章丘區(qū)淺層地溫能資源研究與評價
——以地埋管換熱方式為例

孫明遠(yuǎn)，楊霞，邵琦

(山東省地礦工程集團有限公司，山東 濟南 250200)

0 引言

淺層地溫能是指地表以下一定深度范圍內(nèi)(一般為恒溫帶至200m埋深)，溫度低于25℃，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟條件下具備開發(fā)利用價值的地球內(nèi)部資源。一般而言在地下水與地埋管地源熱泵系統(tǒng)均適宜區(qū)，我們優(yōu)先開發(fā)利用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，因其節(jié)能環(huán)保、儲量大、分布廣、開發(fā)利用簡單等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到大力推廣應(yīng)用，但因缺乏合理的勘察設(shè)計和規(guī)劃依據(jù)，出現(xiàn)后期投資成本高、運行效率低甚至出現(xiàn)工程質(zhì)量等問題[1-3]。因此，淺層地溫能資源研究與評價的開展對地埋管地源熱泵的開發(fā)利用是必要的。

本文以山東省重點縣區(qū)淺層地溫能調(diào)查評價項目為依托開展了章丘區(qū)淺層地溫能地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)、資源量概算和資源潛力評價工作，為科學(xué)開發(fā)利用淺層地溫能提供依據(jù)。

1 淺層地溫能賦存條件

1.1 淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)地處魯中地區(qū)，屬于低傾斜平原區(qū)，地勢西北、東南高，中間低，黃河流經(jīng)北境。區(qū)內(nèi)第四系厚度在東北和西南部最大，最厚可達(dá)60m,下伏地層主要為二疊紀(jì)砂巖、石炭紀(jì)本溪—太原組泥巖、薄層泥灰?guī)r以及奧陶紀(jì)八陡組灰?guī)r。區(qū)內(nèi)中北部及東南部基巖直接出露地表。

1.2 水文地質(zhì)特征

本區(qū)為以魯中南低山丘陵松散巖、碎屑巖、灰?guī)r類為主的水文地質(zhì)區(qū)，根據(jù)地下水賦存條件、埋藏規(guī)律及各含水層間的水力聯(lián)系，將區(qū)內(nèi)地下水劃分為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、松散巖類孔隙水(圖1)。

1—裸露型裂隙巖溶水<100m3/d；2—裸露型裂隙巖溶水100～1000m3/d；3—隱伏型裂隙巖溶水100～1000m3/d；4—隱伏型裂隙巖溶水1000～3000m3/d；5—隱伏型裂隙巖溶水>3000m3/d；6—碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙水<100m3/d；7—松散巖類孔隙水<500m3/d；8—松散巖類孔隙水500～1000m3/d；9—松散巖類孔隙水1000～2000m3/d；10—松散巖類孔隙水>2000m3/d；11—富水性分區(qū)界線；12—地層界線；13—斷層；14—研究區(qū)邊界

1.2.1 碳酸鹽巖類裂隙巖溶水

該含水層以奧陶紀(jì)八陡組灰?guī)r為主，在區(qū)內(nèi)分布較廣，南部出露于地表，中部山前地帶隱伏于第四系和煤系地層之下。含水層富水性好，單井涌水量3000～1000m3/d，水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Ca·Mg型。

1.2.2 碎屑巖類孔隙裂隙水

含水層主要為石炭-二疊紀(jì)砂巖，除赭山和李家埠附近有小范圍出露外，大部分被第四系覆蓋。水位埋深15～57m，受深斷裂帶影響，單井涌水量變化較大，一般在100～3000m3/d，水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Ca型。

1.2.3 碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙水

含水層為石炭紀(jì)本溪-太原組灰色砂巖、頁巖夾灰?guī)r，二疊紀(jì)山西組砂巖夾薄層灰?guī)r，主要分布在山前地帶煤系地層，水量受季節(jié)影響，年內(nèi)變化較大。含水層通常巖溶裂隙不發(fā)育，富水性較差，涌水量一般小于100m3/d，水質(zhì)較差，地下水類型以SO4·HCO3-Ca·Mg型為主(賀套莊水井)，在研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育地帶，特別是在泉口附近，受斷裂構(gòu)造的作用，與下伏巖溶水連通，涌水量增大，但一般小于500m3/d。

1.2.4 松散巖類孔隙水

主要分布在研究區(qū)北部山前地帶及西南部的山區(qū)，含水層主要為山前沖洪積堆積物及河流沖洪積物，巖性為砂質(zhì)黏土、黏質(zhì)砂土夾碎石、礫石，厚度一般在10～50m。枯水期一般水量較小、水位埋深較大.平水期或豐水期局部地段水量充沛，在研究區(qū)北部為主要的農(nóng)業(yè)灌溉水源(如呂家村-查舊一帶)。西南部松散巖類孔隙水涌水量大于2000m3/d，水質(zhì)較差，因總硬度和硫酸鹽超標(biāo)被評定為Ⅴ類水，地下水類型以SO4·HCO3-Ca·Mg型為主。

1.3 物性、熱物性特征

本次共測試249件巖樣的物理性質(zhì)和熱物理性質(zhì)參數(shù)，測試方法為瞬態(tài)平面熱源法，主要監(jiān)測儀器為B2002型電子天平和DRE-Ⅲ型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，儀器測量精度為±3%，測量范圍為0.005～20 W/(m·℃)，測試分辨率為0.005 W/(m·℃)。測試結(jié)果表明，熱導(dǎo)率值由高到低順次為砂巖、灰?guī)r、泥巖、黏土，與熱擴散系數(shù)不具有明顯的相關(guān)性。熱導(dǎo)率和比熱容之間相關(guān)性較明顯，大致呈正相關(guān)關(guān)系。中粗粒砂巖的熱導(dǎo)率較大，平均值為3.37W/(m·℃)；灰?guī)r次之，其熱導(dǎo)率平均值2.858W/(m·℃)；泥巖為2.40W/(m·℃)，黏土巖最小。熱導(dǎo)率越大表明巖土體導(dǎo)熱性能好，越有利于淺層地溫能的開發(fā)利用。

表1 主要巖性物理、熱物理參數(shù)特征

2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性分區(qū)

首先以1∶5萬地理底圖為基礎(chǔ)將研究區(qū)剖分為若干個500m×500m大小的單元網(wǎng)格。地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性分區(qū)緊緊圍繞評價指標(biāo)、評價體系以及由研究區(qū)淺層地溫實際條件而獲得的評價因子權(quán)重在每個單元格上進行。

2.1 分區(qū)方法

層次分析法(AHP)是一種對復(fù)雜、模糊問題作出決策權(quán)重的分析方法[4-7]，本次評價運用指標(biāo)法和層次分析法(AHP)，利用YAAHP(verion)軟件,結(jié)合章丘區(qū)淺層地溫地質(zhì)條件以及以往類似地質(zhì)區(qū)的工作經(jīng)驗，賦予評價因子分值區(qū)間，同時利用各評價要素相對于中間層的決策權(quán)重以及中間層相對于目的層的決策權(quán)重，得出各評價因子相對于目的層的權(quán)重[8]。通過加權(quán)平均計算出各單元格的分值，最終依據(jù)指標(biāo)區(qū)間對研究區(qū)進行適宜性分區(qū)(表2，圖2)[9-12]。

表2 章丘區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)分區(qū)分值指標(biāo)

圖2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)評價結(jié)構(gòu)圖

2.2 分區(qū)結(jié)果

研究區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性分區(qū)劃分為三級，分別是適宜性好區(qū)、適宜性中等區(qū)和適宜性差區(qū)(圖3)。

適宜性好區(qū)主要分布在研究區(qū)北部和西南部，面積40.08km2,占研究區(qū)總面積的50%，該區(qū)地層巖性以二疊紀(jì)砂巖為主，局部可夾薄層灰?guī)r、泥巖，熱導(dǎo)率值較高，一般大于3W/(m·℃)。

適宜性中等區(qū)主要分布在研究區(qū)的西南部和中部，面積36.30km2,占總面積的45.38%，區(qū)內(nèi)西南部地層巖性結(jié)構(gòu)為上覆厚層第四系粉質(zhì)黏土夾卵礫石層，下伏二疊系砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，枯水期地下水位一般大于12m,水位變化受豐枯水期影響較大，該區(qū)地層綜合熱導(dǎo)率值較小，一般在1.5W/(m·℃)左右；區(qū)內(nèi)中部地層巖性以二疊紀(jì)砂巖和石炭紀(jì)粉砂質(zhì)泥巖、泥頁巖為主，奧陶紀(jì)八陡組灰?guī)r在東南部小范圍出露；水位埋深較大，最深處超過60m，地層綜合熱導(dǎo)率值均在2.5W/(m·℃)以上。

適宜性差區(qū)在研究區(qū)小范圍零星分布，主要為西部的大站水庫、東南部的林蔭公園和龍盤山公園、東部的百脈泉地質(zhì)公園總面積約3.64km2，占研究區(qū)總面積的4.6%。

1-適宜性好區(qū)；2—適宜性中等區(qū)；3—適宜性差區(qū)；4—分區(qū)界線；5—研究區(qū)邊界

章丘大部分地區(qū)地層熱儲能力和熱傳導(dǎo)性能較好，比較適合采取豎直地埋管換熱方式。本次研究與評價工作遵從科學(xué)研究服務(wù)于生產(chǎn)實踐、調(diào)查重點與章丘城市發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合的原則，重點對即將開發(fā)的赭山片區(qū)、明水古城片區(qū)和山大片區(qū)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)的適宜性進行了研究評價。其中赭山片區(qū)為地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性好區(qū)，明水古城片區(qū)和山大片區(qū)均為地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性中等區(qū)[13-15]。

3 資源潛力評價

在進行地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用資源潛力評價時，首先計算出適宜區(qū)淺層地溫能熱容量、地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率、淺層地溫能可制冷/供暖面、單位面積可制冷/供暖面積[9-10]。依據(jù)單位面積可制冷/供暖面積區(qū)間值對研究區(qū)做出潛力評價，最終將研究區(qū)劃分為潛力高區(qū)、潛力中等區(qū)和潛力低區(qū)3部分[16]。

3.1 熱容量計算

3.1.1 計算方法

采用體積法分別計算了單元格內(nèi)120m和200m以淺包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲藏的熱量，然后合并計算評價范圍內(nèi)地質(zhì)體的儲熱性能。對參數(shù)差異較大的單元實時校正[17]。

3.1.2 計算結(jié)果

研究區(qū)200m深度內(nèi)淺層地溫能熱容量為36.3115×1012kJ/℃；120m深度內(nèi)淺層地溫能熱容量為21.3228×1012kJ/℃。

表3 淺層地溫能熱容量值

3.2 換熱功率計算

3.2.1 計算方法

依據(jù)熱影響半徑經(jīng)驗值、常用管材和濾料熱導(dǎo)率值、現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)、山東地區(qū)冬/夏兩季常設(shè)地埋管平均進出口溫度經(jīng)驗值等參數(shù)，利用換熱功率計算公式計算求取[18]。

3.2.2 計算結(jié)果

在地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜區(qū)[11]，考慮土地利用系數(shù)，120m以淺換熱功率：212.9238×104kW/203.1665×104kW(夏季/冬季)，其中適宜性好區(qū)換熱功率：106.2767×104kW/110.1798×104kW(夏季/冬季)，適宜性中等區(qū)換熱功率：106.6471×104kW/92.9867×104kW(夏季/冬季)。200m以淺換熱功率：363.8082×104kW/347.081kW(夏季/冬季)。其中適宜性好區(qū)換熱功率：180.3492×104kW/186.9711×104kW(夏季/冬季)，適宜性中等區(qū)換熱功率：183.459×104kW/160.1099×104kW(夏季/冬季)。

3.3 資源潛力評價

3.3.1 冷熱負(fù)荷的確定

參照山東省公用建筑和民用建筑單位面積冷熱負(fù)荷指標(biāo)[12]，本次評價公用建筑和民用建筑負(fù)荷比例采用3∶2，老建筑和節(jié)能建筑指標(biāo)各按50%計，則夏季制冷負(fù)荷70W/m2，供暖負(fù)荷55W/m2，計算可供暖面積和可制冷面積，以及單位面積可利用量的供暖和制冷面積(表4)。

3.3.2 計算結(jié)果

120m深度內(nèi)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)可建設(shè)地源熱泵工程的場地面積按章丘區(qū)規(guī)劃系數(shù)確定。夏季可制冷面積3041.7685×104m2，冬季可供暖3693.9364×104m2。夏季平均單位面積(km2)可制冷面積38.1202×104m2；冬季平均單位面積(km2)可供暖面積45.8796×104m2。

表4 單位建筑面積冷熱負(fù)荷指標(biāo) W/m2

3.3.3 評價結(jié)果

地埋管地源熱泵系統(tǒng)資源潛力高區(qū)在研究區(qū)廣泛分布,面積57.57km2，占全區(qū)總面積的71.96%。每平方千米淺層地溫能可采量可供暖/制冷面積均大于30×104m2。區(qū)內(nèi)砂巖、灰?guī)r、泥巖均有分布，單一巖體厚度大且徑流條件好。潛力中等區(qū)在研究區(qū)西北部和西南部零星分布，面積12.64km2，約占15.8%(圖4)。每平方千米淺層地溫能可采量可供暖/制冷面積在(10～30)×104m2之間。

1-潛力高區(qū)；2—潛力中等區(qū)；3—潛力低區(qū)；4—分區(qū)界線；5—研究區(qū)邊界

4 經(jīng)濟效益分析

淺層地溫能經(jīng)濟效益的計算是通過換算成常規(guī)能源，即折合標(biāo)煤量來實現(xiàn)的。

4.1 計算方法

原煤與標(biāo)煤的折算系數(shù)取0.7143[19]，考慮燃煤與換熱效率等因素，選取燃煤鍋爐熱效率轉(zhuǎn)換系數(shù)0.6[20],計算出節(jié)省的標(biāo)煤量。

GB=56.94×Q

GJ=GB×η

V=GJ×P/10000

式中：GB—相當(dāng)節(jié)約標(biāo)煤量(kg)；Q—淺層地溫能開發(fā)利用的總能量(GJ)；GJ—節(jié)煤量(kg)；η—淺層地溫能開發(fā)利用效率，按35%計；V—相當(dāng)熱資源價值(萬元)；P—燃煤價格(元/kg)。

4.2 計算結(jié)果

自然條件下，考慮土地利用系數(shù)淺層地溫能年開發(fā)利用總能量約為1814.7048萬GJ/a，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約103.3293萬t/a，年節(jié)煤量35.1478萬t/a，熱資源價值18082.6264萬元/a。

5 結(jié)論

(1)在詳細(xì)研究了章丘區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)、淺層地溫能地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對研究區(qū)進行了地埋管地源熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)，結(jié)果表明，適宜性好區(qū)面積40.08km2,約占研究區(qū)總面積的50%，該區(qū)地層巖性以二疊紀(jì)砂巖為主，局部可夾薄層灰?guī)r、泥巖，熱導(dǎo)率值較高，一般大于3W/(m·℃)。適宜性中等區(qū)主要分布在研究區(qū)的西南部和中部，面積36.30km2,約占總面積的45.38%，即研究區(qū)可開發(fā)利用地埋管地源熱泵系統(tǒng)面積占85.46%。

(2)夏季可制冷面積3041.7685×104m2，冬季可供暖3693.9364×104m2。夏季平均單位面積(km2)可制冷面積38.1202×104m2；冬季平均單位面積(km2)可供暖面積45.8796×104m2。地埋管地源熱泵系統(tǒng)資源潛力高區(qū)面積57.57km2，占研究區(qū)總面積的71.96%。潛力中等區(qū)面積12.64km2，約占15.8%。