隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展,城鎮(zhèn)不斷擴張,能源需求量也逐年增大。經(jīng)濟發(fā)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(jīng)濟發(fā)展的同時實現(xiàn)節(jié)能減排任務是今后很長時間段內(nèi)我國政府工作的重點。在碳捕獲技術(shù)尚未大規(guī)模應用的前提下,節(jié)能力度亟需加強,推進能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(tǒng)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(nèi)部的天然熱能,是一種可再生的新型環(huán)保能源,有著清潔、穩(wěn)定、高效、安全等優(yōu)勢,節(jié)能減排效果顯著,在未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中潛力巨大,適合在各種建筑工業(yè)中推廣使用。

成都市作為城鎮(zhèn)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(qū)的能源需求,節(jié)能減排和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整壓力巨大, 向地下要空間、要資源是城市發(fā)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(jīng)濟效益和環(huán)境監(jiān)測的分析研究較少,成果尚不多見,有必要進一步開展總結(jié)研究工作。 大力開發(fā)利用淺層地熱能等綠色能源,有助于成都市發(fā)展綠色、低碳和循環(huán)經(jīng)濟,對優(yōu)化成都市現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、促進節(jié)能減排戰(zhàn)略目標實現(xiàn)具有非常重要的現(xiàn)實意義。本文總結(jié)前人研究成果,論述成都市淺層地熱能資源稟賦、開發(fā)利用現(xiàn)狀,分析發(fā)展制約因素并提出建議。

1  研究區(qū)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(qū)海拔小于1 000 m。 成都市轄20個縣級行政區(qū)劃單位,包括12個區(qū)、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(jié)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(qū)面積約5 800 km2,是建設用地規(guī)模較大區(qū)域,包括市區(qū)及主要衛(wèi)星城區(qū);成都市核心區(qū)面積約2 446 km2, 包含“中優(yōu)”地區(qū)、天府新區(qū)核心區(qū)、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(jīng)濟發(fā)展區(qū)和人口密集區(qū)。

2.1  資源總量估算

成都市核心區(qū)淺表層(20 m以內(nèi))水溫比較穩(wěn)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(nèi)成都淺層地熱能總熱容量為13.08×101 4 kJ·℃ -1。

成都市核心區(qū)200 m以淺平均地層地溫為18.59~ 19.76℃;李強等(2023)根據(jù)地形地貌、地層巖性特點及地熱響應實驗結(jié)果數(shù)據(jù)對核心區(qū)熱物性參數(shù)進行了分區(qū), 其中中部平原區(qū)平均熱導率為1.89~2.95 W·m- 1·℃ -1,龍泉山西部前緣臺地區(qū)平均熱導率為2.04~3.06 W·m- 1·℃ -1,龍泉山東部紅層丘陵區(qū)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(tǒng)換熱功率計算采用水量折算法,地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率計算采用熱傳導法,在考慮土地利用系數(shù)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(qū)需根據(jù)DZ/T 0225—2009《淺層地熱能勘察評價規(guī)范》的要求,結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、水化學和水動力條件以及地質(zhì)環(huán)境條件分層次、多指標建立評價體系。經(jīng)分析:成都市重點區(qū)適宜地下水地源熱泵范圍主要包括中心城區(qū)的西北部平原區(qū)和平原沖積扇前部區(qū),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(qū)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(fā)利用潛力進行評價,成都市核心區(qū)在考慮土地利用系數(shù)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(guī)化石能源進行估算,成都市使用淺層地熱能每年經(jīng)濟價值約為60 794.03萬元,節(jié)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(jié)能減排效益十分可觀。

3  成都市淺層地熱能利用現(xiàn)狀

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件,淺層地熱能主要存在地下水換熱系統(tǒng)、地埋管換熱系統(tǒng)兩種換熱方式,淺層地熱能開發(fā)利用主要受控于恒溫層分布及地層熱響應特征。成都地區(qū)夏熱冬冷,淺層地熱能開發(fā)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(jié)構(gòu),也有少部分采用地板采暖。淺層地熱能的開發(fā)利用已廣泛應用于各類建筑,包括公共建筑(辦公樓、學校、醫(yī)院)、商業(yè)設施(商場、酒店)、居住建筑（別墅、住宅小區(qū))以及文化場館(展覽館)等。

成都市淺層地熱能開發(fā)利用以地下水地源熱泵為主,地埋管地源熱泵為輔。據(jù)不完全統(tǒng)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(yī)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(qū)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(fā)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(fā)利用起步晚,規(guī)模小,淺層地熱能開發(fā)相對滯后。

4  成都市淺層地熱能發(fā)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(fā)利用發(fā)展迅速,全國地源熱泵市場規(guī)模已躍居世界前列。成都市淺層地熱能資源量豐富,但開發(fā)利用程度較低。目前全市淺層地熱能開發(fā)利用面積約270萬m2,僅占可開發(fā)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(guī)模化、系統(tǒng)化、規(guī)范化的發(fā)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(zhì)及氣候因素

1)成都市地質(zhì)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(zhì)條件呈片塊狀、條帶狀廣泛分布于成都市城鎮(zhèn)建設開發(fā)區(qū)內(nèi),增加了淺層地熱能資源開發(fā)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(qū)域單井涌水量可達1 000~2 000 m3·d -1,是發(fā)展地下水地源熱泵工程的優(yōu)質(zhì)含水層;但在富水卵礫石區(qū)施工可能引起地質(zhì)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞、地下水降排水困難、盾構(gòu)施工掘進難度大等工程地質(zhì)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(gòu)筑物產(chǎn)生化學腐蝕,同時鈣芒硝地層本身會因溶解作用發(fā)生物理溶蝕,持續(xù)的溶蝕過程導致巖層孔隙擴大,形成空腔區(qū),大面積空腔區(qū)會引發(fā)地面沉降或地面塌陷等災害。

2) 成都市淺層地熱能資源調(diào)查工作基本以普查為主,尚未達到精細化開發(fā)利用程度,且有關(guān)數(shù)據(jù)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(qū)和核心區(qū),對于成都市全域的資源量調(diào)查和勘察不足。資源勘查評價與開發(fā)利用工作的脫節(jié),可能導致個別工程存在一定的盲目性,出現(xiàn)開發(fā)利用方案制定缺乏科學依據(jù),方式與規(guī)模和當?shù)刭Y源條件不匹配等問題。

3) 氣象學上,平均氣溫連續(xù)5 d高于22℃則為夏季,平均溫度連續(xù)5 d低于10℃為冬季。成都市區(qū)近10 a 夏季天數(shù)平均1 12.5 d,冬季天數(shù)平均91 d。但成都夏季溫度高于30℃的天數(shù)約 60~80 d,冬季溫度低于10℃的天數(shù)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(huán)境造成影響的因素和環(huán)節(jié),普遍缺乏科學監(jiān)測和評估,無法及時準確評定環(huán)境影響程度和科學評估其節(jié)能效率,不利于淺層地熱能合理、可持續(xù)開發(fā)。

4.2  技術(shù)及社會因素

1)淺層地熱能開發(fā)利用涉及土壤學、傳熱傳質(zhì)學、 建筑材料學、鉆井技術(shù)、熱泵技術(shù)等多個學科和技術(shù)環(huán)節(jié),其開發(fā)利用方式、系統(tǒng)設計受當?shù)厮摹?a href="http://www.d-wolvesjeans.com.cn/t/地質(zhì).html" >地質(zhì)、氣候等條件的制約,影響因素眾多。我國地下?lián)Q熱計算理論不成熟、能滿足多種需求的地源熱泵系列產(chǎn)品尚未形成;同時,南方地區(qū)普遍缺乏淺層地熱能資源與地源熱泵供暖空調(diào)設計的復合型人才,工程達不到預期目標、 質(zhì)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(nèi)大多數(shù)人對淺層地熱能熱泵開發(fā)利用的認知程度低,仍停留在溫泉洗浴、地熱發(fā)電等領(lǐng)域,對于開發(fā)淺層地熱能并沒有具體概念甚至存在誤區(qū)。有調(diào)查報告顯示,調(diào)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(fā)利用的僅22.5%;另一項調(diào)研報告顯示,在南方地區(qū)使用傳統(tǒng)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(diào)研中,仍有5 1%的家庭依舊傾向于使用傳統(tǒng)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(qū)淺層地熱能開發(fā)利用與傳統(tǒng)常規(guī)能源相比競爭優(yōu)勢不明顯。

3) 淺層地熱能工程通常在地表0~100 m,與城市經(jīng)濟發(fā)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(fā)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(guī)模發(fā)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(fā)空間遍布成都市城鎮(zhèn)建設區(qū)范圍內(nèi),缺乏淺層地熱能資源主管部門和相應的規(guī)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(fā)利用效率。

4.3  經(jīng)濟因素

1)北方地區(qū)城市冬季通常采用集中供暖模式,大部分地區(qū)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(tǒng)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(qū)。

2)2022年成都市家庭現(xiàn)金收入每戶每年為 64 575.64元,城鎮(zhèn)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(tǒng)計局,2023);若按照每戶家庭3臺空調(diào)、10年更換一次,則空調(diào)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(fā)利用初始資金需求量較大,費用包括地質(zhì)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(jié)論及建議

5.1  結(jié)論

1)成都市淺層地熱能資源稟賦良好,開發(fā)潛力巨大。核心區(qū)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(qū)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(jīng)濟價值約為60 794.03萬元,節(jié)煤量169萬t,節(jié)能減排效益十分可觀。

2) 成都市淺層地熱能開發(fā)利用制約因素眾多,如: 不良地質(zhì)條件增加開發(fā)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?lián)Q熱理論不成熟、開發(fā)技術(shù)有待提高等,這些因素共同導致成都市淺層地熱能開發(fā)利用起步晚、應用規(guī)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(jié)合,地源與空氣源組合等多能互補方式開發(fā)淺層地熱能。如:西部山區(qū)水源地,可采用地埋管地源熱泵與地表水地源熱泵相結(jié)合開發(fā);中心城區(qū)可以優(yōu)先考慮地埋管地源熱泵開發(fā)模式;對于溫江、郫都區(qū)等地下水豐富地區(qū)可以采用地下水地源熱泵結(jié)合空氣源熱泵的組合方式開發(fā),既降低了開發(fā)成本且換熱性能相對穩(wěn)定,同時可以避免因過度的取冷導致區(qū)內(nèi)巖土層和地下水溫度改變而引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題。

3) 未來成都市淺層地熱能開發(fā)利用應結(jié)合國土空間規(guī)劃、城市建設規(guī)劃等政策,實施新區(qū)集中開發(fā)、舊區(qū)改造分散開發(fā)模式,因地制宜、分片區(qū)開發(fā)。如:中心城區(qū)已建設區(qū)域可分散開發(fā)使用地埋管地源熱泵,老舊城區(qū)連片改造可以集中配套淺層地熱能;新開發(fā)的工業(yè)區(qū)、科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)、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(wèi)星城區(qū)推廣使用淺層地熱能,從城鎮(zhèn)建設用地選址和規(guī)劃階段就將淺層地熱能適宜性納入規(guī)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(guī)章制度,規(guī)范成都市淺層地熱能開發(fā)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(diào)整能源結(jié)構(gòu),探索成都模式。