重庆市浅层地温能开发利用及监测现状

朱世保,彭清元,刘 刚,何 源,李双财

(重庆市地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队, 重庆 401121)

0 引 言

浅层地温能也称浅层地热能，是指蕴藏在地下0～200 m范围以内的、温度低于25 ℃的具有开发利用价值的地热能。具有可循环再生、清洁环保、分布广泛、储量巨大、埋藏较浅、可就近开发利用等特点。重庆市浅层地温能的开发利用一般采用地源热泵系统、地表水源热泵系统等形式。

近年来，低碳环保的新能源利用越来越受到国际国内的重视，浅层地温能的开发利用蓬勃发展。据统计，截至2016年，我国应用浅层地温能的建筑物面积已达5亿m2，但开发利用效果如何，对环境影响如何，是否带来一系列地质环境影响等问题亟待解决[1]。近些年，华东、华北地区浅层地温能的应用和研究发展较快，北京、天津、上海、南京等地已经开展了浅层地温能的监测工作，建立了浅层地温能监测系统。作为既特殊又典型的南方基岩地区，重庆市浅层地温能的开发利用刚刚起步，近年来也完成了大量浅层地温能的基础地调和相关科研工作，也成功的开展了一些应用示范项目，但对于浅层地温能系统能效、地温监测、环境影响监测等还并未开展，仅仅对个别项目进行了简单的能效测评。根据2017年1月国家发展改革委、国家能源局和国土资源部三部委联合发布的《地热能开发利用“十三五”规划》的通知，重庆市在十三五期间将作为浅层地温能重点推广地区，将新增3 700万m2的浅层地温能应用面积(占新建建筑面积50%以上)，开发利用前景将迎来契机，因此，笔者结合重庆市地勘局南江水文地质工程地质队开展的重庆市浅层地温能监测系统示范工程建设，分析总结其研究成果，为浅层地温能在重庆地区的合理开发利用提供数据支撑，将具有极其重要和深远的意义。

1 浅层地温能开发利用现状

20世纪70年代初，世界上出现了第一次能源危机，浅层地温能开发利用开始受到世界各国重视，基于浅层低温能开发利用的地源热泵技术研究及应用迎来了发展高潮。到20世纪80年代后期，地源热泵技术已经趋于成熟。目前，美国是世界上地源热泵主机生产和使用的头号大国，瑞士、挪威是世界上地源热泵应用人均比例最高的国家，应用比例高达96%。

近年来，我国在浅层地温能应用方面有了较大发展，全国利用浅层地温能进行建筑物供暖制冷的面积已达5亿多平方米，每年正以约20%的速度增长，主要集中在我国华北和东北南部地区，占全国的80%。其中如北京市(4 000万m2)、山东(3 000万m2)、河南(2 200万m2)、沈阳市(6 000万m2)等地利用较好。根据《中国城市地质调查报告(2017)》显示：全国337个主要城市浅层地温能可开采资源量折合标准煤7亿t，可实现建筑物供暖制冷面积320亿m2。从建筑类型看，浅层地温能供暖制冷现已广泛应用于集中办公区、医院、学校、宾馆、集中住宅等。随着社会对这一供暖制冷方式的接受，今后利用浅层地温能进行建筑物供暖制冷的使用面积将会大幅增长。

目前，浅层地温能在重庆市正处于大力度的推广和工程实施的起步阶段。2008年，重庆市出台了《重庆市建筑节能条例》，将可再生能源作为首要的技术来进行推动发展。在2007—2008年期间，重庆市建委先后两次组织实施的可再生能源建筑应用示范工程项目，由于示范效果良好，2009年底，重庆市被我国财政部、住房部和城乡建设部确定为“可再生能源建筑应用全国示范城市”。2017年8月，重庆市城乡建设委员会和重庆市财政局联合印发了《重庆市可再生能源建筑应用示范项目和资金管理办法》(渝建发〔2017〕32号)的通知，对可再生能源示范工程给予财政专项补助资金补助标准做了相应规定。

截止2016年底，据统计重庆市共建成浅层地温能开发利用项目约40余个，应用面积约515万m2，落后于北方、长江中下游甚至贵州、南宁等南方城市。重庆市目前执行的政府财政补贴标准为：按浅层地温能供热制冷面积计算，公共建筑补贴标准为50元/m2，居住建筑补贴标准为30元/m2。通过能效检测，节能效果显著，夏季空调制冷时地埋管地源热泵系统运行的能效比达到3.5以上，较常规中央空调系统节能30%～40%之间。根据统计及收集重庆市浅层地温能已建和在建应用项目见表1。

表1 重庆市浅层地温能已建和在建应用项目Table 1 The completed and constructed projects of shallowgeothermal energy in Chongqing

通过对部分已运行的浅层地温能系统工程的能效测试显示：夏季工况下，地表水地源热泵系统运行的能效比均达到3.3以上，普遍为4.1～4.5；地埋管地源热泵系统运行的能效比均达到3.5以上，普遍超过4.0。冬季工况下，地表水地源热泵系统运行的能效比基本达到3.0以上；地埋管地源热泵系统运行的能效比均达到3.0以上，不少工程超过了4.0，表现出了显著的节能效果[2-3]。

2 浅层地温能基础工作现状及成果

2.1 基础工作

近年来，中国地调局、中国地质科学院、重庆市国土局等上级主管部门安排重庆地勘局南江地质队完成了多个浅层地温能基础地调和科研项目，其中：重庆浅层地温能调查评价项目4个，资金1 170.98万元(其中中央财政资金950万元，市级地质勘查专项配套资金220.98万元，分别见表2、表3)；科研项目12个，资金420余万元(其中市国土房管局安排280万元，其它部门安排140万元)。通过上述项目的实施，积累了一定的科学数据，研制了相关测试仪器，培养了有关技术及施工人员。加上重庆大学等单位的相关研究，为进一步开展浅层地温能的监测和规模化利用，提供了较好的基础。

表2 已完成中国地调局调查评价项目Table 2 The completed investigation and evaluation project ofChina Bureau of Regulation

表3 已完成市级地质勘查专项资金项目Table 3 The completed municipal geological prospecting specialfund project

通过开展以上两个项目的调查[4-5]，查明了重庆市主城区及主要城市的浅层地温能分布特点和赋存条件，评价了浅层地温能资源量及开发利用潜力，编制了浅层地温能开发利用适宜性区划，为浅层地温能合理开发利用和保护提供了依据。

为促进节能减排，改善现在的能源结构，国家能源局、国土资源部、住房和城乡建设部等相关部门先后印发了《关于促进地热能开发利用的指导意见》、《国土资源部关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》、《国土资源部办公厅关于做好“应对全球气候变化地质响应与对策”有关工作的通知》等相关文件，重庆市国土局根据以上文件及相关会议要求，于2009—2016年，先后下达浅层地温能市级地质勘查专项资金项目3项(见表3)，市国土局、市建委和市科委相继下达相关科技计划项目合计11项(见表4)。

表4 已完成科研项目Table 4 The completed research project

2.2 主要成果

从以上地调项目以及科研项目所取得的成果可见，重庆属基岩山区，岩石热物理性能较好，变温层厚度在15～20 m，变温层之下为恒温层，开发深度一般150 m以内，平均温度在19.0 ℃左右，资源较为丰富，开发利用条件较好。据调查估算，全市100 m以浅浅层地温能资源可供空调面积约为7.7亿m2。主城区浅层地温能适宜及较适宜区占总面积95%以上；重庆市重点城市(如万州、永川、合川、涪陵等区级城市)浅层地温能适宜及较适宜区占总面积80%以上[6]。

3 浅层地温能监测现状

从国外来看，浅层地温能监测尚无突出的试点成果，国内如北京、天津、上海、南京等地已开展了监测系统的建设，监测方法主要有系统能效监测、地温监测、岩土体热影响半径监测、地质环境影响监测(地温场、地下水位、水质)。

在重庆，据统计截止2016年底已完成浅层地温能地温监测站10个左右,但是重庆市已完成的浅层地温能示范项目40余个[1,7]，仅在个别地源热泵项目进行了能效测评，并未进行长期的能效监测。对于地温和环境影响监测,在重庆市除了重庆市地勘局南江地质队建立了一个试点外也没有广泛的开展相关工作。

笔者以重庆地勘局南江地质队监测站为例[8],该监测站位于重庆市渝北区新牌坊南江地质队人和基地内，该监测站分别由野外监测站和系统能效监测站组成,该站野外监测站部分建立了一口地温科学观测孔，孔深100 m，为西南地区首个针对浅层地温能开发利用的地下温度常年观测站。该野外监测站由地温场传感器、数据采集传输仪、供电设备、数据处理模块、传输电缆、防护装置等构件组成。设备安装调试后，能独立、完整运行的野外远程自动监测站具有测试精度高、稳定性好、工作周期长、功耗低、低温适应性强、自动化程度高、数据存储和传输安全可靠等特点，并能够同时测量多路热敏电阻温度传感器的传感信号，定时自动采集和自动上传监测数据。自动采集设备根据设置好的采集频率定时自动采集上传地温数据，每次采集完成后将采集到的地温数据保存到存储器。也可以根据实际需要随时更改采集时间、采集间隔、数据传送频率等参数。

设备运行电源为太阳能发电、蓄电系统，在现场监测仪器中设置了防雷设备(包括仪器保护箱防雷、天线防雷、传感器防雷、串口通讯防雷等)，以保证现场监测设备的有效防雷。

该监测站将地温监测采集技术、监测数据传输与控制技术、太阳能应用、GPRS网络通信等技术用于了浅层地温能开发应用领域，成功解决了高精度测温及供电、GPRS网络通信等关键技术，数据传输采用远程全自动采集，大大减轻了浅层地温能监测人员的劳动强度，节约了监测费用。系统的显著优势包括低功耗(电池采用太阳能电池板供电)、设备全部封装(仅露伪装成标志桩的天线)、适应恶劣环境，非常适宜于野外环境的监测。

重庆市南江地质队集资楼地源热泵系统作为典型的能效监测站，其系统分为地源热泵监测系统和地源热泵控制系统两部分。

地源热泵监测系统包括机房监测系统和地温监测系统。机房监测系统又包括空调系统水温监测、室内外温湿度监测、流量监测、电量监测等子系统。地源热泵监测系统可实现空调机组参量远程实时监测、地温远程实时监测、能效动态分析；并通过数据库记录系统运行参数，可随时调用查看，并对异常情况能够报警。

地源热泵控制系统包括机房控制系统、数据上传系统、调度中心监控系统。机房控制系统是在空调系统运行时根据系统运行参数，调节机组、水泵等相关设备的启停，检测到异常数据时，可以及时报警；在运行模式转换时，控制系统能够在调度中心远程控制相应运行模式下电动蝶阀的开关，实现冬夏季切换。同时检测电动蝶阀的开启状态，如有故障，立即报警。数据上传系统可以把监测的各种数据及处理数据上传到指定的网站或数据库。调度中心监控系统可以全面的观察系统运行的环境、运行参数、节能效果等，并发出相关的指令。

南江集资楼地源热泵系统能效监测站的建设初期，地埋管换热监测系统，监测孔及测温点埋设与换热孔施工同步完成，其测试分布如图1。

图1 地温监测点测试分布Fig. 1 Distribution pattern of ground temperature monitoringpoints

集资楼监测站点共用热敏电阻测温元件62支，监测用钻孔为5个，分别监测原始地温全年变化，常年环境温度变化，埋管换热器运行时地下岩土温度变化和埋管换热器保温30 m后进出口温度的变化。其中测温电阻在原始地温监测孔的布置为地下15 m范围内每米安置一个，这样能够准确得到重庆地区变温带的深度。监测孔布置情况如图2。

图2 监测孔布置情况Fig. 2 Layout of monitoring holes

其中，1#孔为双U管裸孔，使用的传感器号是25-1探头，编号为L1—L25；2#孔为橡塑保温孔，使用的传感器号是4-1探头，编号为b1-1、b1-2、b1-3、bw1；3#孔为橡塑保温孔，使用的传感器号是4-2探头，编号为b2-1、b2-2、b2-3、bw2； 4#孔为双U管，使用的传感器号是14-2探头，编号为S2-1—S2-14； 5#孔为双U管，使用的传感器号是14-1探头，编号为S1-1—S1-14。这5个钻孔的热敏电阻可以监测系统运行时的数据，也可以对运行方式和系统安全经济做进一步的分析。主要进行不同深度地层温度监测、浅层地温能项目应用后地温场变化监测、浅层地温能应用系统运行监测、浅层地温能应用系统节能效果监测等。

本项目的地源热泵监测与控制系统分为机房监测系统、地温监测系统、机房控制系统、数据上传系统和调度中心监控系统4部分，如图3、图4。

图3 地源热泵监测与控制系统网络结构Fig. 3 Network structure of ground source heat pumpmonitoring and control system

图4 能效监测站监测系统主界面Fig. 4 Main interface of monitoring system for energy efficiencymonitoring station

4 结 论

重庆市南江地质队集资楼浅层地温能监测站的建设为重庆市后续开展浅层地温能监测网建设提供了范例，该监测站已进行了近6年的监测，通过对各监测站进行的地温监测，得到以下结论：

1)监测区内(主城区1 681.51 km2)平均原始地温一般在18.5～20.5 ℃，恒温层在14～20.0 m，进入恒温层后大部分区域在60～80 m后平均地温有明显增减，增幅在0.5～2.0 ℃。

2)不同区域恒温层平均地温有所不同，与监测点地形地貌、地下水活动、地层岩性有一定关系。

3)针对浅层地温能应用项目地温环境影响监测的成果可以看出，重庆属于夏热冬冷地区，冬夏两季空调负荷差异较大，极易造成地下热堆积，需要在系统设计时辅以冷却塔、生活热水等措施加以平衡，以避免地下温度数年升高，保证系统长期稳定的运行。

上述监测成果为重庆市浅层地温能合理开发利用提供了基础数据支撑。将加快推动浅层地温能在重庆市的规模化应用。