重慶市淺層地溫能開發(fā)利用及監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

朱世保,彭清元,劉 剛,何 源,李雙財(cái)

(重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì), 重慶 401121)

0 引 言

淺層地溫能也稱淺層地?zé)崮?，是指蘊(yùn)藏在地下0～200 m范圍以內(nèi)的、溫度低于25 ℃的具有開發(fā)利用價(jià)值的地?zé)崮?。具有可循環(huán)再生、清潔環(huán)保、分布廣泛、儲(chǔ)量巨大、埋藏較淺、可就近開發(fā)利用等特點(diǎn)。重慶市淺層地溫能的開發(fā)利用一般采用地源熱泵系統(tǒng)、地表水源熱泵系統(tǒng)等形式。

近年來，低碳環(huán)保的新能源利用越來越受到國際國內(nèi)的重視，淺層地溫能的開發(fā)利用蓬勃發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2016年，我國應(yīng)用淺層地溫能的建筑物面積已達(dá)5億m2，但開發(fā)利用效果如何，對(duì)環(huán)境影響如何，是否帶來一系列地質(zhì)環(huán)境影響等問題亟待解決[1]。近些年，華東、華北地區(qū)淺層地溫能的應(yīng)用和研究發(fā)展較快，北京、天津、上海、南京等地已經(jīng)開展了淺層地溫能的監(jiān)測(cè)工作，建立了淺層地溫能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。作為既特殊又典型的南方基巖地區(qū)，重慶市淺層地溫能的開發(fā)利用剛剛起步，近年來也完成了大量淺層地溫能的基礎(chǔ)地調(diào)和相關(guān)科研工作，也成功的開展了一些應(yīng)用示范項(xiàng)目，但對(duì)于淺層地溫能系統(tǒng)能效、地溫監(jiān)測(cè)、環(huán)境影響監(jiān)測(cè)等還并未開展，僅僅對(duì)個(gè)別項(xiàng)目進(jìn)行了簡單的能效測(cè)評(píng)。根據(jù)2017年1月國家發(fā)展改革委、國家能源局和國土資源部三部委聯(lián)合發(fā)布的《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》的通知，重慶市在十三五期間將作為淺層地溫能重點(diǎn)推廣地區(qū)，將新增3 700萬m2的淺層地溫能應(yīng)用面積(占新建建筑面積50%以上)，開發(fā)利用前景將迎來契機(jī)，因此，筆者結(jié)合重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)開展的重慶市淺層地溫能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示范工程建設(shè)，分析總結(jié)其研究成果，為淺層地溫能在重慶地區(qū)的合理開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐，將具有極其重要和深遠(yuǎn)的意義。

1 淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代初，世界上出現(xiàn)了第一次能源危機(jī)，淺層地溫能開發(fā)利用開始受到世界各國重視，基于淺層低溫能開發(fā)利用的地源熱泵技術(shù)研究及應(yīng)用迎來了發(fā)展高潮。到20世紀(jì)80年代后期，地源熱泵技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。目前，美國是世界上地源熱泵主機(jī)生產(chǎn)和使用的頭號(hào)大國，瑞士、挪威是世界上地源熱泵應(yīng)用人均比例最高的國家，應(yīng)用比例高達(dá)96%。

近年來，我國在淺層地溫能應(yīng)用方面有了較大發(fā)展，全國利用淺層地溫能進(jìn)行建筑物供暖制冷的面積已達(dá)5億多平方米，每年正以約20%的速度增長，主要集中在我國華北和東北南部地區(qū)，占全國的80%。其中如北京市(4 000萬m2)、山東(3 000萬m2)、河南(2 200萬m2)、沈陽市(6 000萬m2)等地利用較好。根據(jù)《中國城市地質(zhì)調(diào)查報(bào)告(2017)》顯示：全國337個(gè)主要城市淺層地溫能可開采資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤7億t，可實(shí)現(xiàn)建筑物供暖制冷面積320億m2。從建筑類型看，淺層地溫能供暖制冷現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于集中辦公區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、賓館、集中住宅等。隨著社會(huì)對(duì)這一供暖制冷方式的接受，今后利用淺層地溫能進(jìn)行建筑物供暖制冷的使用面積將會(huì)大幅增長。

目前，淺層地溫能在重慶市正處于大力度的推廣和工程實(shí)施的起步階段。2008年，重慶市出臺(tái)了《重慶市建筑節(jié)能條例》，將可再生能源作為首要的技術(shù)來進(jìn)行推動(dòng)發(fā)展。在2007—2008年期間，重慶市建委先后兩次組織實(shí)施的可再生能源建筑應(yīng)用示范工程項(xiàng)目，由于示范效果良好，2009年底，重慶市被我國財(cái)政部、住房部和城鄉(xiāng)建設(shè)部確定為“可再生能源建筑應(yīng)用全國示范城市”。2017年8月，重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)和重慶市財(cái)政局聯(lián)合印發(fā)了《重慶市可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目和資金管理辦法》(渝建發(fā)〔2017〕32號(hào))的通知，對(duì)可再生能源示范工程給予財(cái)政專項(xiàng)補(bǔ)助資金補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)做了相應(yīng)規(guī)定。

截止2016年底，據(jù)統(tǒng)計(jì)重慶市共建成淺層地溫能開發(fā)利用項(xiàng)目約40余個(gè)，應(yīng)用面積約515萬m2，落后于北方、長江中下游甚至貴州、南寧等南方城市。重慶市目前執(zhí)行的政府財(cái)政補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為：按淺層地溫能供熱制冷面積計(jì)算，公共建筑補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為50元/m2，居住建筑補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為30元/m2。通過能效檢測(cè)，節(jié)能效果顯著，夏季空調(diào)制冷時(shí)地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的能效比達(dá)到3.5以上，較常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能30%～40%之間。根據(jù)統(tǒng)計(jì)及收集重慶市淺層地溫能已建和在建應(yīng)用項(xiàng)目見表1。

表1 重慶市淺層地溫能已建和在建應(yīng)用項(xiàng)目Table 1 The completed and constructed projects of shallowgeothermal energy in Chongqing

通過對(duì)部分已運(yùn)行的淺層地溫能系統(tǒng)工程的能效測(cè)試顯示：夏季工況下，地表水地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的能效比均達(dá)到3.3以上，普遍為4.1～4.5；地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的能效比均達(dá)到3.5以上，普遍超過4.0。冬季工況下，地表水地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的能效比基本達(dá)到3.0以上；地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的能效比均達(dá)到3.0以上，不少工程超過了4.0，表現(xiàn)出了顯著的節(jié)能效果[2-3]。

2 淺層地溫能基礎(chǔ)工作現(xiàn)狀及成果

2.1 基礎(chǔ)工作

近年來，中國地調(diào)局、中國地質(zhì)科學(xué)院、重慶市國土局等上級(jí)主管部門安排重慶地勘局南江地質(zhì)隊(duì)完成了多個(gè)淺層地溫能基礎(chǔ)地調(diào)和科研項(xiàng)目，其中：重慶淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目4個(gè)，資金1 170.98萬元(其中中央財(cái)政資金950萬元，市級(jí)地質(zhì)勘查專項(xiàng)配套資金220.98萬元，分別見表2、表3)；科研項(xiàng)目12個(gè)，資金420余萬元(其中市國土房管局安排280萬元，其它部門安排140萬元)。通過上述項(xiàng)目的實(shí)施，積累了一定的科學(xué)數(shù)據(jù)，研制了相關(guān)測(cè)試儀器，培養(yǎng)了有關(guān)技術(shù)及施工人員。加上重慶大學(xué)等單位的相關(guān)研究，為進(jìn)一步開展淺層地溫能的監(jiān)測(cè)和規(guī)模化利用，提供了較好的基礎(chǔ)。

表2 已完成中國地調(diào)局調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目Table 2 The completed investigation and evaluation project ofChina Bureau of Regulation

表3 已完成市級(jí)地質(zhì)勘查專項(xiàng)資金項(xiàng)目Table 3 The completed municipal geological prospecting specialfund project

通過開展以上兩個(gè)項(xiàng)目的調(diào)查[4-5]，查明了重慶市主城區(qū)及主要城市的淺層地溫能分布特點(diǎn)和賦存條件，評(píng)價(jià)了淺層地溫能資源量及開發(fā)利用潛力，編制了淺層地溫能開發(fā)利用適宜性區(qū)劃，為淺層地溫能合理開發(fā)利用和保護(hù)提供了依據(jù)。

為促進(jìn)節(jié)能減排，改善現(xiàn)在的能源結(jié)構(gòu)，國家能源局、國土資源部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等相關(guān)部門先后印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用的指導(dǎo)意見》、《國土資源部關(guān)于大力推進(jìn)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的通知》、《國土資源部辦公廳關(guān)于做好“應(yīng)對(duì)全球氣候變化地質(zhì)響應(yīng)與對(duì)策”有關(guān)工作的通知》等相關(guān)文件，重慶市國土局根據(jù)以上文件及相關(guān)會(huì)議要求，于2009—2016年，先后下達(dá)淺層地溫能市級(jí)地質(zhì)勘查專項(xiàng)資金項(xiàng)目3項(xiàng)(見表3)，市國土局、市建委和市科委相繼下達(dá)相關(guān)科技計(jì)劃項(xiàng)目合計(jì)11項(xiàng)(見表4)。

表4 已完成科研項(xiàng)目Table 4 The completed research project

2.2 主要成果

從以上地調(diào)項(xiàng)目以及科研項(xiàng)目所取得的成果可見，重慶屬基巖山區(qū)，巖石熱物理性能較好，變溫層厚度在15～20 m，變溫層之下為恒溫層，開發(fā)深度一般150 m以內(nèi)，平均溫度在19.0 ℃左右，資源較為豐富，開發(fā)利用條件較好。據(jù)調(diào)查估算，全市100 m以淺淺層地溫能資源可供空調(diào)面積約為7.7億m2。主城區(qū)淺層地溫能適宜及較適宜區(qū)占總面積95%以上；重慶市重點(diǎn)城市(如萬州、永川、合川、涪陵等區(qū)級(jí)城市)淺層地溫能適宜及較適宜區(qū)占總面積80%以上[6]。

3 淺層地溫能監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

從國外來看，淺層地溫能監(jiān)測(cè)尚無突出的試點(diǎn)成果，國內(nèi)如北京、天津、上海、南京等地已開展了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，監(jiān)測(cè)方法主要有系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)、地溫監(jiān)測(cè)、巖土體熱影響半徑監(jiān)測(cè)、地質(zhì)環(huán)境影響監(jiān)測(cè)(地溫場、地下水位、水質(zhì))。

在重慶，據(jù)統(tǒng)計(jì)截止2016年底已完成淺層地溫能地溫監(jiān)測(cè)站10個(gè)左右,但是重慶市已完成的淺層地溫能示范項(xiàng)目40余個(gè)[1,7]，僅在個(gè)別地源熱泵項(xiàng)目進(jìn)行了能效測(cè)評(píng)，并未進(jìn)行長期的能效監(jiān)測(cè)。對(duì)于地溫和環(huán)境影響監(jiān)測(cè),在重慶市除了重慶市地勘局南江地質(zhì)隊(duì)建立了一個(gè)試點(diǎn)外也沒有廣泛的開展相關(guān)工作。

筆者以重慶地勘局南江地質(zhì)隊(duì)監(jiān)測(cè)站為例[8],該監(jiān)測(cè)站位于重慶市渝北區(qū)新牌坊南江地質(zhì)隊(duì)人和基地內(nèi)，該監(jiān)測(cè)站分別由野外監(jiān)測(cè)站和系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)站組成,該站野外監(jiān)測(cè)站部分建立了一口地溫科學(xué)觀測(cè)孔，孔深100 m，為西南地區(qū)首個(gè)針對(duì)淺層地溫能開發(fā)利用的地下溫度常年觀測(cè)站。該野外監(jiān)測(cè)站由地溫場傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸儀、供電設(shè)備、數(shù)據(jù)處理模塊、傳輸電纜、防護(hù)裝置等構(gòu)件組成。設(shè)備安裝調(diào)試后，能獨(dú)立、完整運(yùn)行的野外遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)站具有測(cè)試精度高、穩(wěn)定性好、工作周期長、功耗低、低溫適應(yīng)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸安全可靠等特點(diǎn)，并能夠同時(shí)測(cè)量多路熱敏電阻溫度傳感器的傳感信號(hào)，定時(shí)自動(dòng)采集和自動(dòng)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。自動(dòng)采集設(shè)備根據(jù)設(shè)置好的采集頻率定時(shí)自動(dòng)采集上傳地溫?cái)?shù)據(jù)，每次采集完成后將采集到的地溫?cái)?shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器。也可以根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)更改采集時(shí)間、采集間隔、數(shù)據(jù)傳送頻率等參數(shù)。

設(shè)備運(yùn)行電源為太陽能發(fā)電、蓄電系統(tǒng)，在現(xiàn)場監(jiān)測(cè)儀器中設(shè)置了防雷設(shè)備(包括儀器保護(hù)箱防雷、天線防雷、傳感器防雷、串口通訊防雷等)，以保證現(xiàn)場監(jiān)測(cè)設(shè)備的有效防雷。

該監(jiān)測(cè)站將地溫監(jiān)測(cè)采集技術(shù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸與控制技術(shù)、太陽能應(yīng)用、GPRS網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)用于了淺層地溫能開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域，成功解決了高精度測(cè)溫及供電、GPRS網(wǎng)絡(luò)通信等關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸采用遠(yuǎn)程全自動(dòng)采集，大大減輕了淺層地溫能監(jiān)測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了監(jiān)測(cè)費(fèi)用。系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢(shì)包括低功耗(電池采用太陽能電池板供電)、設(shè)備全部封裝(僅露偽裝成標(biāo)志樁的天線)、適應(yīng)惡劣環(huán)境，非常適宜于野外環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

重慶市南江地質(zhì)隊(duì)集資樓地源熱泵系統(tǒng)作為典型的能效監(jiān)測(cè)站，其系統(tǒng)分為地源熱泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地源熱泵控制系統(tǒng)兩部分。

地源熱泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括機(jī)房監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。機(jī)房監(jiān)測(cè)系統(tǒng)又包括空調(diào)系統(tǒng)水溫監(jiān)測(cè)、室內(nèi)外溫濕度監(jiān)測(cè)、流量監(jiān)測(cè)、電量監(jiān)測(cè)等子系統(tǒng)。地源熱泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組參量遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、地溫遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、能效動(dòng)態(tài)分析；并通過數(shù)據(jù)庫記錄系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，可隨時(shí)調(diào)用查看，并對(duì)異常情況能夠報(bào)警。

地源熱泵控制系統(tǒng)包括機(jī)房控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)、調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)。機(jī)房控制系統(tǒng)是在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，調(diào)節(jié)機(jī)組、水泵等相關(guān)設(shè)備的啟停，檢測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí)，可以及時(shí)報(bào)警；在運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)，控制系統(tǒng)能夠在調(diào)度中心遠(yuǎn)程控制相應(yīng)運(yùn)行模式下電動(dòng)蝶閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)冬夏季切換。同時(shí)檢測(cè)電動(dòng)蝶閥的開啟狀態(tài)，如有故障，立即報(bào)警。數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)可以把監(jiān)測(cè)的各種數(shù)據(jù)及處理數(shù)據(jù)上傳到指定的網(wǎng)站或數(shù)據(jù)庫。調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)可以全面的觀察系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境、運(yùn)行參數(shù)、節(jié)能效果等，并發(fā)出相關(guān)的指令。

南江集資樓地源熱泵系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)站的建設(shè)初期，地埋管換熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)孔及測(cè)溫點(diǎn)埋設(shè)與換熱孔施工同步完成，其測(cè)試分布如圖1。

圖1 地溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)試分布Fig. 1 Distribution pattern of ground temperature monitoringpoints

集資樓監(jiān)測(cè)站點(diǎn)共用熱敏電阻測(cè)溫元件62支，監(jiān)測(cè)用鉆孔為5個(gè)，分別監(jiān)測(cè)原始地溫全年變化，常年環(huán)境溫度變化，埋管換熱器運(yùn)行時(shí)地下巖土溫度變化和埋管換熱器保溫30 m后進(jìn)出口溫度的變化。其中測(cè)溫電阻在原始地溫監(jiān)測(cè)孔的布置為地下15 m范圍內(nèi)每米安置一個(gè)，這樣能夠準(zhǔn)確得到重慶地區(qū)變溫帶的深度。監(jiān)測(cè)孔布置情況如圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)孔布置情況Fig. 2 Layout of monitoring holes

其中，1#孔為雙U管裸孔，使用的傳感器號(hào)是25-1探頭，編號(hào)為L1—L25；2#孔為橡塑保溫孔，使用的傳感器號(hào)是4-1探頭，編號(hào)為b1-1、b1-2、b1-3、bw1；3#孔為橡塑保溫孔，使用的傳感器號(hào)是4-2探頭，編號(hào)為b2-1、b2-2、b2-3、bw2； 4#孔為雙U管，使用的傳感器號(hào)是14-2探頭，編號(hào)為S2-1—S2-14； 5#孔為雙U管，使用的傳感器號(hào)是14-1探頭，編號(hào)為S1-1—S1-14。這5個(gè)鉆孔的熱敏電阻可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，也可以對(duì)運(yùn)行方式和系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)做進(jìn)一步的分析。主要進(jìn)行不同深度地層溫度監(jiān)測(cè)、淺層地溫能項(xiàng)目應(yīng)用后地溫場變化監(jiān)測(cè)、淺層地溫能應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)、淺層地溫能應(yīng)用系統(tǒng)節(jié)能效果監(jiān)測(cè)等。

本項(xiàng)目的地源熱泵監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)分為機(jī)房監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、機(jī)房控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)和調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)4部分，如圖3、圖4。

圖3 地源熱泵監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig. 3 Network structure of ground source heat pumpmonitoring and control system

圖4 能效監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面Fig. 4 Main interface of monitoring system for energy efficiencymonitoring station

4 結(jié) 論

重慶市南江地質(zhì)隊(duì)集資樓淺層地溫能監(jiān)測(cè)站的建設(shè)為重慶市后續(xù)開展淺層地溫能監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)提供了范例，該監(jiān)測(cè)站已進(jìn)行了近6年的監(jiān)測(cè)，通過對(duì)各監(jiān)測(cè)站進(jìn)行的地溫監(jiān)測(cè)，得到以下結(jié)論：

1)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)(主城區(qū)1 681.51 km2)平均原始地溫一般在18.5～20.5 ℃，恒溫層在14～20.0 m，進(jìn)入恒溫層后大部分區(qū)域在60～80 m后平均地溫有明顯增減，增幅在0.5～2.0 ℃。

2)不同區(qū)域恒溫層平均地溫有所不同，與監(jiān)測(cè)點(diǎn)地形地貌、地下水活動(dòng)、地層巖性有一定關(guān)系。

3)針對(duì)淺層地溫能應(yīng)用項(xiàng)目地溫環(huán)境影響監(jiān)測(cè)的成果可以看出，重慶屬于夏熱冬冷地區(qū)，冬夏兩季空調(diào)負(fù)荷差異較大，極易造成地下熱堆積，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)輔以冷卻塔、生活熱水等措施加以平衡，以避免地下溫度數(shù)年升高，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運(yùn)行。

上述監(jiān)測(cè)成果為重慶市淺層地溫能合理開發(fā)利用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。將加快推動(dòng)淺層地溫能在重慶市的規(guī)?；瘧?yīng)用。