烟台市城区浅层地热能评价

2018-11-22殷焘赵辉毕建新

山东国土资源 2018年12期

殷焘，赵辉，毕建新

(山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台 264004)

烟台市是山东半岛蓝色经济区、山东半岛城市群的主要组成部分和经济发达地区之一。然而，当地能源资源贫乏，长期处于缺煤少电的紧张状态，严重制约了烟台市的经济可持续发展。随着烟台市社会经济的不断快速发展，浅层地热能的开发利用受到当地政府和相关主管部门的重视。为了进一步推动节能减排工作，改善烟台市能源结构，缓解能源供应的紧张局面，促进烟台市浅层地热能开发利用，推广烟台市浅层地热能相关工程的配套建设，该文评价了烟台市城区浅层地热能资源量，评价区面积1002.96km2,包括烟台市六区的大部分地区。

1 浅层地热能开发利用方式

浅层地热能是一种可再生的新型环保能源[1-2]，一般开发深度为200m以浅[3]，主要赋存于地下水与岩土层中的低温热源，这类低温热源可以大大地降低传统供暖与制冷的能耗，节约成本，具有较强的开发潜力，其开发利用方式以水源热泵(地下水、地表水等)和地埋管型地源热泵为主(图1、图2)。

图1 地下水地源热泵系统利用示意图

图2 地埋管地源热泵系统利用示意图

2 浅层地热能开发利用条件

2.1 水文地质条件

烟台市城区属鲁东低山丘陵水文地质区(Ⅲ)。区内大部分为基岩裸露区，区内大面积分布的碳酸盐岩类岩溶裂隙水与岩浆岩及变质岩类裂隙水，整体上富水性较弱。烟台市城区地下水富水性较好地段主要位于海积平原与冲积平原，属松散岩类孔隙水。该含水层岩性主要为细砂、中粗砂及砂砾石为主，厚度一般为5～30m，地下水埋深1～10m，水化学类型主要以HCO3·Cl-Na·Ca水为主，在海(咸)水入侵区以Cl-Na水为主，矿化度一般为0.5g/L，局部地段大于1g/L。其中富水性较强的地段主要位于烟台开发区黄垒河、柳林河以及莱山区孙家滩附近。富水性强的地段位于夹河下游、牟平辛安河流域、沁水河流下游(图3)。

1—涌水量>300m3/d·m；2—100～300m3/d·m；3—涌水量<100m3/d·m；4—分区界线；5—调查区范围图3 烟台市城区地下水富水性分区图

2.2 地温条件

通过井温测量工作，区内恒温带上限深度一般在14～40m，恒温带温度14.4～14.6℃，恒温带的下限在26～40m。另外，根据现场热响应试验，地下100m深度范围内岩土层的温度为13.8～16.4℃，平均温度为15.2℃，其值高于上述测量确定的恒温带平均温度。

3 浅层地热能试验

3.1 现场热响应试验

3.1.1 现场热响应试验的布置

评价工作在烟台市城区各岩性分布区共布置了11组现场热响应试验(S1…S11)，见图4。对烟台市不同区域岩土体进行现场垂直埋管试验，试验深度均为100m，主要测试岩土体平均温度、岩土体导热系数、岩土体的比热容。

1—热响应试验严控位置；2—工作区范围图4 现场热响应试验位置分布图[4]

3.1.2 现场热响应试验测试结果

根据该次进行的11组热响应试验测试结果(表1)，区内所测地下岩土体初始温度(平均温度)为14.2～16.4℃；区内所测试岩土层的导热系数为1.38～3.12W/m℃；区内所测试岩土层的容积比热容为(1.375～2.082)×103kJ/m3℃。

表1 现场热响应试验结果

3.1.3 不同岩性热物性参数的确定

该次在各岩性分区均布设有热响应试验，根据试验结果以片岩区内岩土热响应试验结果为例，S1孔与S9孔相距约12.5km，均位于片岩分布区内，其地层结构相似，岩性单一，上覆第四系盖层均<5m，其岩土导热系数分别为2.44W/m℃和2.33W/m℃，容积比热容分别为1.485×103kJ/m3℃和1.52×103kJ/m3℃。两孔试验岩土导热系数基本一致，试验结果容积比热容相差小，因此可将同一单元内各孔岩土热物性参数值的平均值作为其岩土体的综合热物性参数。在计算资源量的同时，为得到更加准确的热能资源储量，可以按地层结构将同一地质单元划分为数个亚区，采用亚区内或者临近亚区内试验孔热物性参数均值进行分区计算合并。

3.2 抽灌试验

3.2.1 抽灌试验结果

该次抽灌试验共布设2组，分别位于开发区柳子河路及牟平区大窑镇东吕格庄。采用同层、单井、定流量、定水头抽灌试验，回灌量的测量采用水表计量，于回灌井的进水口与出水口分别架设一个水表，测量精度到0.1m3，该试验工作质量符合《注水试验规程》(YS5214—2000)中的有关要求，抽灌试验结果见表2。

表2 抽灌试验结果

3.2.2 抽、灌井间距确定

水源热泵抽灌井的间距对地下水地源热泵的运行起着关键的作用。如果抽灌井间距太小，就会引发热短路现象。热泵机组正常工作时，要求系统内循环水的温度介于5～25℃之间，如果抽灌井地下水径流发生热短路现象[5]，前期会降低热泵系统运行效率，功率降低，加大能耗，甚至超过传统冷暖系统运行成本；后期会导致热泵机组瘫痪或者不能正常运行[6-7]。

基于地下水对流和弥散在“热突破”过程中的作用和热弥散计算的复杂性，该次采用稳定纯对流双井条件下，地下水运移锋面运移公式，即回灌水到达抽水井的时间(热短路时间)可用下式表示[5]：

式中:π—圆周率；n—有效的含水层孔隙度；B—含水层厚度；d—抽灌井间距离；Q—注水量。

根据上式可确定抽灌井间距临界值：

式中：t—制冷或供暖期。

烟台市城区冬季供暖时间取值为136d；夏季制冷时间取值为90d。经计算，烟台市城区地下水地源热泵抽灌井间距为40～50m。

4 浅层地热能适宜性分区

采用层次分析法经专家讨论选取评价因子[8-11]，构建评价体系，确定权重后利用综合指数与模糊数学2种方法进行综合评判，对烟台市地下水源热泵与地埋管地源热泵的开发利用的适宜性进行评价。

4.1 地下水地源热泵适宜性分区

4.1.1 评价体系的建立

地下水地源热泵适宜性评价体系层次结构模型由三层构成，由系统目标层，属性层，要素指标层三层组成[8,12-15]；属性指标层由自然地理条件、水文地质、地质环境条件及社会经济条件4个要素组成；要素指标层由地形地貌、年均降水量、富水性、矿化度、回灌能力、水位埋深、地下水平均温度、重要水源地、地面塌陷、地下水降落漏斗、建筑物密度和人均收入组成(图5)。

图5 地下水地源热泵适宜性分区评价结构图

4.1.2 地下水地源热泵适宜性评价结果

烟台市城区地下水地源热泵适宜性分区见图6，具体阐述如下：

1—适宜区；2—较适宜区；3—不适宜区；4—分区界线；5—调查区范围图6 地下水地源热泵适宜性分区图

(1)地下水地源热泵适宜区。分布于牟平城北，面积约53.66km2，占调查区5.35%。该区大部分地区地下水富水性强(单位涌水量一般大于300m3/d·m)，回灌能力强(抽灌比一般在1～2)。

(2)地下水地源热泵较适宜区。分布于黄垒河、柳林河、夹河、辛安河等河流下游地区，面积约91.99km2，占调查区9.17%。该区大部分地区地下水富水性中等(单位涌水量一般在100～300m3/d·m)，回灌能力中等(抽灌比一般在3～4)。

(3)地下水地源热泵不适宜区。分布于重点调查区大部分地区，面积合计857.31km2，占调查区85.48%。该区多为基岩裸露区，大部分地区富水性弱(单位涌水量一般小于100m3/d·m)，回灌能力弱(抽灌比一般大于4)；另有部分地区(如夹河中下游)富水性和回灌能力强，但是属于城市供水水源地保护区，不适宜进行地下水地源热泵建设。

4.2 地埋管地源热泵适宜性分区

4.2.1 评价体系建立

地埋管地源热泵适宜性评价体系层次结构模型由三层构成(图7)；由系统目标层、属性层和要素指标层三级结构组成[8,12-15]；其中属性指标由自然地理条件、水文地质条件、工程地质条件、环境地质条件、社会经济条件和岩土层换热能力组成；要素指标层由地形地貌、富水性、含水层厚度、水位埋深、第四系厚度、卵石层厚度、崩滑流、地面塌陷、建筑物密度、人均收入、地下平均温度、导热系数、比热容组成。

图7 地埋管地源热泵适宜性分区评价结构图

4.2.2 地埋管地源热泵适宜性评价结果

烟台市城区地埋管地源热泵适宜性主要见图8，具体阐述如下：

1—适宜区；2—较适宜区；3—不适宜区；4—分区界线；5—调查区范围图8 地埋管地源热泵适宜性分区图

(1)地埋管地源热泵适宜区。分布于重点调查区大部分地区，面积约739.09km2，占调查区73.69%。该区地形起伏不大，地层多为单元—双元结构，多为基岩裸露区，部分地区上覆薄层第四系(厚度小于20m)，地质环境良好，无大中型地质灾害分布，岩土层综合换热能力强。

(2)地埋管地源热泵较适宜区。分布于重点调查区冲洪积平原和丘陵地区，面积约261.58km2，占调查区26.08%。其中冲洪积平原位于河流中下游，地形平坦，第四系厚度大于20m，地层多为三元以上结构，部分地区有卵石层分布；丘陵地区地形起伏较大，地层多为单元—双元结构，无大中型地质灾害分布，地质环境中等，岩土层综合换热能力较强。

(3)地埋管地源热泵不适宜区。分布于福山邢家山、王家庄一带，面积合计2.29km2，占调查区0.23%。该区地形起伏中等，区内地面开裂，地质环境差，不适宜进行地源热泵建设。

5 浅层地热能资源量

5.1 概念模型

烟台市各地区岩性种类较多，各岩土体密度、比热容、孔隙率等相差较大，为了在现有工作程度下，较准确地计算出烟台市浅层地热容量，该次在充分搜集已有钻孔资料和前人研究成果的基础上，利用钻孔插值法，建立烟台市浅层地热能概念模型。概化后烟台市浅层地热能地质结构类型共分为：第四系(粘性土、砂性土等)、片岩(片麻岩、变粒岩等)、花岗岩、闪长岩、泥砂岩(泥岩、砂岩等)、大理岩、板岩、石英岩八大类(图9)。

1—大理岩区块；2—花岗岩区块；3—第四系区块；4—片岩区块；5—闪长岩区块；6—板岩区块；7—泥砂岩区块；8—石英岩区块；9—分区界线；10—调查区范围图9 地热容量计算地质结构概化图

5.2 浅层地热能热容量

该次根据《浅层地热能勘查评价规范》(DZ/T 0225-2009),采用体积法[16]计算烟台市城区地下100m范围内浅层地热容量，经计算烟台市城区100m以浅，浅层地热容量为165.41×1012kJ/℃，其中适宜区浅层地热容量为120.76×1012kJ/℃，较适宜区浅层地热容量为44.26×1012kJ/℃，不适宜区浅层地热容量为0.39×1012kJ/℃(表2、表3)。