚約29～33 m。

2)第四系全新統(tǒng)上部洪積層(Q42pl)分布于渭河南岸沖洪積扇區(qū)。巖性主要為砂質(zhì)粘土夾砂卵礫石層，一般厚4～15 m，局部可達20 m。

3)第四系全新統(tǒng)下部沖積層(Q41al)分布于渭河兩岸一級階地，埋藏于河漫灘之下，構成一級階地之主體。巖性主要為中粗砂層夾粉質(zhì)粘土，厚度穩(wěn)定，厚約80 m。

4)第四系更新統(tǒng)上部沖積層(Q32al)分布于二級階地，埋藏于一級階地及河漫灘之下，構成二級階地之主體。該層頂面埋深一級階地及漫灘74-96m，二級階地為10～24 m。巖性變化較大，自南向北粘性土逐漸減少，砂層厚度增大。頂部為一層厚4～20 m砂質(zhì)粘土，連續(xù)性好，層位穩(wěn)定，透水性弱，是承壓水較好的隔水頂板。主要巖性是砂質(zhì)粘土與中粗砂、細砂互層，總厚度40～134 m。

5)第四系更新統(tǒng)上部風積層(Q3eol)分布于渭南市南側(cè)，渭河二、三級階地表面，厚度約23 m，以粉粒為主，土質(zhì)較均，蟲孔、針孔發(fā)育，下含蝸牛殼。夾一層古土壤，棕色，較密實，具團粒結構，含空隙及根孔，見鈣斑鈣絲。

圖1 地貌圖

2 淺層地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀

渭南市淺層地熱開發(fā)利用與省內(nèi)其它地區(qū)相比稍有滯后。渭南市目前淺層地熱能開發(fā)利用方式主要為地下水水源熱泵形式，開發(fā)利用深度為120～210 m。淺層地溫能技術總供暖面積約14.6萬 m2，占2015年總供暖面積695萬 m2的2.1%。近年來，市政府為改善和優(yōu)化渭南市建筑用能結構，加快大氣污染治理工作進度，大力推廣地源熱泵工程的開發(fā)利用。渭南市淺層地熱能利用工程有2家，總供暖面積約13.6萬 m2。目前有另外兩處水源熱泵工程正在建設當中。

3 開發(fā)利用中熱泵形式分析

3.1 地下水源熱泵

由于水文地質(zhì)特征的差異，地下水地源熱泵適宜性也明顯不同，適宜性分區(qū)如下：

地下水地源熱泵適宜區(qū)：分布于評價區(qū)中部渭河漫灘，含水層巖性為礫砂、含礫中粗砂和粉質(zhì)粘土構成，地層導水性好，為雙層結構含水層(潛水和承壓水)，富水性強，單位涌水量為10～30 m3/h·m，適宜地下水抽灌，該區(qū)面積為61.14 km2，占評價區(qū)總面積的22.23%。

地下水地源熱泵較適宜區(qū)：分布于評價區(qū)內(nèi)渭河北岸一級階地和渭河南岸階地及沖洪積扇等地區(qū)，含水層巖性為第四紀全新世沖積層礫砂、中砂、粗砂、粉土和粉質(zhì)粘土。該地段地下水的抽灌條件相對較好，富水性為中等-弱，單位涌水量為1～10 m3/h·m，該區(qū)面積為196.60 km2，占評價區(qū)總面積的71.48%。

地下水地源熱泵不適宜區(qū)：主要分布于評價區(qū)南部黃土覆蓋的三級階地。地層巖性主要為更新統(tǒng)風積黃土、粉質(zhì)粘土夾少量薄層砂土。該區(qū)域地下水富水性弱，地層導水性差，單位涌水量為1～5 m3/h·m，不適宜開展地下水地源熱泵工程。地下水地源熱泵不適宜區(qū)面積為10.93 km2，占評價區(qū)總面積的3.98%。

3.2 地埋管地源熱泵

由于巖土體的熱物理性和水文地質(zhì)特征的差異，地埋管地源熱泵適宜性也明顯不同，適宜性分區(qū)如下：

地埋管地源熱泵適宜區(qū)：分布于評價區(qū)渭河漫灘和一級階地區(qū)。地層主要為粉質(zhì)粘土及中粗砂層，該區(qū)域地層導熱系數(shù)高，單孔換熱功率大，很適合地埋管地源熱泵工程建設。該區(qū)總面積為235.83 km2，占評價區(qū)面積的85.74%。

地埋管地源熱泵較適宜區(qū)：分布于評價區(qū)內(nèi)渭河以南一級階地后部的近代沖洪積扇及渭河的二、三級階地。該區(qū)域地層導熱系數(shù)較高，單孔換熱功率較大，鉆孔施工較容易，該區(qū)面積為32.84 km2，占評價區(qū)面積的11.94%。

4 淺層地熱能可利用資源量預測分析

淺層地熱能資源評價深度以地表以下120 m和200 m兩個深度進行評價。評價區(qū)3～120 m深度范圍內(nèi)總熱容量為7.07×1013kJ/℃，合1.96×1010kWh/℃，取可利用溫差為5℃，淺層地熱能資源儲量為3.53×1014kJ，合9.81×1010kWh；地表以下3～200 m深度范圍內(nèi)總熱容量為1.18×1013kJ/℃，合3.27×109kWh/℃，取可利用溫差為5℃，淺層地熱能資源儲量為5.9×1013kJ，合1.63×1010kWh。

單獨利用地下水地源熱泵時，考慮土地利用系數(shù)冬季可供暖功率為1.71×106kW，可供暖面積為2.30×107m2，整體供暖潛力為8.80×104m2/km2；夏季制冷功率為3.42×106kW，可制冷面積為3.30×107m2，整體制冷潛力為1.18×105m2/km2；

單獨利用地埋管地源熱泵，考慮土地利用系數(shù)，冬季供暖可利用功率為6.17×106kw，可供暖面積為8.28×107m2，整體供熱潛力為3.08×105m2/km2；夏季制冷可利用功率為1.08×107kW，可制冷面積為1.04×108m2，整體制冷潛力為3.88×105m2/km2；

綜合地埋管和地下水地源熱泵適宜區(qū)面積268.67 km2。冬季綜合換熱功率總值為4.73×106kW，供暖面積為6.35×107m2，整體供暖潛力為2.36×105m2/km2；夏季綜合換熱功率為8.41×106kw，制冷面積為8.13×107m2，整體制冷潛力為3.03×105m2/km2。

5 社會經(jīng)濟效益評價

5.1 節(jié)省傳統(tǒng)能源量大

按淺層地熱能開發(fā)利用效率為35%計算節(jié)約量，采用地下水水源熱泵系統(tǒng)開發(fā)淺層地熱能每年可節(jié)約標準煤7.4萬 t；采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)淺層地熱能節(jié)約標準煤24.6萬 t；綜合利用開發(fā)淺層地熱能節(jié)約標準煤19.1萬 t。

5.2 可替代傳統(tǒng)能源量價值

依據(jù)《全國重點城市淺層地溫能調(diào)查評價及編圖技術要求》，一噸標準煤的價格為350 元/t，由此可計算出采用地下水水源熱泵系統(tǒng)開發(fā)淺層地熱能資源可折合人民幣2.60億元；采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)淺層地熱能資源可折合人民幣8.6億元；綜合利用開發(fā)淺層地熱能資源可折合人民幣6.65億元。

5.3 環(huán)境效益顯著

開發(fā)利用淺層地熱能不僅替代了常規(guī)能源，還在很大程度上改善了環(huán)境質(zhì)量減少了常規(guī)能源使用帶來的環(huán)境污染，通過計算當利用率為35%時：

采用地下水地源熱泵系統(tǒng)開采淺層地熱能資源每年可減少排放二氧化碳為177萬 t、二氧化硫為1.26萬 t、氮氧化物為0.45萬 t、懸浮質(zhì)粉塵為0.6萬 t和灰渣為7.42萬 t，減少環(huán)境治理費2.09億元；

采用地埋管地源熱泵開采淺層地熱能資源每年可減少排放二氧化碳為588萬 t、二氧化硫為4.19萬 t、氮氧化物為1.48萬 t、懸浮質(zhì)粉塵為1.97萬 t和灰渣為24.6萬 t，減少環(huán)境治理費6.95億元；

綜合利用淺層地熱能資源每年可減少排放二氧化碳為455萬 t、二氧化硫為3.24萬 t、氮氧化物為1.14萬 t、懸浮質(zhì)粉塵為1.52萬 t和灰渣為19.1萬 t，減少環(huán)境治理費5.38億元。

[1]陜西省地質(zhì)調(diào)查中心.渭南市淺層地熱能調(diào)查評價.2014.

[2]陜西省地質(zhì)調(diào)查院.陜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.2015.

[3]陜西省地質(zhì)調(diào)查中心.陜西省關中盆地地下水資源調(diào)查與保護報告.2012.

2017-02-22

金光(1982-)，男，陜西咸陽人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)和工程地質(zhì)工作。

P314.1

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1004-1184(2017)04-0069-02