鲁北平原地下咸水浅层地热能开发利用条件研究

赵季初， 纪洪磊， 刘欢

(1.山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队，德州 253072；2.山东省地热清洁能源探测开发与回灌工程技术研究中心，德州 253072)

0 引言

自瑞士科学家1912年提出浅层地热能系统以来[1]，浅层地热能的开发利用逐步引起了各国学者与企业界的关注[2-4]。目前，浅层地热能已成为一种建筑供暖与制冷的重要替代能源。J. W. Lund 等[5]统计到的利用地源热泵技术开发利用浅层地热能的国家约82个，全球每年直接利用的地热能为163 287 GW·h/a，其中地源热泵占55.3%。我国自20世纪80年代开始利用浅层地热能进行建筑供暖与制冷[6]。随着化石能源对环境污染问题的突显，绿色清洁替代能源的开发得到了高度重视，我国出台了首部国家专项规划《地热能开发利用“十三五”规划》[7]，截至2015年底，全国浅层地热能供暖(制冷)面积达到3.92亿m2。

浅层地热能的开发利用是通过热泵机组实现的，与传统空调相比，利用浅层地热能的热泵机组具有较高的能效比，节能效果明显[8-9]。根据地热能交换系统形式的不同，浅层地热能的开发方式可分为地埋管地源热泵系统与地下水地源热泵系统[10]，其中地下水地源热泵系统主要通过对流吸(散)热，热交换效率高于地埋管地源热泵系统[11]。鲁北平原区浅部地层岩性为松散碎屑物，具备优良的浅层地热能开发利用条件，区内已有的浅层地热能利用工程多采用地埋管地源热泵系统，埋管深度80～120 m，孔间距5～6 m，而对换热效率更高的地下水地源热泵系统认可度不高。鲁北平原区在埋深200 m以浅广泛分布有咸水体，由于地下水中含盐量高，不被作为工农业及生活用水，是浅层地热能开发的良好热(冷)源。本文在概述鲁北平原区水文地质条件的基础上，对地下水源型浅层地热能开发利用条件进行了分析，并对比了地埋管地源热泵系统与地下水地源热泵系统的优劣，为区内地下咸水浅层地热能开发利用提供了依据。

1 研究区地质概况

1.1 地层

研究区埋深200 m以浅的地层自下而上为新近系明化镇组与第四系。新近系明化镇组在研究区均有分布，厚300～900 m，岩性以土黄、棕红、棕黄色等杂色砂质黏土、砂质泥岩、泥岩和灰白色、浅灰色粉砂岩、细砂岩为主，局部夹灰绿色泥岩及钙质结核，压性结构面发育[12]。第四系沉积厚度40～220 m，自下而上可划分为下更新统、中更新统、上更新统及全新统。根据第四纪沉积物的分布规律，研究区可划分为鲁西隆起边缘沉积区、临清—济阳坳陷沉积区与埕宁隆起沉积区3个分区(图1)[13]，各沉积分区第四系特征如表1所示[14]。

图1 研究区第四系沉积分区及厚度等值线[13]

表1 研究区第四系地层特征

1.2 咸水体特征

1.2.1 咸水体分布

研究区地下水的水化学特征具有水平分带与垂向分带的特性，其中广泛分布的咸水体具有地下水水化学垂向分带的基本特征。根据咸水体的空间分布，研究区地下水可分为山前倾斜平原全淡水区、黄泛平原咸淡水重叠区和滨海平原全咸水区[15]。中层咸水体分布广泛，厚度由滨海平原区(>400 m)向山前倾斜平原区逐渐尖灭[16]。具体分布特征如图2所示。

1.2.1.1 顶板埋深

研究区咸水体顶板埋深受地形地貌、古河道带分布的控制，自古河道带至古河道间带、自山前倾斜平原至黄泛平原，咸水体顶板埋藏由深逐渐变浅，其中在古河道带地区咸水体顶界面埋深一般为20～40 m，古河道间带顶界面埋深<20 m。在东北部滨海地区除在黄河故道局部地区分布有底界面埋深<10 m的上层滞水淡水体外(即咸水体顶界面埋深<10 m)，无浅层淡水分布。在黄泛平原的河间地带呈岛状分布有无浅层淡水区，其外围地区咸水体顶界面埋深<10 m。在西南部的冠县—莘县及东南沿黄的全淡水区外围，咸水体顶板埋深>60 m[17]。

1.2.1.2 底板埋深

区内深层地下水的补给区为西北方向的太行山山脉及东南方向的鲁中南山脉，在靠近补给区的山前倾斜平原及宁津北部、冠县—莘县西南部无咸水体分布。在夏津—德州、临邑—宁津、阳谷—茌平一带咸水体的底界面埋深100～200 m，冠县北—临清、聊城—平原—武城、济阳—滨州—惠民—乐陵一带咸水体的底界面埋深200～300 m，东北部的黄河三角洲地区咸水体的底界面埋深>400 m[18]。

1.2.2 砂层分布

以地下水作为浅层地热能开发的冷热源，其开发利用条件的好坏主要受单井涌水量与回灌量控制，相同水位降深或回灌压力条件下，单井涌水量与回灌量的大小与含水层的渗透性能、含水层厚度成正比。研究区咸水体砂层的岩性以粉细砂为主，据统计，20 m降深条件下单位砂层厚度的单井涌水量约1 m3/(h·m)，即在砂层厚度20 m的古河道带地区，20 m降深条件下单井涌水量约20 m3/h。区内第四系中砂层的分布特征[20]如下。

1.2.2.1 下更新统砂层厚度

研究区南部阳谷—茌平—齐河—高青一线以南、冠县附近及宁津—无棣一带砂层缺失，在阳谷西—莘县一带、夏津—禹城—临邑一带、济阳—惠民一带、滨县北部及东营市附近砂层厚度>10 m，局部地区砂层厚度>20 m，其余广大地区砂层厚度0～10 m(图3)。

1.2.2.2 中更新统砂层厚度

中更新统砂层厚度较大，武城—高唐—禹城—惠民—沾化—东营呈NE向分布有厚度>20 m的砂层，该古河道带中间的武城附近、禹城—商河一带、高青以北、东营市以西及宁津以南分布有厚度>30 m的砂层，古河道带外围地区砂层厚10～20 m； 聊城—济阳—广饶一线以南、冠县以西及乐陵—无棣一线以北砂层厚度0～10 m； 阳谷—东阿—齐河一线以南、邹平—桓台一线以南及昌乐—昌邑一线以东砂层缺失(图3)。

1.2.2.3 上更新统砂层厚度

晚更新世，黄河开始由研究区西南的东阿附近入境。在西南的莘县—聊城一带、临邑—禹城—济阳一带、武城—陵县—德州市东一带、宁津附近及垦利—东营市一带砂层厚度>20 m，在古河道带局部地区砂层厚度>30 m，章丘附近、淄博市以西、青州—寿光一带及昌邑附近发育有砂层厚度>20 m的冲洪积扇，古河道带外围及冲洪积扇外围砂层厚度10～20 m，东阿—齐河—高唐一带、商河西—乐陵—无棣一带砂层厚度0～10 m(图3)。

1.2.2.4 全新统砂层厚度

研究区全新统砂层厚度较薄，在古河道带砂层厚度5～10 m，古河道间带砂层厚度一般小于5 m(图3)。砂层埋深一般小于20 m，不作为浅层地热能开发的目标含水层。

2 开发利用条件

2.1 咸水含水层单井涌水量

目前研究区内尚未利用咸水体进行地下水地源热泵建设，个别工程开采埋深300～500 m的深层淡水为冬季供暖地下水地源热泵提供热源。本次研究总结了4个浅层地热能勘查项目所施工的水文地质勘探孔抽水试验与回灌试验成果(图4)，结果表明咸水含水层的出水能力较弱，单井涌水量320～475 m3/d，单位涌水量12.76～28.3 m3/(d·m)。由于研究区咸水体未被工农业开发利用，地下水的水位埋深浅，自然回灌条件下(井口未密封加压)单井回灌量30～56 m3/d，单位回灌量5.85～17.5 m3/(d·m)。咸水层的井口出水温度16.5～18.5 ℃(表2)。

图4 水文地质勘探孔位置

表2 水文地质勘探孔单井涌水量与回灌量对比

2.2 开发利用投资成本

2.2.1 供暖热量估算

为分析利用咸水体开展地下水地源热泵供暖的可行性，以北方广大农村分散式供暖为目标，计算单井采用地下水地源热泵技术的可供暖面积。咸水含水层的单井涌水量按350 m3/d、开采井出口温度按17 ℃进行估算。根据目前地下水地源热泵机组的工作工况，供暖时水源侧的回水温度一般为7 ℃，计算单井换热功率的公式[10]为

Qh=qw·ΔT·ρw·Cw·1.16×10-5。

(1)

式中：Qh为换热功率，kW；qw为单井涌水量，m3/d； ΔT为利用温差，℃；ρw为地下水的密度，kg/m3；Cw为地下水的比热容，kJ/(kg·℃)。

经计算，咸水体单井换热功率(Qh)约为169.71 kW，以目前地源热泵的平均能效比4.0[21]进行单井的可供暖面积估算，农村住房的隔热性能较差，单位面积供暖所需热量标准取建筑住宅与农业温室所需热量的平均值[22]，即65 W/m2； 经计算，单井可供暖面积为3 481.02 m2，以户均住宅面积100 m2估算，单眼井可解决约35户农村住宅的冬季供暖需求。

2.2.2 投资成本

通过与地埋管地源热泵系统在热(冷)源侧的建设成本进行对比分析，估算采用咸水体作为地下水地源热泵系统热(冷)源的经济可行性。

2.2.2.1 地下水地源热泵系统

采用地下水作为热(冷)源的浅层地热能利用项目，为保证工程的可持续运行，防止地下水资源的浪费与尾水排放对环境造成不良影响，必须将热交换后的尾水回灌入开采含水层。根据勘探孔资料，自然回灌条件下单井回灌量按48 m3/d进行估算，为保证换热后的尾水能全部回灌入开采含水层，回灌井数量宜为8眼左右。根据抽水试验成果，开采井的影响半径在200 m左右，回灌井与开采井采用正八边形布局(图5)，开采井配套耐腐蚀的潜水泵。根据单井的换热功率，地源热源机组可选用输入功率为50～60 kW(制热功率200～240 kW)的机组，估算工程热源侧的投资约41.3万元(表3)，户均投资约1.18万元。

图5 开采井与回灌井布局

若考虑适当加压回灌方式，在不造成浅表地层破坏的前提下，可加压至0.2 MPa(相当于20 m的水柱压力)。由表2可以看出，同一地区单井的单位回灌量约为单位涌水量的1/2，因此可实现“1采2灌”的布局，该条件下估算工程热源侧的投资约17.6万元(表4)，户均投资约0.5万元。

表4 地下水地源热泵系统热源侧建设成本估算(加压回灌)

2.2.2.2 地埋管地源热泵系统

鲁北平原区农村住宅一般为四合院形式，单户占地面较大。基于农村住宅较分散的特点，采用地埋管地源热泵进行供暖/制冷时宜单户分散进行。根据区内实践经验，每户一般施工80～100 m深的换热孔1～2眼，热泵机组选用输入功率为1.5～2.0 kW(制热功率6～8 kW)的机组，热源侧户均投资约1.1万元(表5)。

表5 地埋管地源热泵系统热源侧建设成本估算

综合以上分析，鲁北平原区利用咸水体进行地下水地源热泵系统建设，实行多户联合供暖/制冷，热源侧户均投资约1.18万元，与单户分散的地埋管地源热泵投资成本基本相当。若采用加压回灌方式进行地下水地源热泵系统建设，则其建设成本约为地埋管地源热泵投资成本的1/2。

3 讨论

应用浅层地热能为建筑物供暖与制冷提供冷热源，具有较好的节能效果[23]，在地源热泵系统建设时，需对其优缺点进行仔细对比分析，选择最有利的建设方案。

3.1 地下水地源热泵系统

3.1.1 优点

(1)由于成井深度不大，一般采用钢筋混凝土材质作为套管与滤水管，当工程达到使用年限报废后回填，对地质环境的影响小。

(2)直接抽取地下水作为冷热源，热泵系统的总能效比普遍高于地埋管地源热泵系统。

(3)相对于地埋管地源热泵系统，在相同的冷热负荷条件下，地下水地源热泵系统需要的钻孔(井)数要少得多，对地下岩土体的扰动较小。

(4)采用膨胀性黏土球进行止水，可以有效防止工程建设及运行过程地下水的串层污染。

3.1.2 缺点

(1)回灌井止水措施若不好的话，可能会在回灌过程中因回灌水沿井身流动而对上部含水层(主要是淡水含水层)造成串层污染。

(2)不合理的采灌井距造成开采井与回灌井直接连通，使开采井水温下降，热泵系统的能效比降低。

(3)因物理、化学与生物堵塞作用造成回灌井不能正常工作，换热后的尾水不能全部回灌入开采层中，产生地下水水位下降诱发地面沉降、尾水排放对周边地表水体污染、地下水资源浪费等问题[23]。

3.2 地埋管地源热泵系统

3.2.1 优点

(1)采用埋设“U”型管的闭式循环换热技术，不抽取地下水，循环液(水)与地层之间只发生能量交换，不发生物质交换，对含水层(地层)的影响小。

(2)采用大量“U”型埋管并联换热，部分地埋管损坏不会对整个工程的正常运行产生较大的影响。

3.2.2 缺点

(1)换热孔穿透不同水质的含水层，埋管时若采用不透水的回填材料则换热效果差，若采用透水的回填材料则会产生地下水的串层污染。

(2)地埋管一般采用聚乙烯塑料“PE”材质，其使用寿命一般为50 a左右，当工程达到使用寿命后，大量的地埋管就遗留在地下，其分解破坏会对地下水环境造成污染。

(3)聚乙烯塑料“PE”材料的抗折强度有限，在安装或运行过程中有可能发生渗漏。

(4)相对于地下水地源热泵系统，地埋管地源热泵系统需要大量地钻孔，对岩土体强度具有较大的影响，尤其对于岩体，在地埋管冷热交替工况条件下，会加速地埋管周边岩体的风化。

基于以上讨论，浅层地热能开发时宜优先选择地下水地源热泵系统。对于供暖/制冷能耗需求较小的农村单户建筑，可选择地埋管地源热泵系统进行分散式供暖/制冷。

4 结论

(1)鲁西北平原区在埋深200 m以内广泛发育有咸水体，因矿化度较高而不能作为工农业生产的水源，其井口出水温度16.5～18.5 ℃，是较好的地下水地源热泵系统的冷热源。单井涌水量320～475 m3/d，单位涌水量12.76～28.3 m3/(d·m)，自然回灌条件下单井回灌量30～56 m3/d，单位回灌量5.85～17.50 m3/(d·m)。

(2)单井可供暖面积3 481.02 m2，可解决约35户农村住宅的冬季供暖需求，在进行地下水地源热泵系统建设时，可以采用30～35户农村住宅为供暖单元的多户联供形式，自然回灌条件下可采用“1抽8灌”的建设方案，加压回灌条件下可采用“1采2灌”的建设方案。

(3)浅层地热能开发时宜优先选择地下水地源热泵系统。对于供暖/制冷需求较小的农村单户建筑，可选择地埋管地源热泵系统进行分散式供暖/制冷。