淺層地熱能開發利用及影響研究

［關鍵詞］開發利用；淺層地熱能；管理

當前，淺層地熱能主要應用在供暖和制冷環節，由于使用過程中不會產生污染物，國家越來越重視對淺層地熱能的開發。本文主要探討馬鞍山市博望區的淺層地熱能開發利用工作。

1. 淺層地熱能開發利用的主要特點

淺地層的熱能主要指地表層200m深度范圍的熱能源，該能源的形成主要是由于地球梯度溫度提升以及太陽輻射。淺層地熱能資源具有著溫度適宜、常年溫度恒定、可再生以及可循環利用等特點，具有較高的開發利用價值，當前的淺層地熱能儲量十分豐富，為開發利用提供更多可能[1]。

2. 工作區的熱響應測試

本次研究的淺層地熱能開發項目為馬鞍山市博望區淺層地熱能開發利用工程，結合項目設計要求，本工程在現場的工作區開展熱響應測試，共設置三個測試孔，熱響應測試目的是對開發地區的淺層地熱能儲量進行評價了解，以便提出有效的開發利用意見，具體測試包括以下兩個步驟。

2.1進行熱響應測試孔的合理布置

測試孔布置數量為3個，在成孔過程中采用鉆探取芯方式，總進尺距離達到300 m，三個孔都分別下入管長為100 m，埋管深度為98 m，管直徑為25 mm 的單U 形式HDPE管，三個孔號分別為DR01、DR02以及DR03，DR01和DR03號孔先進行熱響應測試，時間為2017年5～6月，DR02號孔后進行熱響應測試，時間為2018年5月。整體熱響應測試的方案為：測試巖土體的初始溫度、進行3kW的穩定熱流測試、進行6kW 的穩定熱流測試、開展冬季7℃的穩定工況測試。

DR01號孔主要進行了巖土體初始溫度測試、3kW和6 kW的穩定熱流測試，測試工作中孔深設定為100 m，埋管形式為單U，埋管直徑為25 mm，埋管深度為98 m；與DR01號孔相比，DR02號孔額外增加了冬季7℃的穩定工況測試工作，測試工作中孔深設定為100 m，埋管形式為單U，埋管直徑為25 mm，埋管深度為98 m；DR03號孔開展的熱響應測試與DR02號孔相同，具體包括冬季7℃的穩定工況測試、巖土體初始溫度測試、3 kW和6 kW的穩定熱流測試，測試中的孔深同樣為100 m，埋管形式為單U，埋管直徑為25 mm。埋管深度設定為98 m，三個孔的鉆孔編錄均為巖芯編錄。

2.2開展場地巖土熱響應測試

從現場勘察結果來看，三個測試孔的鉆孔深度一致，均為100 m，孔直徑根據管型號可知為25 mm，根據熱響應測試結果來看，在測試時間段內，DR01號孔的巖土體平均初始溫度為18℃，DR02 號孔的巖土體平均初始溫度為18.4 ℃，DR03號孔的巖土體平均初始溫度為18 ℃。圖1為DR01號孔的巖土體平均初始溫度曲線；圖2為DR01號孔的巖土體平均初始溫度測試流量曲線。

在進行3kW的穩定熱流測試時，DR01號孔的巖土體導熱系數為2.212 W/m·K，DR02號孔的巖土體導熱系數值為2.407W/m·K，DR03號孔的巖土體導熱系數為2.589W/m·K；在進行6kW的穩定熱流測試時，DR01號孔的巖土體導熱系數為2.666W/m·K，DR02號孔的巖土體導熱系數為3.006W/m·K，DR03號孔的巖土體導熱系數為2.909 W/m·K。通過計算可知，DR01、DR02 以及DR03 號孔的平均巖土體導熱系數分別為2.439W/m·K、2.707W/m·K以及2.749W/m·K[2]。

建筑物在建設時，若是推進開發利用淺層地熱能，建議實時進行能效及地熱變化的監測，尤其是重視監測熱泵系統實時運行過程中，對場地地質環境以及地下溫度場產生的影響，對于能效的消耗情況及時掌握并做好記錄，后續會作為調節熱泵系統運行條件的重要依據。圖3為熱響應測試的系統原理。

3. 淺層地熱能開發利用要點

近些年，國內有關淺層地熱能的開發利用項目越來越多，趨向于市場化推動，但由于目前有關淺層地熱能開發資源調查不充分、評價機制較滯后以及研究頗為薄弱，仍舊有許多開發利用地區存在發展不足。此外，還有一些地區的開發利用過于超前，家底不清晰，導致影響城市規劃與管理，在淺層地熱能資源開發的勘察技術標準與測試技術方面也缺乏完善性，而淺層地熱能在開發之后也缺乏長期監測機制，導致對地質環境變化產生影響不明晰，缺乏數據支持。基于上述原因，城市的部分工程項目出現了設計不嚴謹、施工不規范、水資源浪費、水質污染擴散、熱污染、地下水回灌效果差以及地面沉降等問題，嚴重情況還包括工程失敗、效能低下以及達不到預期效果等[3]。

根據項目所在地區的氣候條件可知，較為適宜進行淺層地熱能的開發與利用，具有地質條件簡單的特征，不容易產生熱污染問題。本地區對淺層地熱能具有較大需求，但對于熱泵系統的設計、資源勘察評價以及地質環境影響監測和管理等方面也要重視，淺層地熱能開發利用過程中還需把控以下三項要點。

一是積極推進環境響應檢測工作，對地熱能的開發與利用會對原有地下熱產生影響，打破原有結構的平衡，溫度場也會發生改變，間接影響地下微生物以及地下水，為了把控開發利用的質量，還需明確調查地表溫度效應，同時建立長期的監測機制，以機制系統的數據為基礎制定開發規劃。

二是重視對開發市場的監督，目前的淺層地熱能開發項目越來越多，市場規模逐漸擴大，而部分單位在實施項目時，存在主管部門分工不合理、不明晰，給開發市場的監督帶來不利影響，甚至是出現監管缺位。再加上一些項目工程的設計、勘查以及施工等任務的準入限制不足，工程驗收標準也不夠完備，要求設置不合理，致使開發中出現資源浪費，達不到理想狀態，為此，一定要重視對開發市場的監督和管理，重點著手于規范項目實施標準和驗收標準，還要保證分工明確、責任落實到位。

三是完善開發利用方案，先是要對實際開發的適宜性進行分析，該適宜性主要由地質條件、施工條件以及市場經濟條件決定，分析淺層地熱能產生原因，主要是因為夏季與冬季外部環境溫差大，而地層中的溫度比較恒定，會產生反向溫差，這種自然形成的條件導致淺層地熱能從某種程度上來說，具有取之不盡、用之不竭的特點，伴隨熱泵技術水平的提升，其開發利用的前景更好，有長期使用的價值。但任何資源在開發方面都要對強度進行限制，尤其是可再生類資源，要做好勘察資源工作。淺層地熱能事實上是存在于隱蔽地質體中的一種無形資源，在開發利用方案設計時，需要充分考慮地質條件，在地質條件資料獲取中，應當選擇專業的勘查手段，從而做好適宜性評估分析工作。其次，還要對淺層地熱能開發利用對地質環境產生的影響進行研究，在此基礎之上，進一步構建管理淺層地熱能開發的信息系統，方便于未來長期實現淺層地熱能資源的規劃、開發利用以及綜合管理，獲取更多效益，不限于經濟效益，還包括環境效益。

4. 淺層地熱能開發利用的建議

4.1因地制宜，合理開發

我國地域遼闊，各個地區在地質條件與氣候方面具有很大差異，淺層地熱能資源不相同，在進行開發利用過程中，需充分考慮這些地域差異，嚴格做到因地制宜，在本開發項目中，對馬鞍山市博望區的地質環境與氣候條件進行了充分了解，同時將適宜進行開發的區域細致劃分，明晰熱系統參數范圍，大力推廣淺層地熱能項目，并有效推進項目，對于地質條件與水文條件優質的區域應當加強開發利用，而地質條件不太理想的區域則可先開展試點工作，獲取開發經驗，提升項目推進的穩妥性。

4.2強化技術能力，提升開發水平

淺層地熱能的開發利用水平與技術能力有著直接聯系，一般采用換熱技術進行開采，要保證該技術的高效。當前，國家能源局十分重視高效換熱技術與井下換熱技術的研發，其成為淺層地熱能開發利用的重點。除此之外，在開發過程中還要保證整體系統具有節能性，要優化地熱泵機組運行性能，提升運行質量，從目前的市場情況來看，國內地熱泵機組還不夠成熟，產品質量不高，可積極引進國外先進技術，并提升國內自主研發的質量，保障淺層地熱能開發利用效益。

4.3加強淺層地熱能的開發利用管理工作

推進淺層地熱能開發利用，還需進一步加強開發利用的管理工作，應當對其監督管理大力支持，尤其是生態環境、水利部門以及自然資源部門等，協調配合淺層地熱能的開發利用工作，促進項目順利實施，保證各部門通力合作，提升淺層地熱能開發規劃水平。還可建立地熱能開發利用的信息共享平臺，便于各部門信息有效流通，避免出現地熱能開發的不規范行為。除此之外，還應當對勘察、設計以及施工完善管理制度，制定監督應對方法，促進淺層地熱能開發利用。

綜上所述，對淺層地熱能的開發有利于提升我國能源利用率，推動可持續發展。由本文分析可知，淺層地熱能開發利用應當做到因地制宜、合理開發，同時強化技術能力，提升開發水平，還要加強淺層地熱能的開發利用管理，從而提升開發利用效率。