重慶市淺層地溫能開發利用及監測現狀

朱世保,彭清元,劉 剛,何 源,李雙財

(重慶市地質礦產勘查開發局南江水文地質工程地質隊, 重慶 401121)

0 引 言

淺層地溫能也稱淺層地熱能，是指蘊藏在地下0～200 m范圍以內的、溫度低于25 ℃的具有開發利用價值的地熱能。具有可循環再生、清潔環保、分布廣泛、儲量巨大、埋藏較淺、可就近開發利用等特點。重慶市淺層地溫能的開發利用一般采用地源熱泵系統、地表水源熱泵系統等形式。

近年來，低碳環保的新能源利用越來越受到國際國內的重視，淺層地溫能的開發利用蓬勃發展。據統計，截至2016年，我國應用淺層地溫能的建筑物面積已達5億m2，但開發利用效果如何，對環境影響如何，是否帶來一系列地質環境影響等問題亟待解決[1]。近些年，華東、華北地區淺層地溫能的應用和研究發展較快，北京、天津、上海、南京等地已經開展了淺層地溫能的監測工作，建立了淺層地溫能監測系統。作為既特殊又典型的南方基巖地區，重慶市淺層地溫能的開發利用剛剛起步，近年來也完成了大量淺層地溫能的基礎地調和相關科研工作，也成功的開展了一些應用示范項目，但對于淺層地溫能系統能效、地溫監測、環境影響監測等還并未開展，僅僅對個別項目進行了簡單的能效測評。根據2017年1月國家發展改革委、國家能源局和國土資源部三部委聯合發布的《地熱能開發利用“十三五”規劃》的通知，重慶市在十三五期間將作為淺層地溫能重點推廣地區，將新增3 700萬m2的淺層地溫能應用面積(占新建建筑面積50%以上)，開發利用前景將迎來契機，因此，筆者結合重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊開展的重慶市淺層地溫能監測系統示范工程建設，分析總結其研究成果，為淺層地溫能在重慶地區的合理開發利用提供數據支撐，將具有極其重要和深遠的意義。

1 淺層地溫能開發利用現狀

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

近年來，我國在淺層地溫能應用方面有了較大發展，全國利用淺層地溫能進行建筑物供暖制冷的面積已達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，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《中國城市地質調查報告(2017)》顯示：全國337個主要城市淺層地溫能可開采資源量折合標準煤7億t，可實現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已廣泛應用于集中辦公區、醫院、學校、賓館、集中住宅等。隨著社會對這一供暖制冷方式的接受，今后利用淺層地溫能進行建筑物供暖制冷的使用面積將會大幅增長。

目前，淺層地溫能在重慶市正處于大力度的推廣和工程實施的起步階段。2008年，重慶市出臺了《重慶市建筑節能條例》，將可再生能源作為首要的技術來進行推動發展。在2007—2008年期間，重慶市建委先后兩次組織實施的可再生能源建筑應用示范工程項目，由于示范效果良好，2009年底，重慶市被我國財政部、住房部和城鄉建設部確定為“可再生能源建筑應用全國示范城市”。2017年8月，重慶市城鄉建設委員會和重慶市財政局聯合印發了《重慶市可再生能源建筑應用示范項目和資金管理辦法》(渝建發〔2017〕32號)的通知，對可再生能源示范工程給予財政專項補助資金補助標準做了相應規定。

截止2016年底，據統計重慶市共建成淺層地溫能開發利用項目約40余個，應用面積約515萬m2，落后于北方、長江中下游甚至貴州、南寧等南方城市。重慶市目前執行的政府財政補貼標準為：按淺層地溫能供熱制冷面積計算，公共建筑補貼標準為50元/m2，居住建筑補貼標準為30元/m2。通過能效檢測，節能效果顯著，夏季空調制冷時地埋管地源熱泵系統運行的能效比達到3.5以上，較常規中央空調系統節能30%～40%之間。根據統計及收集重慶市淺層地溫能已建和在建應用項目見表1。

表1 重慶市淺層地溫能已建和在建應用項目Table 1 The completed and constructed projects of shallowgeothermal energy in Chongqing

通過對部分已運行的淺層地溫能系統工程的能效測試顯示：夏季工況下，地表水地源熱泵系統運行的能效比均達到3.3以上，普遍為4.1～4.5；地埋管地源熱泵系統運行的能效比均達到3.5以上，普遍超過4.0。冬季工況下，地表水地源熱泵系統運行的能效比基本達到3.0以上；地埋管地源熱泵系統運行的能效比均達到3.0以上，不少工程超過了4.0，表現出了顯著的節能效果[2-3]。

2 淺層地溫能基礎工作現狀及成果

2.1 基礎工作

近年來，中國地調局、中國地質科學院、重慶市國土局等上級主管部門安排重慶地勘局南江地質隊完成了多個淺層地溫能基礎地調和科研項目，其中：重慶淺層地溫能調查評價項目4個，資金1 170.98萬元(其中中央財政資金950萬元，市級地質勘查專項配套資金220.98萬元，分別見表2、表3)；科研項目12個，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)。通過上述項目的實施，積累了一定的科學數據，研制了相關測試儀器，培養了有關技術及施工人員。加上重慶大學等單位的相關研究，為進一步開展淺層地溫能的監測和規模化利用，提供了較好的基礎。

表2 已完成中國地調局調查評價項目Table 2 The completed investigation and evaluation project ofChina Bureau of Regulation

表3 已完成市級地質勘查專項資金項目Table 3 The completed municipal geological prospecting specialfund project

通過開展以上兩個項目的調查[4-5]，查明了重慶市主城區及主要城市的淺層地溫能分布特點和賦存條件，評價了淺層地溫能資源量及開發利用潛力，編制了淺層地溫能開發利用適宜性區劃，為淺層地溫能合理開發利用和保護提供了依據。

為促進節能減排，改善現在的能源結構，國家能源局、國土資源部、住房和城鄉建設部等相關部門先后印發了《關于促進地熱能開發利用的指導意見》、《國土資源部關于大力推進淺層地熱能開發利用的通知》、《國土資源部辦公廳關于做好“應對全球氣候變化地質響應與對策”有關工作的通知》等相關文件，重慶市國土局根據以上文件及相關會議要求，于2009—2016年，先后下達淺層地溫能市級地質勘查專項資金項目3項(見表3)，市國土局、市建委和市科委相繼下達相關科技計劃項目合計11項(見表4)。

表4 已完成科研項目Table 4 The completed research project

2.2 主要成果

從以上地調項目以及科研項目所取得的成果可見，重慶屬基巖山區，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，開發深度一般150 m以內，平均溫度在19.0 ℃左右，資源較為豐富，開發利用條件較好。據調查估算，全市100 m以淺淺層地溫能資源可供空調面積約為7.7億m2。主城區淺層地溫能適宜及較適宜區占總面積95%以上；重慶市重點城市(如萬州、永川、合川、涪陵等區級城市)淺層地溫能適宜及較適宜區占總面積80%以上[6]。

3 淺層地溫能監測現狀

從國外來看，淺層地溫能監測尚無突出的試點成果，國內如北京、天津、上海、南京等地已開展了監測系統的建設，監測方法主要有系統能效監測、地溫監測、巖土體熱影響半徑監測、地質環境影響監測(地溫場、地下水位、水質)。

在重慶，據統計截止2016年底已完成淺層地溫能地溫監測站10個左右,但是重慶市已完成的淺層地溫能示范項目40余個[1,7]，僅在個別地源熱泵項目進行了能效測評，并未進行長期的能效監測。對于地溫和環境影響監測,在重慶市除了重慶市地勘局南江地質隊建立了一個試點外也沒有廣泛的開展相關工作。

筆者以重慶地勘局南江地質隊監測站為例[8],該監測站位于重慶市渝北區新牌坊南江地質隊人和基地內，該監測站分別由野外監測站和系統能效監測站組成,該站野外監測站部分建立了一口地溫科學觀測孔，孔深100 m，為西南地區首個針對淺層地溫能開發利用的地下溫度常年觀測站。該野外監測站由地溫場傳感器、數據采集傳輸儀、供電設備、數據處理模塊、傳輸電纜、防護裝置等構件組成。設備安裝調試后，能獨立、完整運行的野外遠程自動監測站具有測試精度高、穩定性好、工作周期長、功耗低、低溫適應性強、自動化程度高、數據存儲和傳輸安全可靠等特點，并能夠同時測量多路熱敏電阻溫度傳感器的傳感信號，定時自動采集和自動上傳監測數據。自動采集設備根據設置好的采集頻率定時自動采集上傳地溫數據，每次采集完成后將采集到的地溫數據保存到存儲器。也可以根據實際需要隨時更改采集時間、采集間隔、數據傳送頻率等參數。

設備運行電源為太陽能發電、蓄電系統，在現場監測儀器中設置了防雷設備(包括儀器保護箱防雷、天線防雷、傳感器防雷、串口通訊防雷等)，以保證現場監測設備的有效防雷。

該監測站將地溫監測采集技術、監測數據傳輸與控制技術、太陽能應用、GPRS網絡通信等技術用于了淺層地溫能開發應用領域，成功解決了高精度測溫及供電、GPRS網絡通信等關鍵技術，數據傳輸采用遠程全自動采集，大大減輕了淺層地溫能監測人員的勞動強度，節約了監測費用。系統的顯著優勢包括低功耗(電池采用太陽能電池板供電)、設備全部封裝(僅露偽裝成標志樁的天線)、適應惡劣環境，非常適宜于野外環境的監測。

重慶市南江地質隊集資樓地源熱泵系統作為典型的能效監測站，其系統分為地源熱泵監測系統和地源熱泵控制系統兩部分。

地源熱泵監測系統包括機房監測系統和地溫監測系統。機房監測系統又包括空調系統水溫監測、室內外溫濕度監測、流量監測、電量監測等子系統。地源熱泵監測系統可實現空調機組參量遠程實時監測、地溫遠程實時監測、能效動態分析；并通過數據庫記錄系統運行參數，可隨時調用查看，并對異常情況能夠報警。

地源熱泵控制系統包括機房控制系統、數據上傳系統、調度中心監控系統。機房控制系統是在空調系統運行時根據系統運行參數，調節機組、水泵等相關設備的啟停，檢測到異常數據時，可以及時報警；在運行模式轉換時，控制系統能夠在調度中心遠程控制相應運行模式下電動蝶閥的開關，實現冬夏季切換。同時檢測電動蝶閥的開啟狀態，如有故障，立即報警。數據上傳系統可以把監測的各種數據及處理數據上傳到指定的網站或數據庫。調度中心監控系統可以全面的觀察系統運行的環境、運行參數、節能效果等，并發出相關的指令。

南江集資樓地源熱泵系統能效監測站的建設初期，地埋管換熱監測系統，監測孔及測溫點埋設與換熱孔施工同步完成，其測試分布如圖1。

圖1 地溫監測點測試分布Fig. 1 Distribution pattern of ground temperature monitoringpoints

集資樓監測站點共用熱敏電阻測溫元件62支，監測用鉆孔為5個，分別監測原始地溫全年變化，常年環境溫度變化，埋管換熱器運行時地下巖土溫度變化和埋管換熱器保溫30 m后進出口溫度的變化。其中測溫電阻在原始地溫監測孔的布置為地下15 m范圍內每米安置一個，這樣能夠準確得到重慶地區變溫帶的深度。監測孔布置情況如圖2。

圖2 監測孔布置情況Fig. 2 Layout of monitoring holes

其中，1#孔為雙U管裸孔，使用的傳感器號是25-1探頭，編號為L1—L25；2#孔為橡塑保溫孔，使用的傳感器號是4-1探頭，編號為b1-1、b1-2、b1-3、bw1；3#孔為橡塑保溫孔，使用的傳感器號是4-2探頭，編號為b2-1、b2-2、b2-3、bw2； 4#孔為雙U管，使用的傳感器號是14-2探頭，編號為S2-1—S2-14； 5#孔為雙U管，使用的傳感器號是14-1探頭，編號為S1-1—S1-14。這5個鉆孔的熱敏電阻可以監測系統運行時的數據，也可以對運行方式和系統安全經濟做進一步的分析。主要進行不同深度地層溫度監測、淺層地溫能項目應用后地溫場變化監測、淺層地溫能應用系統運行監測、淺層地溫能應用系統節能效果監測等。

本項目的地源熱泵監測與控制系統分為機房監測系統、地溫監測系統、機房控制系統、數據上傳系統和調度中心監控系統4部分，如圖3、圖4。

圖3 地源熱泵監測與控制系統網絡結構Fig. 3 Network structure of ground source heat pumpmonitoring and control system

圖4 能效監測站監測系統主界面Fig. 4 Main interface of monitoring system for energy efficiencymonitoring station

4 結 論

重慶市南江地質隊集資樓淺層地溫能監測站的建設為重慶市后續開展淺層地溫能監測網建設提供了范例，該監測站已進行了近6年的監測，通過對各監測站進行的地溫監測，得到以下結論：

1)監測區內(主城區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，進入恒溫層后大部分區域在60～80 m后平均地溫有明顯增減，增幅在0.5～2.0 ℃。

2)不同區域恒溫層平均地溫有所不同，與監測點地形地貌、地下水活動、地層巖性有一定關系。

3)針對淺層地溫能應用項目地溫環境影響監測的成果可以看出，重慶屬于夏熱冬冷地區，冬夏兩季空調負荷差異較大，極易造成地下熱堆積，需要在系統設計時輔以冷卻塔、生活熱水等措施加以平衡，以避免地下溫度數年升高，保證系統長期穩定的運行。

上述監測成果為重慶市淺層地溫能合理開發利用提供了基礎數據支撐。將加快推動淺層地溫能在重慶市的規模化應用。