■ 王 林/范 軍/林貴生

（1.貴州綠能星新能源開發(fā)有限公司，貴陽 550002；2.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，貴陽550002；3.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093）

0 引言

淺層地?zé)崮苁翘N(yùn)藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)（一般為恒溫帶至200m埋深），溫度低于25℃，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開發(fā)利用價(jià)值的熱能[1]。作為一種新型的清潔能源，淺層地?zé)崮苁请S著全球性的能源危機(jī)和大氣污染等環(huán)境問題而逐漸興起的分布廣、儲(chǔ)量大、開采成本低的新型環(huán)保能源[2]，是未來替代化石能源的重要資源，可以減少污染物排放[3-4]。

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用在我國(guó)起步較晚，20世紀(jì)90年代清華大學(xué)徐秉業(yè)教授引進(jìn)地源熱泵技術(shù)，從此開啟了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展時(shí)代[5]。90年代中后期，受國(guó)際大環(huán)境的影響及淺層地溫系統(tǒng)自身具備的節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，眾多院校及學(xué)者在地埋管及土壤源熱泵技術(shù)方面的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)步[6-7]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)在熱泵模型仿真、實(shí)驗(yàn)裝置、能耗評(píng)價(jià)以及系統(tǒng)材質(zhì)研究方面取得了一批顯著成果[8-13]。

目前，淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用技術(shù)已基本成熟，應(yīng)用范圍擴(kuò)展至全國(guó)，其中有80%集中在華北和東北南部地區(qū)。2015年底全國(guó)淺層地?zé)崮芄┡ㄖ评洌┟娣e達(dá)到3.92億m2，貴州省為810萬m2[14]。諸多標(biāo)志性工程如北京國(guó)家大劇院、奧運(yùn)村、上海世博園等都使用了淺層地?zé)崮?，在貴州也得到了大力推廣。積極開發(fā)利用淺層地?zé)崮?，?duì)貴陽市及其它城市的生態(tài)城市建設(shè)和節(jié)能環(huán)保發(fā)展具有十分重要的意義。

1 貴陽市淺層地?zé)崮苜x存條件

地表以下200m內(nèi)的巖土體和地下水是淺層地?zé)崮艿闹饕x存空間，太陽能輻射條件、氣候條件、地形地貌等自然因素和不同地質(zhì)單元的地質(zhì)條件，對(duì)地?zé)釄?chǎng)具有控制作用[15]。本文重點(diǎn)分析貴陽市主城區(qū)（觀山湖區(qū)、白云區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、南明區(qū)、云巖區(qū)、花溪區(qū)、小河區(qū)）淺層地?zé)崮苜x存條件。

1.1 自然地理?xiàng)l件

貴陽市地處云貴高原二級(jí)梯面，屬高原低中山地貌。海拔高程一般在1000～1400m之間，相對(duì)高差200～400m[16]。受西風(fēng)帶控制，研究區(qū)屬于亞熱帶溫潤(rùn)溫和型氣候，多年平均氣溫為15.3℃，年均降水量約為1129.5mm，相對(duì)濕度達(dá)77%[17]。最熱月（7月）平均氣溫24℃，最冷月（1月）平均氣溫5℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫-9.5℃。貴陽地區(qū)供暖期為每年12月至次年2月計(jì)3個(gè)月，制冷期為每年7月至9月計(jì)3個(gè)月。

貴陽市太陽能資源比較穩(wěn)定，年太陽總輻射為2886.47～4351.07MJ/m2[18]，穩(wěn)定度為3.9[19]；年平均風(fēng)速為5.8～6.2m/s之間，年平均風(fēng)功率密度在300W/m2以上，太陽能及風(fēng)能資源開發(fā)潛力較大。

1.2 地質(zhì)及構(gòu)造條件

區(qū)內(nèi)地層除缺失志留系上統(tǒng)、侏羅系上統(tǒng)、白堊系及第三系外，從寒武系上統(tǒng)至第四系均有出露。其中以三疊系地層發(fā)育最全，出露面積最廣，次為二疊系地層，其余各系地層出露不多，分布面積較小。巖性主要為淺海相碳酸鹽巖，出露面積占90%以上，次為陸相碎屑沉積，占10%左右。第四系主要分布于溶蝕盆地、谷地及溝谷地帶，平均厚度小于10m。

貴陽地區(qū)跨揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)中黔北臺(tái)隆和黔南臺(tái)陷兩個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元（圖1a），構(gòu)造變形復(fù)雜，燕山運(yùn)動(dòng)形成區(qū)內(nèi)構(gòu)造骨架，其早期主要形成經(jīng)向構(gòu)造體系，晚期則主要形成新華夏（NE向）構(gòu)造體系，控制了地層巖性的分布格局和區(qū)域地貌輪廓。斷層裂隙十分發(fā)育，特別是貴陽市區(qū)及北部一帶，斷層裂隙縱橫交錯(cuò)，地下巖溶裂隙及管道密集，為地下水富水地帶之一[20]。一般而言，隆起區(qū)為相對(duì)高熱流區(qū)，坳陷區(qū)為相對(duì)低熱流區(qū)[21]，貴陽地區(qū)具有良好的淺層地?zé)崮芗瘍?chǔ)條件。

1.3 水文地質(zhì)條件

貴陽市地下水以碳酸鹽巖巖溶水為主，占90%以上，地下水位埋深多小于30m。巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，巖層富水性具不均一性，含水性主要受裂隙及巖溶發(fā)育控制，地下水分布極不均勻[22]。強(qiáng)烈的巖溶發(fā)育，為巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了條件，使地下水回灌困難，區(qū)內(nèi)地下水開發(fā)淺層地溫能的方式已逐漸被遺棄，取而代之的是地埋管式的利用方式[23]。

1.4 淺層地?zé)釄?chǎng)及地層熱響應(yīng)特征

貴陽市的恒溫帶深度在25～35m之間，溫度為15.0～16.0℃，地?zé)嵩鰷芈式橛?.7～2.3℃/100m。調(diào)查顯示，貴陽市巖石的導(dǎo)熱系數(shù)不僅受含水量、密度、礦物成分及所含雜質(zhì)等因素影響，還與巖溶發(fā)育程度、碳酸鹽巖風(fēng)化程度等密切相關(guān)[24]。

據(jù)貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局2009年開展的地埋管地源熱泵試驗(yàn)平臺(tái)研究成果，貴陽地區(qū)內(nèi)白云巖地層熱導(dǎo)系數(shù)大于3W/（m·℃），單位長(zhǎng)度雙U管吸熱換熱量大于50W/m，排熱換熱量大于70W/m。巖土層綜合導(dǎo)熱系數(shù)為3.12～1.49W/（m·℃），白云巖為2.27～3.12W/（m·℃），與段啟杉等（2013）[25]所測(cè)熱物性參數(shù)一致，適合地埋管技術(shù)的應(yīng)用。

2 貴陽市淺層地?zé)崮苓m宜性分區(qū)

貴州地區(qū)碳酸鹽巖出露較廣，巖溶發(fā)育，地下水分布極不均勻，第四系厚度薄，使水平地埋管和地下水換熱系統(tǒng)開發(fā)利用受到極大限制，垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)將是淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的重要方向。宋小慶等（2015）運(yùn)用層次分析法（APH）對(duì)淺層地?zé)崮苓m宜性作出評(píng)價(jià)，貴陽市主城區(qū)淺層地?zé)崮苓m宜區(qū)面積為328km2，占城區(qū)總建設(shè)面積的91%。觀山湖區(qū)、白云區(qū)、南明區(qū)及花溪區(qū)適宜面積最廣（圖1b），可作為淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的重點(diǎn)區(qū)域。

圖1 貴陽市構(gòu)造位置及土壤源淺層地?zé)崮苓m宜性分區(qū)圖（底圖據(jù)宋小慶等，2015）

3 貴陽市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀

按室外換熱方式不同，地源熱泵可以分為三類：一是地埋管地源熱泵，二是地下水源熱泵，三是地表水源熱泵[26]。貴州省淺層地?zé)崮苜Y源豐富，具備良好的地?zé)崮荛_發(fā)利用的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件。至2015年底，貴陽市已建成可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目18個(gè)，主要采用土壤源、地表水、污水源熱泵和太陽能等技術(shù)，應(yīng)用示范面積288萬m2。貴州省地?zé)崮荛_發(fā)利用面積為810萬m2，主要集中在貴陽及銅仁地區(qū)（表1）。

貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局是貴州省最早（2009年）研發(fā)并成功實(shí)施應(yīng)用地埋管地源熱泵技術(shù)的單位，并獲得了相應(yīng)專利。目前該局正在成立專業(yè)的包含淺層地?zé)崮茉趦?nèi)的新能源開發(fā)公司，將大力實(shí)施淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用工作，助推“生態(tài)文明貴州”的建設(shè)。據(jù)表1，貴州省因其特有的地質(zhì)及地貌條件，地下水源熱泵系統(tǒng)開發(fā)困難，地表水及污水源熱泵系統(tǒng)開發(fā)受限，以“地埋管+”的復(fù)合能源熱泵系統(tǒng)工程是未來極具生命力的發(fā)展方向。

4 貴陽市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用成效

貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局于2009年起實(shí)施了“一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)、兩個(gè)示范項(xiàng)目”工程，取得了良好成效。其中，該局科技大樓附樓地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，項(xiàng)目建筑面積1600m2，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，節(jié)能效果顯著，與外掛式電空調(diào)相比，冬季制熱和夏季制冷節(jié)能率分別達(dá)到55%和60%。2015年建成的貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局六總隊(duì)綜合大樓地埋管地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，建筑面積1.2萬m2，節(jié)能環(huán)保效果突出，通過一個(gè)冷熱季的數(shù)據(jù)采集，與傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)用電量對(duì)比，節(jié)電量達(dá)3/5左右，為黔東南州淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用建立了良好的示范推廣和體驗(yàn)平臺(tái)。

2016年貴州地質(zhì)科技園采用地源熱泵系統(tǒng)采集淺層地?zé)崮埽偨ㄖ娣e達(dá)10多萬m2，其燃煤量、二氧化碳排放量、粉塵排放量、二氧化硫排放量節(jié)減顯著，減少配電負(fù)荷40%以上，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用50%左右。淺層地?zé)崮艿倪\(yùn)行費(fèi)用明顯低于常規(guī)中央空調(diào)。

綜上，淺層地?zé)崮茉谫F陽及其它城區(qū)的利用，降低了對(duì)不可再生資源的使用，同時(shí)也達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果，單體成果顯著。淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，對(duì)于貴州省在生態(tài)文明建設(shè)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、節(jié)能減排及降低工程項(xiàng)目運(yùn)行成本等方面具有重要意義和作用。

5 開發(fā)利用前景

開發(fā)利用清潔無污染的淺層地?zé)崮芤咽巧鐣?huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，前景廣闊[27]，國(guó)家和地方政府十分重視，大力推進(jìn)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用。貴州省因特有的地形地貌，其淺層地?zé)崮苜Y源不但豐富，開發(fā)利用條件還具有一定的獨(dú)特性，消費(fèi)市場(chǎng)十分廣闊。

(1)為促進(jìn)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用，國(guó)家明確指出：“加強(qiáng)地?zé)崮荛_發(fā)利用”“十三五期間新增地?zé)崮芄┡ㄖ评洌┟娣e11億平方米”“貴州省新增2050萬平方米”“貴陽市、銀川市、梧州市、佛山市三水區(qū)為重點(diǎn)，整體推進(jìn)淺層地?zé)崮芄┡ㄖ评洌╉?xiàng)目建設(shè)”[[14]。貴州省也提出“大力推進(jìn)地?zé)崮茉吹暮侠黹_發(fā)利用，開發(fā)貴陽、安順、遵義等地淺層地溫能，開展中深層地?zé)崮苜Y源勘查”“擴(kuò)大地?zé)崮艿瓤稍偕茉唇ㄖ?yīng)用規(guī)模、推廣其在工業(yè)園區(qū)的應(yīng)用、健全能源礦產(chǎn)資源綠色化發(fā)展機(jī)制，完善新能源與可再生能源支持政策”[28]，并制定和下發(fā)了一系列實(shí)施方案及政策文件，切實(shí)保障了淺層地?zé)崮茼?xiàng)目的開展和實(shí)施。

(2)貴陽地區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用起步較晚，多利用于行政事業(yè)單位辦公樓、學(xué)校及少部分商業(yè)性樓盤，隨著該項(xiàng)技術(shù)的普及和推廣，其應(yīng)用范圍將逐步擴(kuò)大到交易大廳、企業(yè)工廠、商場(chǎng)、寫字樓、醫(yī)院、酒店、旅游綜合設(shè)施等。

(3)通過近年來的調(diào)查評(píng)價(jià)及工程實(shí)施，已初步查明了區(qū)內(nèi)淺層地?zé)崮苜x存、分布特征及相應(yīng)的水文地質(zhì)工程地質(zhì)特征，獲取了大量巖土體熱物性參數(shù)，估算出可利用資源量，開展淺層地?zé)崮芾霉こ踢m宜區(qū)劃分，制定了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研發(fā)與投入，提高淺層地?zé)崮芾眯?。如加?qiáng)淺層巖土熱物性測(cè)試的研究；建立不同地層熱物性數(shù)據(jù)庫；開展不同換熱方式地下傳熱模型的模擬試驗(yàn)；建立地溫場(chǎng)長(zhǎng)期觀測(cè)機(jī)制，測(cè)量地層熱流值及熱傳導(dǎo)系數(shù)等[29]。

(4)貴陽市規(guī)定：“在貴陽市境域嚴(yán)格控制超采、濫采地下水，加大地下水資源管理力度，在城市公共管網(wǎng)到達(dá)范圍內(nèi)，嚴(yán)禁新鑿井開采地下水資源”，還提出“重點(diǎn)對(duì)開采地下水用于地溫空調(diào)的情況嚴(yán)格控制”。結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件及已開展的淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)成果，“地埋管+”的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)是適宜未來貴陽或類似城區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的方向。

(5)地源熱泵在中國(guó)，尤其是西南地區(qū)的應(yīng)用還不夠普遍。一是人們對(duì)地源熱泵的了解還不夠深，不熟悉；二是業(yè)主“誤會(huì)性”地認(rèn)為地源熱泵的初期投資增大，沒有來得及考慮到后期的回本和收益；三是地源熱泵技術(shù)還需要在技術(shù)水平上進(jìn)一步提高[30]。因此，加大淺層地?zé)衢_發(fā)利用的宣傳，積極參與示范城市建設(shè)，利用國(guó)家專項(xiàng)資金穩(wěn)步推進(jìn)以城市為單元的淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用及研究工作勢(shì)在必行。

淺層地?zé)崮芫哂泄?jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，大力發(fā)展清潔能源符合時(shí)代的要求，符合貴陽市生態(tài)城市建設(shè)的現(xiàn)狀需求，符合國(guó)家節(jié)能減排的歷史進(jìn)程。積極開展淺層地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)工作，不斷加大科研力度和技術(shù)創(chuàng)新，積極建設(shè)綠色城市將是一項(xiàng)具有重大意義并可持續(xù)推進(jìn)的長(zhǎng)遠(yuǎn)工程。

6 結(jié)語

(1)貴陽市具有良好的淺層地?zé)崮芗瘍?chǔ)條件：區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖發(fā)育，恒溫帶深度在25～35m之間，溫度15.0～16.0℃，地?zé)嵩鰷芈式橛?.7～2.3℃/100 m。灰?guī)r、白云巖地層熱導(dǎo)系數(shù)大于3W/（m·℃），單位長(zhǎng)度雙U管吸熱換熱量大于50W/m，排熱換熱量大于70W/m。巖土層綜合導(dǎo)熱系數(shù)為3.12～1.49W/（m·℃），白云巖為2.27～3.12W/（m·℃）。其淺層地?zé)崮苜x存條件好。

(2)貴州省淺層地?zé)崮苜Y源豐富，地質(zhì)及地貌條件特殊，地下水、地表水源熱泵系統(tǒng)開發(fā)受限，以“地埋管+”的復(fù)合能源熱泵系統(tǒng)工程是未來極具生命力的發(fā)展方向。已建項(xiàng)目顯示出了較強(qiáng)的節(jié)能性、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性。貴陽市觀山湖區(qū)、白云區(qū)、南明區(qū)及花溪區(qū)適宜面積最廣，可作為地源淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的重點(diǎn)區(qū)域，并進(jìn)一步向其它城鎮(zhèn)拓展。

(3)在國(guó)家和地方政府的支持下，以當(dāng)前淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用成果為基礎(chǔ)，繼續(xù)加大相關(guān)技術(shù)研發(fā)與投入，推進(jìn)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用，大力發(fā)展清潔能源，對(duì)貴陽市乃至其它地區(qū)在建設(shè)綠色低碳、生態(tài)文明、節(jié)能減排及降低工程項(xiàng)目運(yùn)行成本等方面具有重要意義和作用。