鄒鵬飛　邱楊　姚文江　荊慧　王寬彪

摘 要：在大量的野外調(diào)查與試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)宿遷城市規(guī)劃區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，估算了淺層地?zé)崮軣崛萘考翱衫觅Y源量，討論了開發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，提出了科學(xué)有序開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源的建議。實(shí)測(cè)100 m以淺巖土體初始溫度變化較小，區(qū)域上表現(xiàn)為南北低中間高的特征，恒溫帶平均深度為16 m，平均溫度16.6 ℃。規(guī)劃區(qū)適宜選擇豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)淺層地?zé)崮?，其適宜區(qū)面積占64.2 %，較適宜區(qū)占22.8 %。淺層地?zé)崮軣崛萘考s4.62×1014 kJ/℃，可利用資源量達(dá)1.18×1014 kJ/a。據(jù)估算，淺層地?zé)崮荛_發(fā)可為規(guī)劃區(qū)節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤5.16×106 t/a，減少CO2排放約1.23×107 t/a，并減輕大氣污染。

關(guān)鍵詞：淺層地?zé)崮?熱響應(yīng)試驗(yàn);地埋管地源熱泵系統(tǒng);適宜性分區(qū);宿遷

Abstract： Based on a large number of field investigations and experiments， the suitability evaluation of development and utilization of shallow geothermal energy in urban planning area of Suqian was carried out. The shallow geothermal capacity and available resources were estimated. Moreover， the economic and environmental benefits from development and utilization were discussed. We proposed scientific and orderly development and utilization of shallow geothermal energy resources finally. Measured data at 100 meters shows that the initial temperature change of the shallow rock and soil is small， and the distribution of regional temperature has the characteristics of low values in the north and south， while high values appear in the middle of urban planning area of Suqian. The average depth of the constant temperature layer is 16m and the average temperature is 16.6 °C. The urban planning area of Suqian is suitable to choose a vertical buried pipe ground-source heat pump system to develop shallow geothermal energy. The area that best suits for the ground-source heat pump system accounts for 64.2 % and the area that better suits accounts for 22.8 % for the ground-source heat pump system. The total shallow geothermal capacity and available resource are 4.62×1014 kJ/℃ and 1.18×1014 kJ/a respectively. Its estimated that about 5.16×107 t/a standard coal will be saved by exploring and utilizing the shallow geothermal energy in the urban planning area of Suqian. Besides， emission of CO2 （about 1.23×107 t/a） and air pollutants will also be reduced.

Keywords： shallow geothermal energy; thermal conductivity test; ground-source heat pump system of pipe heat exchanger; suitability zoning; Suqian

0 前言

地?zé)崮苁翘N(yùn)藏在地球內(nèi)部的天然熱能，作為其中之一的淺層地?zé)崮埽侵竿ㄟ^地源熱泵換熱技術(shù)利用的蘊(yùn)藏在地表以下一定深度（常小于200 m）范圍以內(nèi)巖土體、地下水、土壤及地表水中，且溫度低于25 ℃的具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能（DZ/T 0225-2009）。往往用于建筑物供暖或者制冷，這是伴隨熱泵技術(shù)發(fā)展而興起的（汪集等，2015）。通過空氣源熱泵、水源熱泵以及地源熱泵等熱泵技術(shù)采集淺層地?zé)崮?，向大地提取或釋放熱量以滿足區(qū)域供暖（制冷）的需求，具有高效率、低能耗、輕污染的特點(diǎn)。

我國(guó)淺層地?zé)崮芾闷鸩接?0世紀(jì)末期，隨著在節(jié)能減排、應(yīng)對(duì)氣候變化及綠色奧運(yùn)等方面開展的一系列行動(dòng)，淺層地?zé)崮艿睦靡巡饺肟焖侔l(fā)展階段。 截至2015年年底，供熱（制冷）建筑面積已實(shí)現(xiàn)3億m2左右的規(guī)模，到2020年年底，這一數(shù)字預(yù)計(jì)將超過5億m2（Ventura et al.，2015）。截至2017年年底，中國(guó)地源熱泵的裝機(jī)容量已達(dá)2萬MW，雄踞世界第一，年可利用的淺層地?zé)崮芗s折合1900萬t標(biāo)煤（自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局等，2018）。江蘇省淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用起步較晚，但發(fā)展速度在全國(guó)卻位居前列。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2013年底，江蘇淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用項(xiàng)目已達(dá)258個(gè)，淺層地?zé)崮苜Y源供暖的建筑面積1425萬m2，其中大約1/3是民用住宅，目前在建的有1600萬m2（江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，2016）。

2016年，宿遷市政府印發(fā)了《全市關(guān)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》，提出“促進(jìn)能源清潔利用，提高風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能源的使用比例”，而地?zé)豳Y源作為一種重要的清潔可再生能源，其開發(fā)利用也越來越受到重視。近些年來，全市淺層地?zé)崮芾玫玫搅溯^快的發(fā)展。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，截至2017年年底，城市規(guī)劃區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用已建工程有12個(gè)，技術(shù)類別采用地源熱泵系統(tǒng)，建筑面積達(dá)37.47萬m2，為當(dāng)?shù)貛砹己玫慕?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文通過野外勘查和試驗(yàn)分析，闡明了宿遷城市規(guī)劃區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源的巖土體物性、熱物性特征及地溫場(chǎng)特征等賦存條件，就豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)的適宜性進(jìn)行分區(qū)，初步估算了淺層地?zé)崮荛_發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。本研究可為指導(dǎo)后期宿遷市淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用提供基礎(chǔ)參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

宿遷地處江蘇省北部，研究區(qū)范圍為宿遷城市規(guī)劃區(qū)，地理上屬徐淮黃泛平原腹地，地勢(shì)總體呈西北高、東南低的格局，最高點(diǎn)（三臺(tái)山）海拔高度71.2 m，最低點(diǎn)（駱馬湖）海拔高度2.8 m。根據(jù)地貌高程（絕對(duì)高度和相對(duì)高度）、形態(tài)、成因等，將研究區(qū)地貌分為構(gòu)造剝蝕、剝蝕-堆積、堆積等3大成因類型以及殘丘（沉積巖組成的殘丘、火成巖組成的殘丘）、剝蝕臺(tái)地、崗地、沖湖積平原、黃泛層沖積平原、黃河古河道、駱馬湖岸線（穩(wěn)定湖岸、人工穩(wěn)定湖岸、淤漲湖岸）等10種形態(tài)（圖1）。

研究區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，具明顯的季風(fēng)性氣候特征。夏天濕熱，春秋溫暖，四季分明。近60年來多年平均降水量910 mm，但年際變化較大，年內(nèi)降水分配不均，主要集中在汛期（5—9月）。研究區(qū)地處淮河流域，以廢黃河為分水嶺，以南屬于淮河水系，以北屬于沂沭泗水系。區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育，較大的河流有中運(yùn)河、新沂河等流域性河道，有西沙河、廢黃河等區(qū)域性河道，駱馬湖、洪澤湖位于南北兩端。

區(qū)內(nèi)第四系分布廣泛（大多以全新世一套灰黃色、土黃色粉砂、粉砂質(zhì)黏土以及少量黏土夾層組成的“黃泛層”覆蓋），除出露約8 km2基巖和水域之外，其它大部分地區(qū)均為第四系淺—中覆蓋區(qū)（圖2），厚度一般在50～100 m之間。第四系自老至新可劃分為早更新世豆沖組、中更新世泊崗組、晚更新世戚咀組和全新世連云港組松散沉積等。前第四紀(jì)地層主要有新太古代—古元古代（城崗巖群和東海巖群）、中元古代錦屏巖群、新元古代淮河群、中生代白堊紀(jì)（青山群、王氏群）、古近紀(jì)（泰州組、阜寧組、戴南組、官莊組、三垛組）和新近紀(jì)（下草灣組、宿遷組）。新太古代—古元古代地層主要分布在郯廬斷裂帶東部地區(qū)，白堊紀(jì)與古近紀(jì)地層主要分布在郯廬斷裂帶和局部盆地中，分別構(gòu)成松散層（Q+N）的基底 。100m以淺地層巖性整體上以黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、粉細(xì)砂—細(xì)砂及中粗砂—粗砂為主，在區(qū)域上呈現(xiàn)由北往南黏土層增厚、砂層減少的趨勢(shì)。研究區(qū)處于我國(guó)三大地質(zhì)構(gòu)造單元交匯處，區(qū)內(nèi)沿曉店、埠子至泗洪重崗山發(fā)育的斷裂構(gòu)造是中國(guó)東部最大的活動(dòng)斷裂構(gòu)造-郯廬斷裂帶中南段，以該斷裂構(gòu)造線為界，西北部位于華北板塊南緣，東南部屬秦嶺-大別造山帶東段之蘇魯造山帶南緣。

研究區(qū)地下水類型以松散巖類孔隙地下水為主，具有含水層次多、厚度變化大、水質(zhì)復(fù)雜、富水性較好、便于開采等特點(diǎn)?？紫兜叵滤詼\到深分為潛水、第Ⅰ承壓水、第Ⅱ承壓水、第Ⅲ承壓水。其中，潛水、第Ⅰ承壓水埋藏較淺，稱之為淺層地下水;第Ⅱ、第Ⅲ承壓水埋藏深，同時(shí)區(qū)內(nèi)斷裂較為發(fā)育，兩套含水層水力聯(lián)系較為密切，故習(xí)慣上將其稱作深層地下水。根據(jù)區(qū)內(nèi)地層分布特征、含水層的空間分布規(guī)律、地下水流場(chǎng)及地下水循環(huán)中的徑流條件等因素，在平面上大致以郯廬斷裂帶東界為界，分為新沂-泗洪波狀平原和淮泗連平原兩個(gè)水文地質(zhì)亞區(qū)（圖3）。

根據(jù)鄭桂森等人（2011）對(duì)我國(guó)淺層地?zé)崮芊謪^(qū)結(jié)果，研究區(qū)位于我國(guó)淺層地?zé)崮苜Y源五大分區(qū)中的黃淮海地區(qū)，該區(qū)地勢(shì)平坦開闊，沿水系分布沖洪、洪、湖積物，顆粒級(jí)齊全，淺層地?zé)崮軕?yīng)用供暖、制冷相當(dāng)。

2 研究方法

2.1 換熱孔鉆探及成孔

為了保證熱響應(yīng)試驗(yàn)場(chǎng)地的代表性和對(duì)研究區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行系統(tǒng)、全面的調(diào)查與評(píng)價(jià)，我們?cè)谘芯繀^(qū)內(nèi)選擇不同的第四紀(jì)巖相區(qū)施工了4 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)孔（圖1），用于巖土體物性和熱物性參數(shù)測(cè)試、熱響應(yīng)試驗(yàn)及原始地溫場(chǎng)測(cè)量。

鉆探采用GXY-2C型回旋鉆機(jī)，泥漿（松散層中）或清水（基巖中）鉆進(jìn)。鉆探過程首先使用φ108 mm小口徑鉆探并取芯采樣，再擴(kuò)孔至φ146 mm以上。每鉆進(jìn)50 m進(jìn)行了孔深、孔斜測(cè)量，4眼換熱孔孔深誤差率均小于0.15%，井斜均控制在0.5°以內(nèi)，對(duì)于局部縮徑孔段采用多次掃孔保證孔徑。本次累計(jì)鉆探進(jìn)尺404.29 m（設(shè)計(jì)400 m），全孔取芯與編錄，取芯采取率達(dá)86.7 %，編錄遵循凡超過0.5 m地層單獨(dú)分層，不足0.5 m的標(biāo)志層或特殊層位也進(jìn)行單獨(dú)分層。共采樣80件，平均采樣間距為5 m。其中，松散層樣品61件（包括黏性土和砂性土樣品），基巖樣品（SQ1孔于15.15 m處鉆遇基巖，主要巖性為安山質(zhì)凝灰角礫巖、安山質(zhì)含角礫凝灰?guī)r;SQ3孔于95.35 m處鉆遇花崗質(zhì)片麻巖;SQ2孔、SQ4孔均未鉆遇基巖）19件。用鉛皮包裹蠟封后及時(shí)送專門檢測(cè)機(jī)構(gòu)（國(guó)土資源部南京礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心）進(jìn)行測(cè)試，包括含水率、密度、孔隙率等物性指標(biāo)以及導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熱擴(kuò)散率等熱物性指標(biāo)的分析測(cè)試，采用的儀器為瑞典進(jìn)口的熱常數(shù)分析儀（型號(hào)：Hot Disk TPS2500s）。

所有鉆孔均下入HDPE100換熱管（埋管方式均為25 mm雙U型），有效埋深設(shè)計(jì)均為100 m。在下管前先進(jìn)行清洗打壓試驗(yàn)。打壓0.6～1.2 MPa，帶壓觀測(cè)2 h以上，無滲不漏且壓力下降不超過0.05 MPa。打壓完后，每組雙U型換熱管對(duì)管頭立即密封，保持管內(nèi)的打壓水。下管時(shí)4根HDPE管均勻平穩(wěn)下入，保壓下管直到孔底，地上管段不小于1m。下管后即采用中粗砂進(jìn)行回填，為保證回填密實(shí)，安排專職人員48 h進(jìn)行回填。回填完畢后，進(jìn)行二次打壓試驗(yàn)，打壓0.6～1.2 MPa，帶壓觀測(cè)2 h以上，保證無滲不漏且壓力下降不超過0.05 MPa。換熱孔完井后，將HDPE管用管堵封閉嚴(yán)實(shí)，外露部分用膠帶纏好，四周進(jìn)行了磚砌防護(hù)。

2.2 巖土體現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試

測(cè)試采用的設(shè)備為北京市地?zé)嵫芯吭鹤灾餮邪l(fā)的淺層地?zé)崮軠y(cè)試儀（專利號(hào)：ZL 2013 20338539.9），通過了中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局淺層地溫能研究與推廣中心標(biāo)定。現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試方法包括原始地溫場(chǎng)測(cè)量、不同熱負(fù)荷熱響應(yīng)測(cè)試、巖土溫度恢復(fù)測(cè)試等。熱響應(yīng)測(cè)試的基本流程為：巖土初始平均地層溫度測(cè)試（無功循環(huán)法，測(cè)試時(shí)間≥24 h）→小功率穩(wěn)定熱流熱響應(yīng)測(cè)試（測(cè)試時(shí)間≥48 h）→巖土溫度恢復(fù)測(cè)試（無功循環(huán)法，測(cè)試時(shí)間≥12 h）→大功率穩(wěn)定熱流熱響應(yīng)測(cè)試（測(cè)試時(shí)間≥48 h）。換熱孔測(cè)試時(shí)間表詳見表1所示。

（1）原始地溫場(chǎng)測(cè)量

對(duì)施工的熱響應(yīng)試驗(yàn)孔SQ1、SQ2、SQ3、SQ4孔按不同深度進(jìn)行溫度測(cè)量，為分析地質(zhì)環(huán)境條件與地溫場(chǎng)的關(guān)系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)孔制作完成后，地埋管在注滿水的情況下靜置48 h后進(jìn)行。測(cè)試方法按點(diǎn)測(cè)法、循環(huán)法兩種方法依次進(jìn)行。點(diǎn)測(cè)法是將測(cè)溫探頭放入HDPE管內(nèi)，記錄不同深度的溫度值，通過獲取的溫度數(shù)據(jù)，分析計(jì)算變溫層、恒溫層位置以及地溫梯度。測(cè)溫時(shí)應(yīng)待溫度穩(wěn)定后讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，30 m以淺每隔2 m記錄一次，30 m往深每隔5 m記錄一次，測(cè)試方法依據(jù)GB 50366-2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》。循環(huán)法是熱響應(yīng)測(cè)試儀準(zhǔn)備完成后，開啟循環(huán)水泵，在不加熱且不制冷的情況下驅(qū)使地埋管中的水循環(huán)（無功循環(huán)），循環(huán)測(cè)試24 h，取穩(wěn)定段地埋管回水溫度作為巖土初始溫度，測(cè)試方法依據(jù)《閉環(huán)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝標(biāo)準(zhǔn)，2007版》（國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)）。

（2）不同熱負(fù)荷熱響應(yīng)測(cè)試

取初始平均溫度后，開始對(duì)回路中的傳熱介質(zhì)加熱負(fù)荷。熱響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行兩次不同負(fù)荷的試驗(yàn)。本次換熱孔深度100 m，大負(fù)荷宜采用6～10 kW，小負(fù)荷宜采用3～5 kW。測(cè)試過程中熱負(fù)荷和流量應(yīng)基本保持恒定（波動(dòng)范圍在±5 %以內(nèi)），管內(nèi)傳熱介質(zhì)流速不應(yīng)低于0.2 m/s，流量在1.5 m3/h左右，實(shí)時(shí)記錄回路中傳熱介質(zhì)的流量和進(jìn)出口溫度。溫度穩(wěn)定（變化幅度小于1 ℃）后，觀測(cè)時(shí)間不少于48 h。

（3）巖土溫度恢復(fù)測(cè)試

加熱負(fù)荷停止后，應(yīng)采用無功循環(huán)法繼續(xù)觀測(cè)回路的進(jìn)出口溫度，至溫度穩(wěn)定（變化幅度小于0.5 ℃）為止，觀測(cè)時(shí)間不少于12 h。

3 結(jié)果和討論

3.1 地?zé)岬刭|(zhì)條件分析

由熱響應(yīng)試驗(yàn)孔無功循環(huán)測(cè)試初始溫度值及地埋傳感器測(cè)量溫度值可知，研究區(qū)內(nèi)100 m以淺巖土體初始溫度變化較小，洋河新區(qū)一帶為16.81 ℃，為全區(qū)最低，區(qū)域上表現(xiàn)為南北低中間高。北部主要分布崗地和殘丘，而中間屬黃泛平原，分布有一定厚度的第四系沖積物，保溫性能較好，地溫較高。以SQ3 鉆孔的地溫剖面為例（圖4），地下2 m處的地溫與氣溫接近，到地下10 m為變溫層，地下10～22 m為恒溫層，溫度16.6 ℃，22 m以下為增溫層，地溫梯度為2.9 ℃/100m。實(shí)測(cè)宿遷地區(qū)恒溫帶平均深度為16 m左右，恒溫層平均溫度約16.6 ℃。

研究區(qū)內(nèi)潛水位埋深一般變化于1～5 m。西部水位埋深較東部深，東部除丁嘴—洋河外大部分地區(qū)在1～2 m，僅鄭樓—洋河及羅圩—陳集部分區(qū)域大于4 m，而西部深于2 m。各地第Ⅰ承壓水水位埋深差異較大。西部埋深在5 m以淺，中東部多15 m以上，20 m水位埋深降落漏斗區(qū)位于順河—大興一帶。第Ⅱ、Ⅲ承壓水（深層地下水）東西部水位埋深特征迥異。西部新沂-泗洪波狀平原亞區(qū)多在20 m以淺，雙莊以西小于10 m，黃墩、皂河有個(gè)別井甚至出現(xiàn)自流;東部淮泗連平原亞區(qū)明顯深于西部多在20 m以深，特別在承壓水開采集中的洋河和三棵樹地區(qū)含水層水位埋深已大于40 m，并形成了40 m的水位降落漏斗。

研究區(qū)內(nèi)深層地下水水位埋深總體呈回升趨勢(shì)。調(diào)查顯示，2015年水位埋深降落漏斗中心水位埋深為48.3 m，洋河鎮(zhèn)平均水位埋深為39.45 m;2017年底水位降落漏斗中心水位埋深水位44.38 m（回升近4 m），洋河鎮(zhèn)平均水位埋深為37.95 m（回升了1.5 m），地下水超采引起的水位下降得到較好治理，超采區(qū)水位恢復(fù)明顯。

不同類型含水層富水性空間展布來看存在較大差異。（1）新沂-泗洪平原亞區(qū)。潛水含水層單井涌水量多在10～100 m3/d;第Ⅰ承壓含水層單井涌水量多在300～500 m3/d，耿車—龍河一帶小于300 m3/d;第Ⅱ承壓含水層在蔡集—雙莊—南蔡一線以西，單井涌水量大于1000 m3/d;東運(yùn)河以南單井涌水量多在500～1000 m3/d;運(yùn)河北側(cè)至?xí)缘赕?zhèn)區(qū)一帶單井涌水量小于500 m3/d;第Ⅲ承壓含水層除在曉店三臺(tái)山一帶缺失外，其余區(qū)域皆有該含水層分布，蔡集—龍河一線最為發(fā)育，單井涌水量大于2000 m3/d，雙莊—三棵樹一帶單井涌水量大于1000 m3/d;雙莊—三棵樹以西單井涌水量小于1000 m3/d。（2）淮泗連平原亞區(qū)。潛水含水層除廢黃河故道兩側(cè)高漫灘區(qū)單井涌水量10～100 m3/d，大部分地區(qū)單井涌水量5～10 m3/d;第Ⅰ承壓含水層在區(qū)內(nèi)普遍分布，北部較南部相對(duì)發(fā)育，陸集—丁嘴以北尤其在新莊以北，富水性大于500 m3/d，新莊以南富水性小于500 m3/d，陳集—中揚(yáng)一帶古河道富水性也大于500 m3/d;第Ⅱ承壓含水層也普遍分布，洋河—倉(cāng)集以南及來龍以北富水性小于1000 m3/d，其中陳集—屠園及侍嶺西北等局部地段富水性小于500 m3/d，來龍以南、洋河以北富水性500～1000 m3/d，其中順河中部及大興東部富水性達(dá)到1000～2000 m3/d;第Ⅲ承壓含水層除在曉店—侍嶺一線以北地區(qū)缺失外，在區(qū)內(nèi)普遍分布，大部分區(qū)域富水性小于1000 m3/d，保安至丁嘴、洋河以南等地單井涌水量1000～2000 m3/d。

根據(jù)物性及熱物性測(cè)試結(jié)果，可將研究區(qū)巖土體概化為4類（表2）。將熱物性測(cè)定結(jié)果按巖土體類別及不同熱響應(yīng)試驗(yàn)孔加權(quán)平均，得到研究區(qū)內(nèi)不同巖土體及不同熱響應(yīng)試驗(yàn)孔的熱物性參數(shù)。巖土體熱物性受地層、巖性、構(gòu)造、地下水、人類環(huán)境等多種因素的影響。研究區(qū)內(nèi)熱導(dǎo)率高值區(qū)集中在駱馬湖以東曉店—三臺(tái)山國(guó)家森林公園沿線地區(qū)，平均熱導(dǎo)率值達(dá)1.99 W/（m·K）;廢黃河以西第四系覆蓋區(qū)以及關(guān)廟地區(qū)熱導(dǎo)率值較低，小于1.7 W/（m·K），洋河新區(qū)僅為1.49 W/（m·K）。從巖性來看，安山質(zhì)凝灰角礫巖熱導(dǎo)率值最高，達(dá)2.21 W/（m·K），松散層熱導(dǎo)率值最低，平均值僅1.69 W/（m·K）。比熱容值與熱導(dǎo)率值呈近似相反的規(guī)律，高值區(qū)分布于廢黃河以西第四系覆蓋區(qū)，其中洋河新區(qū)達(dá)1.439 kJ/（kg·K）;曉店—關(guān)廟一帶為比熱容的低值區(qū)，小于1.26 kJ/（kg·K）。結(jié)合原始地溫場(chǎng)情況來看，研究區(qū)巖土體相對(duì)較高的熱導(dǎo)率可導(dǎo)致地溫梯度相對(duì)較低。

4眼換熱孔在測(cè)試過程中，流量和加熱功率基本穩(wěn)定，滿足了現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試的條件。采用小功率加熱一段時(shí)間后，進(jìn)出孔流體平均溫度與加熱時(shí)間（以秒為單位）的對(duì)數(shù)之間近似為直線關(guān)系，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4孔擬合直線的斜率K值分別為1.0413、1.1987、1.5061、1.3778。采用大功率加熱一段時(shí)間后，進(jìn)出孔流體平均溫度與加熱時(shí)間（以秒為單位）的對(duì)數(shù)之間也近似為直線關(guān)系，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4孔擬合直線的斜率K值分別為2.8102、3.3874、3.9916、3.2646。大小功率測(cè)試結(jié)果均顯示，測(cè)試結(jié)果較為可靠，可用于計(jì)算地層熱響應(yīng)特征參數(shù)。通過現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)（借助測(cè)試儀的DDA軟件）可以準(zhǔn)確獲得研究區(qū)不同巖土體的熱物性參數(shù)。采用線熱源模型（于明志等，2006）計(jì)算各鉆孔現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表3）。導(dǎo)熱系數(shù)最高點(diǎn)為SQ1、SQ3鉆孔，兩孔分別位于郯廬斷裂帶和蘇魯造山帶，距離相對(duì)較近，松散層厚度相差近80m。推測(cè)兩孔之間構(gòu)造的差異尤其是郯廬斷裂帶的長(zhǎng)期活動(dòng)性，形成一個(gè)區(qū)域上富水較強(qiáng)的徑流區(qū)，導(dǎo)致兩孔出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)、延米換熱量的相對(duì)高值區(qū)。已有研究表明（李娟等，2018;衛(wèi)萬順等，2020），此類地區(qū)地埋管換熱效果要優(yōu)于富水性相對(duì)較差、地下水徑流速度慢的區(qū)域。

3.2 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)

宿遷市深層地下水自20世紀(jì)80年代以來開采規(guī)模逐漸增大，開采集中的洋河和三棵樹地區(qū)含水層水位埋深已大于40 m，并形成了40 m的水位降落漏斗，這對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境造成了一定的影響（邱福瓊等，2018）。基于研究區(qū)水文地質(zhì)特征，對(duì)于不同的含水層，循環(huán)水不易回灌。而回灌效果的好壞往往是制約地下水源熱泵在研究區(qū)應(yīng)用的一個(gè)瓶頸?，F(xiàn)狀調(diào)查表明，研究區(qū)現(xiàn)有工程以地埋管地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)類別為主。為此，本文僅對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)開展評(píng)價(jià)。本文采用層次分析法進(jìn)行淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)，分區(qū)時(shí)需要綜合考慮各個(gè)因素對(duì)適宜區(qū)劃分的影響權(quán)重，同時(shí)還需對(duì)每個(gè)影響因素進(jìn)行定量的分析，該方法適用于那些較難完全進(jìn)行定量分析的問題（許苗娟等，2009）。

通過對(duì)收集的各類資料以及野外調(diào)查取得的各項(xiàng)成果進(jìn)行綜合分析研究，從地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、地?zé)岬刭|(zhì)條件和地質(zhì)環(huán)境條件出發(fā)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)適宜進(jìn)行地埋管地源熱泵的開發(fā)利用，可將研究區(qū)劃分成豎直地埋管開發(fā)利用適宜區(qū)與豎直地埋管開發(fā)利用較適宜區(qū)等兩個(gè)分區(qū)，除大型出露水體（駱馬湖、成子湖）外，無豎直地埋管開發(fā)利用不適宜區(qū)。除去駱馬湖及成子湖水體外，其中適宜區(qū)面積1382.83 km2，約占研究區(qū)面積的64.2 %;較適宜區(qū)面積491.25 km2，約占研究區(qū)面積的22.8 %。分區(qū)結(jié)果如圖5及表4所示。

3.3 淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)

（1）淺層地?zé)崮軣崛萘?/p>

考慮到體積法既適用于松散巖層（黏土、砂礫石、半固結(jié)層等）分布區(qū)的淺層地?zé)崮軣崛萘吭u(píng)價(jià)，又適用于基巖地區(qū)的淺層地?zé)崮軣崛萘吭u(píng)價(jià)（韓再生等，2007），結(jié)合研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，本次研究采用體積法進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算?；趲r土熱物性測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，參考DZ/T 0225-2009《淺層地?zé)崮芸辈煸u(píng)價(jià)規(guī)范》，使用體積法估算研究區(qū)淺層地?zé)崮軣崛萘?。結(jié)果表明，適宜區(qū)與較適宜區(qū)淺層地?zé)崮軣崛萘考s4.6153×1014 kJ/℃。若按照1℃的溫差計(jì)算，則研究區(qū)淺層地?zé)崮艽鎯?chǔ)量高達(dá)461.5萬億kJ，折合標(biāo)煤1575萬t。

（2）地埋管換熱系統(tǒng)換熱功率

本文利用巖土熱物性及現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)來估算地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)與較適宜區(qū)的換熱功率。已有研究成果（Florides et al.，2013;Jing et al.，2013;馬健等，2012）表明，基于25mm雙U埋管方式可以獲得更好的換熱效果，根據(jù)實(shí)測(cè)和收集的熱響應(yīng)試驗(yàn)資料，設(shè)定熱響應(yīng)試驗(yàn)孔孔深100 m，試驗(yàn)孔間距按5 m計(jì)算，有關(guān)規(guī)劃顯示，2020 年研究區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)用地占土地總面積的百分率為24.31 %，取30 %可埋地埋管，則土地利用系數(shù)取7.29 %，夏季工況平均溫度取35 ℃，冬季工況平均溫度取5 ℃，根據(jù)DZ/T 0225-2009《淺層地?zé)崮芸辈煸u(píng)價(jià)規(guī)范》中相關(guān)計(jì)算公式，則研究區(qū)地源熱泵系統(tǒng)平均單孔換熱功率夏季為6.815kW，冬季為4.666kW。在適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上考慮研究區(qū)城市建設(shè)用地范圍內(nèi)的換熱功率（圖6），則冬、夏兩季換熱功率計(jì)算結(jié)果分別為5.17×106、7.55×106 kW?？紤]以夏季100 W/m2、冬季以80 W/m2的負(fù)荷計(jì)算，則研究區(qū)淺層地?zé)崮芟募究芍评浞?wù)面積7.55×107 m2 ，冬季可供暖服務(wù)面積6.46×107 m2。

這表明，研究區(qū)100m以淺地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率可以提供超過6000萬m2建筑物的制冷和供暖服務(wù)（表5）。

3.4 淺層地?zé)崮荛_發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益可從地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在能源和資金節(jié)約量?jī)蓚€(gè)方面，采用類比標(biāo)準(zhǔn)煤的方法進(jìn)行折算（龍西亭等，2016），可知，區(qū)內(nèi)地埋管地源熱泵系統(tǒng)可供開發(fā)的淺層地?zé)崮苜Y源總量達(dá)1.18×1014 kJ/a。

（1）經(jīng)濟(jì)效益

計(jì)算結(jié)果表明，研究區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為5.16×106 t/a，節(jié)約資金約21.2億元。目前，宿遷市能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍以煤、石油、天然氣等一次能源為主，其中煤炭的年碳排放量居全省首位，商品能源和清潔能源在居民生活中的比重明顯低于全省平均水平（涂在友等，2013）。開發(fā)淺層地?zé)崮苜Y源可大大減少城市規(guī)劃區(qū)的一次能源消費(fèi)總量，節(jié)約的資金達(dá)2018 年規(guī)劃區(qū)GDP的2.2 %。

（2）環(huán)境效益

淺層地?zé)崮苜Y源的開發(fā)利用可一定程度減少化石能源的使用所帶來的環(huán)境污染。根據(jù)GB/T 11615-2010《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》，估算研究區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)一年相當(dāng)節(jié)煤量所對(duì)應(yīng)的減排量見表6所示。經(jīng)計(jì)算，可減排溫室氣體CO2約1.23×107 t/a、減排SO2約8.77×104 t/a、減排氮氧化物約3.11×104 t/a、減排懸浮質(zhì)粉塵約4.13×104 t/a，減排灰渣約5.16×103 t/a（表6）。此外，淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用還可節(jié)省環(huán)境治理費(fèi)用總計(jì)約14.34億元（表7）。

上述結(jié)果表明若宿遷城市規(guī)劃區(qū)大力發(fā)展淺層地?zé)崮?，將帶來明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，對(duì)有效緩解研究區(qū)內(nèi)能源壓力，促進(jìn)“一帶一路”節(jié)點(diǎn)城市——宿遷市生態(tài)文明建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

4 結(jié)論

（1）100 m以淺巖土體初始溫度變化較小，洋河新區(qū)一帶為16.81 ℃，為全區(qū)最低，區(qū)域上表現(xiàn)為南北低中間高。恒溫帶平均深度為16 m左右，平均溫度約16.6 ℃。

（2）熱導(dǎo)率高值區(qū)集中在駱馬湖以東曉店—三臺(tái)山國(guó)家森林公園沿線地區(qū)，平均熱導(dǎo)率值達(dá)1.99 W/（m·K）。從巖性來看，安山質(zhì)凝灰角礫巖熱導(dǎo)率值最高，達(dá)2.21 W/（m·K）;松散層的熱導(dǎo)率值最低，區(qū)內(nèi)平均值僅1.69 W/（m·K）。比熱容值與熱導(dǎo)率值呈近似相反的規(guī)律。巖土體相對(duì)較高的熱導(dǎo)率可導(dǎo)致地溫梯度相對(duì)較低。

（3）研究區(qū)適宜豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)利用。其中適宜區(qū)面積約占64.2 %;較適宜區(qū)面積約占22.8 %，除駱馬湖及成子湖大型水體外，無豎直地埋管開發(fā)利用不適宜區(qū)。

（4）據(jù)估算，適宜區(qū)與較適宜區(qū)淺層地?zé)崮艿臒崛萘考s4.62×1014 kJ/℃。豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)冬季的換熱功率為5.17×106 kW，夏季的換熱功率為7.55×106 kW;冬季可供暖服務(wù)面積為6.46×107 m2;夏季可制冷服務(wù)面積為7.55×107 m2 。其可利用的淺層地?zé)崮苜Y源總量達(dá)1.18×1014 kJ/a。

（5）宿遷城市規(guī)劃區(qū)溫差勢(shì)能大且空調(diào)利用時(shí)間較長(zhǎng)，區(qū)內(nèi)開發(fā)利用淺層地?zé)崮芙?jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益效果顯著。據(jù)估算，可節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤為5.16×106 t/a，減排CO2約1.23×107 t/a、減排SO2約8.77×104 t/a、減排氮氧化物約3.11×104 t/a、減排懸浮質(zhì)粉塵約4.13×104 t/a，減排灰渣約5.16×103 t/a?？晒?jié)省環(huán)境治理費(fèi)用總計(jì)達(dá)14.34億元。

（6）地埋管地源熱泵系統(tǒng)推廣使用區(qū)域，首選洋河新區(qū)、宿城區(qū)的皂河—耿車—南蔡一帶、宿豫區(qū)的大興—關(guān)廟一帶以及湖濱新區(qū)的三臺(tái)山森林公園沿線。建議研究區(qū)埋管方式優(yōu)先選擇25mm雙U，熱響應(yīng)試驗(yàn)孔深度控制在100 m，地埋管間距為5 m。另外，在進(jìn)行具體工程實(shí)施時(shí)，需按相關(guān)要求進(jìn)行場(chǎng)地勘查，同時(shí)要注重“熱平衡”。例如，在熱泵系統(tǒng)中加入輔助的冷熱源、間歇式控制等措施。

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