台州滨海工业区浅层地温能资源评价与应用建议

周丽玲，张达政，朱正勇，黎 伟

(1.浙江省地质环境监测院，浙江 杭州 310007；2.浙江地球物理地球化学勘查院，浙江 杭州 310005)

浅层地温能是储存在地表以下一定深度范围内的岩土体、地下水中可开发利用的热能，是一种分布广泛、储量巨大、清洁环保、可以再生的新型资源[1-3]。浅层地温能的可持续利用，不仅可作为化石原料的替代资源，节能减排，而且运行成本低，不消耗地下水，应用前景广阔。随着地源热泵技术的日益成熟，浅层地温能资源已逐渐成为城市地区地热能利用的新途径[4]。据不完全统计，截至2010年底，已有43个国家开发利用浅层地温能，而我国浅层地温能服务面积已经超过2×108m2[5]。目前，台州地区浅层地温能开发利用也在逐步发展，典型案例有台州黄岩御景华庭别墅、台州椒江云顶佳苑别墅、台州开元云顶、台州临湖公馆、台州临湖国际、台州三门中国海啊集团办公楼、台州三门中国海啊集团游泳池、台州温岭九龙大酒店别墅等[6]。

台州市滨海工业区是台州湾循环经济产业集聚区的核心区域，资源集约利用和节能减排是集聚区建设的核心内容之一。对滨海工业区浅层地温能资源进行勘查评价研究，能够有力促进台州湾循环经济产业集聚区节能减排的示范作用，对构筑资源节约型、环境友好型的生态和谐城市具有重要的现实意义。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

台州滨海工业区位于台州市主城区东部滨海地带，是台州市区工业发展的重要平台，范围东至十一塘、三山北涂和三山涂围垦区的防洪堤和自然山体，南与温岭市接壤，西至台东大道，北到椒北快速路。东部十塘以东作为首批启动区，目前处于大规模建设阶段，是滨海工业区的核心区域，面积约81.7 km2。台州滨海工业区地理位置及浅层地温能孔分布情况见图1。

图1 台州滨海工业区地理位置及浅层地温能勘查孔分布图Fig.1 Geographical location of Taizhou coast industrial area and the distribution of shallow geothermal nergy exploration holes

1.2 第四纪地质结构

滨海工业区第四纪地层厚度较大，一般超过150 m。其中，50 m以浅为黏性土为主的单层结构，60～80 m以浅含砂砾层，厚度10～20 m，80～150 m内含有2个砂、砂砾层，厚度10～20 m。0～150 m深度内第四纪地层总体结构较为单一，黏性土厚度占70%～80%。

1.3 水文地质条件

根据赋存形式及含水介质，滨海工业区地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水，包括孔隙潜水和孔隙承压水。孔隙潜水分布于平原表部，地下水埋深较浅，水量贫乏，水质以微咸水为主，含水层岩性主要为淤泥质亚黏土夹粉细砂，透水性差。松散岩类孔隙承压水在区内广泛分布，分为第Ⅰ孔隙承压含水层(组)和第Ⅱ孔隙承压含水层(组)，含水层分布稳定，水量大，富水性较好。

2 浅层地温能赋存特征

2.1 浅层地温场特征

在地层岩性、地质构造、气候、地下水活动等多因素的影响下，浅层地温场在垂向上自上而下依次可划分为变温带、恒温带和增温带[7]。浅层地温场综合反映了埋深0～100 m松散层的地温变化，主要用深度范围内混合水的温度来表征[8]。

采用TH-212温度传感器现场测量原始地温，测量时将温度传感器放入PE管内，20 m以内测点间距为2.0 m/点，20 m以下测点间距为10 m/点，测温精度为±0.1 ℃。通过CS01和CS02两个浅层地温能钻孔的连续观测，CS01孔所在地段恒温层埋深约10 m，厚度约8 m，恒温层温度约18.9 ℃，地温梯度约2.6 ℃/100 m，CS01所在的北部地段平均地温为20.6 ℃。CS02孔所在地段恒温层埋深约9 m，厚度约7 m，恒温层温度约18.8 ℃，地温梯度约2.9 ℃/100 m，CS02所在南部地段平均地温为20.7 ℃。

2.2 岩土体热物性特征

2.2.1 室内热物性测试

热物性特征反映了岩土体的蓄热和导热能力，是浅层地温能资源赋存的重要影响因素，其中的导热系数、比热容是浅层地温能开发利用适宜性评价及潜力资源评价的重要参数。对56件样品进行热物性参数测试，结果见表1。

结果显示，含水量较高的淤泥质土导热系数基本为1.10～1.30 W/(m·K)，导热系数较小，导热性能不是很好，粉质黏土导热系数一般为1.40～1.50 W/(m·K)，导热性能一般；而整个调查区土体容积比热容偏大，一般为3～4 kJ/(m3·K)，蓄热能力较好。

2.2.2 原位热响应试验

热响应试验是获取地下岩土热物性的有效技术措施[9]，本次热响应试验埋管类型分别为双U和单U，管材直径为DN25，孔深150 m，共完成岩土热响应试验3次。热响应测试孔循环介质流速大于0.2 m/s，保证循环介质处于紊流状态，以达到充分换热；测试时间为50 h，确保换热已经稳定，使出口温度在12 h内波动小于1 ℃，同时进出口温度温差相对比较稳定。岩土体综合热物性参数结果见表2。

表1 浅层地温能钻孔岩土体热物性参数测试统计表Table 1 A statistical table for measuring the thermal physical parameters of rock and soil with shallow geothermal energy drilling

表2 浅层地温能钻孔测试成果一览表Table 2 List of test results of test holes with shallow geothermal energy drilling

3 浅层地温能开发利用适宜性评价

3.1 评价指标选取

本次评价主要考虑地质条件，结合调查区自然地理、区域地质条件，选择地质及水文地质条件、地层热物性、土地利用及钻进条件3个评价指标进行地埋管地源热泵系统适宜性评价。

3.1.1 地质、水文地质条件

地层岩性、地层厚度、含水层等参数决定地埋管的适宜性和换热效果，根据规范要求结合地区实际，本次分析评价选用第四系厚度、砾石层总厚度、含水层厚度三个重要指标。

3.1.2 地层热物性

地层的热物性参数(综合热导率、地温恢复能力、平均地温)对埋管系统的换热性能有着重要影响，决定单孔的换热量，影响开发利用换热孔深、施工综合设计等。

3.1.3 土地利用及钻进条件

浅层地温能开发利用必须依托于土地利用状况，钻进条件是热泵系统的初期投资及运行成本等经济合理性的重要因素。根据地区实际选择土地利用现状、场地土类型和岩土层结构作为评价因子。

3.2 评价体系建立

3.2.1 评价模型

评价体系从顶层至底层分别由系统目标层(O，object)、属性层(A，attribute)和要素指标层(F，factor)3级层次结构组成。O层是系统的总目标，即浅层地源热泵适宜区划分。A是属性指标层，由地质，水文地质条件(X1)、地层热物性(X2)、土地利用及钻进条件(X3)三个指标构成。F要素指标层，选择第四系厚度、砾石层总厚度、含水层厚度、综合热导率、平均地温、地温恢复、土地利用现状、岩土层结构、场地土类型等9个指标作为要素指标层，分别建立层次结构模型，进行综合评价指标计算，在此基础上进行地埋管地源热泵适宜性评价。

3.2.2 因子赋值与权重确定

地埋管地源热泵适宜性分区因子赋值采用网格化赋值，针对每个网格按照9项指标进行赋值，赋值以是否适宜建设地源热泵系统为比较标准，对各个要素的范围值在1～9打分，越有利于地源热泵系统应用则所获分值越高。

权重是根据重要性程度得出各要素因子层目标层中所占的比重，结合浙江省主要城市浅层地温能权重，赋值及权重表见表3。

3.3 评价结果

根据表4中地埋管地源热泵系统适宜性评价分区指标，滨海工业区地埋管系统开发适宜性评价均为6～7分，为较适宜区。

表3 各要素赋值及权重表Table 3 Assignment and weight of each element

表4 地埋管地源热泵系统适宜性评价分区指标Table 4 The suitability evaluation of ground source heat pump system

4 浅层地温能资源评价

4.1 浅层地温能热容量

4.1.1 计算公式

浅层地温能容量通常按式(1)计算。岩土体骨架的热容量按式(2)计算。岩土体所含水中的热容量按式(3)计算。

QR=QS+QW

(1)

式中：QR为浅层地温能容量，kJ/℃；QS为岩土体骨架的热容量，kJ/℃；QW为岩土体所含水中的热容量，kJ/℃。

QS=ρSCS(1-φ)Mdi

(2)

式中：ρS为岩土体密度，kg/m3；CS为岩土体骨架的比热容，kJ/(kg·℃)；φ为岩土体的孔隙率；M为计算面积，m2；di为计算厚度，m。

QW=ρWCWφMd

(3)

式中：ρW为水密度，kg/m3；CW为水比热容，kJ/(kg·℃)。

滨海工业区浅层地下水埋深浅，富水性差，浅层水热容量可以忽略不计，主要计算承压含水层热容量，d为承压含水层厚度。

4.1.2 计算取值

1) 计算厚度。根据浅层地温能开发利用现状，结合滨海工业区实际地质条件，仅计算100 m以浅热容量值，其中CS01钻孔所在北部地区岩土体计算厚度di为78 m，d厚度为22 m；CS02钻孔所在南部地区100 m以浅岩土体计算厚度di为86 m，d厚度为14 m。

2) 热物理参数。调查区岩土体密度、岩土体比热容和岩土体孔隙度主要依据本次岩土体取样分析成果，垂向上按照岩土体的岩性、物理性质，利用数理统计方法进行全孔段的加权平均计算，而区域上根据各钻孔全孔段加权平均计算后利用内插法确定。水的密度、水的比热容取经验值，水的密度为1 000 kg/m3，水比热容为4.18 kJ/(kg·℃)。开发利用温差为1 ℃。

4.1.3 计算结果

计算以调查孔所在地段1 km2范围为计算单位，计算深度100 m，利用温差 1 ℃，结果见表5。

本次调查区较适宜区面积为80 km2，假定两个调查孔所代表的地层各占一半比例，滨海工业区较适宜区总的浅层地热容量为2.99×1013kJ/℃，折合标准煤为1.02×109kg。

4.2 可利用资源量

4.2.1 单孔换热功率

根据《浅层地热能勘查评价规范》，稳定传热条件下U形管的单孔换热功率计算公式见式(4)。

(4)

式中：D为单孔换热功率，W；λ1为地埋管材料的热导率，W/(m·℃)；λ2为换热孔回填料热导率，W/(m·℃)；λ3为换热孔周围岩土热导率，W/(m·℃)；L为地埋管换热器长度，m；r1为地埋管束等效半径，m；r2为地埋管束等效外径，m；r3为换热孔半径，m；r4为换热影响半径，m；t1为地埋管内流体的平均温度，℃；t4为温度影响半径之外岩土体的温度，℃。

单孔换热功率计算结果见表6，取平均值后制冷工况为4.2 kW/孔，供暖工况为4.7 kW/孔。

表5 浅层地温能钻孔容量计算结果Table 5 The calculation results of the shallow layer geothermal capacity

表6 浅层地温能钻孔换热功率计算一览表Table 6 List of heat transfer power calculation for test holes

4.2.2 可利用地温能资源计算

可利用地温能资源量计算采用热导率法，计算公式见式(5)。

Qh=D×n×10-3

(5)

式中：Qh为浅层地温能可利用资源量，kW；D为单孔换热功率，W；n为区域内可钻孔数。

根据滨海工业区土地利用规划实际，可利用地温能资源仅考虑商业及居住区，面积约10 km2，同时由于以上土地面积受道路、桥梁、已有建筑物、建筑布局、开发程度等影响，结合以往经验，需乘以折减系数25%，可利用地温能资源按照2.5 km2计算。

换热时考虑网格状布置，孔间距5 m，较适宜埋设地埋管的面积按照总面积10 km2的25%计算。可钻孔数量约为100 000孔，估算夏季可开采资源量为4.2×105kW，冬季可开采资源量为4.7×105kW。当取使用系数为0.6，一个制冷季(120天)可以向岩土中排放的热量为2.61×1012kJ，折合标准煤为3.02×108kg；一个供暖季(80天)可以向岩土中提取的热量为0.66×1013kJ，折合标准煤为2.24×108kg。

4.3 资源潜力评价

根据浙江省地区经验，按建筑面积浙江省公建建筑冬季供暖负荷约为80 W/m2，夏季制冷负荷约为110 W/m2；民建建筑冬季供暖负荷约为60 W/m2，夏季制冷负荷约为90 W/m2。本次资源评价按公建60%，民建40%的比例计算负荷，即冬季供暖负荷取70 W/m2，夏季制冷负荷取100 W/m2。

由此，在台州市滨海工业区适宜区范围进行地埋管系统浅层地温能开发总潜力为夏季可供制冷面积为4.2×106m2，冬季可供取暖面积为6.7×106m2。

5 结论及应用建议

5.1 结论

1) 台州市滨海工业区恒温层平均埋深约9.5 m，平均厚度约7.5 m，恒温层平均温度约18.85 ℃；原位热响应试验测试岩土体导热系数为1.62～1.85 W/(m·K)，容积比热容3 020～3 240 kJ/(m3·K)。

2) 由地质及水文地质条件、地层热物性、土地利用及钻进条件3个评价指标对台州市滨海工业区进行地埋管地源热泵系统适宜性评价，结果均为较适宜区。

3) 对滨海工业区浅层地温能进行资源评价，总的浅层地热容量为2.99×1013kJ/℃，折合标准煤为1.02×109kg，可利用浅层地温能资源为9.21×1012kJ，折合标准煤5.26×108kg；滨海工业区进行地埋管系统浅层地温能开发总潜力为夏季可供制冷面积为4.2×106m2，冬季可供取暖面积为6.7×106m2。

5.2 应用建议

台州市正以“国家级的循环经济示范区”为发展目标，全力打造“发展模式循环性、产业导向高新型、空间环境生态型”的沿海循环经济产业集聚区。滨海工业区属于集聚区的台州市区东部组团(核心组团)，结合该组团“四片四带、一主三副、二特四居、一轴三廊”的总体发展规划，建议将城市远景副中心和片区主中心、科技创新副中心、生产性服务业副中心、居住片区服务中心确定为浅层地温能开发利用的重点区域。在重点区域内部署重点项目，一是优先鼓励大型公共建筑和办公建筑项目开发利用浅层地温能，例如集聚区配套的物流、商贸、信息、金融、交通、医疗、教育等服务业建筑区块；二是积极引导和发展高档民用住宅小区建筑项目开发利用浅层地温能，如腾云、三甲、蓬街、金清等居住建筑区块。