贵阳市浅层地温能开发利用现状及发展前景

段启杉，孟凡涛，宋小庆，曹振东

(贵州省地质矿产勘查开发局111地质大队，贵州 贵阳550008)

浅层地温能是地球浅表恒温带至200 m埋深内的土壤岩石和地下水中所蕴藏的一种低温热能，其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温，是一种可再生的新型环保能源，该能源具有分布范围广、储量巨大、开采成本低等优点。开发利用浅层地温能对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标的实现具有非常重要的现实意义。

1 贵阳市浅层地温能开发利用条件

1.1 社会经济情况

贵阳市地处我国西南的贵州省中部，是贵州省的政治、经济、文化、科教、交通中心，西南地区重要的交通通信枢纽、工业基地及商贸旅游服务中心。根据《贵阳市城市总体规划(2011-2020年)》，至2020年，市域城镇建设用地规模372 km2，全市常住人口500万，其中城镇人口400万，全市生产总值突波4 000亿元，人均生产总值突破11 000美元。

1.2 气象条件

贵阳市处于低纬度高海拔的黔中山原区，为冷暖气流的交汇地带，属副热带温和湿润的气候。多年平均气温为15.3℃，最热月(7月)平均气温24℃，最冷月(1月)平均气温5℃，极端最高气温39.5℃，极端最低气温-9.5℃。贵阳地区供暖期为每年12月至次年2月3个月，制冷期为每年7月至9月3个月。

1.3 地质、水文地质及工程地质条件

贵阳市地处云贵州二级高原台面，属高原低中山地貌，区内地貌可划分为溶蚀地貌、溶蚀-侵蚀地貌、侵蚀-剥蚀地貌及侵蚀-堆积地貌四种形态。区内除缺失上志留统、上侏罗统、下白垩统外，从寒武系到第四系地层均有出露。岩层累计最大厚度达万米。其中，碳酸盐岩及夹层状碳酸盐岩分布面积最广，占规划区总面积的 91.36%，碎屑岩占8.64%。第四系主要分布于溶蚀盆地、谷地及沟谷地带，厚度小，平均厚度不足10 m。

特殊的地质条件和地貌条件造就了贵阳地区独特的水文地质条件，区内地下水类型以碳酸盐岩岩溶水为主，地下水位埋深多小于30 m。广泛分布的碳酸盐岩区域岩溶强烈发育，岩层富水性呈现不均一性，其含水性主要受裂隙及岩溶发育控制，不同的含水岩组富水性有比较明显的差异，而同一含水岩组因其所处得地质构造及地貌部位不同，其富水性也存在着差异，地下水分布极不均匀。根据钻孔资料，钻孔单井涌水量0.14～3.4 l/s·m。贵阳地区强烈的发育岩溶，为岩溶塌陷等地质灾害的发生提供了条件，这是区内地下水开发利用的一大制约因素。

2 浅层地温能开发利用现状

贵阳市浅层地温能勘查、开发工作起步较晚，目前共建设了5个热泵工程，且均为地下水水源热泵工程，其中仅有2个地热空调系统投入运行。

2002年建成的贵阳医学院附属医院富尔达地温中央空调工程，共施工钻孔10个，总进尺971.74 m，其中抽水井、回灌井各5口，开采量5 760 m3/d。制冷(制热)面积8 000 m2，利用温差 3.1℃～5.0℃，制热期为 180 d，制冷期为 90 d。制冷期能效比(COP值)约为5.8，制热期能效比(COP值)约为4.1，每年可节约资源量为 1.7×107kw·h，相当于2 089 t标准煤，减少二氧化碳排放5 207.9 t。

2009年建成贵阳市金阳新区景怡苑地温空调工程，共施工钻探孔17个，总进尺3 017.30 m，其中抽水井11口、回灌井6口，允许开采量6 000 m3/d，该项目无工程运行记录。

2003年～2004年，贵阳医学院学院部地温中央空调项目、贵州广播电视大厦地温空调项目、贵州省第二人民医院地温空调项目完成了水源勘查和钻井工程施工，由于水量、地面塌陷等原因空调系统没有投产运营。

3 浅层地温能开发利用前景分析

贵阳市夏季制冷3个月、冬季供暖期3个月，贵阳市恒温层深度在30 m左右，恒温层的温度约为15.3℃。

3.1 水源热泵系统利用前景

贵阳市地质环境薄弱，地下水开发利用易引发岩溶地面塌陷等地质灾害，因此，水源热泵的开发利用受到极大限制。

3.1.1 地质环境脆弱

地下水开采易导致岩溶塌陷、地下水降落漏斗等灾害。2002年建设的贵阳医学院附属医院水源热泵系统抽水试验时就曾出现过岩溶塌陷。

3.1.2 成井率低

贵阳市属典型的碳酸盐岩岩溶发育区，地下水含水介质以溶洞、溶隙、孔隙为主，含水介质的及不均匀性与随机性使得地下水钻探成井率偏低，岩层富水性差异明显;再者，贵阳地区一般钻井的单井产量仅400～1 000 m3/d，水源热泵工程的成本相对较高，供水量对于大面积的开发利用难以满足。

3.1.3 政策限制

考虑到地下水资源的保护及地下水开采对地质环境的负面影响，1998年颁布的《贵阳市城市规划区地下水开发利用保护办法》及贵阳市城市总体规划(2011-2020年)中明文规定:“在贵阳市境域严格控制超采、滥采地下水，加大地下水资源管理力度，在城市公共管网到达范围内，严禁新凿井开采地下水资源”。2006-2010年城市总体规划中还提出了“重点对开采地下水用于地温空调的情况严格控制”。

以上从各方面说明水源热泵的利用在区内受到一定限制，并不是区内供暖、制冷的首选方式。

3.2 地埋管地源热泵系统利用前景

目前，贵阳市无地埋管地源热泵的开发利用实例，但根据“贵阳市浅层地温能调查评价”项目数据分析，贵阳市大部分区域均适宜地埋管地源热泵开发。

岩土体导热系数是设计地埋管换热器的重要参数，它对换热器的换热效果有着显著的影响。导热系数越大，地埋管换热器的单位换热效果就越好。根据现场热响应试验和岩土体热物性测试，贵阳市寒武系娄山关群的地层综合导热系数最高，达4.2～4.8 w/m·℃，次为第三系、三叠系安顺组2.0～3.2 w/m·℃，第四系综合导热系数 0.7～0.8 w/m·℃。区内第四系平均埋深厚度约为4.3 m，地埋管换热地层基本由基岩构成。总体来说岩石导热系数一般大于2.0，单管换热功率相对较高，适宜地埋管热泵系统的建设。

4 浅层地温能开发利用中存在的问题

1)贵阳市浅层地温能开发利用起步较晚，已建地热泵工程未进行过专门勘查，对资源量进行系统勘查评价。盲目的工程建设，使得工程设计不合理、施工不规范、地下水开发利用率低、岩溶塌陷等问题。

2)地下水水源热泵开发利用受水文地质条件限制明显。区内地层富水性差异明显，地下水分布极不均匀，除主城区等几个富水地段外，大部分区域单井开采量小，开发成本大。

3)贵阳市属碳酸盐岩岩溶发育地区，水源热泵的不合理开发利用将导致地面塌陷等地质灾害。

5 结语

贵阳市浅层地温能资源量较大，且已利用量小，开发利用潜力巨大，合理的开发利用将对能源结构和节能减排做出巨大贡献。

贵阳地区特殊的岩溶水文地质条件和政策法规，对区内水源热泵系统的开发利用具有较多限制，影响其推广运用。

地埋管热泵系统具有经济、节能、环保等多方面的优势。根据贵阳市浅层地温能调查成果分析，贵阳地区具备地源热泵开发利用的各项条件，适宜地埋管地源热泵系统的建设，可进行大力推广。

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