天津滨海新区浅层地温能开发利用方式研究

■张云霞/冯 鑫

（天津市国土资源和房屋管理局，天津 300042）

1 浅层地温能概念

浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度范围内（一般为200m）的岩土体、地下水中具有开发利用价值的地温能，是一种可再生的新型环保能源，利用前景广阔。其埋藏深度浅、开采方便，通过热泵技术可实现冬季采暖、夏季制冷的双向应用，已引起人们的广泛关注，成为近年来开发利用的新趋势。

2 浅层地温能的主要开发利用方式

浅层地温能资源开发利用有多种方式，其中地下水地源热泵和地埋管地源热泵是最主要的两种方式。

2.1 地下水地源热泵系统

地下水地源热泵系统由地下水换热系统、机房系统和末端系统三部分组成。地下水地源热泵系统工作原理是通过抽取地下水，利用地下水全年温度保持恒定的特点，与主机冷凝器或蒸发器进行热交换，或通过板式换热器与冷凝器产生的高温热水（冬季工作时）或蒸发器产生的低温热水（冬季工作时）进行热交换，然后将置换冷量或热量的地下水全部回入同一含水层中。

2.2 地埋管地源热泵系统

地埋管地源热泵系统与地下水地源热泵系统相似，由地埋管换热系统、机房系统和末端系统三部分组成。其工作原理是传热介质在密闭的竖直或水平地埋管中循环，利用传热介质与地下岩土层、地下水之间的温差进行热交换，达到利用浅层地温能的目的，并进而通过热泵技术实现对建筑物的供暖和制冷。

3 浅层地温能开发利用现状

3.1 国外开发利用现状

20世纪70年代，欧洲主要采用地埋管地源热泵（水平埋管）用于冬季供暖，特别是在欧洲的中部和北部地区，主要进行土壤的传热性质、换热器类型以及影响埋管换热的因素等方面进行研究。希腊采用了复合地下水井和换热器的地源热泵方式对建筑物进行供暖和制冷。美国早期的热泵系统都是运用地下水或湖水作为水源，利用水泵把水抽到地表再通过热泵来实现供暖功能，目前主要采用这种方式。截止2007年底，美国50个州都安装地源热泵系统，总项目数超过45000套。其中，在单体住宅中占63%，商业建筑中占37%。瑞典在土壤热物性测试方面做了较多的工作，开发了可移动热响应测试仪器，目前年安装台数约为4万台。

据2010年世界地热大会统计数据，全世界地源热泵的年利用能量达到了214782 TJ（1012焦耳），与2005年世界地热大会的统计数据相比，五年内增长了2.45倍，平均年增长率为19.7%。2010年世界地热大会的统计的地源热泵的设备容量为35236 MWt（兆瓦热量），五年内增长了2.29倍，平均年增长率为18.0%。总之，这是社会和客户更好地认可了地源热泵的能力而产生的效果。世界上地源热泵应用前5位的国家是美国、中国、瑞典、挪威和德国。

3.2 国内开发利用现状

20世纪60年代，我国开始在暖通空调中应用发展热泵技术，并取得了一大批成果。1965年天津大学与天津冷气机厂合作研制成国内第一台地下水热泵空调机组。1978～1988年，我国热泵应用与发展进入全面复苏阶段，国外一些知名热泵生产厂家开始来中国投资建厂。1989～1999年期间我国热泵又迎来了新的发展里程。国内企业开始投资生产热泵，逐步形成我国热泵空调器的完整工业体系。据统计到1999年，全国约有100个项目，2万台地下水地源热泵机组在运行。

进入21世纪后，地源热泵技术的研究更加深入，形成了产、学、研结合利用浅层地温能的道路。由于热泵技术的成熟，我国的地源热泵机组在近几年开始大量应用于工程实践。据8个省市2009年底调查成果，应用浅层地温能资源进行供暖和制冷的建筑面积为1.0244×108m2。总体上来看，浅层地温能资源利用主要集中在我国华北和东北南部地区，占全国的80%。

3.3 天津滨海新区开发利用现状

据调查，滨海新区第一个浅层地温能资源开发利用工程项目于2001年建成（天津港7米桥磅站），利用面积为50m2。经过近年来的发展，浅层地温能开发利用工程的数量和利用面积均有了大幅度增加。截止2010年底，滨海新区浅层地温能开发利用工程达到87个，利用面积为112.09×104m2。其中：地埋管地源热泵系统工程为84个，占总数量96.55%；利用面积108.99×104m2，占总利用面积的97.23%。多采用双U型地埋管方式，取热深度为100～120m，埋管间距为4～5m；地下水地源热泵系统工程3个，利用面积3.1×104m2。第四系主要开采层位为Ⅱ～Ⅳ组含水层，井深100～460m，单井抽水量30～140m3/h。在地下水地源热泵中，开采方式主要为多井采灌，并以回灌量确定开采量，以同层采灌方式为主。

4 滨海新区浅层地温能赋存条件

地壳浅层地温场在垂向上的变化特征受地层岩性、结构、孔隙度、当地气候、地下水活动等多种因素的影响，从上至下依次为变温带、恒温带和增温带。通过收集已有资料以及本次工作过程中对地温监测资料的分析，证明滨海新区地壳最表层的温度受地面温度周期性变化的影响是随着深度的增加而减弱的。不同钻孔在30m～35m处温度基本不受地表温度影响，说明滨海新区恒温带位置在30～35m之间。恒温带以下随着深度的增加地温逐渐增高的地带，称为增温带。其值的大小用地温梯度（G）表示，即深度每向下增加100m所增高的温度值。滨海新区200m以浅地层的平均地温梯度值一般3.0～4.0℃/100m。

第四系岩土体热物性特征包括岩土体的热导率、比热容以及地温场特征等，其反映了岩土体的蓄热和导热能力，是影响浅层地温能资源赋存的重要影响因素。按照岩土体的岩性、物理性质分类，把滨海新区岩土体主要概化为粘土、粉质粘土、粉土、粉砂四种。通过实验可以得到120m以内的地层，在同一地区不同岩性热导率存在差异，粘土最小，粉质粘土次之，粉砂最大。

滨海新区蕴藏浅层地温能的第四系地下水划分为四个含水组，四个含水组分为浅层地下水和深层地下水，浅层地下水是指第Ⅰ含水层组地下水，深层地下水是指第Ⅱ含水组、第Ⅲ含水组和第Ⅳ含水组地下水。

5 滨海新区浅层地温能开发利用适宜性分区

5.1 评价方法确定

对滨海新区浅层地温能开发利用适宜性分区采用层次分析法（采用yaahp软件）和非结构性模糊赋权法两种方法来计算权重并相互验证，利用乘法合成归一化法把两种方法所求权重有机集成起来，确定综合权重，克服单一赋权法的不足。在确定综合权重的基础上，利用综合指数法进行综合评价。

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）是对一些较为复杂、模糊的问题做出决策的简易方法，它特别适用于难于完全定量分析的问题。

非结构性模糊赋权法是典型的模糊数学方法，属于客观赋权法，是根据所选择指标的实际信息形成决策矩阵，在此矩阵基础上通过客观运算形成权重，该方法尽量避免了主观赋权法的人为因素。

本次综合评价采用综合指数法，综合指数法是将一组相同或不同指数值通过统计学处理，使不同计量单位、性质的指标值标准化，最后转化成一个综合指数，以准确地评价工作的综合水平。

综合评价指数法计算公式如下：

式中：Rk为综合评价指数；ai为指标要素的权值；

Xi为指标要素属性赋值；n为指标要素个数。

5.2 地下水地源热泵适宜性分区

5.2.1 地下水地源热泵适宜性分区评价结构图（图1）

图1 地下水地源热泵系统适宜性分区评价结构图

5.2.2 适宜性分区结果

第Ⅱ含水组地下水地源热泵系统适宜性分区：

滨海新区第Ⅱ含水组岩性大多以细砂和粉细砂为主，富水性较差，而且细砂和粉细砂地层不利于地下水回灌，同时第Ⅱ含水组在该区水位较高也不利于回灌，因此大部分为第Ⅱ含水组地下水地源热泵系统欠适宜区。同时，汉沽城区、塘沽西部等地面沉降严重区和重要地下水源地保护区为欠适宜区。较适宜区分布在宁车沽、蔡家堡、清河农场附近。

第Ⅲ含水组地下水地源热泵系统适宜性分区：

滨海新区第Ⅲ含水组岩性大多以粉细砂为主，不利于地下水回灌，同时其它指标条件也相对较差。汉沽城区、塘沽西部等地面沉降严重区和地下水源地保护区为欠适宜区。因此滨海新区大部分为第Ⅲ含水组地下水地源热泵系统欠适宜区。较适宜区分布在宁车沽、蔡家堡、清河农场附近。

第Ⅳ含水组地下水地源热泵系统适宜性分区：

滨海新区第Ⅳ含水组岩性以中细砂和粉细砂为主，富水性较差，而且导水能力较低。同时，汉沽城区、塘沽西部等地面沉降严重区和重要地下水源地保护区为不适宜区。较适宜区分布在茶淀、清河农场附近。

滨海新区地下水地源热泵系统开发利用适宜性分区情况统计见表1所示。

5.3 地埋管地源热泵适宜性分区

5.3.1 地埋管地源热泵适宜性分区评价结构图（图2）

5.3.2 适宜性分区结果

图2 滨海新区地埋管地源热泵系统适宜性分区评价结构

适宜区（Ⅰ级区）为：该区域地层储蓄和热传递能力等条件好，很适合布置120 m地埋管，同时咸水底界埋深≥120m或者≤0m（即没有咸水的存在），几乎不受咸水层的影响，该区域面积约为86km2；

较适宜区（Ⅱ级区）为：该区域地层储蓄和热传递能力等条件较好，比较适合布置120m地埋管，咸水层对地埋管有一定的影响，该区域面积约为1279km2；

一般适宜区（Ⅲ级区）为：该区域地层储蓄和热传递能力等条件一般，对于布置120m地埋管，咸水层的影响较大，该区域面积约为905km2。（见图3）

滨海新区地埋管地源热泵系统适宜性分区情况见表2。

6 结论

根据滨海新区地质、水文地质、地热地质、环境地质条件和岩土热物特性，结合滨海新区浅层地温能资源开发利用现状和适宜性分区，得出如下结论：

表1 地下水地源热泵系统适宜性分区范围及面积

表2 滨海新区地埋管地源热泵系统适宜性分区范围及面积

图3 滨海新区地埋管地源热泵系统适宜性分区图

（1）深度400m以内第Ⅱ至第Ⅳ三个含水组地下水可作为地下水地源热泵系统开发利用的水源，但大部分区域均为欠适宜区。

（2）滨海新区平原区120m范围适宜地埋管地源热泵系统开发利用；全区均可进行地埋管地源热泵系统开发利用。

（3）考虑到滨海新区含水层结构特征和回灌井实际回灌能力，为防止地面沉降等地质环境问题，在以粉细砂含水层为主的滨海新区，慎重开发利用地下水地源热泵系统。

[1]韩再生.浅层地热能勘查评价[J].中国地质,2007,12(6):1115-1121.

[2]韩再生.城市地区浅层地温能评价方法探讨[J].城市地质,2007(4):9-15.

[3]王秉忱.科学运用地源热泵开发浅层地热能[J].水文地质工程地质,2008(3):1-2.

[4]王贵玲,等.浅层地热能研究现状及亟待开展的工作[J].工程设计与建设,2007(11):1-4.

[5]天津市地质矿产局.天津市地质环境图集[M].北京:地质出版社,2004.

[6]天津地热勘查开发设计院.天津市浅层地热能资源调查报告[R].天津:天津地热勘查开发设计院,2011.