秦皇岛沿海地区浅层地热能开发利用浅析

赵　瑜，任旭光，胡春雷

（河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北秦皇岛066000）



秦皇岛沿海地区浅层地热能开发利用浅析

赵瑜，任旭光，胡春雷

（河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北秦皇岛066000）

摘要：结合秦皇岛沿海地区自身区域条件，开展野外作业并进行必要的试验，采用层次分析法（AHP）结合GIS地理信息系统空间分析功能，对试验数据进行处理和分析，初步查明了秦皇岛市沿海地区浅层地热能条件及分布规律。针对地下水源热泵技术及地埋管地源热泵技术在秦皇岛沿海地区的应用适宜性进行分区，作出资源评价。经分析，西南部沿海戴河流域以南，第四系松散盖层发育地区相对适宜浅层地热的开发利用。

关键词：浅层地热能；资源开发利用评价；秦皇岛市沿海地区；能源效益

10.13358/j.issn.1008-813x.2016.03.17

浅层地热能蕴藏在地下水、地表水、土壤岩石等地质环境之中，具有清洁、价廉、丰富的特点，是一种可再生的新型环保能源，具有极大的开发利用潜力［1-2］。秦皇岛市沿海地区地形较为复杂，盖层的不同致使开发利用过程中采取的换热方式及经济性存在很大差别，并且该地区的浅层地热能资源开发利用处于起步阶段，对以何种换热方式实现资源的合理开发利用缺乏科学的引导。开展沿海城建区浅层地热能资源调查评价工作为地源热泵技术在该地区的应用提供了依据，对这一新兴绿色资源的开发有着重要意义［3-6］。

1　秦皇岛市沿海地区浅层地热能开发利用影响因素

1.1气象水文

适宜的气象水文条件是浅层地热能开发利用的前提。秦皇岛地区属暖温带半湿润季风型大陆性气候，多年平均气温10.5℃，最冷月为1月，平均气温-6.5℃，最热月为7月，平均气温25℃，极端最低气温-27.2℃。极端最高气温37.4℃。多年平均降水量为688.9 mm，降水主要集中在7月、8月、9月三个月，多年平均蒸发量1 655.88 mm。沿海地区年平均地温11℃左右，区域内有11条主要入海河流发育，分别为石河、人造河、汤河、小汤河、新河、戴河、洋河、人造河、东沙河、饮马河、新开口。地域降水丰富，四季分明。

1.2地质、水文地质背景

区域性地质、水文地质条件决定着浅层地热资源的开发利用方式。秦皇岛沿海地区第四系沉积层总的特点为：沉积的厚度分布不均，趋势为由北向南增厚。东部的石河地区薄，厚度仅10 m左右，向西逐渐增厚，汤河区20 m左右，洋河、戴河地区70 m左右，滦河、饮马河平原大于400 m。该地区属浅层地热能利用范畴的地下水主要为低山丘陵基岩裂隙水和冲洪积平原松散岩类孔隙水。基岩裂隙水主要分布在戴河及以北，其富水性远远满足不了浅层地热能的开发利用。由戴河流域逐渐向南至滦河、饮马河冲洪积扇以北，第四系盖层逐渐增厚，地下水可利用段可增至Q2层底板250 m。现有的地下水地源热泵系统也主要分布于此区域。

1.3地温条件

秦皇岛市沿海地区恒温带深度约20 m，恒温带温度约为12.3℃。200 m以浅的地温梯度变化不大，一般为2～3℃/100 m，并且由西向东即由陆地向沿海地温梯度呈现由低到高的趋势。

2　浅层地热能试验

为了了解和掌握该区域的浅层地热资源赋存及分布规律，依据规范和地域条件，对本区200 m以浅的潜水和微承压水进行了相应的抽水回灌试验，在第四系松散盖层相对发育地区进行了热响应试验，通过场地试验和区域性试验结果进行浅层地热资源适宜性分区。

2.1抽水回灌试验

回灌能力关系到地下水地源热泵系统运行的可持续性和地下水资源的保护。抽水回灌试验，施工2眼水井，1眼作为供水井，1眼作为回灌井。2眼井间距28.5 m。井深均为100 m。两井结构相同，井管内径均为270 mm。进行抽水回灌试验。抽水试验采用稳定流抽水试验，其中抽水井涌水量为535.2 m3/d，含水层厚度取42 m，依据Dupuit公式得到影响半径R为280.55 m，渗透系数k为2.677 m/d。

抽水试验结束后，进行回灌试验，回灌量分别按三个定流量进行。根据本次回灌试验结果，抽水量为22.3 m3/h，最大回灌量为15.03 m3/h，回灌量与抽水量百分比为67.4%（数据见表1）。

表1　回灌试验数据

秦皇岛沿海南戴河、大蒲河等地均有浅层地热能水源热泵工程。但诸多原因制约了水源热泵空调系统的推广应用。

2.2热响应试验

热响应试验在南部滨海冲洪积平原进行，试验分别进行了初始工况及夏季排热、冬季取热工况测试（数据见表2）。

表2　热响应试验数据

沿海地区由北向南地层导热系数逐渐增大。戴河流域以南第四系发育地区有利于地埋管式热泵技术的应用。

3　浅层地热能开发利用区划

通过收集资料、场地性和区域性试验，采用层次分析法（AHP），结合GIS地理信息系统空间分析功能对试验数据进行处理，得到不同地区浅层地热资源的适宜性区划。

3.1地下水式换热系统适宜性分区

对多组场地性抽水回灌试验数据计算分析，依据《浅层地热能勘查评价规范》DZ/T 0225—2009［7］的技术指标进行地下水式换热系统的适宜性分区评价：秦皇岛市沿海地区没有地下水换热方式适宜区，以戴河流域为界，南部为地下水换热方式的较适宜区，以北全部为地下水换热方式的不适宜区。这一地区含水层岩性以砾砂、粗砂、中砂为主，第四系厚度50～200 m，含水层厚度大于20 m，地层渗透性、富水性较好，单井出水量一般大于300 m3/d，回灌能力为50%～80%。

3.2地埋管式换热系统适宜性分区

由多组场地性热响应试验数据计算分析，依据《浅层地热能勘查评价规范》DZ/T 0225—2009的技术指标进行地埋管式换热系统的适宜性分区评价：秦皇岛市沿海地区饮马河流域以南以及滦河东部流域，为地埋管换热方式的适宜区，饮马河流域以北，洋河流域以南南部沿海地区为地埋管换热方式的较适宜区，东沙河以北全部为地埋管换热方式的不适宜区。第四系发育较好地区，岩土层含水量大，地下水水位埋深浅，更适宜地埋管式换热系统的发展和应用。

4　浅层地热能资源计算评价

为了确保浅层地热能资源合理开发利用，针对秦皇岛市沿海地区600 m2面积进行资源计算。根据《浅层地热能勘查评价规范》DZ/T 0225—2009，秦皇岛沿海地区浅层地热能评价包括浅层地热容量的计算、换热功率的计算。其中浅层地热容量采用体积法计算；由于该地区没有科学合理的工程实例，地下水及地埋管换热功率的计算分别利用抽水回灌试验及热响应试验获得数据结合区域经济和环境约束条件计算。

4.1浅层地热容量计算

式（1）中：QR为浅层地热容量，kJ/℃；QS为岩土体中的热容量，kJ/℃；QW为岩土体所含水中的热容量，kJ/℃；其中：

式（2）中：ρS为岩土体密度，kg/m3；CS为岩土体骨架比热容，kJ/（kg·℃）；φ为岩土体的孔隙率（或裂隙率）；M为计算面积，m2；d2为潜水面至计算下限的岩土体厚度，m；其中：

式（3）中：ρw为水密度，kg/m3；Cw为水比热容，kJ/（kg·℃）；φ为岩土体的孔隙率，%；M为计算面积，m2；d2为潜水面至计算下限的岩土体厚度，m。

由于秦皇岛沿海特殊的地域性地质情况，根据秦皇岛第四系厚度分布，分别计算200 m以内的松散盖层及其下各部分热容量。第四系厚度小于3 m计算时忽略盖层，与基岩地区合计，计算面积为285 km2，单位温差热容量为1.19×1014kJ，相当于标准煤4.06×102万t。剩余地区计算面积为317 km2，根据第四系盖层的岩性分层计算，单位温差热容量为1.40×1014kJ，相当于标准煤4.78×102万t。

4.2浅层地热换热功率

4.2.1地下水换热系统换热功率

首先取得地下水和地表水循环利用量，求单井换热功率，再求区域换热功率。

单井换热功率计算公式：

式（4）中：Qh为单井换热功率，kW；qw为地下水循环利用量，m3/d；△T为地下水利用温差，℃；ρw为水的密度，kg/m3，取1 000 kg/m3；Cw为水的比热容，kJ/（kg·℃），取4.18 kJ/（kg·℃）。

区域换热功率计算公式：

式（5）中：Qq为评价区浅层地热能换热功率，kW；Qh为单井浅层地热能换热功率，kW；n为适宜区内可布抽灌系统的数量。

式（6）中：S为地下水换热方式适宜区和较适宜区的面积，m2；τ为土地利用率，%；i为抽灌系统使用面积，m2。

秦皇岛沿海地区地下水换热方式较适宜区面积按151 km2计算，换热功率按照冬季利用温差为5℃，夏季利用温差10℃计算。得出地下水较适宜区换热功率冬季为1.566×106kW，夏季为3.134×106kW。

4.2.2地埋管换热系统换热功率

地埋管换热系统区域换热功率依据热响应试验得出的单孔换热功率计算。地埋管换热功率计算公式：

式（7）中：Qh为区域换热功率，kW；D为单孔换热功率，W；n为换热孔数。孔间距按照5 m计算。

经计算，该区夏季换热功率为6.482×106kW，冬季换热功率为3.309×106kW。

5　能源效益

如果对秦皇岛沿海地区浅层地热能资源合理开发利用，将会带来可观的能源效益。根据计算，沿海城市区600 km2面积的浅层地热能源，采用地下水换热方式夏季，可实现制冷面积达3.457×106m2，冬季可实现供暖面积达3.491×106m2。采用地埋管换热方式，夏季可实现制冷面积达84.61×105m2，冬季供暖面积达7.357×106m2。冬季可节约燃煤124.14万t，可减少向大气排放二氧化碳296.198万t、二氧化硫2.11万t、氮氧化物0.745万t、粉尘0.993万t；夏季可节约燃煤219.62万t，可减少向大气排放二氧化碳524.013 万t、二氧化硫3.733万t、氮氧化物1.318 t、粉尘1.757万t。

6　结论

通过野外作业进行必要的工程场地试验，初步了解和掌握秦皇岛沿海地区浅层地热能开发利用条件，并作出了适宜性区划，得出以下结论：

（1）秦皇岛戴河流域以南沿海地区适宜推广浅层地热能资源的开发和利用，最佳的开发利用方式为地埋管地源热泵换热。

（2）地下水水源热泵技术在滨海平原地区的应用，存在采灌井成井工艺及回灌方法的技术问题，应增加正式的、规范的学习及宣传。

（3）地源热泵的工程设计，关系到地质、水位、环境评估、钻井技术、暖通空调技术等一系列专业知识，组建专业技术队伍，提高公众对其认可度是充分利用这项可再生能源的关键。

参考文献

［1］骆祖江，金芸芸，张莱.可再生浅层地热能资源开发利用关键技术问题［J］.地质学刊，2011，35（4）：401-404.

［2］杨如辉，邹声华，刘彩霞.浅层地热能的开发利用［J］.徐州工程学院学报：自然科学版，2011，26（2）：69-72.

［3］张德忠，苏永强，冯来全，等.河北平原浅层地热能开发利用前景分析［C］//地温资源与地源热泵技术应用论文集（第二集）.2008.

［4］田光辉，林黎，程万庆，等.天津市浅层地热能开发利用动态监测网建设［J］.中国地质，2011，38（6）：1660-1666.

［5］唐永香，李嫄嫄，俞礽安，等.滨海新区浅层地热能利用方式适宜性分区评价［J］.煤气与热力，2014，34（1）：21-25.

［6］吴烨.河南省浅层地热能开发的环境地质问题［J］.人民黄河，2012，34（4）：61-62，65.

［7］中华人民共和国国土资源部.DZ/T 0225-2009浅层地热能勘查评价规范［S］.北京：中中国标准出版社.

（编辑：程俊）

环境监测与污染防治

Shallow Geothermal Energy of Qinhuangdao Coastal Areas

Zhao Yu，Ren Xuguang，Hu Chunlei
（Qinhuangdao Mineral Resource and Hydrogeological Brigade，Hebei Geological Prospecting Bureau，Qinhuangdao Hebei 066000，China）

Abstract：Combined with the regional conditions of Qinhuangdao coastal areas，the field work and necessary test were carried out. The test data was analyzed adopting AHP and combined with the spatial analysis function of GIS. The conditions and distribution of shallow geothermal energy were concluded in the coastal area of Qinhuangdao. Aimed at the application of underground water source heat pump technology and the ground source heat pump technology in the Qinhuangdao coastal area，concluded that the Quaternary loose cover relatively was suitable for the development and utilization of shallow geothermal development area from the southwest Dai River basin to the south.

Key words：shallow geothermal energy，resource exploitation and utilization assessment，Qinhuangdao coastal areas，energy efficiency

中图分类号：X382

文献标识码：A

文章编号：1008-813X（2016）03-0060-04

收稿日期：2016-03-30

作者简介：赵瑜（1987-），男，河北石家庄人，毕业于河北大学通信工程专业，助理工程师，主要从事地下水资源调查与地热资源调查评价方面的研究工作。