兖州区浅层地温能开发利用现状及效益分析

杨传伟，仝 路

（山东省鲁南地质工程勘察院（山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队），山东 济宁 272100）

浅层地温能作为一种可再生新型环保能源，随着经济社会的发展，其开发利用前景越来越广阔，不仅可以应对日益增长的建筑供暖（制冷）需求，还可以有效缓解化石燃料紧张局面和环境的巨大压力。济宁市兖州区浅层地温能资源丰富，应充分发挥其地处平原、地下水资源丰富、水资源开发利用程度较高的优势，加大勘查投资力度，在城区及各主要乡镇公共建筑、主要工业企业和新型社区建设浅层地热交换装置，大力发展地源热泵、浅层地热空调，积极推进浅层地温能开发利用，这对碳达峰碳中和目标的实现具有重要意义。

1 浅层地温能开发利用条件

1.1 自然地理与社会经济情况

兖州是古九州之一，历史文化悠久，地处山东省西南部，交通区位优越，常住人口为54.07 万人，辖6 镇4 个街道办事处，总面积为535 km，如图1所示。2021年全区生产总值为587.74 亿元，全体居民人均可支配收入为39 183 元，综合实力跃居全国百强区第67 位。

图1 兖州区交通位置

1.2 气象与水文

兖州区属温带季风气候，根据济宁市兖州区气象局资料，多年平均降水量为670 mm，平均蒸发量约为1 831.4 mm，全年平均气温约为13.5 ℃；年平均相对湿度为65%，最大冻土深度为50 cm；年平均风速为3.1 m/s。兖州区供暖期一般为每年11月15日至次年3月15日（4 个月），制冷期为每年7—9月（3 个月）。

区内地表水体属于淮河流域南四湖水系，河流走向受地形制约，向南四湖一带汇集，自东向西主要发育有泗河、廖沟河、杨家河和洸府河等，如图1所示。

1.3 地形地貌

兖州区位于泗河冲洪积平原的中上部，地势由东北向西南微倾斜，地面标高介于38～60 m，平均为49 m，平均地面坡降为0.67‰。受汶河、泗河多次泛滥、改道影响，兖州区形成了平原、平原洼地、河流洼地等微地貌形态。

1.4 地质条件

兖州区地层由老至新，依次发育古生代奥陶系马家沟群、石炭-二叠系月门沟群、二叠系石盒子群、中生代侏罗系淄博群、古近系官庄群以及第四系。区内断裂较为发育，近南北方向主要有滋阳断裂、铺子断裂和牛王断裂，近东西方向主要有长沟断裂和郓城断裂。

1.5 环境地质条件

兖州区大部分区域地质环境较好，仅在南部新兖镇牛家楼-段家村一带和东南部兴隆庄街道后李家村附近发现有小面积采煤塌陷区，塌陷区内分布连片积水区，采空塌陷面积约为3.63 km，塌陷积水区合计面积约为0.23 km，最大积水深度约为7.6 m，这是区内影响浅层地温能开发利用的主要地质环境问题。

1.6 浅层地温能赋存条件

兖州区广泛分布第四系地层，基岩顶板埋深一般大于120 m，第四系下伏新近纪、古近纪、石炭-二叠纪和奥陶纪地层。恒温带顶板埋深为25 m 左右，温度为15～17 ℃。区内平均地温梯度为2 ℃/100 m，埋深100 m 处平均地温为17.18～17.91 ℃。第四系含水层平均厚度大于20 m，岩性为细砂、中砂和粗砂，井孔单位涌水量一般大于400 m/（d·m），地下水资源比较丰富。120 m 以浅的岩土体平均温度一般为16～18 ℃，与冬夏两季的气温相差较大，应用浅层地温能供暖（制冷）的自然条件和地质条件十分适宜。0～120 m 深度内的浅层地热容量为1.96×10kJ/℃，0～200 m 深度内的浅层地热容量为2.96×10kJ/℃，兖州区具备开发浅层地温能的巨大优势。

2 浅层地温能开发利用现状

2.1 开发利用情况

兖州区于2010年开始陆续应用地源热泵技术开发利用浅层地温能，目前，兖州区浅层地温能开发利用工程共有6 处，服务面积为550 837 m。其中，地埋管地源热泵工程有5 处，服务面积为548 837 m，占99.64%；地下水源热泵工程有1 处，服务面积为200 m，占0.36%。浅层地温能开发利用工程适用范围较广，涉及住宅、学校、医院和生产车间等，如表1所示。

表1 兖州区浅层地温能资源开发利用工程基本情况

5 个地埋管地源热泵开发利用工程的换热孔深度均为100 m 左右，埋管间距为2～5 m；1 个地下水源热泵开发利用工程利用第四系孔隙水，循环水量为2 000 m/d，采用“一抽多灌”的开采方式，能够实现完全回灌。山东科大鼎新电子科技有限公司和山东永华机械有限公司的恒温车间因生产需要，系统保持常年运行；其他开发利用工程仅在每年的供暖季和制冷季开启运行，其余时间用于地温场恢复。目前，各类开发利用工程总体运转情况良好。

2.2 开发利用存在的问题

兖州区地埋管地源热泵系统项目相对较多且分布分散，而受到地方法规政策、水文地质条件、工程场地条件、地下水水量和水质等诸多因素制约，兖州区地下水源热泵浅层地温能开发利用案例较少。开发利用工程项目多为办公建筑、公共建筑和生产车间等，仅1 处为住宅社区。因其初投资较高，一般使用主体多为企事业单位。对民用建筑而言，较高的初投资成本和对该项技术缺乏了解和认同使得开发商及居民难以接受。

兖州区现没有完善的浅层地温能开发利用监测系统，除相关地勘单位外，开发利用单位对已有工程的监测工作也不够重视。已有地下水源热泵系统工程没有安置相应的监测系统，对水质、水温、水位等动态变化没有完全监测。正在运行的地埋管地源热泵系统工程也没有布设监测系统，无法对浅层地温能开发利用的地质环境影响进行准确评价。

3 浅层地温能开发利用前景分析

3.1 经济社会效益分析

总换热功率不是地下水及地埋管的简单相加，而是按照一定比例计算。考虑土地利用系数时，兖州区按照地埋管2/3、地下水1/3 的比例计算，可获取的总换热功率为4.91×10kW（夏季）或4.15×10kW（冬季）。原煤与标煤的折算系数取0.714 3，燃煤锅炉热效率转换系数取0.6，浅层地温能开发利用效率按35%计，兖州区夏季制冷季时长按100 d 计算，冬季供暖季时长按120 d 计算，按每天利用12 h，换热量可达4.16×10GJ/a，年可节约标煤量为236.74 万t，热源价值折合4.14 亿元，减排二氧化硫1.41 万t，减排氮氧化物0.50 万t，减排二氧化碳197.70 万t，减排悬浮质粉尘0.66 万t，减排灰渣量8.29 万t，节约环境治理费2.37 亿元。可见，兖州区浅层地温能开发利用的经济环境效益显著，其具有良好的应用前景。

3.2 开发利用方案

为推进兖州区清洁能源供暖（制冷）工作，促进区域生态环境建设，以浅层地温能开发利用适宜性分区为基础，集合相关政策和规划部署，提出兖州区浅层地温能开发利用方案。

兖州区大部分地区都属于地埋管和地下水源热泵适宜区和适宜性中等区。此类地区优先选择地埋管地源热泵，地埋管埋深不大于120 m，地埋管类型首选双U 形聚乙烯（PE）管，孔间距不小于5 m。由于地埋管地源热泵的初期投资成本较高，经济条件相对欠缺的地区可以选择地下水禁止开采区之外、饮用水水源地及其保护区之外、采空塌陷区之外的区域，经过环境影响评价论证，自然资源部门和水行政主管部门审批，取得相关许可证明后采用地下水源热泵进行浅层地温能开发利用。建议开采层位为第四系中深层孔隙含水岩组，采用一抽多灌的方式，确保地下水完全回灌。回灌井一般布设在开采井下游，间距不小于150 m。

4 结论

兖州区浅层地温能开发利用条件优越，资源丰富，社会经济效益显著，应充分开发利用浅层地温能资源，这样不仅可以大大提高人民生活质量，改善人民生活环境，而且对推进新能源开发利用进程，实现节能减排目标具有积极意义。