栖霞市浅层地温能源调查评价和开发利用

辛琪 孙延宗 宋红志

摘 要： 近年来，随着经济的发展，能源形势越发紧张，节能减排越发迫切。作为新型能源之一，浅层低温能源开发利用逐渐成为持续发展的重要方向。基于此，本文就栖霞市浅层地温能源调查评价和开发利用展开研究，首先阐述了浅层地温能，其次对其调查评价进行分析，最后对该能源的开发利用展开研究，以期能够充分开发利用栖霞市浅层地温能，缓解能源紧张问题，实现节能减排目的。

关键词： 浅层地温能源;调查评价;开发利用

【中图分类号】P314     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.29.005

为落实《国家能源局、财政部、国土资源部、住房和城乡建设部关于促进地热能开发利用的指导意见》、《山东省2013-2020年大气污染防治规划》和省政府大气污染防治12条要求精神和有关决策部署，明确山东省浅层地温能分布和存储，评价其资源量和开发利用潜力，并充分开发利用适宜区域，为能源开发利用提供科学依据，山东省开展了浅层地温能调查评价活动，从2015年开始，相继开展了多个地区的浅层地温能调查评价活动。

1 浅层地温能概述

浅层地温能就是在地表200米以下深度范围内地下水、岩石体和地表水中具备开发利用价值，温度低于25℃的热能。该能源和传统地热能在温度、分布和利用上不同[1]。浅层地温能温度要更高，且无法直接应用，需要利用热泵供暖、制冷，传统地热能可以直接应用供热或发电，其只分布在地热田中，浅层地温能的分布范围则比较广。

浅层地温能利用原理就在于冬夏两季恒定温度和外界空气温度之间具有较大反向温差。地源热泵通过地球表面浅层低温能源转换冷热能量，进而为建筑物供暖制冷。热能地泵系统工作原理则是通过水和地温能实现冷热交换，冬季将地温能热量取出，为室内采暖，地温能就是热源，夏季取出室内热量，将其放入到地下水、地表水中，地温能就是冷能[2]。热泵系统根据室外换热方式可以分成三种，分别为地理管地源热泵、地下室地源热泵、地表水地源热泵三个系统。

2 浅层地温能源调查评价

浅层地温能源蕴含在地下岩体、地下水内，受到地质条件和水文条件的限制，能源存储、运输和开发利用受到影响。不同地区浅层地温能源利用方式根据地理条件不同也存在差异。浅层地温能调查评价内容主要包括地质勘察、赋存条件、适宜性分区、资源潜力评价、环境影响评价和监测。

2.1 地质背景与浅层地温能赋存条件：

（1）地形地貌：栖霞市属低山、丘陵地形，可分成4个地貌亚区，分别为切割剥蚀构造低山丘陵亚区、弱切割剥蚀构造丘陵亚区、切割-强剥蚀丘陵亚区、剥蚀堆积山间平原亚区。工作区地形起伏大，东西高、中间低，南高北低，主要为微切割-强剥蚀丘陵和剥蚀平原地貌。

（2）地层构造和岩石：栖霞市地层属于华北地层区，包括新太古界胶东岩群、古元古界荆山群和粉子山群、新元古界蓬莱群、中生界莱阳群、青山群和王氏群、新生界临朐群和第四系。栖霞市位于华北板块，境内构造包括褶皱、韧性剪切、断裂等构造。栖霞市位于环太平洋花岗岩带胶东花岗岩区，岩浆活动强烈，岩浆岩十分发育。

2.2 赋存条件：主要对岩石土体热性特征、地温场等方面进行调查。

热物理参数：通过对本次岩土体热物理参数测试结果的统计，工作区内岩土体比热容为0.752-1.067KJ/kg*k，平均值0.867KJ/kg*k;导热系数为1.241-3.405 W/m℃，平均值2.687 W/m℃;导温系数为0.589-1.640m2/s，平均值1.203m2/s;容积比热容为1.794-2.699×103kJ/m3℃，平均值2.251×103kJ/m3℃。

地温场分布：平面上地温的高低主要与地层岩性、地下水径流条件、裂隙发育程度等因素密切相关，根据调查，80m深度实测地温最高处位于庄园街道谢家沟村地质孔，监测最高温度16.48℃，其次为松山街道虎龙口村地质孔，監测温度16.15℃，地温最低处位于工作区东南的城东沟村，最低温度15.10℃。垂向地温特征一般与地层岩性、岩溶发育程度、裂隙发育程度、含水层富水性、第四系厚度等因素有关，根据调查，工作区恒温带上限埋深约14-20m，恒温带下限埋深约60-65m，以下便是增温带。

2.3 适宜性分区：基于地质背景及浅层地温能赋存条件，采用多种分析法进行适宜性分区，根据利用方式不同可以划分成适宜区、适宜性中等区和适宜性差区[4]。适宜区分区考虑的是地温、单位涌水量、松散层厚度、含水量累计厚度、岩石导热性、地下水水质等等因素。

根据遵循地下水和地埋管换热方式适宜性优先原则得到，栖霞市城市规划区浅层地温能开发利用适宜性好区面积38.15km2，为地埋管换热方式适宜性好的区域;适宜性中等区面积2.74km2，为地埋管换热方式适宜性中等区，分布在城区白洋河以东-霞光路以西的区域;适宜性差区面积2.11 km2，为地埋管和地下水适宜性均差区。

2.4 资源潜力评价：资源潜力评价主要是为了评估一个地区单位面积内资源量。区域浅层地温能调查需计算评价浅层地温能可开采量与地温能存储量。

经计算，栖霞市城市规划区内包气带浅层地温能热容量为0.26×1012kJ/℃。城市规划区内120m深度饱水带内浅层地温能热容量11.27×1012kJ/℃，120m深度内浅层地温能热容量11.53×1012kJ/℃。城市规划区内200m深度内饱水带浅层地温能热容量19.18×1012kJ/℃，200m深度内浅层地温能热容量19.44×1012kJ/℃。

对栖霞市城市规划浅层地温能源潜力评价，考虑土地利用系数，120m深度以浅和200m深度以浅，栖霞城市规划区内，地埋管地源热泵供暖和制冷潜力评价均为中等;不考虑土地利用系数，120m深度和200m深度地埋管热泵系统供暖和制冷的潜力评价为高。

2.5 环境影响评价和监测：浅层地温能源开发利用对周边环境影响关系着和浅层地温能有能否能够持续发展的关键，栖霞市浅层地温能开发利用采用动态监测网，构建“控制中心-地方监测站”，主要对埋管区及外围的岩土体温度、地下水水质、管路循环水的压力、流量等进行监测，重点对埋管区岩土体的温度变化情况进行监测，了解地下水地源热泵开发利用对地下水、水质、温度场、土壤温度的影响，以及防冻液对环境的影响等，并提出了一些防治方案，例如施工前进行地质勘察、减少地下水和空气接触、对器材做好防腐处理、根据设计井间距施工、选择好换热器管材等等

3 浅层地温能源开发利用

以浅层地温能开发利用适宜性分区为基础，结合城市规划提出了栖霞市浅层地温能开发利用初步方案。

栖霞市北部新建的市级行政办公区、老城区以南的待开发区域和松山街道，处于大规模城镇化建设阶段，对浅层地温能的需求较高，应大力推广地埋管地源热泵技术。该市浅层地温能开发利用工程为栖霞市财政局湖水源热泵工程，水源取自庵里水库。距庵里水库130余米，适合于建造湖水源热泵系统，该水源热泵系统采用的是开放式，热泵机房位于地下室，室内采用风机盘管散热方式，热泵功能为制冷、采暖，供热期为120天/年，制冷期为90天/年，间歇运行，夏季制冷效果室内温度22～26℃，冬季供暖室内温度18～22℃，已替代传统能源的供暖和制冷方式，低于传统供暖和制冷成本，经济效益和节能效果显著。

3.1 开展区域调查评价和规划开发工作

開展栖霞市浅层地温能区域性调查评价、规划开发工作目的和任务就在于，通过综合调查方法开展浅层地温能调查评价工作，明确地质和地热特征，论证能源开发和利用前景，并做好适宜区规划，为整个城市的浅层地温能开发利用奠定基础。同时，选择好典型区域，建立示范工程，为该项技术推广应用提供借鉴，为其他城市的浅层地温能开发利用起到带动作用。

3.2 工作建议

（1）浅层地温能资源有明显的节能减排优势，但开发利用对地质、生态环境会有一定的影响。因此，地源热泵系统建设阶段配套建设监测系统，在运行期间要对热泵系统、末端系统进行监测，评价开发利用浅层地温能资源对地质环境影响。

（2）目前地源热泵系统在开发利用中存在着一些亟待解决共性问题。在充分利用本地区调查成果基础上，尽快建立适宜胶东低山丘陵地区的浅层地温能开发利用场地勘察、施工方面的技术规程。

（3）在工程的立项、建设和后期管理等环节中，应进一步健全管理体制，明确管理主体，制定规章制度，依法实施监管。

（4）加大浅层地温能宣传力度和示范工程引导

选取典型建筑物建设地源热泵示范工程，探索适合当地的开发利用的最优模式，引导、促进浅层地温能的开发利用。

（5）加大政策扶持力度

为实现政府节能减排目标，推进浅层地温能地源热泵系统的应用，政府应出台符合当地实际的地方性补贴政策，适度补贴地源热泵工程建设单位，或在一定程度上减免城市配套费等，对产业加以积极引导和大力扶持[3]。

结束语：综上所述，在栖霞市地质资料收集整理基础上开展浅层地温能评价调查工作，并根据城市总规划进行调查、试验、研究等活动，了解栖霞市的浅层地温能资源赋存情况，划分浅层地温能适宜性区域、热容量和地埋管换热功率、能源开发利用潜力等等，为浅层地温能资源开发利用奠定坚实的基础，提供科学的参考。

参考文献

[1] 徐宇峰.江苏省浅层地温能资源调查评价研究[D].

[2] 邓高.浅层地温能资源的调查评价与开发利用[C]//中国科协年会——地热能开发利用与低碳经济研讨会.2011.

[3] 范洪昌.吉林省浅层地温能开发利用现状及存在问题与对策[J].工程技术（全文版）：00196-00196.