山西浅层地温能开发利用前景分析

马汉田,乔清海,翟一帜,李春云,吕义清

(1.山西省地质调查院,太原 030003;2.太原市国土资源局,太原 030009;3.北京师范大学,北京 100875;4.太原理工大学 地震与地质灾害防治研究所,太原 030024)

1 概述

浅层地温能是蕴藏在地表以下一定深度范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能;是指通过地源热泵换热技术利用的蕴藏在地表以下200m以内,温度低于25℃的热能;是一种分布广泛,储量巨大,可再生且可循环使用,清洁环保,利用前景广泛的新型环保能源[1]。山西地域辽阔,仅六大盆地平原区面积就达3万多km2,且是山西人口集中、经济较发达地区,具备浅层地温能开发和利用的条件,但目前山西浅层地温能的调查评价范围小,精度低,开发利用的程序低,因此,推进浅层地温能的调查评价和开发利用,对山西构建资源节约型和环境友好性社会、保障山西能源安全、改善我省现有能源结构、实现我省经济、社会与生态环境协调、可持续发展,促进我省节能减排战略目标的实现具有重要的意义。

2 山西浅层地温能调查评价、开发利用现状

2.1 山西浅层地温能调查评价现状

自2011年以来,在中央和地方财政的支持下,我省相继开展了浅层地温能调查评价工作。目前,已完成的浅层地温能调查评价项目有3个,主要为2011年至2013年中国地质调查局部署开展“太原市浅层地温能调查评价”和山西省国土资源厅部署“山西省六大盆地重点地区浅层地温能调查评价”工作;2014年至2015年,中国地质调查局部署开展“山西省主要城市浅层地温能开发区1:5万水文地质调查”工作。以上项目部署在太原市、大同市、朔州市、忻州市、晋中市、临汾市、运城市、长治市8个主要城市规划的中心城区;面积4 317 km2。以上工作开展,查明浅层地温能分布特点和赋存条件,评价浅层地温资源量及开发利用潜力,编制浅层地温能开发利用适宜性区划,为山西省浅层地温能合理开发利用和保护提供依据。

正在进行的项目有两个,分别是:2016年山西省地勘局部署安排山西省浅层地温能适宜区选区调查项目,工期2 a;2017年山西省国土资源厅部署山西省太原盆地城镇密集区浅层地温能调查评价项目,工作区范围为交城、清徐、太谷、祁县、文水、平遥、汾阳、孝义、介休九个县市的平原区。面积3 351 km2。

2.2 山西浅层地温能开发利用现状

山西省煤炭资源丰富,煤炭资源在能源消费中占有很大比例,长期以来,包括浅层地温能在内的可再生能源开发利用推广缓慢,产业规模和市场规模均很小。根据山西省发改委和住建厅统计资料,截止2014年底,山西省(仅统计以下8地市)应用浅层地温能供暖制冷的建筑物面积约359.8万 m2。其中地埋管地源热泵面积200.3万 m2,占总面积的55.7%;地下水地源热泵面积151.5万 m2,占总面积的42.1%;其他利用方式(污水源热泵)面积8.0万 m2,应用面积占总面积2.2%。各市利用情况如表1所示。

表1 山西各市浅层地温能开发利用面积Table 1 Development areas of shallow geothermal energy in major cities, Shanxi Province

2.3 山西浅层地温能调查研究、开发利用存在问题

根据调查,在浅层地温能开发利用过程中,山西浅层地温能研究、开发利用主要存在以下问题:

1)起步晚,发展慢,空调面积小。浅层地温能开发利用工程是从上世纪90年代进驻山西,90年代之后,浅层地温能开发利用工程有较快发展,但与发展较快的城市相比还是有很大差距,空调面积较小。

2)宣传力度不够,认识不到位。浅层地温能科普知识的宣传力度不够,没能让社会公众充分认识利用浅层地温能资源对促进经济发展、节能减排、保护环境的重要意义,全社会没有自觉利用浅层地温能资源的意识和节约能源的责任感、使命感,从而制约浅层地温能开发利用事业的发展。

3)调查研究滞后,资源家底不清。山西适宜浅层地温能开发利用的区域较大,目前仅调查评价的区域仅3351km2,大部分的区域没有开展调查研究,资源家底不清,缺乏科学的总体规划,不能有效指导开发和利用。造成对浅层地温能开发利用都是凭需要而定,开发利用不规范,开发活动混乱。

4)项目前期未进行浅层地温能资源勘查。山西省大部分浅层地温能工程仅参照已有地源热泵工程的经验进行设计,没进行工程场地的浅层地温能资源勘查,造成工程建成后产生诸多问题。据了解浅层地温能开发过程中实施回灌等保护措施的还很少,需要在评价的基础上进行合理的回灌。

5)缺乏对浅层地温能开发利用的地质环境监测。据本次调查资料,山西省建成的浅层地温能开发利用工程均无建立系统运行地质环境影响监测体系,缺少对系统中温度、水位、水质等的动态变化的监测,无法评价浅层地温能开发对地质环境的影响。

6)缺乏相关政策支持。国内业已开展浅层地温能资源开发的省市均在财政补贴、示范工程推广等方面给予了很大地支持,山西省在此方面缺乏必要地重视与资金和政策上的支持,造成山西省浅层地温能资源开发工作发展滞后。

3 山西浅层地温能的开发利用潜力及效益分析

山西浅层地温能开发利用潜力巨大,现仅对开展工作的8个地级城市城市的资源潜力和效益分析如下:

3.1 潜力分析

依据已开展项目资料,仅对山西8个地级城市城市建设规划区,在考虑建筑布局等因素,土地利用系数在城市土地利用系数的基础上再乘以折减系数,地下水与地埋管重合区域按照地下水1/3、地埋管2/3比例进行资源分析。

全省8个地级城市城市建设规划区地埋管的适宜、较适宜区面积约3906.79 km2,夏季浅层地温能可利用总量为4.36×1014kJ,可提供空调面积约1.20×109m2,平均单位制冷面积为3.071×105m2/km2。冬季浅层地温能可利用总量为4.42×1014kJ,可提供空调面积约6.50×108m2,平均单位制冷面积为1.664×105m2/km2。地下水的适宜、较适宜区面积约557.108 km2,夏季浅层地温能可利用总量为为1.452×1013kJ,可提供空调面积约3.414×107m2,平均单位制冷面积为6.128×104m2/km2。冬季浅层地温能可利用总量为为1.327×1013kJ,可提供空调面积约1.908×107m2,平均单位制冷面积为3.425×104m2/km2,详见表2、表3。

目前山西应用浅层地温能供暖制冷的建筑物面积约359.8万 m2,由此可见,浅层地温能的推广应用有巨大的资源保障价值。

表2 地埋管浅层地温能潜力评价计算成果表Table 2 Potential evaluation of the shallow geothermal energy with buried pipe

表3 地下水浅层地温能潜力评价计算成果表Table 3 Potential evaluation of the shallow geothermal energy of groundwater

3.2 效益分析

3.2.1 经济效益分析

按热能有效利用率80%;热量7 000 kcal/kg;锅炉热效率80%;燃煤价格700元/t;浅层地温能可利用系数取30%计算热资源价值。计算结果:全省8个主要城市浅层地温能可利用总能量为8.697×1014kJ。其中,夏季地下水、地埋管地源热泵系统的交换量为4.803×1014kJ;冬季地下水、地埋管地源热泵系统的交换量为3.894×1014kJ。浅层地温能资源价值达62.424亿元。其中夏季可制冷资源价值达34.475亿元,冬季可供暖资源价值达27.945亿元。各地市资源价值如表4所示。

表4 浅层地温能开发利用经济效益统计表Table 4 Statistics of economic benefits of shallow geothermal energy development

由此可见,浅层地温能每年可提供的资源价值相当可观,可充分加以开发利用。

3.2.2 社会效益分析

浅层地温能的开发利用除节约能源外,另一主要贡献就是降低温室气体CO2的排放,减少烟尘、煤渣、SO2、NOx的排放,对缓解气候变暖及减少环境污染具有一定的作用。在此,仅从浅层地温能开发利用节约燃烧原煤量,相当节约标煤量,减少二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、悬浮质粉尘、灰渣排放量和节省的环境治理费等项目分析。根据计算,年替代燃烧原煤量为6.924×1010kg,年替代标煤量为4.946×1010kg,年有效节约标煤量为1.731×1010kg,年减少二氧化硫排放量为2.943×108kg,年减少氮氧化物排放量为1.039×108kg,年减少二氧化碳排放量为4.130×1010kg,年减少悬浮质粉尘排放量为1.385×108kg,年减少灰渣排放量为1.731×109kg, 年节省的环境治理费为4.883×109元(计算结果如表5所示)。

表5 山西省主要城市浅层地温能开发利用社会效益分析计算汇总表Table 5 Social benefits analysis on the shallow geothermal energy development in major cities in Shanxi Province

4 结论

1)山西浅层地温能调查评价的范围小、精度较低,加强浅层地温能的调查评价工作,摸清山西浅层地温能家底,统筹科学规划,对有效指导开发和利用具有重要意义。

2)山西浅层地温能资源丰富,资源价值可观,充分利用浅层地温能资源对促进山西经济转型发展、节能减排、保护环境具有十分重要意义。

3)加强浅层地温能科普知识宣传力度,提高社会公众对浅层地温能的认识,自觉利用浅层地温能资源,从而推动浅层地温能开发利用事业的发展,实现山西转型发展目标。

4)政府应该增强对浅层地温能资源开发工作的重视程度,技术层面上应积极开展浅层地温能资源勘查利用试点和示范工程工作,政策层面上应为推动山西省浅层地温能资源开发利用管理给予资金与政策上的支持。

[1] 卫万顺,郑桂森,冉伟彦,等.浅层地温能资源评价[M].北京:中国大地出版社,2010.

[2] 马汉田,黄存宝,白雪峰,等.2013太原市浅层地温能调查评价报告[R].太原:山西省地质调查院,2013.

[3] 张海永,黄虎城,田金伟,等.2015太原市浅层地温能调查评价报告[R].太原:山西省地质调查院,2015.