隨著我國經濟不斷發展,城鎮不斷擴張,能源需求量也逐年增大。經濟發展必然導致未來能源消耗量增加,中國于2020年提出了“雙碳”目標,在保證社會經濟發展的同時實現節能減排任務是今后很長時間段內我國政府工作的重點。在碳捕獲技術尚未大規模應用的前提下,節能力度亟需加強,推進能源結構轉型成為必然趨勢,而采用綠色可再生清潔能源取代化石燃料等傳統能源被廣泛認為是一種有效手段。淺層地熱能作為蘊藏在地球內部的天然熱能,是一種可再生的新型環保能源,有著清潔、穩定、高效、安全等優勢,節能減排效果顯著,在未來能源結構調整中潛力巨大,適合在各種建筑工業中推廣使用。

成都市作為城鎮化率達56.87%、常住人口達 2 093.78萬人的超級城市,地表資源已無法滿足人口密集區的能源需求,節能減排和能源結構調整壓力巨大, 向地下要空間、要資源是城市發展的必由之路。成都市蘊含豐富的淺層地熱能資源,但針對成都市的淺層地熱能資源勘察評價及其經濟效益和環境監測的分析研究較少,成果尚不多見,有必要進一步開展總結研究工作。 大力開發利用淺層地熱能等綠色能源,有助于成都市發展綠色、低碳和循環經濟,對優化成都市現有能源結構、保障能源安全、促進節能減排戰略目標實現具有非常重要的現實意義。本文總結前人研究成果,論述成都市淺層地熱能資源稟賦、開發利用現狀,分析發展制約因素并提出建議。

1  研究區自然條件概況

成都市地處四川盆地西部、成都平原腹地,部分屬青藏高原東緣與四川盆地的過渡帶(圖1)。地勢西北高、東南低,高差懸殊;西部以深丘和山地為主,海拔高程1 000~3 000 m;東部低山丘陵區海拔小于1 000 m。 成都市轄20個縣級行政區劃單位,包括12個區、5個縣級市、3個縣。

成都市屬亞熱帶濕潤季風氣候,熱量充足,雨量豐富,四季分明,雨熱同期。年平均氣溫16.1℃,極端最高氣溫43.4℃;全市最冷月為1月,月平均氣溫5.7℃; 最熱月為7月,月平均氣溫為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勻, 降雨量隨季節變化較為明顯,雨季多集中于6—9月, 雨季降雨量占比超過全年降雨總量的60%。

2  成都市淺層地熱能資源稟賦情況

成都市全域面積14 335 km2。其中:成都市重點區面積約5 800 km2,是建設用地規模較大區域,包括市區及主要衛星城區;成都市核心區面積約2 446 km2, 包含“中優”地區、天府新區核心區、成都國際生物城、天府空港新城、簡州新城、淮州新城等重要經濟發展區和人口密集區。

2.1  資源總量估算

成都市核心區淺表層(20 m以內)水溫比較穩定, 一般為16~20℃。恒溫層頂板主要分布在23~30 m, 底板埋深為23~30 m;恒溫層厚度一般為23~35 m, 恒溫層溫度一般在18.1~18.8℃。按照體積法計算淺層地熱能熱容量,該深度范圍內成都淺層地熱能總熱容量為13.08×101 4 kJ·℃ -1。

成都市核心區200 m以淺平均地層地溫為18.59~ 19.76℃;李強等(2023)根據地形地貌、地層巖性特點及地熱響應實驗結果數據對核心區熱物性參數進行了分區, 其中中部平原區平均熱導率為1.89~2.95 W·m- 1·℃ -1,龍泉山西部前緣臺地區平均熱導率為2.04~3.06 W·m- 1·℃ -1,龍泉山東部紅層丘陵區平均熱導率為 1.3~3.35 W·m- 1·℃ -1(圖2)。地下水地源熱泵系統換熱功率計算采用水量折算法,地埋管地源熱泵系統換熱功率計算采用熱傳導法,在考慮土地利用系數的情況下,成都淺層地熱能夏季制冷換熱功率總量1.19×107 kW,冬季供暖換熱功率總量1.48×10 7 kW(宋小慶,2018)。

2.2  資源潛力評價

地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵適宜性分區需根據DZ/T 0225—2009《淺層地熱能勘察評價規范》的要求,結合研究區地質條件、水文地質條件、水化學和水動力條件以及地質環境條件分層次、多指標建立評價體系。經分析:成都市重點區適宜地下水地源熱泵范圍主要包括中心城區的西北部平原區和平原沖積扇前部區,面積約1 227.21 km2;適宜地埋管地源熱泵范圍主要包括東部及南部第四系厚度較薄區域,面積約 2 562.15 km2(圖3)。

采用單位面積可供暖面積或制冷面積對淺層地熱能開發利用潛力進行評價,成都市核心區在考慮土地利用系數的情況下,夏季可制冷面積1.98×108 m 2,冬季可供暖面積1.57×108 m 2。類比常規化石能源進行估算,成都市使用淺層地熱能每年經濟價值約為60 794.03萬元,節煤量169萬t,CO2、SO 2、NOx、粉塵及灰渣等各類廢棄污染物減排425萬t,節能減排效益十分可觀。

3  成都市淺層地熱能利用現狀

根據區域地質條件,淺層地熱能主要存在地下水換熱系統、地埋管換熱系統兩種換熱方式,淺層地熱能開發利用主要受控于恒溫層分布及地層熱響應特征。成都地區夏熱冬冷,淺層地熱能開發利用既要考慮冬季供暖,也要考慮夏季制冷,供暖末端多為風機盤管換熱結構,也有少部分采用地板采暖。淺層地熱能的開發利用已廣泛應用于各類建筑,包括公共建筑(辦公樓、學校、醫院)、商業設施(商場、酒店)、居住建筑（別墅、住宅小區)以及文化場館(展覽館)等。

成都市淺層地熱能開發利用以地下水地源熱泵為主,地埋管地源熱泵為輔。據不完全統計,成都市全域已建地源熱泵項目共3 1處,應用面積總計270.48萬m2。其中:醫院、辦公樓、酒店等市政設施和公用建筑應用面積239.78萬m2,占比88.65%; 民用建筑住宅小區應用面積30.7萬m2,占比1 1.35%。 目前成都市淺層地熱能已開發利用面積不到可利用總面積的1%。同為長江沿岸城市,重慶市2015年淺層地熱能應用面積已達到700萬m2,武漢市2015年淺層地熱能應用面積為523萬m2,上海市2020年淺層地熱能應用面積為1 750 m2,可見成都市淺層地熱能開發利用起步晚,規模小,淺層地熱能開發相對滯后。

4  成都市淺層地熱能發展的制約因素

進入21世紀后,清潔能源使用得到廣泛重視,淺層地熱能開發利用發展迅速,全國地源熱泵市場規模已躍居世界前列。成都市淺層地熱能資源量豐富,但開發利用程度較低。目前全市淺層地熱能開發利用面積約270萬m2,僅占可開發利用總面積的 1%左右,且主要應用于單體建筑項目,尚未達到規模化、系統化、規范化的發展格局。成都市淺層地熱能全面推廣應用主要受以下幾方面因素制約。

4.1  地質及氣候因素

1)成都市地質背景復雜。松散富水砂礫卵石層、 鈣芒硝地層、含咸水咸鹵水地層以及活動斷裂等約束性地質條件呈片塊狀、條帶狀廣泛分布于成都市城鎮建設開發區內,增加了淺層地熱能資源開發利用難度。例如:a.成都第四系松散堆積砂礫卵石層孔隙潛水含水層區域單井涌水量可達1 000~2 000 m3·d -1,是發展地下水地源熱泵工程的優質含水層;但在富水卵礫石區施工可能引起地質結構失穩破壞、地下水降排水困難、盾構施工掘進難度大等工程地質問題;b.在地埋管地源熱泵工程施工過程中,若施工不當導致含水層與鈣芒硝地層連通,鈣芒硝遇水溶解形成的硫酸鹽溶液會對地下構筑物產生化學腐蝕,同時鈣芒硝地層本身會因溶解作用發生物理溶蝕,持續的溶蝕過程導致巖層孔隙擴大,形成空腔區,大面積空腔區會引發地面沉降或地面塌陷等災害。

2) 成都市淺層地熱能資源調查工作基本以普查為主,尚未達到精細化開發利用程度,且有關數據多屬于獨立項目資料,成果資料共享難度大。成都市淺層地熱能資源勘察主要集中在重點區和核心區,對于成都市全域的資源量調查和勘察不足。資源勘查評價與開發利用工作的脫節,可能導致個別工程存在一定的盲目性,出現開發利用方案制定缺乏科學依據,方式與規模和當地資源條件不匹配等問題。

3) 氣象學上,平均氣溫連續5 d高于22℃則為夏季,平均溫度連續5 d低于10℃為冬季。成都市區近10 a 夏季天數平均1 12.5 d,冬季天數平均91 d。但成都夏季溫度高于30℃的天數約 60~80 d,冬季溫度低于10℃的天數僅20~30 d,制冷需求明顯大于供熱需求。長期取冷與取熱資源量不平衡會對地下溫度、地下水溫、地下微生物造成影響。成都市已建成運行的項目中,對上述這些可能對環境造成影響的因素和環節,普遍缺乏科學監測和評估,無法及時準確評定環境影響程度和科學評估其節能效率,不利于淺層地熱能合理、可持續開發。

4.2  技術及社會因素

1)淺層地熱能開發利用涉及土壤學、傳熱傳質學、 建筑材料學、鉆井技術、熱泵技術等多個學科和技術環節,其開發利用方式、系統設計受當地水文、地質、氣候等條件的制約,影響因素眾多。我國地下換熱計算理論不成熟、能滿足多種需求的地源熱泵系列產品尚未形成;同時,南方地區普遍缺乏淺層地熱能資源與地源熱泵供暖空調設計的復合型人才,工程達不到預期目標、 質量難以保證等問題可能導致淺層地熱能無法得到廣泛推廣應用。

2) 國內大多數人對淺層地熱能熱泵開發利用的認知程度低,仍停留在溫泉洗浴、地熱發電等領域,對于開發淺層地熱能并沒有具體概念甚至存在誤區。有調查報告顯示,調研對象中熟悉太陽能使用的占比85.3%,熟悉風能使用的占比42.2%,熟悉淺層地熱能開發利用的僅22.5%;另一項調研報告顯示,在南方地區使用傳統空氣源熱泵模式取暖家庭占比60%,僅有5%的家庭采用地源熱泵模式,并在未來取暖模式意向調研中,仍有5 1%的家庭依舊傾向于使用傳統模式取暖,僅16%的家庭愿意使用地源熱泵模式供暖。由此可見, 在南方地區淺層地熱能開發利用與傳統常規能源相比競爭優勢不明顯。

3) 淺層地熱能工程通常在地表0~100 m,與城市經濟發展常用的地下空間存在一定的交叉,而城市地下空間的應用屬于不可逆工程,目前成都市淺層地熱能工程的開發利用涉及多個政府職能部門,交叉管理會導致管理分工不明、銜接斷層和低效率。2019年成都市建設用地面積為7 16.56 km2, 2020—2022年新增房屋建筑施工面積約為580.76 km2, 城市規模發展迅速。成都市地下軌道交通、地下市政管線設施、人防設施、地下公共設施等已開發空間遍布成都市城鎮建設區范圍內,缺乏淺層地熱能資源主管部門和相應的規章制度,容易導致地下空間、淺層地熱資源間的利用沖突,影響彼此開發利用效率。

4.3  經濟因素

1)北方地區城市冬季通常采用集中供暖模式,大部分地區供暖時間為當年1 1月15日—來年的3月15日, 共4個月的采暖期。采暖費用按照建筑面積收取,按房屋90 m2計算,價格取30元·m -2,則北方傳統能源采暖費為2 700元,月均采暖費675元。成都燃氣集團曾開展成都“集中供暖”項目,由居民自行承擔所有費用 (含初裝費和使用費)。初次工程安裝收費按戶收取,標準為230元·m- 2,使用費為每月10元·m -2,按照房屋 90 m2計算,成都市“集中供暖”項目安裝費為20 700元, 采暖季費用為每月900元。由此可見,南方集中采暖成本明顯高于北方地區。

2)2022年成都市家庭現金收入每戶每年為 64 575.64元,城鎮居民人均電費每年為694.3 1元。按照一家三口推算,成都市居民生活用電費每戶每年為 2 082.93元,每戶家庭額外用于制冷或供暖電費約占全年電費的3 1%,則使用空氣源熱泵裝置制冷取暖電費每戶每年約645.7 1元(成都市統計局,2023);若按照每戶家庭3臺空調、10年更換一次,則空調購置費每戶每年為660元,使用空氣源熱泵裝置制冷取暖費用合計 1 305.7 1(占家庭年總收入的2.02%)。而淺層地熱能開發利用初始資金需求量較大,費用包括地質條件勘察設計、鉆井施工、設備購置等,折算約400元·m- 2,普通住宅按90 m2計算,初始成本投入為36 000元(四川大學,2023)(此費用不包括使用期間的電費和折舊費)。使用淺層地熱能僅初始成本就占家庭年總收入的 55.75%,使用性價比遠低于空氣源熱泵裝置。

5  結論及建議

5.1  結論

1)成都市淺層地熱能資源稟賦良好,開發潛力巨大。核心區淺層地熱能總熱容量為13.08×101 4 kJ·℃ -1,夏季制冷和冬季供暖換熱功率分別為1.19×107 kW和 1.48×107 kW;重點區適宜建設地下水和地埋管地源熱泵面積總計3 789.36 km2,夏季可制冷面積1.98×10 8 m 2, 冬季可供暖面積1.57×108 m 2。成都市使用淺層地熱能每年經濟價值約為60 794.03萬元,節煤量169萬t,節能減排效益十分可觀。

2) 成都市淺層地熱能開發利用制約因素眾多,如: 不良地質條件增加開發利用難度及成本;居民使用意愿低,使用成本高,阻礙淺層地熱能推廣;地下換熱理論不成熟、開發技術有待提高等,這些因素共同導致成都市淺層地熱能開發利用起步晚、應用規模小。

5.2  建議

1)未來成都市可采用地下水地源熱泵和地表水地源熱泵結合,地源與空氣源組合等多能互補方式開發淺層地熱能。如:西部山區水源地,可采用地埋管地源熱泵與地表水地源熱泵相結合開發;中心城區可以優先考慮地埋管地源熱泵開發模式;對于溫江、郫都區等地下水豐富地區可以采用地下水地源熱泵結合空氣源熱泵的組合方式開發,既降低了開發成本且換熱性能相對穩定,同時可以避免因過度的取冷導致區內巖土層和地下水溫度改變而引發的地質環境問題。

3) 未來成都市淺層地熱能開發利用應結合國土空間規劃、城市建設規劃等政策,實施新區集中開發、舊區改造分散開發模式,因地制宜、分片區開發。如:中心城區已建設區域可分散開發使用地埋管地源熱泵,老舊城區連片改造可以集中配套淺層地熱能;新開發的工業區、科技產業園區、大型交通樞紐站等公益性建筑推廣使用淺層地熱能;同時在周邊衛星城區推廣使用淺層地熱能,從城鎮建設用地選址和規劃階段就將淺層地熱能適宜性納入規劃考慮范圍。

3)建議設立淺層地熱能資源主管部門,明確管理部門主體責任,出臺相應的規章制度,規范成都市淺層地熱能開發利用方式。同時加大政策扶持力度,對使用淺層地熱能的項目給予適當財政補貼,大力推廣淺層地熱能使用,努力調整能源結構,探索成都模式。