成都市浅层地热能开发利用现状及发展制约因素分析

随着我国经济不断发展,城镇不断扩张,能源需求量也逐年增大。经济发展必然导致未来能源消耗量增加,中国于2020年提出了“双碳”目标,在保证社会经济发展的同时实现节能减排任务是今后很长时间段内我国政府工作的重点。在碳捕获技术尚未大规模应用的前提下,节能力度亟需加强,推进能源结构转型成为必然趋势,而采用绿色可再生清洁能源取代化石燃料等传统能源被广泛认为是一种有效手段。浅层地热能作为蕴藏在地球内部的天然热能,是一种可再生的新型环保能源,有着清洁、稳定、高效、安全等优势,节能减排效果显著,在未来能源结构调整中潜力巨大,适合在各种建筑工业中推广使用。

成都市作为城镇化率达56.87%、常住人口达 2 093.78万人的超级城市,地表资源已无法满足人口密集区的能源需求,节能减排和能源结构调整压力巨大, 向地下要空间、要资源是城市发展的必由之路。成都市蕴含丰富的浅层地热能资源,但针对成都市的浅层地热能资源勘察评价及其经济效益和环境监测的分析研究较少,成果尚不多见,有必要进一步开展总结研究工作。 大力开发利用浅层地热能等绿色能源,有助于成都市发展绿色、低碳和循环经济,对优化成都市现有能源结构、保障能源安全、促进节能减排战略目标实现具有非常重要的现实意义。本文总结前人研究成果,论述成都市浅层地热能资源禀赋、开发利用现状,分析发展制约因素并提出建议。

1  研究区自然条件概况

成都市地处四川盆地西部、成都平原腹地,部分属青藏高原东缘与四川盆地的过渡带(图1)。地势西北高、东南低,高差悬殊;西部以深丘和山地为主,海拔高程1 000~3 000 m;东部低山丘陵区海拔小于1 000 m。 成都市辖20个县级行政区划单位,包括12个区、5个县级市、3个县。

成都市属亚热带湿润季风气候,热量充足,雨量丰富,四季分明,雨热同期。年平均气温16.1℃,极端最高气温43.4℃;全市最冷月为1月,月平均气温5.7℃; 最热月为7月,月平均气温为25.5℃。成都市降水量充沛,多年平均降雨量1 010 mm;全年降雨量分布不均匀, 降雨量随季节变化较为明显,雨季多集中于6—9月, 雨季降雨量占比超过全年降雨总量的60%。

2  成都市浅层地热能资源禀赋情况

成都市全域面积14 335 km2。其中:成都市重点区面积约5 800 km2,是建设用地规模较大区域,包括市区及主要卫星城区;成都市核心区面积约2 446 km2, 包含“中优”地区、天府新区核心区、成都国际生物城、天府空港新城、简州新城、淮州新城等重要经济发展区和人口密集区。

2.1  资源总量估算

成都市核心区浅表层(20 m以内)水温比较稳定, 一般为16~20℃。恒温层顶板主要分布在23~30 m, 底板埋深为23~30 m;恒温层厚度一般为23~35 m, 恒温层温度一般在18.1~18.8℃。按照体积法计算浅层地热能热容量,该深度范围内成都浅层地热能总热容量为13.08×101 4 kJ·℃ -1。

成都市核心区200 m以浅平均地层地温为18.59~ 19.76℃;李强等(2023)根据地形地貌、地层岩性特点及地热响应实验结果数据对核心区热物性参数进行了分区, 其中中部平原区平均热导率为1.89~2.95 W·m- 1·℃ -1,龙泉山西部前缘台地区平均热导率为2.04~3.06 W·m- 1·℃ -1,龙泉山东部红层丘陵区平均热导率为 1.3~3.35 W·m- 1·℃ -1(图2)。地下水地源热泵系统换热功率计算采用水量折算法,地埋管地源热泵系统换热功率计算采用热传导法,在考虑土地利用系数的情况下,成都浅层地热能夏季制冷换热功率总量1.19×107 kW,冬季供暖换热功率总量1.48×10 7 kW(宋小庆,2018)。

2.2  资源潜力评价

地下水地源热泵和地埋管地源热泵适宜性分区需根据DZ/T 0225—2009《浅层地热能勘察评价规范》的要求,结合研究区地质条件、水文地质条件、水化学和水动力条件以及地质环境条件分层次、多指标建立评价体系。经分析:成都市重点区适宜地下水地源热泵范围主要包括中心城区的西北部平原区和平原冲积扇前部区,面积约1 227.21 km2;适宜地埋管地源热泵范围主要包括东部及南部第四系厚度较薄区域,面积约 2 562.15 km2(图3)。

采用单位面积可供暖面积或制冷面积对浅层地热能开发利用潜力进行评价,成都市核心区在考虑土地利用系数的情况下,夏季可制冷面积1.98×108 m 2,冬季可供暖面积1.57×108 m 2。类比常规化石能源进行估算,成都市使用浅层地热能每年经济价值约为60 794.03万元,节煤量169万t,CO2、SO 2、NOx、粉尘及灰渣等各类废弃污染物减排425万t,节能减排效益十分可观。

3  成都市浅层地热能利用现状

根据区域地质条件,浅层地热能主要存在地下水换热系统、地埋管换热系统两种换热方式,浅层地热能开发利用主要受控于恒温层分布及地层热响应特征。成都地区夏热冬冷,浅层地热能开发利用既要考虑冬季供暖,也要考虑夏季制冷,供暖末端多为风机盘管换热结构,也有少部分采用地板采暖。浅层地热能的开发利用已广泛应用于各类建筑,包括公共建筑(办公楼、学校、医院)、商业设施(商场、酒店)、居住建筑（别墅、住宅小区)以及文化场馆(展览馆)等。

成都市浅层地热能开发利用以地下水地源热泵为主,地埋管地源热泵为辅。据不完全统计,成都市全域已建地源热泵项目共3 1处,应用面积总计270.48万m2。其中:医院、办公楼、酒店等市政设施和公用建筑应用面积239.78万m2,占比88.65%; 民用建筑住宅小区应用面积30.7万m2,占比1 1.35%。 目前成都市浅层地热能已开发利用面积不到可利用总面积的1%。同为长江沿岸城市,重庆市2015年浅层地热能应用面积已达到700万m2,武汉市2015年浅层地热能应用面积为523万m2,上海市2020年浅层地热能应用面积为1 750 m2,可见成都市浅层地热能开发利用起步晚,规模小,浅层地热能开发相对滞后。

4  成都市浅层地热能发展的制约因素

进入21世纪后,清洁能源使用得到广泛重视,浅层地热能开发利用发展迅速,全国地源热泵市场规模已跃居世界前列。成都市浅层地热能资源量丰富,但开发利用程度较低。目前全市浅层地热能开发利用面积约270万m2,仅占可开发利用总面积的 1%左右,且主要应用于单体建筑项目,尚未达到规模化、系统化、规范化的发展格局。成都市浅层地热能全面推广应用主要受以下几方面因素制约。

4.1  地质及气候因素

1)成都市地质背景复杂。松散富水砂砾卵石层、 钙芒硝地层、含咸水咸卤水地层以及活动断裂等约束性地质条件呈片块状、条带状广泛分布于成都市城镇建设开发区内,增加了浅层地热能资源开发利用难度。例如:a.成都第四系松散堆积砂砾卵石层孔隙潜水含水层区域单井涌水量可达1 000~2 000 m3·d -1,是发展地下水地源热泵工程的优质含水层;但在富水卵砾石区施工可能引起地质结构失稳破坏、地下水降排水困难、盾构施工掘进难度大等工程地质问题;b.在地埋管地源热泵工程施工过程中,若施工不当导致含水层与钙芒硝地层连通,钙芒硝遇水溶解形成的硫酸盐溶液会对地下构筑物产生化学腐蚀,同时钙芒硝地层本身会因溶解作用发生物理溶蚀,持续的溶蚀过程导致岩层孔隙扩大,形成空腔区,大面积空腔区会引发地面沉降或地面塌陷等灾害。

2) 成都市浅层地热能资源调查工作基本以普查为主,尚未达到精细化开发利用程度,且有关数据多属于独立项目资料,成果资料共享难度大。成都市浅层地热能资源勘察主要集中在重点区和核心区,对于成都市全域的资源量调查和勘察不足。资源勘查评价与开发利用工作的脱节,可能导致个别工程存在一定的盲目性,出现开发利用方案制定缺乏科学依据,方式与规模和当地资源条件不匹配等问题。

3) 气象学上,平均气温连续5 d高于22℃则为夏季,平均温度连续5 d低于10℃为冬季。成都市区近10 a 夏季天数平均1 12.5 d,冬季天数平均91 d。但成都夏季温度高于30℃的天数约 60~80 d,冬季温度低于10℃的天数仅20~30 d,制冷需求明显大于供热需求。长期取冷与取热资源量不平衡会对地下温度、地下水温、地下微生物造成影响。成都市已建成运行的项目中,对上述这些可能对环境造成影响的因素和环节,普遍缺乏科学监测和评估,无法及时准确评定环境影响程度和科学评估其节能效率,不利于浅层地热能合理、可持续开发。

4.2  技术及社会因素

1)浅层地热能开发利用涉及土壤学、传热传质学、 建筑材料学、钻井技术、热泵技术等多个学科和技术环节,其开发利用方式、系统设计受当地水文、地质、气候等条件的制约,影响因素众多。我国地下换热计算理论不成熟、能满足多种需求的地源热泵系列产品尚未形成;同时,南方地区普遍缺乏浅层地热能资源与地源热泵供暖空调设计的复合型人才,工程达不到预期目标、 质量难以保证等问题可能导致浅层地热能无法得到广泛推广应用。

2) 国内大多数人对浅层地热能热泵开发利用的认知程度低,仍停留在温泉洗浴、地热发电等领域,对于开发浅层地热能并没有具体概念甚至存在误区。有调查报告显示,调研对象中熟悉太阳能使用的占比85.3%,熟悉风能使用的占比42.2%,熟悉浅层地热能开发利用的仅22.5%;另一项调研报告显示,在南方地区使用传统空气源热泵模式取暖家庭占比60%,仅有5%的家庭采用地源热泵模式,并在未来取暖模式意向调研中,仍有5 1%的家庭依旧倾向于使用传统模式取暖,仅16%的家庭愿意使用地源热泵模式供暖。由此可见, 在南方地区浅层地热能开发利用与传统常规能源相比竞争优势不明显。

3) 浅层地热能工程通常在地表0~100 m,与城市经济发展常用的地下空间存在一定的交叉,而城市地下空间的应用属于不可逆工程,目前成都市浅层地热能工程的开发利用涉及多个政府职能部门,交叉管理会导致管理分工不明、衔接断层和低效率。2019年成都市建设用地面积为7 16.56 km2, 2020—2022年新增房屋建筑施工面积约为580.76 km2, 城市规模发展迅速。成都市地下轨道交通、地下市政管线设施、人防设施、地下公共设施等已开发空间遍布成都市城镇建设区范围内,缺乏浅层地热能资源主管部门和相应的规章制度,容易导致地下空间、浅层地热资源间的利用冲突,影响彼此开发利用效率。

4.3  经济因素

1)北方地区城市冬季通常采用集中供暖模式,大部分地区供暖时间为当年1 1月15日—来年的3月15日, 共4个月的采暖期。采暖费用按照建筑面积收取,按房屋90 m2计算,价格取30元·m -2,则北方传统能源采暖费为2 700元,月均采暖费675元。成都燃气集团曾开展成都“集中供暖”项目,由居民自行承担所有费用 (含初装费和使用费)。初次工程安装收费按户收取,标准为230元·m- 2,使用费为每月10元·m -2,按照房屋 90 m2计算,成都市“集中供暖”项目安装费为20 700元, 采暖季费用为每月900元。由此可见,南方集中采暖成本明显高于北方地区。

2)2022年成都市家庭现金收入每户每年为 64 575.64元,城镇居民人均电费每年为694.3 1元。按照一家三口推算,成都市居民生活用电费每户每年为 2 082.93元,每户家庭额外用于制冷或供暖电费约占全年电费的3 1%,则使用空气源热泵装置制冷取暖电费每户每年约645.7 1元(成都市统计局,2023);若按照每户家庭3台空调、10年更换一次,则空调购置费每户每年为660元,使用空气源热泵装置制冷取暖费用合计 1 305.7 1(占家庭年总收入的2.02%)。而浅层地热能开发利用初始资金需求量较大,费用包括地质条件勘察设计、钻井施工、设备购置等,折算约400元·m- 2,普通住宅按90 m2计算,初始成本投入为36 000元(四川大学,2023)(此费用不包括使用期间的电费和折旧费)。使用浅层地热能仅初始成本就占家庭年总收入的 55.75%,使用性价比远低于空气源热泵装置。

5  结论及建议

5.1  结论

1)成都市浅层地热能资源禀赋良好,开发潜力巨大。核心区浅层地热能总热容量为13.08×101 4 kJ·℃ -1,夏季制冷和冬季供暖换热功率分别为1.19×107 kW和 1.48×107 kW;重点区适宜建设地下水和地埋管地源热泵面积总计3 789.36 km2,夏季可制冷面积1.98×10 8 m 2, 冬季可供暖面积1.57×108 m 2。成都市使用浅层地热能每年经济价值约为60 794.03万元,节煤量169万t,节能减排效益十分可观。

2) 成都市浅层地热能开发利用制约因素众多,如: 不良地质条件增加开发利用难度及成本;居民使用意愿低,使用成本高,阻碍浅层地热能推广;地下换热理论不成熟、开发技术有待提高等,这些因素共同导致成都市浅层地热能开发利用起步晚、应用规模小。

5.2  建议

1)未来成都市可采用地下水地源热泵和地表水地源热泵结合,地源与空气源组合等多能互补方式开发浅层地热能。如:西部山区水源地,可采用地埋管地源热泵与地表水地源热泵相结合开发;中心城区可以优先考虑地埋管地源热泵开发模式;对于温江、郫都区等地下水丰富地区可以采用地下水地源热泵结合空气源热泵的组合方式开发,既降低了开发成本且换热性能相对稳定,同时可以避免因过度的取冷导致区内岩土层和地下水温度改变而引发的地质环境问题。

3) 未来成都市浅层地热能开发利用应结合国土空间规划、城市建设规划等政策,实施新区集中开发、旧区改造分散开发模式,因地制宜、分片区开发。如:中心城区已建设区域可分散开发使用地埋管地源热泵,老旧城区连片改造可以集中配套浅层地热能;新开发的工业区、科技产业园区、大型交通枢纽站等公益性建筑推广使用浅层地热能;同时在周边卫星城区推广使用浅层地热能,从城镇建设用地选址和规划阶段就将浅层地热能适宜性纳入规划考虑范围。

3)建议设立浅层地热能资源主管部门,明确管理部门主体责任,出台相应的规章制度,规范成都市浅层地热能开发利用方式。同时加大政策扶持力度,对使用浅层地热能的项目给予适当财政补贴,大力推广浅层地热能使用,努力调整能源结构,探索成都模式。