地?zé)豳Y源開發(fā)利用

江蘇泰州城市規(guī)劃區(qū)淺層地?zé)崮芴卣骷捌溟_發(fā)利用

  0 引言
 
  泰州地處江蘇中部、長江沿岸,是一個(gè)快速崛起的新興工貿(mào)城市,常規(guī)能源貧乏,淺層地?zé)崮?/a>是一種可再生的新型環(huán)保能源,利用前景廣闊( 衛(wèi)萬順等,2010a) 。
 
  泰州市城市規(guī)劃區(qū)地處長江沖積平原,淺層地?zé)崮苜Y源豐富,為了能更好地、科學(xué)地開發(fā)利用淺層地?zé)崮?/a>,在對該區(qū)已有區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)工程地質(zhì)等資料分析的基礎(chǔ)上,補(bǔ)充了地?zé)岬刭|(zhì)、巖土工程地質(zhì)地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀等項(xiàng)調(diào)查,通過鉆探、現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)和室內(nèi)測試研究,查明了區(qū)域地層熱物性參數(shù)、淺層地?zé)?/a>能的賦存條件、分布特征,估算了可利用資源量,并進(jìn)行了適宜性分區(qū),同時(shí)提出了可行的開發(fā)利用方案及合理的開發(fā)利用建議,為淺層地?zé)?/a>能可持續(xù)利用、保護(hù)和管理提供了科學(xué)依據(jù)。
 
  研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造上位于下?lián)P子地塊的蘇南隆起與蘇北凹陷交界部位,主體處于蘇北盆地的泰州低凸起中,北鄰溱潼凹陷,東南有海安凹陷,低凸起軸向北東東,普遍分布巨厚的古近紀(jì)地層。本區(qū)處在新生代以來的沉降地帶,前第四系地層主要有新近紀(jì)、古近紀(jì)、白堊紀(jì)以及侏羅紀(jì)地層,200 m 以淺均為第四系松散層覆蓋。區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層發(fā)育齊全,地層厚度大于220 m。以新通揚(yáng)運(yùn)河為界,大體可分為2 個(gè)沉積區(qū): 北為里下河沉積過渡區(qū),南為長江三角洲沉積區(qū)。
 
  2 淺層地?zé)崮苜Y源賦存條件
 
  2. 1 第四紀(jì)巖土體地質(zhì)條件
 
  研究區(qū)第四紀(jì)地層發(fā)育齊全,厚度大于220 m。
 
  本次自北往南在研究區(qū)農(nóng)業(yè)園( CSK04) 、海陵國土資源分局( CSK05、CSK06) 、醫(yī)藥城( CSK03) 、永勝村( CSK01、CSK02) 4 個(gè)點(diǎn)共施工了6 個(gè)鉆孔 ,其中4 個(gè)鉆孔孔深為120 m 左右,2個(gè)鉆孔孔深為150 m 左右,均未揭穿第四紀(jì)地層。從工程地質(zhì)角度來看,整個(gè)區(qū)域分為4 個(gè)工程地質(zhì)區(qū),由南往北分別為低河漫灘沉積工程地質(zhì)區(qū)、高河漫灘沉積工程地質(zhì)區(qū)、埋藏型古階地工程地質(zhì)區(qū)、潟湖相沉積工程地質(zhì)區(qū)。整體上以黏土、砂層為主,在區(qū)域上呈現(xiàn)由南往北黏土層增厚、砂層減少的趨勢,南部地區(qū)偶見含礫石層存在,而北部地區(qū)則以黏土層為主,無礫石。
 
  2. 2 第四紀(jì)巖土體物性條件
 
  本次研究分別在永勝村、醫(yī)藥城、農(nóng)業(yè)園區(qū)、海陵國土資源分局各實(shí)施巖土體熱物性測試分析取樣鉆孔1 個(gè),合計(jì)送分析樣品47 件。經(jīng)測試分析,區(qū)內(nèi)巖土體導(dǎo)熱系數(shù)為1. 067 ~ 2. 292 W/( m·K) ,平均為1. 614 W/( m·K) ; 熱擴(kuò)散率為1. 23 × 10 - 3 ~4. 23 × 10 - 3 m2 /h,平均為2. 52 × 10 - 3 m2 /h。全區(qū)平均巖土體導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率統(tǒng)計(jì)見表1。從表1 可以看出,整個(gè)區(qū)域的巖土體導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率均較強(qiáng),整體上呈現(xiàn)由南往北逐步減低的趨勢,這與第四紀(jì)巖土體黏土層增厚的地質(zhì)特征密切相關(guān)。
 
  2. 3 水文地質(zhì)條件
 
  區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水。泰州市城市規(guī)劃區(qū)呈南北長條形分布,在沉積物厚度、沉積物特征、含水層結(jié)構(gòu)、富水性、補(bǔ)給條件等各個(gè)方面都顯示出南北向差異,條件較為復(fù)雜。根據(jù)沉積環(huán)境、含水層厚度、含水層巖性等將調(diào)查區(qū)分為長江三角洲沉積區(qū)和里下河沉積過渡區(qū)。以新通揚(yáng)運(yùn)河為界,以北為里下河沉積過渡區(qū),以南為長江三角洲沉積區(qū)。根據(jù)地下水在含水介質(zhì)中的賦存條件、形成時(shí)代、水力特征,將區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水分為5 個(gè)含水層組,即潛水、第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ承壓水( 表2) 。在寺巷以南地段,第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ承壓水相互連通,形成巨厚型含水層分布區(qū)。
 
  2. 4 地溫場條件
 
  本次研究利用分布在4 個(gè)點(diǎn)的6 個(gè)現(xiàn)場熱響應(yīng)測試孔對地層原始地溫進(jìn)行了測試,整個(gè)區(qū)域測定的不同深度原始地溫在13. 82 ~ 22. 32 ℃之間,巖土體平均原始地溫在17. 9 ~ 18. 2 ℃之間。所有測試孔不同深度巖土體的原始溫度都呈現(xiàn)隨深度增加而溫度升高的趨勢。不同測試點(diǎn)地表下不同深度巖土體原始溫度對比如圖2 所示。
 
  3 現(xiàn)場熱響應(yīng)測試
 
  3. 1 測試原理及方案
 
  測試根據(jù)傳熱學(xué)相似理論,簡單模擬地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)夏季工況制冷( 向地下排熱) 和冬季工況供暖( 向地下排冷) 的運(yùn)行模式( GB 50366—2005;韓再生等, 2007) ,通過整個(gè)試驗(yàn),對該地區(qū)的水文地質(zhì)狀況、溫度場、傳熱系數(shù)等進(jìn)行測算、分析。測試分2 種模式: 一種是模擬地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷的運(yùn)行模式,通過向地下排熱獲取巖土的熱物性參數(shù),測試持續(xù)時(shí)間不小于72h; 另一種模式是模擬地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季供暖的運(yùn)行模式,通過向地下排冷來獲取巖土的熱物性參數(shù),測試持續(xù)時(shí)間不小于72h。2 種工況測試過程中,為了解土壤的自我恢復(fù)能力,2種模式測試時(shí),中間間隔不小于24h。
 
  具體測試原理如下: 將儀器的水路循環(huán)部分與所要測試換熱孔內(nèi)的PE 管路相連接,形成閉式環(huán)路,通過儀器內(nèi)的微型循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)環(huán)路內(nèi)的液體按設(shè)定的流速不斷循環(huán),同時(shí)儀器內(nèi)的加熱器/制冷設(shè)備按設(shè)定的功率不斷加熱/冷卻環(huán)路中的液體介質(zhì)。該閉式環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán),加熱器/制冷設(shè)備所產(chǎn)生的熱量/冷量就不斷通過換熱孔內(nèi)的換熱管釋放到地下。閉式環(huán)路內(nèi)的液體循環(huán)過程中,將進(jìn)/出儀器的溫度、流量和加熱器/制冷設(shè)備的加熱功率/制冷參數(shù)進(jìn)行適時(shí)采集記錄,然后通過理論上參數(shù)的變化規(guī)律,利用專業(yè)軟件來模擬計(jì)算巖土的熱物性參數(shù); 同時(shí),通過巖土的熱物性參數(shù)及熱響應(yīng)規(guī)律分析校核巖土的熱響應(yīng)規(guī)律。
 
  本次熱響應(yīng)測試采用大功率恒流法,并采用圓柱熱源理論模型結(jié)合參數(shù)估計(jì)法來計(jì)算土壤導(dǎo)熱系數(shù)及其他相關(guān)參數(shù)( 彭清元等,2010) 。其中CSK01和CSK02 同在一個(gè)工地,深度相同,埋管方式不同,用來對比同一地質(zhì)條件下,不同埋管方式的單位孔深換熱量; CSK05 和CSK06 同在一個(gè)工地,埋管方式相同,深度不同,用來對比同一地質(zhì)條件及埋管方式下,不同孔深的單位孔深換熱量; CSK01 和CSK04在不同工地,孔深相同,埋管方式均為單U,用來對比相同孔深及單U 埋管方式下,不同地質(zhì)條件的單位孔深換熱量; CSK03 和CSK05 在不同工地,孔深相同,埋管方式均為雙U,用來對比相同孔深及雙U埋管方式下,不同地質(zhì)條件的單位孔深換熱量。
 
  3. 2 測試結(jié)果
 
  由換熱孔測試數(shù)據(jù)分析,該地區(qū)巖土體平均原始溫度在17. 9 ~ 18. 2 ℃之間。測試中綜合單U 和雙U 埋管相比,雙U 換熱效果相對較好。實(shí)際工程中,需要將鉆孔、管材的經(jīng)濟(jì)成本聯(lián)合考慮,選出性價(jià)比較高的埋管方式( 表3) 。
 
  由于單位延米換熱量是在特定測試工況下得到的數(shù)據(jù),受工況影響很大,比如流量大小介質(zhì)等因素,用于地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)相應(yīng)工況,利用安全裕量系數(shù)進(jìn)行調(diào)整??拷L江附近區(qū)域可能地下水流動(dòng)性較好,換熱效果可能較理想。
 
  通過利用模擬軟件進(jìn)行分析,假設(shè)地層各個(gè)方向均勻分布,熱量會(huì)以柱狀熱源為中心向四周蔓延,在距離熱源中心半徑越大,溫度影響越小,溫升幅度越小。換熱孔橫向影響半徑在不考慮地下水徑流及冷熱負(fù)荷間歇作用的情況下,推薦雙U 埋管間距一般在5 m 左右,單U 埋管間距一般在4. 5 m 左右。
 
  所以,在鉆孔場地富裕的情況下,雙U 型換熱器之間間距取5 m 應(yīng)該較為經(jīng)濟(jì)合理??v向方向上,溫度呈現(xiàn)一定的梯度,在換熱器底部,熱量向下傳導(dǎo)的作用減小,影響范圍一般是孔底向下0. 5 m 深處。
 
  3. 3 測試結(jié)果的分析研究
 
  3. 3. 1 不同埋管方式的對比分析本次測試在永勝工地布置了CSK01 和CSK02 兩個(gè)測試孔,兩孔相距5 m,孔深均為120 m。其中CSK01 采用單U 埋管方式,CSK02 采用雙U 埋管方式,經(jīng)測試結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),在相同的地質(zhì)條件和深度下,雙U 的換熱效果明顯比單U 的換熱效果高,其中排熱工況下,雙U 比單U 高出19. 5%,排冷工況下,雙U 比單U高出35. 7%。
 
  3. 3. 2 不同埋管深度的對比分析本次測試在海陵國土資源分局工地布置了CSK05 和CSK06 兩個(gè)測試孔,兩孔相距5 m,均采用雙U 埋管方式,其中CSK05孔深為150 m,CSK06 孔深為120 m。從測試結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),在相同的地質(zhì)條件和埋管方式下,孔深120 m的換熱效果明顯比孔深150 m 的換熱效果高,其中排熱工況下,孔深120 m 比孔深150 m 高出17. 9%; 排冷工況下,孔深120 m 比孔深150 m 高出4. 1%。
 
  3. 3. 3 不同地質(zhì)條件的對比分析本次測試在永勝工地布置的CSK01 孔和在農(nóng)業(yè)園區(qū)布置的CSK04 孔均采用單U 埋管方式,孔深均為120 m,經(jīng)對比可知: 在相同的孔深和埋管方式下,永勝工地的CSK01 孔的換熱效果比農(nóng)業(yè)園區(qū)的CSK04 孔的換熱效果略高,其中排熱工況下,永勝工地的CSK01孔比農(nóng)業(yè)園區(qū)的CSK04 孔高出1. 6%,排冷工況下,永勝工地的CSK01 孔比農(nóng)業(yè)園區(qū)的CSK04 孔高出2. 7%。
 
  在永勝工地布置的CSK02 孔和在海陵國土資源分局布置的CSK06 孔均采用雙U 埋管方式,孔深均為120 m,經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),在相同的孔深和埋管方式下,永勝工地的CSK02 孔的換熱效果比海陵國土資源分局的CSK06 孔的換熱效果高,其中排熱工況下,永勝工地的CSK02 孔比海陵國土資源分局的CSK06 孔高出6. 8%,排冷工況下,永勝工地的CSK02孔比海陵國土資源分局的CSK06 孔高出32. 3%。
 
  在醫(yī)藥城工地布置的CSK03 孔和在海陵國土資源分局布置的CSK05 孔均采用雙U 埋管方式,孔深均為150 m。從測試結(jié)果可以看出,在相同的孔深和埋管方式下,醫(yī)藥城工地的CSK03 孔的換熱效果比海陵國土資源分局的CSK05 孔的換熱效果要好,其中排熱工況下,醫(yī)藥城工地的CSK03 孔比海陵國土資源分局的CSK05 孔高出21. 1%; 排冷工況下,醫(yī)藥城工地的CSK03 孔比海陵國土資源分局的CSK05 孔高出16. 2%。
 
  3. 4 測試結(jié)果的對比分析
 
  通過分析對比,整個(gè)研究區(qū)換熱效果均較好,但南部明顯比北部地區(qū)換熱效果要高,主要是由于砂層含量高和地下水含量及徑流的原因,整體上呈現(xiàn)出由南往北換熱效果逐漸減低的趨勢,但總體差別不是很大。另外,雙U 的換熱效果明顯比單U 的換熱效果要好,建議在淺層地溫( 熱) 能開發(fā)利用工程中盡量采用雙U 的埋管方式。
 
  4 淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)
 
  4. 1 評(píng)價(jià)計(jì)算方法
 
  計(jì)算垂直地埋管換熱系統(tǒng)淺層地?zé)崮?/a>可開采量時(shí)采用單位換熱量法,計(jì)算公式如下( DZ /T 0225—2009; 衛(wèi)萬順等, 2010b) :
 
  Dq = Dnτ
 
 
  D = KyΔtL /1 000 ( 2)
 
 式( 2) 中,D 為單孔地熱能,kW; Ky為每延米換熱量,W/( m·℃) ; Δt 為溫差,℃,即為U 形管內(nèi)溫度平均值與埋管影響范圍內(nèi)巖土體溫度之差; L 為單孔有效換熱長度,m。
 
  4. 2 計(jì)算參數(shù)的獲取
 
  根據(jù)泰州市城市規(guī)劃區(qū)土地利用規(guī)劃估算土地利用系數(shù)τ 為0. 22。根據(jù)現(xiàn)場換熱測試,夏季在120 m 深度分別為64. 7 W 和60. 33 W,則設(shè)定KyΔtL 為( 64. 7 + 60. 33) ÷ 2 = 62. 52 W。
 
  D夏= 62. 52 × 120 ÷ 1 000 = 7. 50 kW
 
  冬季在120 m 深度分別為47. 83 W 和36. 16W,則設(shè)定KyΔtL 為( 47. 83 + 36. 16 ) ÷ 2 =41. 99 W。
 
  D冬= 41. 99 × 120 ÷ 1 000 = 5. 04 kW
 
  按每孔間距5 m 計(jì)算,則每孔占地面積為25 m2,可鉆換熱孔數(shù)n =428 ÷25 ×106 =17 120 000 個(gè)。
 
 
  4. 3 計(jì)算結(jié)果
 
  夏季可開發(fā)利用功率為:
 
  Dq 夏= D夏nτ = 7. 50 × 17 120 000 × 0. 22 × 0. 32= 9. 04 × 106 kW
 
  夏季可開發(fā)利用資源制冷量為:
 
  Q夏= Dq 夏h = 9. 04 × 106 × 24 × 120 = 2. 60 ×1010 kWh
 
  冬季開發(fā)利用功率為:
 
  Dq 冬= D冬nτ = 5. 04 × 17 120 000 × 0. 22 × 0. 32= 6. 07 × 106 kW
 
  冬季可開發(fā)利用資源制熱量為:
 
  Q冬= Dq 冬h = 6. 07 × 106 × 24 × 120 = 1. 75 ×1010 kWh以120 m 深孔計(jì)算的可開采量見表4 所示。
 
  表4 研究區(qū)可開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源量表( 120 m 以淺)面積/km2可利用功率/kW 可利用量/kWh
 
  夏季冬季夏季冬季
 
  428 9. 04 × 106 6. 07 × 106 2. 60 × 1010 1. 75 × 1010如果以夏季100 W/m2、冬季80 W/m2 負(fù)荷計(jì)算,則泰州市城市規(guī)劃區(qū)淺層地?zé)?/a>能可供暖服務(wù)面積7. 59 × 107 m2,可制冷服務(wù)面積9. 04 × 107 m2。
 
  4. 4 環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)
 
  泰州城市規(guī)劃區(qū)可開發(fā)利用的淺層地?zé)崮?/a>每年達(dá)到4. 35 × 1010 kWh,按照推薦的地?zé)崂?/a>節(jié)能減排量估算( GB /T 11615—2010) ,相當(dāng)于5 352 kt 標(biāo)煤完全燃燒所釋放的能量。如被充分利用,可減少排放二氧化碳12 769. 87 kt、二氧化硫90. 98 kt、氮氧化物32. 11 kt、粉塵42. 82 kt; 減少煤灰渣等固體廢物排放5. 35 kt。即使按其10%的開發(fā)利用量,仍具有顯著的節(jié)能減排效應(yīng)。
 
 
  ( 1) 泰州市夏季制冷和冬季供暖時(shí)間基本相當(dāng),非常適合淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。以120 m 以淺計(jì)算,泰州市城市規(guī)劃區(qū)可合理開發(fā)利用淺層地?zé)崮?/a>每年將達(dá)到4. 35 × 1010 kWh,而根據(jù)調(diào)查情況表明,目前僅有醫(yī)藥城和第四人民醫(yī)院進(jìn)行了淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。醫(yī)藥城、濱江新城、農(nóng)業(yè)園區(qū)有大量在建、擬建的工程,非常適宜進(jìn)行淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用率的提高,也有助于泰州市節(jié)能減排指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
 
  ( 2) 泰州市城市規(guī)劃區(qū)地層可鉆性強(qiáng),換熱效果好,非常適合利用垂直地埋管地源熱泵進(jìn)行淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。垂直地埋管建議采用雙U 埋管方式,口徑為25 mm 或32 mm,深度控制在80 ~120 m,視工程的場地情況而定,一般宜在100 m 深度,能取得較好的換熱效果和性價(jià)比。
 
  ( 3) 鑒于蘇錫常地區(qū)開采地下水而引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害先例,以及地下水回灌存在的技術(shù)難題,結(jié)合泰州市城市規(guī)劃區(qū)的地下水特征和泰州市城區(qū)已有地面沉降的實(shí)際情況,不推薦使用水源熱泵方式來進(jìn)行淺層地?zé)?/a>能的開發(fā)利用。
  ( 4) 泰州市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用率較低,需要加大宣傳力度,制定相關(guān)的政策措施來規(guī)劃、規(guī)范、引導(dǎo)、支持淺層地?zé)?/a>能的開發(fā)利用。
  ( 1) 泰州市城市規(guī)劃區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源潛力巨大,夏季可利用量達(dá)2. 60 × 1010 kWh,冬季可利用量1. 75 × 1010 kWh。利用淺層地?zé)崮?/a>可供暖面積為7. 59 × 107 m2,可制冷面積9. 04 × 107 m2。
 
  ( 2) 泰州市城市規(guī)劃區(qū)地質(zhì)條件好,地層可鉆性強(qiáng),換熱效果佳,非常適合利用垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行淺層地?zé)崮?/a>的開發(fā)利用,工程初投資成本低,具有明顯的開發(fā)優(yōu)勢。
 
  ( 3) 泰州市城市規(guī)劃區(qū)可開發(fā)的淺層地熱能每年可達(dá)到4. 35 × 1010 kWh,相當(dāng)于5 352 kt 標(biāo)煤完全燃燒所釋放的能量。如被充分利用,可減少排放二氧化碳12 769. 87 kt、二氧化硫90. 98 kt、氮氧化物32. 11 kt、粉塵42. 82 kt。節(jié)能減排效益明顯。
 
  ( 4) 泰州市城市規(guī)劃區(qū)可開發(fā)利用的淺層地?zé)崮苜Y源量巨大,但目前開發(fā)程度相對較低,建議加大開發(fā)力度。