天津地區(qū)淺層地熱能開發(fā)利用前景淺析

曾梅香 高寶珠 黎雪梅 李會娟（天津地熱勘查開發(fā)設計院）摘要：淺層地熱能是指廣泛存在于淺部地層（恒溫層至數(shù)百米范圍內）中的熱能，是一種低品位（＜25℃）的能源。但因其分布廣泛、儲量巨大、節(jié)能顯著、可循環(huán)利用等優(yōu)勢而日益受到關注。隨著熱泵技術的發(fā)展，淺層地熱能被認為是建筑供暖（冷）用新能源中是最為現(xiàn)實、最有前途的能源。本文主要介紹這種能源的資源潛力、開發(fā)利用前景及優(yōu)化開采方案。1 引言隨著生活水平的提高，人們對室內舒適程度的要求越來越高，我國建筑用能占全社會能源需求的比例也由原來的1/6增長到1/4，其中供暖、制冷、供生活熱水的能耗占了相當大的比重。不斷增長的能源需求和供給之間的矛盾，以及利用傳統(tǒng)能源對環(huán)境的巨大壓力，使人們對風能、太陽能、地熱能等綠色能源的開發(fā)抱著極大的熱情。淺層地溫源以其儲量巨大、分布廣泛、可循環(huán)利用等優(yōu)勢，在世界范圍內備受推崇。以利用淺層地熱能為主的熱泵技術，在歐美等發(fā)達國家經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已相當成熟。因此，國內外一些能源專家認為：采集大自然低溫可再生能特別是淺層地能（熱）是21世紀取代傳統(tǒng)供暖（冷）方式最為現(xiàn)實、最有前途的技術。2 淺層地熱能的特點淺層地熱能是指儲藏在地下數(shù)百米以淺的地層中、溫度介于基準溫度（當?shù)睾銣貛幍臏囟龋┖?5℃之間的低品位熱能，它是深部熱能向上傳導和太陽輻射共同作用的結果。各地區(qū)的恒溫帶深度及其對應的基準溫度主要與所處緯度相關，基準溫度與當?shù)氐哪昶骄鶜鉁叵喈?。我國地域廣闊，南北差距較大：我國已測得的恒溫層深度在15～30m之間，基準溫度在10～23℃之間。淺層地熱能的特點就是儲量巨大、分布廣泛、參數(shù)穩(wěn)定、幾乎不受環(huán)境氣候的影響，是能量較恒定的可再生清潔能源，是熱泵技術應用最多的地溫資源層［1］。3 天津淺層地熱能儲量概算天津轄區(qū)面積11919.7km2，除去775km2的北部山區(qū)外，其余的廣大地區(qū)均覆蓋了松散的新生界地層。但寶坻斷裂以北的松散層厚度僅100～300m，松散層底板處的溫度一般小于20℃，淺層低溫能的儲量有限，在此不做計算；該斷裂以南8700km2的范圍內，松散層厚度均大于千米，恒溫帶埋深30m左右，基準溫度為13.5℃；受基巖面起伏和斷裂構造的影響，蓋層平均地溫梯度介于2～8.3℃/100m之間；地層溫度25℃處的最大埋深為600m（寶坻斷裂以北地區(qū)除外），最小為170m。根據(jù)以往的地熱地質數(shù)據(jù)，估算8700km2范圍內的淺層低溫能儲量達3.6×1019J，折合發(fā)電量1×1013kW·h，相當于可連續(xù)維持天津用電最高負荷（2005年為597萬kW）190年。即使開采其中的百分之一，也可以極大地緩解電力緊張的問題。4 淺層地能開發(fā)應用實例在我國政府提出加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建設節(jié)約型城市的情況下，在人口集中、經(jīng)濟發(fā)達的大城市，一些公共建筑如政府機構、醫(yī)院、學校等，有條件的都要優(yōu)先使用淺層地溫、太陽能和生物質能等再生能源，部分替代電能，或與電能互補，改變城市能源結構單一的局面，促進能源結構多元化，有效緩解電力緊張問題。如北京早在幾年前就開始淺層地溫的利用，目前采用淺層地能供暖替代燃煤鍋爐的建筑物總面積已達200萬m2，2006年有望達到300萬m2［2］。天津是全國最早開采利用地熱資源的城市之一，但深部地熱資源因補給緩慢而面臨越來越大的開采壓力，某些地區(qū)已嚴格限采；而以開發(fā)可循環(huán)利用的淺層地熱能的熱泵技術在有關部門的大力支持下，正迎來它的快速發(fā)展階段。天津地礦珠寶公司改燃工程中成功地采用深部地層儲能反季節(jié)循環(huán)利用新技術，解決了面積約6200m2建筑物的冬季用熱、夏季用冷要求。其開鑿了一對井深約200m的同層采灌對井（井距34m），利用淺層地熱能（上更新世Q3地層20～100m、水溫14℃；中更新世Q2地層110～140m、水溫15.5℃；190～230m、水溫18℃），通過地下水作為載體聯(lián)系深部儲能地層和地上換能設備系統(tǒng)進行能量轉換，采、灌量穩(wěn)定在40～50m3/h，基本達到平衡。系統(tǒng)建成后運行工況表明：盡管冬、夏季室外溫度變化幅度較大，但室內溫度在冬季控制在20℃左右，在夏季控制在26℃左右，不僅能完全滿足工程不同季節(jié)溫度要求，而且每年可節(jié)約運行費用約27萬元，增加寫字樓及賓館收入約50萬元；同時每年減少二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和煤塵等污染物的排放量分別約4800kg、1400kg、120m3和1100kg，經(jīng)濟效益、環(huán)境效益相當顯著。天津市中心海河商貿區(qū)古文化街。工程采用三眼900～1000m深井作為熱源井、三眼400～450m的淺井作為冷源井組成三個異層采灌井組，對井井距5m，三個井組，三角形布置，每組相距270m。夏季抽淺井中第四含水組的冷水水溫為19～20℃，通過熱泵制冷，38℃的尾水灌入深井儲熱；冬季抽深井明化鎮(zhèn)組熱儲層的地熱水、水溫為36～41℃，通過熱泵供熱，9℃的尾水回灌入淺井儲冷。該項目已安全運行近兩年，效果良好。雖說這種異層采灌還是個新鮮事物，但它通過一采一灌實現(xiàn)采補平衡，實現(xiàn)反季節(jié)儲能，不僅使寶貴的地熱資源得到可持續(xù)性利用，通過調控回灌壓力控制地面沉降，還可充分利用地表淺層中溫度較低的地熱能與高溫的地熱水進行循環(huán)供暖制冷，是循環(huán)經(jīng)濟的真正體現(xiàn)。5 淺層地熱能利用中存在的問題及對策利用地球表層恒溫層的特性，對人類的生存和活動進行有意義的應用開發(fā)，是利用地溫資源的主要目的。開發(fā)利用地熱資源，主要是以水（或流體介質）為載體，通過直接開采回灌地下水或人工灌注循環(huán)與地層換熱得以利用。國內外淺層地下水傳統(tǒng)的能量采集方式為對井抽灌，優(yōu)點在于抽水井的水溫在熱泵運行周期內基本保持穩(wěn)定，可使熱泵機組接近在額定負荷下運行。但是，對井或多井抽灌不僅僅鉆井數(shù)量增多，其缺點主要回灌率較低，而易地回灌改變地下水的分布，容易產(chǎn)生移砂淤井的現(xiàn)象（特別是鉆孔成井工藝較差的施工，地下水含砂量超標時，一個采暖期數(shù)十萬噸水循環(huán)，帶走泥砂可達數(shù)噸以上）。為克服地下水回灌難的缺點，有關科研部門已結合實踐自主研制了“單井抽灌”技術，該淺層地能（熱）采集技術已廣泛應用于各種類型的建筑供暖（冷）三聯(lián)供工程中，在全國已達200萬m2，取得了良好的效果。目前，國內外在采集淺層土壤低溫熱量方面已做了很多相關試驗和研究。采集方式主要有三種形式：水平埋管（直管，螺旋管）、垂直埋管（U型管，螺旋盤管套管）、基樁埋管（與建筑物基樁做成一個整體）［3］。6 淺層地熱能開采中的注意事項地表水（江、河、湖、海等）低溫能量的采集雖然很方便，但受氣候的影響，溫度變化很大，特別是北方寒冷地區(qū)，水溫和氣溫卻很低，能量采集必須要考慮結冰防凍問題，同時由于溫度過低，熱泵系統(tǒng)的能效比（COP值）降低并同時影響其額定熱輸出功率。淺層地能（地下水和土壤）的能量采集雖然不如地表水方便，但是其低溫能量相對很穩(wěn)定，溫度水平略高于當?shù)貧夂虻哪昶骄鶞囟?，春夏秋冬基本恒定，只要能量采集的工藝手段恰當合理，熱泵系統(tǒng)的能量平衡是相對穩(wěn)定的。淺層地熱能雖然儲量巨大，四季可再生，但對于具體的地域不同的水文地質條件，其開發(fā)利用還是要有選擇的，什么場合適合于淺層地下水低溫能量的采集，什么場合適合于土壤低溫能量的采集，采集的規(guī)模多大，用何種方式，開發(fā)利用不能過度，否則不僅影響經(jīng)濟性、安全性，還會造成地下水文地質條件的破壞。因此在工程配套設計施工中不僅僅要從能量的穩(wěn)定合理的采集考慮，還要特別注意環(huán)境效益，不污染地下水，不破壞地下地質結構，保護地下水資源［1］，注意下列各方面：（1）采集地熱能時，要做到只用其熱、不耗其水，用熱后必須全部回灌，并監(jiān)控回灌的實施。（2）地下水采集井深度限制在地表淺層400m以內，遠離400m以下的國家二級水質區(qū)域，保護生活飲水區(qū)，根據(jù)具體的水文地質條件確定打井深度，盡可能采用地下百米以內的淺層地下水。采用地下水源熱泵時，水源的選擇應為：水量充足，水溫適當，水質良好，供水恒定，易于回灌。具體應考慮：地下水取水深度多在100m以內、各含水層厚度一般應大于5m、冬季地下水溫應不低于10℃、地下水含沙量小。（3）盡可能的就近回灌，在不影響熱動力工況下，應積極推廣“單井抽灌”技術，不具備“單井抽灌”條件的可采用對井抽灌，對井位置應遠離城市區(qū)域供水站（距離應大于100m）且應設置在其下游區(qū)，且回灌井應設置在抽水井的上游區(qū)，井距應在10～20m以上，回灌井深度不宜接近地下生活飲水區(qū)，一般與抽水井深度相當（同層回灌），同時循環(huán)系統(tǒng)嚴格封閉，密切監(jiān)控回灌水質，嚴防被污染，防止移砂、抽空和淤塞。（4）對于一抽一灌、一抽多灌的對井和多井要嚴格審批，限制打井數(shù)量，禁止過度開采地下水，杜絕水資源的浪費污染，有效合理的利用地下水資源。（5）井間距和井與建筑物的相對位置要設計合理，系統(tǒng)采用大溫差小流量，以降低動力消耗。參考文獻［1］程韌.淺層地能（熱）的開發(fā)與利用.2005［2］段金平.北京將推廣利用淺層地溫.中國地質環(huán)境信息網(wǎng)地勘導報.2005
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。