天津市淺層地熱能開發利用試點工作成果淺析

田光輝，王 曦，林 黎，趙蘇民，宋美鈺，蔡 蕓，王 平

(天津地熱勘查開發設計院，天津 300250)

天津市淺層地熱能開發利用試點工作成果淺析

田光輝，王 曦，林 黎，趙蘇民，宋美鈺，蔡 蕓，王 平

(天津地熱勘查開發設計院，天津 300250)

為進一步推進淺層地熱能開發利用，總結探索調查評價與開發利用的工作模式，更好的指導全國工作。2009年至2010年，國土資源部和天津市聯合開展了“天津市淺層地熱能調查評價與開發利用”試點工作。以天津市淺層地熱能資源背景，分析地下水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統兩種方式的開發利用現狀及存在的主要問題，總結試點工作所取得的成果。天津試點工作成果，形成了可在全國推廣的淺層地熱能“資源調查模式”、“規劃編制模式”、“動態監測模式”、“工程示范模式”和“工作監管模式”。

淺層地熱能;地源熱泵;試點工作;經驗

淺層地熱能是指蘊藏在地表以下一定深度范圍內巖土體、地下水和地表水中具有開發利用價值的熱能(一般為200 m以內，溫度低于25℃的熱能)。它是一種清潔的可再生能源，具有總量大、可再生、安全可靠、環境效益顯著等特點。2006年1月1日起實施的《中華人民共和國可再生能源法》將淺層地熱能的開發利用明確列入鼓勵發展的新能源范圍之中。開發利用淺層地熱能對構建資源節約型和環境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現有能源結構、促進國家節能減排戰略目標的實現具有非常重要的意義。目前，北京、沈陽等地淺層地熱能的開發利用達到了一定的規模，其中沈陽應用淺層地熱能的面積已經超過4 300萬 m2，每年節煤151萬 t，減排CO2287萬 t，產生了較好的經濟效益和環境效益。

天津市處于華北平原東北部，平原區1萬多 km2范圍均覆蓋著200 m以上的松散沉積層，屬于暖溫帶半濕潤大陸與海洋過渡型季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季濕熱多雨，四季冷暖比較分明，恒溫層土壤溫度在13.5℃ ～15℃之間，這些條件對于開發利用淺層地熱能資源是非常有利的。同時，天津也是我國大規模開展地熱資源勘查工作最早的城市。上世紀70年代，在李四光的倡導下，天津市開展了地熱大會戰。至今已先后探明了王蘭莊、山嶺子等8個地熱田，熱流體可采儲量達到8 378萬m3/a。鑒于此，國土資源部選擇天津作為全國淺層地熱能調查評價與開發利用試點城市。本文對天津淺層地熱能的資源背景、開發利用現狀及問題、試點工作的主要內容和成果等進行了介紹。

1 資源背景

天津轄區面積為11 919.7 km2，除去775 km2的北部山區外，其余的廣大地區均覆蓋了松散的沉積層，平原區第四系地層厚度為300～450 m，地層以粘土、粉質粘土、淤泥質粘土為主，含水層巖性主要為細砂，部分為粗砂。第四系孔隙水劃分為四個含水組，三個含水亞組，即第Ⅰ含水組相當于全新統和上更新統(Ⅰ，Q 4+3)，包括淺層全淡水(位于全淡水區)和淺層淡水(位于有咸水區)兩個含水亞組，咸水亞組介于第Ⅰ、第Ⅱ含水組之間，淺部屬淺層水，深部具深層水特征。第Ⅱ含水組相當于中更新統(Ⅱ，Q 2)，第Ⅲ含水組大致相當于下更新統上段(Ⅲ，Q12)，第Ⅳ含水組相當于下更新統下段，在隆起區尚包括部分新近系含水層(Ⅳ，Q11+N2)。第Ⅰ含水組屬于淺層地下水系統，第Ⅱ－Ⅳ含水組屬深層地下水系統。

受基巖面起伏和斷裂構造的影響，蓋層平均地溫梯度介于2℃ ～8.3℃/100 m之間;地層溫度25℃處的最大埋深為600 m(寶坻斷裂以北地區除外)，最小為170 m。

天津市淺層地熱能資源十分豐富，潛力巨大，如果能夠科學合理的加以利用，必將為濱海新區和天津市的發展提供能源保障。

2 開發利用現狀

天津市開發利用淺層地熱能資源始于2000年，第一個淺層地熱能開發利用項目是天津東車輛段修所項目，服務面積為500 m2。經過近10年的發展，截止2010年5月，天津市共有淺層地熱能開發利用項目174個，總的服務面積達294.79萬 m2。其中地埋管地源熱泵系統132個，占總數的75.86%，服務面積183.27萬 m2，占總面積的62.17%;地下水地源熱泵系統42個，占總數的 24.14%，服務面積 111.52萬 m2，占總面積的37.83%。主要用于企事業單位、商場和展館、學校和醫院等建筑物的供暖和制冷，具體比例見圖1和圖2。

圖1 天津市地埋管地源熱泵系統各建筑類型利用面積百分比

圖2 天津市地下水地源熱泵系統各建筑類型利用面積百分比

從2000年開始，淺層地熱能開發利用項目逐年增加。其中地埋管地源熱泵系統由于其具有節能、環保、可靠、不需要消耗地下水等優勢，2003年以來該類項目增長較快(見圖3);而地下水地源熱泵系統需要豐富的地下水資源為基礎，對于天津這樣的缺水城市來說，它的推廣應用受到一定的制約，因此，近幾年增幅并不大(見圖4)。

3 存在的主要問題

雖然天津市淺層地熱能的開發利用規模在逐年增大，但在調查過程中也發現存在一些問題，只有及時發現這些問題和不足，采取相應的對策，才能更加合理、科學的開發利用淺層地熱能資源。

圖3 天津市歷年地埋管地源熱泵項目數量及服務面積統計圖

圖4 天津市歷年地下水地源熱泵項目數量及服務面積統計圖

3.1 缺乏對巖土體熱物性特征的了解，造成設計偏差

從調查的結果來看，大部分已建的地源熱泵工程都沒有開展現場熱響應試驗，而是應用經驗值或其他地區的巖土體熱物性參數代替。而巖土體的熱物性參數是設計地源熱泵系統的重要參數，它的準確與否直接影響到設計方案的合理性和經濟性。

3.2 施工隊伍良莠不齊，質量不能保證

從事地源熱泵工程的生產、設計、安裝與施工隊伍中的一些技術人員，對這項技術仍然處于不十分清楚的狀態。地源熱泵技術性較強，現在已經出現一些非正規專業的公司承攬地源熱泵工程，而做出的工程很難保證質量。例如，天津市平原區80%以上的面積都被咸水覆蓋，且咸水層較淺，在進行鉆探施工時，要對咸淡水界面進行特殊處理，以防止咸淡水串層，造成地下水污染，但在實際操作中，這一點往往被一些施工單位忽視;另外，合理的回填對于改善土壤側傳熱具有積極貢獻，但是，在實際操作中，由于回填存在一定難度，一些施工單位的回填率很低。這樣一來，不僅傳熱會由于空氣熱阻作用而明顯變差，而且對于保護地層結構、埋管換熱器應力釋放等也是十分不利的。

3.3 缺乏地溫及節能效果監測

近年來，天津建成了大量的地源熱泵系統，但尚未建立地源熱泵系統動態監測體系，缺少對地源熱泵系統中地溫、水位、水質等動態變化的監測，無法評價淺層地熱能開發利用對地質環境的影響;大多數地源熱泵系統中都沒有安裝必要的節能計量裝置，如溫度表、流量計、功率表等，使得項目的節能計算工作存在一定困難，同時也不便于管理部門的進一步節能評定工作。

3.4 淺層地熱能開發利用相關的政策、規范和標準較少

雖然目前天津淺層地熱能開發利用發展迅速，但在開發中仍然存在一些技術和經濟上的難題，有關淺層地熱能開發利用的政策、相關的規范和標準相對較少，導致市場不規范、管理不到位等問題。

4 試點工作成果

為進一步推進淺層地熱能開發利用，總結探索調查評價與開發利用的工作模式，更好指導全國的工作。2009年至2010年，國土資源部與天津市聯合開展了“天津市淺層地熱能資源開發利用試點工作”，試點工作分為5個專題:一是淺層地熱能資源調查評價;二是淺層地熱能資源開發利用規劃編制;三是淺層地熱能資源開發利用示范工程建設;四是淺層地熱能資源開發利用動態監測網建設;五是淺層地熱能資源開發利用政策研究。經過一年多的奮戰，試點工作順利完成，取得了豐碩的成果，具體如下:

(1)全面完成了天津市淺層地熱能資源調查，查明了天津市淺層地熱能分布特點和賦存條件，評價了資源量和開發利用潛力。計算出淺層地熱能的可利用資源量為1 748萬億千焦，冬季可供暖面積 13.4億 m2，夏季可制冷面積12.6億m2。每年淺層地熱能可利用資源量全部開發可節約標準煤5 974萬 t，扣除開采的電能消耗，可節約標準煤4 480萬 t，減少向大氣排放二氧化碳等1.17億 t，減少環境治理費用15.32億元。這一成果打破了以往認為全國淺層地熱能開發利用潛力僅為6 000萬 t至8 000萬 t標準煤的結論。

(2)在調查評價的基礎上，結合天津市社會經濟發展、城市建設和土地利用規劃，編制完成了天津市淺層地熱能資源開發利用規劃，劃定了開發適宜區，分別圈定了適宜地下水、地埋管開發方式的地區，提出了合理的開發利用規模。

(3)實施了梅江會展中心等10個具有代表性的淺層地熱能開發利用示范工程。通過示范工程建設，提出了工程建設與管理的標準和要求，為淺層地熱能開發利用規范化建設提供了依據。10個示范工程項目總供熱(制冷)面積約100萬m2，建成后每年可節約標準煤4萬 t，減少排放二氧化碳等10萬 t。

(4)建立了由11個動態監測站、1個監測中心和1個試驗基地組成的天津市淺層地熱能開發利用動態監測網，并起草了《天津市地埋管地源熱泵動態監測規程》。

五是為實現統一管理、科學規劃、有序開發、合理利用淺層地熱能資源，全面系統地開展了政策研究工作，完成了《淺層地熱能資源開發利用相關政策研究報告》和《關于推進天津市淺層地熱能開發利用工作的建議》。

5 結論

天津試點工作成果，得到了李克強副總理的重要批示:“天津試點的成果可喜，國土資源部要按已定部署聯合有關方面，繼續推動我國淺層地熱能調查評估和開發利用工作，開拓新型能源，推動低碳經濟發展”。

筆者相信，天津創建的“調查先行，規劃跟進，工程示范，監測到位，政策保障”工作經驗，必將對全國開展淺層地熱能工作起到重要的指導意義。

［1］DZ/T 0225－2009，淺層地熱能勘查評價規范［S］.

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［4］王秉忱，田廷山，趙繼昌，等.我國地溫資源開發與地源熱泵技術應用、發展及存在問題［J］.地熱能，2009，01:23 －27.

［5］師生，趙軍，王華軍.天津市建筑應用可再生能源項目調查報告［J］.中國建設信息供熱制冷，2007，07:16 －22.

［6］何崇智，張瑞權，劉世超，等.土壤源熱泵特征分析及其在天津地區的應用［J］.煤氣與熱力，2007，27(4):62 －64.

TV213.9

B

1004－1184(2012)01－0064－02

2011－06－20

田光輝(1980－)，男，河南周口人，工程師，主要從事水文地質、工程地質和熱儲工程研究工作。