0 引言

 

  泰州地處江蘇中部、長江沿岸，是一個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)及地?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)。

  1 地質(zhì)背景

 

  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 個點(diǎn)共施工了6 個鉆孔 ，其中4 個鉆孔孔深為120 m 左右，2個鉆孔孔深為150 m 左右，均未揭穿第四紀(jì)地層。從工程地質(zhì)角度來看，整個區(qū)域分為4 個工程地質(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，合計送分析樣品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)計見表1。從表1 可以看出，整個區(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、形成時代、水力特征，將區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水分為5 個含水層組，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 個點(diǎn)的6 個現(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，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)動環(huán)路內(nèi)的液體按設(shè)定的流速不斷循環(huán)，同時儀器內(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)軟件來模擬計算巖土的熱物性參數(shù); 同時，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)估計法來計算土壤導(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)計時，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)地層各個方向均勻分布，熱量會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。縱向方向上，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源評價

 

  4． 1 評價計算方法

 

  計算垂直地埋管換熱系統(tǒng)淺層地?zé)崮?/a>可開采量時采用單位換熱量法，計算公式如下( DZ /T 0225—2009; 衛(wèi)萬順等， 2010b) :

 

  Dq = Dnτ

 

  式( 1) 中，Dq為評價區(qū)總地?zé)崮?/a>，kW; n 為可鉆換熱孔數(shù); τ 為土地利用系數(shù); D 為單孔地熱能，kW:

 

  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。

 

  地?zé)?/a>能提取利用系數(shù)設(shè)為32%( 參照北京) ，開發(fā)利用時間夏季和冬季各取120 天。

 

  4． 3 計算結(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

 

  冬季可開發(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)評價

 

  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)。

 

  5 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用建議

 

  ( 1) 泰州市夏季制冷和冬季供暖時間基本相當(dāng)，非常適合淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。以120 m 以淺計算，泰州市城市規(guī)劃區(qū)可合理開發(fā)利用的淺層地?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。