天津地区浅层地热能开发利用前景浅析
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发布时间：2022-04-27 01:55
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时间：2022-06-24 09:55
曾梅香 高宝珠 黎雪梅 李会娟
（天津地热勘查开发设计院）
摘要：浅层地热能是指广泛存在于浅部地层（恒温层至数百米范围内）中的热能，是一种低品位（＜25℃）的能源。但因其分布广泛、储量巨大、节能显着、可循环利用等优势而日益受到关注。随着热泵技术的发展，浅层地热能被认为是建筑供暖（冷）用新能源中是最为现实、最有前途的能源。本文主要介绍这种能源的资源潜力、开发利用前景及优化开采方案。
1 引言
随着生活水平的提高，人们对室内舒适程度的要求越来越高，我国建筑用能占全社会能源需求的比例也由原来的1/6增长到1/4，其中供暖、制冷、供生活热水的能耗占了相当大的比重。不断增长的能源需求和供给之间的矛盾，以及利用传统能源对环境的巨大压力，使人们对风能、太阳能、地热能等绿色能源的开发抱着极大的热情。浅层地温源以其储量巨大、分布广泛、可循环利用等优势，在世界范围内备受推崇。以利用浅层地热能为主的热泵技术，在欧美等发达国家经过数十年的发展已相当成熟。因此，国内外一些能源专家认为：采集大自然低温可再生能特别是浅层地能（热）是21世纪取代传统供暖（冷）方式最为现实、最有前途的技术。
2 浅层地热能的特点
浅层地热能是指储藏在地下数百米以浅的地层中、温度介于基准温度（当地恒温带处的温度）和25℃之间的低品位热能，它是深部热能向上传导和太阳辐射共同作用的结果。各地区的恒温带深度及其对应的基准温度主要与所处纬度相关，基准温度与当地的年平均气温相当。我国地域广阔，南北差距较大：我国已测得的恒温层深度在15～30m之间，基准温度在10～23℃之间。
浅层地热能的特点就是储量巨大、分布广泛、参数稳定、几乎不受环境气候的影响，是能量较恒定的可再生清洁能源，是热泵技术应用最多的地温资源层［1］。
3 天津浅层地热能储量概算
天津辖区面积11919.7km2，除去775km2的北部山区外，其余的广大地区均覆盖了松散的新生界地层。但宝坻断裂以北的松散层厚度仅100～300m，松散层底板处的温度一般小于20℃，浅层低温能的储量有限，在此不做计算；该断裂以南8700km2的范围内，松散层厚度均大于千米，恒温带埋深30m左右，基准温度为13.5℃；受基岩面起伏和断裂构造的影响，盖层平均地温梯度介于2～8.3℃/100m之间；地层温度25℃处的最大埋深为600m（宝坻断裂以北地区除外），最小为170m。根据以往的地热地质数据，估算8700km2范围内的浅层低温能储量达3.6×1019J，折合发电量1×1013kW·h，相当于可连续维持天津用电最高负荷（2005年为597万kW）190年。即使开采其中的百分之一，也可以极大地缓解电力紧张的问题。
4 浅层地能开发应用实例
在我国*提出加快发展循环经济，建设节约型城市的情况下，在人口集中、经济发达的大城市，一些公共建筑如*机构、医院、学校等，有条件的都要优先使用浅层地温、太阳能和生物质能等再生能源，部分替代电能，或与电能互补，改变城市能源结构单一的局面，促进能源结构多元化，有效缓解电力紧张问题。如北京早在几年前就开始浅层地温的利用，目前采用浅层地能供暖替代燃煤锅炉的建筑物总面积已达200万m2，2006年有望达到300万m2［2］。
天津是全国最早开采利用地热资源的城市之一，但深部地热资源因补给缓慢而面临越来越大的开采压力，某些地区已严格限采；而以开发可循环利用的浅层地热能的热泵技术在有关部门的大力支持下，正迎来它的快速发展阶段。
天津地矿珠宝公司改燃工程中成功地采用深部地层储能反季节循环利用新技术，解决了面积约6200m2建筑物的冬季用热、夏季用冷要求。其开凿了一对井深约200m的同层采灌对井（井距34m），利用浅层地热能（上更新世Q3地层20～100m、水温14℃；中更新世Q2地层110～140m、水温15.5℃；190～230m、水温18℃），通过地下水作为载体联系深部储能地层和地上换能设备系统进行能量转换，采、灌量稳定在40～50m3/h，基本达到平衡。系统建成后运行工况表明：尽管冬、夏季室外温度变化幅度较大，但室内温度在冬季控制在20℃左右，在夏季控制在26℃左右，不仅能完全满足工程不同季节温度要求，而且每年可节约运行费用约27万元，增加写字楼及宾馆收入约50万元；同时每年减少二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和煤尘等污染物的排放量分别约4800kg、1400kg、120m3和1100kg，经济效益、环境效益相当显著。
天津市中心海河商贸区古文化街。工程采用三眼900～1000m深井作为热源井、三眼400～450m的浅井作为冷源井组成三个异层采灌井组，对井井距5m，三个井组，三角形布置，每组相距270m。夏季抽浅井中第四含水组的冷水水温为19～20℃，通过热泵制冷，38℃的尾水灌入深井储热；冬季抽深井明化镇组热储层的地热水、水温为36～41℃，通过热泵供热，9℃的尾水回灌入浅井储冷。该项目已安全运行近两年，效果良好。虽说这种异层采灌还是个新鲜事物，但它通过一采一灌实现采补平衡，实现反季节储能，不仅使宝贵的地热资源得到可持续性利用，通过*回灌压力控制地面沉降，还可充分利用地表浅层中温度较低的地热能与高温的地热水进行循环供暖制冷，是循环经济的真正体现。
5 浅层地热能利用中存在的问题及对策
利用地球表层恒温层的特性，对人类的生存和活动进行有意义的应用开发，是利用地温资源的主要目的。开发利用地热资源，主要是以水（或流体介质）为载体，通过直接开采回灌地下水或人工灌注循环与地层换热得以利用。
国内外浅层地下水传统的能量采集方式为对井抽灌，优点在于抽水井的水温在热泵运行周期内基本保持稳定，可使热泵机组接近在额定负荷下运行。但是，对井或多井抽灌不仅仅钻井数量增多，其缺点主要回灌率较低，而易地回灌改变地下水的分布，容易产生移砂淤井的现象（特别是钻孔成井工艺较差的施工，地下水含砂量超标时，一个采暖期数十万吨水循环，带走泥砂可达数吨以上）。为克服地下水回灌难的缺点，有关科研部门已结合实践自主研制了“单井抽灌”技术，该浅层地能（热）采集技术已广泛应用于各种类型的建筑供暖（冷）三联供工程中，在全国已达200万m2，取得了良好的效果。目前，国内外在采集浅层土壤低温热量方面已做了很多相关试验和研究。采集方式主要有三种形式：水平埋管（直管，螺旋管）、垂直埋管（U型管，螺旋盘管套管）、基桩埋管（与建筑物基桩做成一个整体）［3］。
6 浅层地热能开采中的注意事项
地表水（江、河、湖、海等）低温能量的采集虽然很方便，但受气候的影响，温度变化很大，特别是北方寒冷地区，水温和气温却很低，能量采集必须要考虑结冰防冻问题，同时由于温度过低，热泵系统的能效比（COP值）降低并同时影响其额定热输出功率。浅层地能（地下水和土壤）的能量采集虽然不如地表水方便，但是其低温能量相对很稳定，温度水平略高于当地气候的年平均温度，春夏秋冬基本恒定，只要能量采集的工艺手段恰当合理，热泵系统的能量平衡是相对稳定的。
浅层地热能虽然储量巨大，四季可再生，但对于具体的地域不同的水文地质条件，其开发利用还是要有选择的，什么场合适合于浅层地下水低温能量的采集，什么场合适合于土壤低温能量的采集，采集的规模多大，用何种方式，开发利用不能过度，否则不仅影响经济性、安全性，还会造成地下水文地质条件的破坏。因此在工程配套设计施工中不仅仅要从能量的稳定合理的采集考虑，还要特别注意环境效益，不污染地下水，不破坏地下地质结构，保护地下水资源［1］，注意下列各方面：
（1）采集地热能时，要做到只用其热、不耗其水，用热后必须全部回灌，并监控回灌的实施。
（2）地下水采集井深度*在地表浅层400m以内，远离400m以下的国家二级水质区域，保护生活饮水区，根据具体的水文地质条件确定打井深度，尽可能采用地下百米以内的浅层地下水。采用地下水源热泵时，水源的选择应为：水量充足，水温适当，水质良好，供水恒定，易于回灌。具体应考虑：地下水取水深度多在100m以内、各含水层厚度一般应大于5m、冬季地下水温应不低于10℃、地下水含沙量小。
（3）尽可能的就近回灌，在不影响热动力工况下，应积极推广“单井抽灌”技术，不具备“单井抽灌”条件的可采用对井抽灌，对井位置应远离城市区域供水站（距离应大于100m）且应设置在其下游区，且回灌井应设置在抽水井的上游区，井距应在10～20m以上，回灌井深度不宜接近地下生活饮水区，一般与抽水井深度相当（同层回灌），同时循环系统严格封闭，密切监控回灌水质，严防被污染，防止移砂、抽空和淤塞。
（4）对于一抽一灌、一抽多灌的对井和多井要严格审批，*打井数量，禁止过度开采地下水，杜绝水资源的浪费污染，有效合理的利用地下水资源。
（5）井间距和井与建筑物的相对位置要设计合理，系统采用大温差小流量，以降低动力消耗。
参考文献
［1］程韧.浅层地能（热）的开发与利用.2005
［2］段金平.北京将推广利用浅层地温.中国地质环境信息网地勘导报.2005
