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浅部地质环境热调蓄能力及其可利用性研究

蔺文静  
【摘要】:近几十年来,随着社会的发展,人口、资源与环境的矛盾日益突出,尤其是人与能源的矛盾日益加剧。尽早探索、研究开发利用新的可再生、无污染能源资源,已经成为世界各国克服能源危机的努力方向。地质环境是指对人类活动有重要影响的与地表部分相互积极作用的岩石圈和地下水圈的上部。几千年来,浅部地质环境一直是人类所需类能源的最主要的来源。浅层地温能是蕴藏在浅层地质环境中的一种低品位能量,浅层地温能的开发利用可以解决建筑制冷采暖、热水供应等问题,对替代常规商品能源,改善能源结构,促进节能减排以及实现可持续发展具有重要的战略意义。 本文从制约浅部地质环境中浅层地温能科学开发利用的“质量”、数量、环境响应等几个方面着眼,系统分析了水文地质因素及其它约束条件对浅层地温能开发利用的影响,提出了浅层地温能开发利用适宜性评价指标体系,划分了我国浅层地温能开发利用适宜性分区,并基于浅层地温能开发能量利用方式提出了“地下热调蓄能力”的浅层地温能开发利用本质,建立了区域浅层地温能资源潜力评价方法,完善了地热资源评价技术体系,在此基础上核算了我国重点城市浅层地温资源潜力,同时结合典型浅层地温能开发利用示范工程开展了浅层地温能开发利用环境影响模拟与预测,论文取得了以下几点认识: 1、地下水源热泵系统开发利用主要受水文地质因素、场地施工因素、社会经济因素、气象因素及环境保护等因素的制约,开展区域地下水源热泵开发利用适宜性评价应重点考虑含水层富水性、地下水温、矿化度、年均降水量、年均气温、降落漏斗分布、地质环境问题以及地形地貌等场地建设条件等相关指标,同时也要充分考虑区域社会经济发展水平;具体评价时可采用层次分析法进行综合评判。 2、我国比较适合应用地下水源热泵系统的地区主要分布在东部平原盆地及富水性较好的地区,北方主要分布于东北松嫩平原南部区域、华北平原的山前倾斜平原区,南方则主要在云贵、四川、湖北、湖南等省沿省内河流呈带状分布。不适宜建立地下水源热泵系统的地区主要位于我国西部的青海、西藏、新疆等地区、内蒙的大部分地区以及黑龙江的北部,尤其是沙漠和极度缺水的区域以及部分极度寒冷的区域。 3、土壤源热泵系统开发利用主要受技术经济条件及系统换热效能制约,一般越靠近山前的地区,其适宜性越好,越接近滨海的地区其适宜性就越差;剖面上饱水砂层越多,地下水位越高、流动性越强越、降雨入渗系数越大越有利于建立土壤源热泵系统。 4、与传统地热资源不同,浅部地质环境中浅层地温能资源的评价应该是对“地下热调蓄能力”的评价。浅层地温能资源潜力与区域热容量、地下热调蓄能力以及开发利用条件、技术有关。应首先采用体积法计算区域热容量,再根据计算区可利用温度差评价该地区最大的地下热调蓄能力,然后综合考虑城市面积系数、浅层地温能可采系数以及浅层地温能开发利用系数等参数评价区域浅层地温能资源潜力。我国287个地级城市200米以浅地下总的调蓄热能为7.71×1013kWh/a,相当于94.86亿吨标准煤完全燃烧所释放的能量,可利用资源总量为2.89×1012kWh(3.56亿标准煤),总装备空调面积为156189.97-120949.99km2。 5、选择寒冷地区典型地下水源热泵系统示范工程开展系统运行环境监测及模拟预测,结果表明,所选示范区热泵开采和回灌对环境的影响仅限于范围不大的局部区域,对大范围的地区影响不大;抽水井与回灌井之间没有发生热突破,按现有模式运行,未来十年内热泵系统效能不会受到影响。 6、选择寒冷地区典型土壤源热泵系统开发利用示范工程开展系统运行环境监测及分析表明,所选示范区热泵开采地下温度场变化总的趋势基本保持平衡状态,即热泵的运行处于放热和吸热的平衡状态,地温的变化出现制冷期温度上升、制热期温度下降的周期性变化过程。地温变化范围在当地气温变化范围之内,因而不会造成环境问题。


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