0 引言

 

  泰州地處江蘇中部、長江沿岸，是一個快速崛起的新興工貿城市，常規能源貧乏，淺層地熱能是一種可再生的新型環保能源，利用前景廣闊( 衛萬順等，2010a) 。

 

  泰州市城市規劃區地處長江沖積平原，淺層地熱能資源豐富，為了能更好地、科學地開發利用淺層地熱能，在對該區已有區域地質、水文地質、工程地質等資料分析的基礎上，補充了地熱地質、巖土工程地質及地熱能開發利用現狀等項調查，通過鉆探、現場熱響應試驗和室內測試研究，查明了區域地層熱物性參數、淺層地熱能的賦存條件、分布特征，估算了可利用資源量，并進行了適宜性分區，同時提出了可行的開發利用方案及合理的開發利用建議，為淺層地熱能可持續利用、保護和管理提供了科學依據。

 

  1 地質背景

 

  研究區地質構造上位于下揚子地塊的蘇南隆起與蘇北凹陷交界部位，主體處于蘇北盆地的泰州低凸起中，北鄰溱潼凹陷，東南有海安凹陷，低凸起軸向北東東，普遍分布巨厚的古近紀地層。本區處在新生代以來的沉降地帶，前第四系地層主要有新近紀、古近紀、白堊紀以及侏羅紀地層，200 m 以淺均為第四系松散層覆蓋。區內第四紀地層發育齊全，地層厚度大于220 m。以新通揚運河為界，大體可分為2 個沉積區: 北為里下河沉積過渡區，南為長江三角洲沉積區。

 

  2 淺層地熱能資源賦存條件

 

  2． 1 第四紀巖土體地質條件

 

  研究區第四紀地層發育齊全，厚度大于220 m。

 

  本次自北往南在研究區農業園( CSK04) 、海陵國土資源分局( CSK05、CSK06) 、醫藥城( CSK03) 、永勝村( CSK01、CSK02) 4 個點共施工了6 個鉆孔 ，其中4 個鉆孔孔深為120 m 左右，2個鉆孔孔深為150 m 左右，均未揭穿第四紀地層。從工程地質角度來看，整個區域分為4 個工程地質區，由南往北分別為低河漫灘沉積工程地質區、高河漫灘沉積工程地質區、埋藏型古階地工程地質區、潟湖相沉積工程地質區。整體上以黏土、砂層為主，在區域上呈現由南往北黏土層增厚、砂層減少的趨勢，南部地區偶見含礫石層存在，而北部地區則以黏土層為主，無礫石。

 

  2． 2 第四紀巖土體物性條件

 

  本次研究分別在永勝村、醫藥城、農業園區、海陵國土資源分局各實施巖土體熱物性測試分析取樣鉆孔1 個，合計送分析樣品47 件。經測試分析，區內巖土體導熱系數為1. 067 ～ 2. 292 W/( m·K) ，平均為1. 614 W/( m·K) ; 熱擴散率為1. 23 × 10 － 3 ～4. 23 × 10 － 3 m2 /h，平均為2. 52 × 10 － 3 m2 /h。全區平均巖土體導熱系數及熱擴散率統計見表1。從表1 可以看出，整個區域的巖土體導熱系數和熱擴散率均較強，整體上呈現由南往北逐步減低的趨勢，這與第四紀巖土體黏土層增厚的地質特征密切相關。

 

  2． 3 水文地質條件

 

  區內地下水類型主要為松散巖類孔隙水。泰州市城市規劃區呈南北長條形分布，在沉積物厚度、沉積物特征、含水層結構、富水性、補給條件等各個方面都顯示出南北向差異，條件較為復雜。根據沉積環境、含水層厚度、含水層巖性等將調查區分為長江三角洲沉積區和里下河沉積過渡區。以新通揚運河為界，以北為里下河沉積過渡區，以南為長江三角洲沉積區。根據地下水在含水介質中的賦存條件、形成時代、水力特征，將區內松散巖類孔隙水分為5 個含水層組，即潛水、第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ承壓水( 表2) 。在寺巷以南地段，第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ承壓水相互連通，形成巨厚型含水層分布區。

 

  2． 4 地溫場條件

 

  本次研究利用分布在4 個點的6 個現場熱響應測試孔對地層原始地溫進行了測試，整個區域測定的不同深度原始地溫在13． 82 ～ 22． 32 ℃之間，巖土體平均原始地溫在17． 9 ～ 18． 2 ℃之間。所有測試孔不同深度巖土體的原始溫度都呈現隨深度增加而溫度升高的趨勢。不同測試點地表下不同深度巖土體原始溫度對比如圖2 所示。

 

  3 現場熱響應測試

 

  3． 1 測試原理及方案

 

  測試根據傳熱學相似理論，簡單模擬地源熱泵空調系統夏季工況制冷( 向地下排熱) 和冬季工況供暖( 向地下排冷) 的運行模式( GB 50366—2005;韓再生等， 2007) ，通過整個試驗，對該地區的水文地質狀況、溫度場、傳熱系數等進行測算、分析。測試分2 種模式: 一種是模擬地源熱泵空調系統夏季制冷的運行模式，通過向地下排熱獲取巖土的熱物性參數，測試持續時間不小于72h; 另一種模式是模擬地源熱泵空調系統冬季供暖的運行模式，通過向地下排冷來獲取巖土的熱物性參數，測試持續時間不小于72h。2 種工況測試過程中，為了解土壤的自我恢復能力，2種模式測試時，中間間隔不小于24h。

 

  具體測試原理如下: 將儀器的水路循環部分與所要測試換熱孔內的PE 管路相連接，形成閉式環路，通過儀器內的微型循環水泵驅動環路內的液體按設定的流速不斷循環，同時儀器內的加熱器/制冷設備按設定的功率不斷加熱/冷卻環路中的液體介質。該閉式環路內的液體不斷循環，加熱器/制冷設備所產生的熱量/冷量就不斷通過換熱孔內的換熱管釋放到地下。閉式環路內的液體循環過程中，將進/出儀器的溫度、流量和加熱器/制冷設備的加熱功率/制冷參數進行適時采集記錄，然后通過理論上參數的變化規律，利用專業軟件來模擬計算巖土的熱物性參數; 同時，通過巖土的熱物性參數及熱響應規律分析校核巖土的熱響應規律。

 

  本次熱響應測試采用大功率恒流法，并采用圓柱熱源理論模型結合參數估計法來計算土壤導熱系數及其他相關參數( 彭清元等，2010) 。其中CSK01和CSK02 同在一個工地，深度相同，埋管方式不同，用來對比同一地質條件下，不同埋管方式的單位孔深換熱量; CSK05 和CSK06 同在一個工地，埋管方式相同，深度不同，用來對比同一地質條件及埋管方式下，不同孔深的單位孔深換熱量; CSK01 和CSK04在不同工地，孔深相同，埋管方式均為單U，用來對比相同孔深及單U 埋管方式下，不同地質條件的單位孔深換熱量; CSK03 和CSK05 在不同工地，孔深相同，埋管方式均為雙U，用來對比相同孔深及雙U埋管方式下，不同地質條件的單位孔深換熱量。

 

  3． 2 測試結果

 

  由換熱孔測試數據分析，該地區巖土體平均原始溫度在17． 9 ～ 18． 2 ℃之間。測試中綜合單U 和雙U 埋管相比，雙U 換熱效果相對較好。實際工程中，需要將鉆孔、管材的經濟成本聯合考慮，選出性價比較高的埋管方式( 表3) 。

 

  由于單位延米換熱量是在特定測試工況下得到的數據，受工況影響很大，比如流量大小介質等因素，用于地埋管地源熱泵系統設計時，可根據相應工況，利用安全裕量系數進行調整。靠近長江附近區域可能地下水流動性較好，換熱效果可能較理想。

 

  通過利用模擬軟件進行分析，假設地層各個方向均勻分布，熱量會以柱狀熱源為中心向四周蔓延，在距離熱源中心半徑越大，溫度影響越小，溫升幅度越小。換熱孔橫向影響半徑在不考慮地下水徑流及冷熱負荷間歇作用的情況下，推薦雙U 埋管間距一般在5 m 左右，單U 埋管間距一般在4． 5 m 左右。

 

  所以，在鉆孔場地富裕的情況下，雙U 型換熱器之間間距取5 m 應該較為經濟合理。縱向方向上，溫度呈現一定的梯度，在換熱器底部，熱量向下傳導的作用減小，影響范圍一般是孔底向下0． 5 m 深處。

 

  3． 3 測試結果的分析研究

 

  3． 3． 1 不同埋管方式的對比分析本次測試在永勝工地布置了CSK01 和CSK02 兩個測試孔，兩孔相距5 m，孔深均為120 m。其中CSK01 采用單U 埋管方式，CSK02 采用雙U 埋管方式，經測試結果對比發現，在相同的地質條件和深度下，雙U 的換熱效果明顯比單U 的換熱效果高，其中排熱工況下，雙U 比單U 高出19． 5%，排冷工況下，雙U 比單U高出35． 7%。

 

  3． 3． 2 不同埋管深度的對比分析本次測試在海陵國土資源分局工地布置了CSK05 和CSK06 兩個測試孔，兩孔相距5 m，均采用雙U 埋管方式，其中CSK05孔深為150 m，CSK06 孔深為120 m。從測試結果對比發現，在相同的地質條件和埋管方式下，孔深120 m的換熱效果明顯比孔深150 m 的換熱效果高，其中排熱工況下，孔深120 m 比孔深150 m 高出17． 9%; 排冷工況下，孔深120 m 比孔深150 m 高出4． 1%。

 

  3． 3． 3 不同地質條件的對比分析本次測試在永勝工地布置的CSK01 孔和在農業園區布置的CSK04 孔均采用單U 埋管方式，孔深均為120 m，經對比可知: 在相同的孔深和埋管方式下，永勝工地的CSK01 孔的換熱效果比農業園區的CSK04 孔的換熱效果略高，其中排熱工況下，永勝工地的CSK01孔比農業園區的CSK04 孔高出1. 6%，排冷工況下，永勝工地的CSK01 孔比農業園區的CSK04 孔高出2. 7%。

 

  在永勝工地布置的CSK02 孔和在海陵國土資源分局布置的CSK06 孔均采用雙U 埋管方式，孔深均為120 m，經對比發現，在相同的孔深和埋管方式下，永勝工地的CSK02 孔的換熱效果比海陵國土資源分局的CSK06 孔的換熱效果高，其中排熱工況下，永勝工地的CSK02 孔比海陵國土資源分局的CSK06 孔高出6. 8%，排冷工況下，永勝工地的CSK02孔比海陵國土資源分局的CSK06 孔高出32. 3%。

 

  在醫藥城工地布置的CSK03 孔和在海陵國土資源分局布置的CSK05 孔均采用雙U 埋管方式，孔深均為150 m。從測試結果可以看出，在相同的孔深和埋管方式下，醫藥城工地的CSK03 孔的換熱效果比海陵國土資源分局的CSK05 孔的換熱效果要好，其中排熱工況下，醫藥城工地的CSK03 孔比海陵國土資源分局的CSK05 孔高出21. 1%; 排冷工況下，醫藥城工地的CSK03 孔比海陵國土資源分局的CSK05 孔高出16. 2%。

 

  3． 4 測試結果的對比分析

 

  通過分析對比，整個研究區換熱效果均較好，但南部明顯比北部地區換熱效果要高，主要是由于砂層含量高和地下水含量及徑流的原因，整體上呈現出由南往北換熱效果逐漸減低的趨勢，但總體差別不是很大。另外，雙U 的換熱效果明顯比單U 的換熱效果要好，建議在淺層地溫( 熱) 能開發利用工程中盡量采用雙U 的埋管方式。

 

  4 淺層地熱能資源評價

 

  4． 1 評價計算方法

 

  計算垂直地埋管換熱系統淺層地熱能可開采量時采用單位換熱量法，計算公式如下( DZ /T 0225—2009; 衛萬順等， 2010b) :

 

  Dq = Dnτ

 

  式( 1) 中，Dq為評價區總地熱能，kW; n 為可鉆換熱孔數; τ 為土地利用系數; D 為單孔地熱能，kW:

 

  D = KyΔtL /1 000 ( 2)

 

 式( 2) 中，D 為單孔地熱能，kW; Ky為每延米換熱量，W/( m·℃) ; Δt 為溫差，℃，即為U 形管內溫度平均值與埋管影響范圍內巖土體溫度之差; L 為單孔有效換熱長度，m。

 

  4． 2 計算參數的獲取

 

  根據泰州市城市規劃區土地利用規劃估算土地利用系數τ 為0. 22。根據現場換熱測試，夏季在120 m 深度分別為64. 7 W 和60. 33 W，則設定KyΔtL 為( 64. 7 + 60. 33) ÷ 2 = 62. 52 W。

 

  D夏= 62. 52 × 120 ÷ 1 000 = 7. 50 kW

 

  冬季在120 m 深度分別為47． 83 W 和36． 16W，則設定KyΔtL 為( 47． 83 + 36． 16 ) ÷ 2 =41. 99 W。

 

  D冬= 41． 99 × 120 ÷ 1 000 = 5． 04 kW

 

  按每孔間距5 m 計算，則每孔占地面積為25 m2，可鉆換熱孔數n =428 ÷25 ×106 =17 120 000 個。

 

  地熱能提取利用系數設為32%( 參照北京) ，開發利用時間夏季和冬季各取120 天。

 

  4． 3 計算結果

 

  夏季可開發利用功率為:

 

  Dq 夏= D夏nτ = 7. 50 × 17 120 000 × 0. 22 × 0. 32= 9. 04 × 106 kW

 

  夏季可開發利用資源制冷量為:

 

  Q夏= Dq 夏h = 9. 04 × 106 × 24 × 120 = 2. 60 ×1010 kWh

 

  冬季可開發利用功率為:

 

  Dq 冬= D冬nτ = 5. 04 × 17 120 000 × 0. 22 × 0. 32= 6. 07 × 106 kW

 

  冬季可開發利用資源制熱量為:

 

  Q冬= Dq 冬h = 6. 07 × 106 × 24 × 120 = 1. 75 ×1010 kWh以120 m 深孔計算的可開采量見表4 所示。

 

  表4 研究區可開發利用淺層地熱能資源量表( 120 m 以淺)面積/km2可利用功率/kW 可利用量/kWh

 

  夏季冬季夏季冬季

 

  428 9． 04 × 106 6． 07 × 106 2． 60 × 1010 1． 75 × 1010如果以夏季100 W/m2、冬季80 W/m2 負荷計算，則泰州市城市規劃區淺層地熱能可供暖服務面積7． 59 × 107 m2，可制冷服務面積9． 04 × 107 m2。

 

  4． 4 環境效應評價

 

  泰州城市規劃區可開發利用的淺層地熱能每年達到4． 35 × 1010 kWh，按照推薦的地熱利用節能減排量估算( GB /T 11615—2010) ，相當于5 352 kt 標煤完全燃燒所釋放的能量。如被充分利用，可減少排放二氧化碳12 769． 87 kt、二氧化硫90． 98 kt、氮氧化物32． 11 kt、粉塵42． 82 kt; 減少煤灰渣等固體廢物排放5． 35 kt。即使按其10%的開發利用量，仍具有顯著的節能減排效應。

 

  5 淺層地熱能開發利用建議

 

  ( 1) 泰州市夏季制冷和冬季供暖時間基本相當，非常適合淺層地熱能的開發利用。以120 m 以淺計算，泰州市城市規劃區可合理開發利用的淺層地熱能每年將達到4． 35 × 1010 kWh，而根據調查情況表明，目前僅有醫藥城和第四人民醫院進行了淺層地熱能的開發利用。醫藥城、濱江新城、農業園區有大量在建、擬建的工程，非常適宜進行淺層地熱能的開發利用。淺層地熱能開發利用率的提高，也有助于泰州市節能減排指標的實現。

 

  ( 2) 泰州市城市規劃區地層可鉆性強，換熱效果好，非常適合利用垂直地埋管地源熱泵進行淺層地熱能的開發利用。垂直地埋管建議采用雙U 埋管方式，口徑為25 mm 或32 mm，深度控制在80 ～120 m，視工程的場地情況而定，一般宜在100 m 深度，能取得較好的換熱效果和性價比。

 

  ( 3) 鑒于蘇錫常地區開采地下水而引發的地質災害先例，以及地下水回灌存在的技術難題，結合泰州市城市規劃區的地下水特征和泰州市城區已有地面沉降的實際情況，不推薦使用水源熱泵方式來進行淺層地熱能的開發利用。

 

  ( 4) 泰州市淺層地熱能開發利用率較低，需要加大宣傳力度，制定相關的政策措施來規劃、規范、引導、支持淺層地熱能的開發利用。

 

  6 結論

 

  ( 1) 泰州市城市規劃區淺層地熱能資源潛力巨大，夏季可利用量達2. 60 × 1010 kWh，冬季可利用量1. 75 × 1010 kWh。利用淺層地熱能可供暖面積為7. 59 × 107 m2，可制冷面積9. 04 × 107 m2。

 

  ( 2) 泰州市城市規劃區地質條件好，地層可鉆性強，換熱效果佳，非常適合利用垂直地埋管地源熱泵系統進行淺層地熱能的開發利用，工程初投資成本低，具有明顯的開發優勢。

 

  ( 3) 泰州市城市規劃區可開發的淺層地熱能每年可達到4. 35 × 1010 kWh，相當于5 352 kt 標煤完全燃燒所釋放的能量。如被充分利用，可減少排放二氧化碳12 769. 87 kt、二氧化硫90. 98 kt、氮氧化物32. 11 kt、粉塵42. 82 kt。節能減排效益明顯。

 

  ( 4) 泰州市城市規劃區可開發利用的淺層地熱能資源量巨大，但目前開發程度相對較低，建議加大開發力度。