達州主城區淺層地熱能潛力分析

陳 潤

（四川省煤田地質局一三七隊，四川 達州 635006）

淺層地熱能是蘊藏在地表以下一定深度范圍（200m以內）巖土體、地下水和地表水中具有開發利用價值的熱能，通過地源熱泵技術向地下巖土體中提取或釋放熱量，溫度低于25℃的低溫地熱資源，是在太陽輻射和地球內部產生的大地熱流綜合作用下而形成[1-3]的一種可再生的新型清潔、環保能源，具有儲量大、可就地利用、安全性能高等特點。目前已應用于農業溫室采暖、道路融雪、建筑供暖制冷等方面，以后者應用最廣泛。根據《中國可再生能源發展報告2019》，截至2019年底，我國淺層地熱能建筑應用面積約8.41×108m2，位居世界第一。

《中國建筑能耗研究報告（2020）》數據顯示，2018年全國建筑全過程能耗總量21.47×108tce，占全國能源消費總量的46.5%，全國建筑全過程碳排放總量49.3×108tCO2，占全國碳排放的51.3%。其中建筑運行階段能耗10×108tce，占全國能源消費總量的21.7%，碳排放21.1×108tCO2，占全國碳排放的21.9%[4]。隨著人民生活水平的提高，沿用傳統方式制冷供暖建筑運行階段能耗和碳排放量還有上升趨勢。2020年9月22日，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上的講話中提出中國二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。黨的十九屆五中全會在《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》中提出將推動能源清潔低碳安全高效利用作為加快推動綠色低碳發展的重要內容。達州市常住人口538.5萬，主城區常住人口105 萬，面積100km2，人口密度大，建筑能源消費和碳排放量大，達州市主城區開發利用淺層地熱能對優化能源結構，實現節能減排有重要的意義。

1 研究區概況

1.1 自然地理特征

達州主城區地處達州中部，為四川盆地東平行嶺谷區、盆中丘陵區、盆周低山區連接地帶。地貌特征受構造、巖性控制，山嶺走向與地質構造線走向基本一致，呈北東—南西向展布，地形總趨勢北高南低。區內海拔高度一般300～500m，最高點為鳳凰山，海拔高程758m，最低侵蝕基準面為州河，海拔高程267m，相對高差491m。屬川東褶皺帶剝蝕—侵蝕低山丘陵地貌。

研究區屬亞熱帶濕潤氣候，具有四季分明、冬短夏長、氣候溫和、雨量充沛、降雨集中的特點。近年年平均氣溫18.1℃，最低氣溫在一月份，平均溫度5.8℃～8.6℃，極端最低氣溫-3℃，最高氣溫在七、八月份，平均溫度27.3℃～30.0℃，極端最高氣溫40℃。日照偏短，全年日照時間1049.7～1274.7h，年平均日照時數1174.7h。年降雨量為984.8～1478.8mm，年平均降雨量1181.2mm。

1.2 地質、水文地質條件

研究區主要出露侏羅系紅色陸相地層，有侏羅系中統下沙溪廟組（J2xs）、上沙溪廟組（J2s）、上統蓬萊鎮（J3p）及遂寧組（J3s），巖性為泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖及細砂巖；第四系零星分布于緩坡地帶及河岸，巖性為粘土、粉質粘土或砂質粘土及卵石層，厚度5～20m。區內構造復雜程度簡單，主要褶皺為達縣—大竹向斜，為平緩開闊的對稱向斜，斷層不發育。

研究區主要干流為州河，多年平均流量為11165m3/s。較大的支流有明月江、雙龍河，明月江多年平均流量30.57m3/s，雙龍河多年平均流量1.01m3/s。區內地表水分布不均衡且動態變化較大，主要地表水體州河水位近年較往常下降明顯，部分河段枯水期甚至接近斷流，供水穩定性較差。地下水有碎屑巖孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水兩種類型，以碎屑巖裂隙水含水層為主，富水性貧乏，鉆孔單位涌水量0.017～0.459m3/（d·m），平均0.87m3/（d·m）。根據鉆孔簡易水位文觀測，無統一聯系的地下水水位，大部分為干孔，部分孔靜止水位0.5～42.5m。

1.3 淺層地溫場特征

根據四川省內主要城市熱響應試驗孔垂向溫度測量成果，初步確定了恒溫層分布深度基本都在20～60m之間，地域差異不明顯，達州市恒溫層溫度一般在17℃～21℃。

1.4 熱物性特征

研究區第四系零星分布且厚度小，地層巖性主要為侏羅系紅層泥巖、砂巖及砂泥巖互層，是區內淺層地熱能賦存的主要載體，經測試，導熱系數最大的為砂巖，導熱系數為3.5667W/（m·K），最小的是泥質粉砂巖，導熱系數為1.8522W/（m·K）。根據現場熱響應試驗資料，區內砂巖、泥巖地層均具有較好的導熱性能，導熱系數在2.10～2.47W/（m·K）之間。

2 研究區建筑制冷供熱現狀

我國建筑采取空調制冷、地源熱泵制冷和區域供冷[5-6]方式，供熱方式多樣，有集中供熱和局部供熱，主要方式有熱電聯產、燃料鍋爐、熱泵空調、電采暖、燃氣采暖、火爐采暖及太陽能供熱等[7-9]。受氣候條件、經濟發展水平和相關政策的影響，各地區制冷供暖方式不同。我國目前建筑運行階段能耗已超過總能耗的五分之一，建筑能耗中空調耗能的比例占比較大，可以達到65%[10]。

達州處于夏熱冬冷地區，主要采用中央空調、分體空調進行夏制冷和冬季取暖。采用空調制冷采暖能耗高。據研究，室內的溫度降低一度，空調所需要消耗的能量上升8%[11]。同時，空調運行可對環境造成熱污染，加劇城市熱島效應，若發生制冷劑泄漏更會惡化空氣質量。利用淺地層地熱能不僅可以降低建筑能耗，也可以有效解決空調熱污染等問題。

3 資源評價

3.1 熱容量計算

研究區侏羅系砂泥巖地層厚度大，熱物性條件較好，大部分為地埋管地源熱泵適宜區。本次按照《淺層地熱能評價規范》，在地埋管地源熱泵適宜性分區的基礎上，采用體積法計算了地表以下200m范圍淺層地熱能熱容量，分別計算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲存的熱量，然后合并計算評價范圍內地質體的儲熱性能。

綜合考慮地形地貌、地質、水文地質條件、巖土體物性及熱性參數，總體上以行政區劃為基礎，對研究區地埋管地源熱泵適宜區和較適宜區進行分區計算。本次地埋管地源熱泵適宜區和較適宜區計算面積142.72km2。經計算，適宜區淺層地溫能熱容量為5.17×1013kJ/℃，較適宜區淺層地溫能熱容量為2.03×1013kJ/℃，研究區總熱容量為7.20×1013kJ/℃，單位面積熱容量為5.05×1011kJ/（℃·km2），按標準煤熱值為29307.6kJ/kg 計算，該熱量可折合245.81×104t標準煤。

3.2 潛力評價

利用巖土熱物性和現場熱響應試驗數據，估算地埋管地源熱泵系統適宜區和較適宜區夏季制冷、冬季供暖的換熱功率分別為3533.04W、2998.63W。參照四川省主要城市建筑冷熱負荷參數，進一步計算出可供暖和制冷面積，在不考慮土地利用系數即按土地利用系數，研究區地埋管地源熱泵夏季制冷潛力（1.49～2.12）×106m2/km2，平均1.77×106m2/km2，夏季可制冷面積總和2.69×108m2；冬季供暖淺層地溫能潛力（1.68～2.40）×106m2/km2，平均2.00×106m2/km2，冬季可供暖面積總和為3.05×108km2。

4 結論與展望

當前節能減排是我國重要工作，達州市作為成渝地區雙城經濟圈和萬達開川渝統籌發展示范區中的關鍵節點，在未來將持續優化生態環境，著力推動綠色轉型發展，落實中央碳達峰、碳中和部署。研究區淺層地熱能潛力較大，且開發利用條件較好，結合達州能源稟賦特征，可在新區建設、老城區改造和重大工程建設項目中采用天然氣取暖、電力取暖制冷聯合淺層地熱能系統等方式推廣利用清潔可再生的淺層地熱資源，優化本地能源消費結構，減少二氧化碳排放。