兗州區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀及效益分析

楊傳偉，仝 路

（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì)），山東 濟(jì)寧 272100）

淺層地溫能作為一種可再生新型環(huán)保能源，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，其開發(fā)利用前景越來越廣闊，不僅可以應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的建筑供暖（制冷）需求，還可以有效緩解化石燃料緊張局面和環(huán)境的巨大壓力。濟(jì)寧市兗州區(qū)淺層地溫能資源豐富，應(yīng)充分發(fā)揮其地處平原、地下水資源豐富、水資源開發(fā)利用程度較高的優(yōu)勢(shì)，加大勘查投資力度，在城區(qū)及各主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)公共建筑、主要工業(yè)企業(yè)和新型社區(qū)建設(shè)淺層地?zé)峤粨Q裝置，大力發(fā)展地源熱泵、淺層地?zé)峥照{(diào)，積極推進(jìn)淺層地溫能開發(fā)利用，這對(duì)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

1 淺層地溫能開發(fā)利用條件

1.1 自然地理與社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況

兗州是古九州之一，歷史文化悠久，地處山東省西南部，交通區(qū)位優(yōu)越，常住人口為54.07 萬人，轄6 鎮(zhèn)4 個(gè)街道辦事處，總面積為535 km，如圖1所示。2021年全區(qū)生產(chǎn)總值為587.74 億元，全體居民人均可支配收入為39 183 元，綜合實(shí)力躍居全國(guó)百?gòu)?qiáng)區(qū)第67 位。

圖1 兗州區(qū)交通位置

1.2 氣象與水文

兗州區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，根據(jù)濟(jì)寧市兗州區(qū)氣象局資料，多年平均降水量為670 mm，平均蒸發(fā)量約為1 831.4 mm，全年平均氣溫約為13.5 ℃；年平均相對(duì)濕度為65%，最大凍土深度為50 cm；年平均風(fēng)速為3.1 m/s。兗州區(qū)供暖期一般為每年11月15日至次年3月15日（4 個(gè)月），制冷期為每年7—9月（3 個(gè)月）。

區(qū)內(nèi)地表水體屬于淮河流域南四湖水系，河流走向受地形制約，向南四湖一帶匯集，自東向西主要發(fā)育有泗河、廖溝河、楊家河和洸府河等，如圖1所示。

1.3 地形地貌

兗州區(qū)位于泗河沖洪積平原的中上部，地勢(shì)由東北向西南微傾斜，地面標(biāo)高介于38～60 m，平均為49 m，平均地面坡降為0.67‰。受汶河、泗河多次泛濫、改道影響，兗州區(qū)形成了平原、平原洼地、河流洼地等微地貌形態(tài)。

1.4 地質(zhì)條件

兗州區(qū)地層由老至新，依次發(fā)育古生代奧陶系馬家溝群、石炭-二疊系月門溝群、二疊系石盒子群、中生代侏羅系淄博群、古近系官莊群以及第四系。區(qū)內(nèi)斷裂較為發(fā)育，近南北方向主要有滋陽斷裂、鋪?zhàn)訑嗔押团Ｍ鯏嗔眩鼥|西方向主要有長(zhǎng)溝斷裂和鄆城斷裂。

1.5 環(huán)境地質(zhì)條件

兗州區(qū)大部分區(qū)域地質(zhì)環(huán)境較好，僅在南部新兗鎮(zhèn)牛家樓-段家村一帶和東南部興隆莊街道后李家村附近發(fā)現(xiàn)有小面積采煤塌陷區(qū)，塌陷區(qū)內(nèi)分布連片積水區(qū)，采空塌陷面積約為3.63 km，塌陷積水區(qū)合計(jì)面積約為0.23 km，最大積水深度約為7.6 m，這是區(qū)內(nèi)影響淺層地溫能開發(fā)利用的主要地質(zhì)環(huán)境問題。

1.6 淺層地溫能賦存條件

兗州區(qū)廣泛分布第四系地層，基巖頂板埋深一般大于120 m，第四系下伏新近紀(jì)、古近紀(jì)、石炭-二疊紀(jì)和奧陶紀(jì)地層。恒溫帶頂板埋深為25 m 左右，溫度為15～17 ℃。區(qū)內(nèi)平均地溫梯度為2 ℃/100 m，埋深100 m 處平均地溫為17.18～17.91 ℃。第四系含水層平均厚度大于20 m，巖性為細(xì)砂、中砂和粗砂，井孔單位涌水量一般大于400 m/（d·m），地下水資源比較豐富。120 m 以淺的巖土體平均溫度一般為16～18 ℃，與冬夏兩季的氣溫相差較大，應(yīng)用淺層地溫能供暖（制冷）的自然條件和地質(zhì)條件十分適宜。0～120 m 深度內(nèi)的淺層地?zé)崛萘繛?.96×10kJ/℃，0～200 m 深度內(nèi)的淺層地?zé)崛萘繛?.96×10kJ/℃，兗州區(qū)具備開發(fā)淺層地溫能的巨大優(yōu)勢(shì)。

2 淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀

2.1 開發(fā)利用情況

兗州區(qū)于2010年開始陸續(xù)應(yīng)用地源熱泵技術(shù)開發(fā)利用淺層地溫能，目前，兗州區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用工程共有6 處，服務(wù)面積為550 837 m。其中，地埋管地源熱泵工程有5 處，服務(wù)面積為548 837 m，占99.64%；地下水源熱泵工程有1 處，服務(wù)面積為200 m，占0.36%。淺層地溫能開發(fā)利用工程適用范圍較廣，涉及住宅、學(xué)校、醫(yī)院和生產(chǎn)車間等，如表1所示。

表1 兗州區(qū)淺層地溫能資源開發(fā)利用工程基本情況

5 個(gè)地埋管地源熱泵開發(fā)利用工程的換熱孔深度均為100 m 左右，埋管間距為2～5 m；1 個(gè)地下水源熱泵開發(fā)利用工程利用第四系孔隙水，循環(huán)水量為2 000 m/d，采用“一抽多灌”的開采方式，能夠?qū)崿F(xiàn)完全回灌。山東科大鼎新電子科技有限公司和山東永華機(jī)械有限公司的恒溫車間因生產(chǎn)需要，系統(tǒng)保持常年運(yùn)行；其他開發(fā)利用工程僅在每年的供暖季和制冷季開啟運(yùn)行，其余時(shí)間用于地溫場(chǎng)恢復(fù)。目前，各類開發(fā)利用工程總體運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好。

2.2 開發(fā)利用存在的問題

兗州區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目相對(duì)較多且分布分散，而受到地方法規(guī)政策、水文地質(zhì)條件、工程場(chǎng)地條件、地下水水量和水質(zhì)等諸多因素制約，兗州區(qū)地下水源熱泵淺層地溫能開發(fā)利用案例較少。開發(fā)利用工程項(xiàng)目多為辦公建筑、公共建筑和生產(chǎn)車間等，僅1 處為住宅社區(qū)。因其初投資較高，一般使用主體多為企事業(yè)單位。對(duì)民用建筑而言，較高的初投資成本和對(duì)該項(xiàng)技術(shù)缺乏了解和認(rèn)同使得開發(fā)商及居民難以接受。

兗州區(qū)現(xiàn)沒有完善的淺層地溫能開發(fā)利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，除相關(guān)地勘單位外，開發(fā)利用單位對(duì)已有工程的監(jiān)測(cè)工作也不夠重視。已有地下水源熱泵系統(tǒng)工程沒有安置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水質(zhì)、水溫、水位等動(dòng)態(tài)變化沒有完全監(jiān)測(cè)。正在運(yùn)行的地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程也沒有布設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無法對(duì)淺層地溫能開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境影響進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

3 淺層地溫能開發(fā)利用前景分析

3.1 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

總換熱功率不是地下水及地埋管的簡(jiǎn)單相加，而是按照一定比例計(jì)算。考慮土地利用系數(shù)時(shí)，兗州區(qū)按照地埋管2/3、地下水1/3 的比例計(jì)算，可獲取的總換熱功率為4.91×10kW（夏季）或4.15×10kW（冬季）。原煤與標(biāo)煤的折算系數(shù)取0.714 3，燃煤鍋爐熱效率轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.6，淺層地溫能開發(fā)利用效率按35%計(jì)，兗州區(qū)夏季制冷季時(shí)長(zhǎng)按100 d 計(jì)算，冬季供暖季時(shí)長(zhǎng)按120 d 計(jì)算，按每天利用12 h，換熱量可達(dá)4.16×10GJ/a，年可節(jié)約標(biāo)煤量為236.74 萬t，熱源價(jià)值折合4.14 億元，減排二氧化硫1.41 萬t，減排氮氧化物0.50 萬t，減排二氧化碳197.70 萬t，減排懸浮質(zhì)粉塵0.66 萬t，減排灰渣量8.29 萬t，節(jié)約環(huán)境治理費(fèi)2.37 億元。可見，兗州區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益顯著，其具有良好的應(yīng)用前景。

3.2 開發(fā)利用方案

為推進(jìn)兗州區(qū)清潔能源供暖（制冷）工作，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)，以淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)為基礎(chǔ)，集合相關(guān)政策和規(guī)劃部署，提出兗州區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用方案。

兗州區(qū)大部分地區(qū)都屬于地埋管和地下水源熱泵適宜區(qū)和適宜性中等區(qū)。此類地區(qū)優(yōu)先選擇地埋管地源熱泵，地埋管埋深不大于120 m，地埋管類型首選雙U 形聚乙烯（PE）管，孔間距不小于5 m。由于地埋管地源熱泵的初期投資成本較高，經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)欠缺的地區(qū)可以選擇地下水禁止開采區(qū)之外、飲用水水源地及其保護(hù)區(qū)之外、采空塌陷區(qū)之外的區(qū)域，經(jīng)過環(huán)境影響評(píng)價(jià)論證，自然資源部門和水行政主管部門審批，取得相關(guān)許可證明后采用地下水源熱泵進(jìn)行淺層地溫能開發(fā)利用。建議開采層位為第四系中深層孔隙含水巖組，采用一抽多灌的方式，確保地下水完全回灌。回灌井一般布設(shè)在開采井下游，間距不小于150 m。

4 結(jié)論

兗州區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用條件優(yōu)越，資源豐富，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著，應(yīng)充分開發(fā)利用淺層地溫能資源，這樣不僅可以大大提高人民生活質(zhì)量，改善人民生活環(huán)境，而且對(duì)推進(jìn)新能源開發(fā)利用進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有積極意義。