江苏泰州城市规划区浅层地热能特征及其开发利用

  0 引言

 

  泰州地处江苏中部、长江沿岸，是一个快速崛起的新兴工贸城市，常规能源贫乏，浅层地热能是一种可再生的新型环保能源，利用前景广阔( 卫万顺等，2010a) 。

 

  泰州市城市规划区地处长江冲积平原，浅层地热能资源丰富，为了能更好地、科学地开发利用浅层地热能，在对该区已有区域地质、水文地质、工程地质等资料分析的基础上，补充了地热地质、岩土工程地质及地热能开发利用现状等项调查，通过钻探、现场热响应试验和室内测试研究，查明了区域地层热物性参数、浅层地热能的赋存条件、分布特征，估算了可利用资源量，并进行了适宜性分区，同时提出了可行的开发利用方案及合理的开发利用建议，为浅层地热能可持续利用、保护和管理提供了科学依据。

 

  1 地质背景

 

  研究区地质构造上位于下扬子地块的苏南隆起与苏北凹陷交界部位，主体处于苏北盆地的泰州低凸起中，北邻溱潼凹陷，东南有海安凹陷，低凸起轴向北东东，普遍分布巨厚的古近纪地层。本区处在新生代以来的沉降地带，前第四系地层主要有新近纪、古近纪、白垩纪以及侏罗纪地层，200 m 以浅均为第四系松散层覆盖。区内第四纪地层发育齐全，地层厚度大于220 m。以新通扬运河为界，大体可分为2 个沉积区: 北为里下河沉积过渡区，南为长江三角洲沉积区。

 

  2 浅层地热能资源赋存条件

 

  2． 1 第四纪岩土体地质条件

 

  研究区第四纪地层发育齐全，厚度大于220 m。

 

  本次自北往南在研究区农业园( CSK04) 、海陵国土资源分局( CSK05、CSK06) 、医药城( CSK03) 、永胜村( CSK01、CSK02) 4 个点共施工了6 个钻孔 ，其中4 个钻孔孔深为120 m 左右，2个钻孔孔深为150 m 左右，均未揭穿第四纪地层。从工程地质角度来看，整个区域分为4 个工程地质区，由南往北分别为低河漫滩沉积工程地质区、高河漫滩沉积工程地质区、埋藏型古阶地工程地质区、潟湖相沉积工程地质区。整体上以黏土、砂层为主，在区域上呈现由南往北黏土层增厚、砂层减少的趋势，南部地区偶见含砾石层存在，而北部地区则以黏土层为主，无砾石。

 

  2． 2 第四纪岩土体物性条件

 

  本次研究分别在永胜村、医药城、农业园区、海陵国土资源分局各实施岩土体热物性测试分析取样钻孔1 个，合计送分析样品47 件。经测试分析，区内岩土体导热系数为1. 067 ～ 2. 292 W/( m·K) ，平均为1. 614 W/( m·K) ; 热扩散率为1. 23 × 10 － 3 ～4. 23 × 10 － 3 m2 /h，平均为2. 52 × 10 － 3 m2 /h。全区平均岩土体导热系数及热扩散率统计见表1。从表1 可以看出，整个区域的岩土体导热系数和热扩散率均较强，整体上呈现由南往北逐步减低的趋势，这与第四纪岩土体黏土层增厚的地质特征密切相关。

 

  2． 3 水文地质条件

 

  区内地下水类型主要为松散岩类孔隙水。泰州市城市规划区呈南北长条形分布，在沉积物厚度、沉积物特征、含水层结构、富水性、补给条件等各个方面都显示出南北向差异，条件较为复杂。根据沉积环境、含水层厚度、含水层岩性等将调查区分为长江三角洲沉积区和里下河沉积过渡区。以新通扬运河为界，以北为里下河沉积过渡区，以南为长江三角洲沉积区。根据地下水在含水介质中的赋存条件、形成时代、水力特征，将区内松散岩类孔隙水分为5 个含水层组，即潜水、第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ承压水( 表2) 。在寺巷以南地段，第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ承压水相互连通，形成巨厚型含水层分布区。

 

  2． 4 地温场条件

 

  本次研究利用分布在4 个点的6 个现场热响应测试孔对地层原始地温进行了测试，整个区域测定的不同深度原始地温在13． 82 ～ 22． 32 ℃之间，岩土体平均原始地温在17． 9 ～ 18． 2 ℃之间。所有测试孔不同深度岩土体的原始温度都呈现随深度增加而温度升高的趋势。不同测试点地表下不同深度岩土体原始温度对比如图2 所示。

 

  3 现场热响应测试

 

  3． 1 测试原理及方案

 

  测试根据传热学相似理论，简单模拟地源热泵空调系统夏季工况制冷( 向地下排热) 和冬季工况供暖( 向地下排冷) 的运行模式( GB 50366—2005;韩再生等， 2007) ，通过整个试验，对该地区的水文地质状况、温度场、传热系数等进行测算、分析。测试分2 种模式: 一种是模拟地源热泵空调系统夏季制冷的运行模式，通过向地下排热获取岩土的热物性参数，测试持续时间不小于72h; 另一种模式是模拟地源热泵空调系统冬季供暖的运行模式，通过向地下排冷来获取岩土的热物性参数，测试持续时间不小于72h。2 种工况测试过程中，为了解土壤的自我恢复能力，2种模式测试时，中间间隔不小于24h。

 

  具体测试原理如下: 将仪器的水路循环部分与所要测试换热孔内的PE 管路相连接，形成闭式环路，通过仪器内的微型循环水泵驱动环路内的液体按设定的流速不断循环，同时仪器内的加热器/制冷设备按设定的功率不断加热/冷却环路中的液体介质。该闭式环路内的液体不断循环，加热器/制冷设备所产生的热量/冷量就不断通过换热孔内的换热管释放到地下。闭式环路内的液体循环过程中，将进/出仪器的温度、流量和加热器/制冷设备的加热功率/制冷参数进行适时采集记录，然后通过理论上参数的变化规律，利用专业软件来模拟计算岩土的热物性参数; 同时，通过岩土的热物性参数及热响应规律分析校核岩土的热响应规律。

 

  本次热响应测试采用大功率恒流法，并采用圆柱热源理论模型结合参数估计法来计算土壤导热系数及其他相关参数( 彭清元等，2010) 。其中CSK01和CSK02 同在一个工地，深度相同，埋管方式不同，用来对比同一地质条件下，不同埋管方式的单位孔深换热量; CSK05 和CSK06 同在一个工地，埋管方式相同，深度不同，用来对比同一地质条件及埋管方式下，不同孔深的单位孔深换热量; CSK01 和CSK04在不同工地，孔深相同，埋管方式均为单U，用来对比相同孔深及单U 埋管方式下，不同地质条件的单位孔深换热量; CSK03 和CSK05 在不同工地，孔深相同，埋管方式均为双U，用来对比相同孔深及双U埋管方式下，不同地质条件的单位孔深换热量。

 

  3． 2 测试结果

 

  由换热孔测试数据分析，该地区岩土体平均原始温度在17． 9 ～ 18． 2 ℃之间。测试中综合单U 和双U 埋管相比，双U 换热效果相对较好。实际工程中，需要将钻孔、管材的经济成本联合考虑，选出性价比较高的埋管方式( 表3) 。

 

  由于单位延米换热量是在特定测试工况下得到的数据，受工况影响很大，比如流量大小介质等因素，用于地埋管地源热泵系统设计时，可根据相应工况，利用安全裕量系数进行调整。靠近长江附近区域可能地下水流动性较好，换热效果可能较理想。

 

  通过利用模拟软件进行分析，假设地层各个方向均匀分布，热量会以柱状热源为中心向四周蔓延，在距离热源中心半径越大，温度影响越小，温升幅度越小。换热孔横向影响半径在不考虑地下水径流及冷热负荷间歇作用的情况下，推荐双U 埋管间距一般在5 m 左右，单U 埋管间距一般在4． 5 m 左右。

 

  所以，在钻孔场地富裕的情况下，双U 型换热器之间间距取5 m 应该较为经济合理。纵向方向上，温度呈现一定的梯度，在换热器底部，热量向下传导的作用减小，影响范围一般是孔底向下0． 5 m 深处。

 

  3． 3 测试结果的分析研究

 

  3． 3． 1 不同埋管方式的对比分析本次测试在永胜工地布置了CSK01 和CSK02 两个测试孔，两孔相距5 m，孔深均为120 m。其中CSK01 采用单U 埋管方式，CSK02 采用双U 埋管方式，经测试结果对比发现，在相同的地质条件和深度下，双U 的换热效果明显比单U 的换热效果高，其中排热工况下，双U 比单U 高出19． 5%，排冷工况下，双U 比单U高出35． 7%。

 

  3． 3． 2 不同埋管深度的对比分析本次测试在海陵国土资源分局工地布置了CSK05 和CSK06 两个测试孔，两孔相距5 m，均采用双U 埋管方式，其中CSK05孔深为150 m，CSK06 孔深为120 m。从测试结果对比发现，在相同的地质条件和埋管方式下，孔深120 m的换热效果明显比孔深150 m 的换热效果高，其中排热工况下，孔深120 m 比孔深150 m 高出17． 9%; 排冷工况下，孔深120 m 比孔深150 m 高出4． 1%。

 

  3． 3． 3 不同地质条件的对比分析本次测试在永胜工地布置的CSK01 孔和在农业园区布置的CSK04 孔均采用单U 埋管方式，孔深均为120 m，经对比可知: 在相同的孔深和埋管方式下，永胜工地的CSK01 孔的换热效果比农业园区的CSK04 孔的换热效果略高，其中排热工况下，永胜工地的CSK01孔比农业园区的CSK04 孔高出1. 6%，排冷工况下，永胜工地的CSK01 孔比农业园区的CSK04 孔高出2. 7%。

 

  在永胜工地布置的CSK02 孔和在海陵国土资源分局布置的CSK06 孔均采用双U 埋管方式，孔深均为120 m，经对比发现，在相同的孔深和埋管方式下，永胜工地的CSK02 孔的换热效果比海陵国土资源分局的CSK06 孔的换热效果高，其中排热工况下，永胜工地的CSK02 孔比海陵国土资源分局的CSK06 孔高出6. 8%，排冷工况下，永胜工地的CSK02孔比海陵国土资源分局的CSK06 孔高出32. 3%。

 

  在医药城工地布置的CSK03 孔和在海陵国土资源分局布置的CSK05 孔均采用双U 埋管方式，孔深均为150 m。从测试结果可以看出，在相同的孔深和埋管方式下，医药城工地的CSK03 孔的换热效果比海陵国土资源分局的CSK05 孔的换热效果要好，其中排热工况下，医药城工地的CSK03 孔比海陵国土资源分局的CSK05 孔高出21. 1%; 排冷工况下，医药城工地的CSK03 孔比海陵国土资源分局的CSK05 孔高出16. 2%。

 

  3． 4 测试结果的对比分析

 

  通过分析对比，整个研究区换热效果均较好，但南部明显比北部地区换热效果要高，主要是由于砂层含量高和地下水含量及径流的原因，整体上呈现出由南往北换热效果逐渐减低的趋势，但总体差别不是很大。另外，双U 的换热效果明显比单U 的换热效果要好，建议在浅层地温( 热) 能开发利用工程中尽量采用双U 的埋管方式。

 

  4 浅层地热能资源评价

 

  4． 1 评价计算方法

 

  计算垂直地埋管换热系统浅层地热能可开采量时采用单位换热量法，计算公式如下( DZ /T 0225—2009; 卫万顺等， 2010b) :

 

  Dq = Dnτ

 

  式( 1) 中，Dq为评价区总地热能，kW; n 为可钻换热孔数; τ 为土地利用系数; D 为单孔地热能，kW:

 

  D = KyΔtL /1 000 ( 2)

 

 式( 2) 中，D 为单孔地热能，kW; Ky为每延米换热量，W/( m·℃) ; Δt 为温差，℃，即为U 形管内温度平均值与埋管影响范围内岩土体温度之差; L 为单孔有效换热长度，m。

 

  4． 2 计算参数的获取

 

  根据泰州市城市规划区土地利用规划估算土地利用系数τ 为0. 22。根据现场换热测试，夏季在120 m 深度分别为64. 7 W 和60. 33 W，则设定KyΔtL 为( 64. 7 + 60. 33) ÷ 2 = 62. 52 W。

 

  D夏= 62. 52 × 120 ÷ 1 000 = 7. 50 kW

 

  冬季在120 m 深度分别为47． 83 W 和36． 16W，则设定KyΔtL 为( 47． 83 + 36． 16 ) ÷ 2 =41. 99 W。

 

  D冬= 41． 99 × 120 ÷ 1 000 = 5． 04 kW

 

  按每孔间距5 m 计算，则每孔占地面积为25 m2，可钻换热孔数n =428 ÷25 ×106 =17 120 000 个。

 

  地热能提取利用系数设为32%( 参照北京) ，开发利用时间夏季和冬季各取120 天。

 

  4． 3 计算结果

 

  夏季可开发利用功率为:

 

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

 

  夏季可开发利用资源制冷量为:

 

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

 

  冬季可开发利用功率为:

 

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

 

  冬季可开发利用资源制热量为:

 

  Q冬= Dq 冬h = 6. 07 × 106 × 24 × 120 = 1. 75 ×1010 kWh以120 m 深孔计算的可开采量见表4 所示。

 

  表4 研究区可开发利用浅层地热能资源量表( 120 m 以浅)面积/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 负荷计算，则泰州市城市规划区浅层地热能可供暖服务面积7． 59 × 107 m2，可制冷服务面积9． 04 × 107 m2。

 

  4． 4 环境效应评价

 

  泰州城市规划区可开发利用的浅层地热能每年达到4． 35 × 1010 kWh，按照推荐的地热利用节能减排量估算( GB /T 11615—2010) ，相当于5 352 kt 标煤完全燃烧所释放的能量。如被充分利用，可减少排放二氧化碳12 769． 87 kt、二氧化硫90． 98 kt、氮氧化物32． 11 kt、粉尘42． 82 kt; 减少煤灰渣等固体废物排放5． 35 kt。即使按其10%的开发利用量，仍具有显著的节能减排效应。

 

  5 浅层地热能开发利用建议

 

  ( 1) 泰州市夏季制冷和冬季供暖时间基本相当，非常适合浅层地热能的开发利用。以120 m 以浅计算，泰州市城市规划区可合理开发利用的浅层地热能每年将达到4． 35 × 1010 kWh，而根据调查情况表明，目前仅有医药城和第四人民医院进行了浅层地热能的开发利用。医药城、滨江新城、农业园区有大量在建、拟建的工程，非常适宜进行浅层地热能的开发利用。浅层地热能开发利用率的提高，也有助于泰州市节能减排指标的实现。

 

  ( 2) 泰州市城市规划区地层可钻性强，换热效果好，非常适合利用垂直地埋管地源热泵进行浅层地热能的开发利用。垂直地埋管建议采用双U 埋管方式，口径为25 mm 或32 mm，深度控制在80 ～120 m，视工程的场地情况而定，一般宜在100 m 深度，能取得较好的换热效果和性价比。

 

  ( 3) 鉴于苏锡常地区开采地下水而引发的地质灾害先例，以及地下水回灌存在的技术难题，结合泰州市城市规划区的地下水特征和泰州市城区已有地面沉降的实际情况，不推荐使用水源热泵方式来进行浅层地热能的开发利用。

 

  ( 4) 泰州市浅层地热能开发利用率较低，需要加大宣传力度，制定相关的政策措施来规划、规范、引导、支持浅层地热能的开发利用。

 

  6 结论

 

  ( 1) 泰州市城市规划区浅层地热能资源潜力巨大，夏季可利用量达2. 60 × 1010 kWh，冬季可利用量1. 75 × 1010 kWh。利用浅层地热能可供暖面积为7. 59 × 107 m2，可制冷面积9. 04 × 107 m2。

 

  ( 2) 泰州市城市规划区地质条件好，地层可钻性强，换热效果佳，非常适合利用垂直地埋管地源热泵系统进行浅层地热能的开发利用，工程初投资成本低，具有明显的开发优势。

 

  ( 3) 泰州市城市规划区可开发的浅层地热能每年可达到4. 35 × 1010 kWh，相当于5 352 kt 标煤完全燃烧所释放的能量。如被充分利用，可减少排放二氧化碳12 769. 87 kt、二氧化硫90. 98 kt、氮氧化物32. 11 kt、粉尘42. 82 kt。节能减排效益明显。

 

  ( 4) 泰州市城市规划区可开发利用的浅层地热能资源量巨大，但目前开发程度相对较低，建议加大开发力度。