章丘区浅层地温能资源研究与评价——以地埋管换热方式为例

孙明远，杨霞，邵琦

(山东省地矿工程集团有限公司，山东 济南 250200)

0 引言

浅层地温能是指地表以下一定深度范围内(一般为恒温带至200m埋深)，温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部资源。一般而言在地下水与地埋管地源热泵系统均适宜区，我们优先开发利用地埋管地源热泵系统，因其节能环保、储量大、分布广、开发利用简单等优点，在国内外得到大力推广应用，但因缺乏合理的勘察设计和规划依据，出现后期投资成本高、运行效率低甚至出现工程质量等问题[1-3]。因此，浅层地温能资源研究与评价的开展对地埋管地源热泵的开发利用是必要的。

本文以山东省重点县区浅层地温能调查评价项目为依托开展了章丘区浅层地温能地埋管地源热泵系统适宜性分区、资源量概算和资源潜力评价工作，为科学开发利用浅层地温能提供依据。

1 浅层地温能赋存条件

1.1 浅层地质结构特征

研究区地处鲁中地区，属于低倾斜平原区，地势西北、东南高，中间低，黄河流经北境。区内第四系厚度在东北和西南部最大，最厚可达60m,下伏地层主要为二叠纪砂岩、石炭纪本溪—太原组泥岩、薄层泥灰岩以及奥陶纪八陡组灰岩。区内中北部及东南部基岩直接出露地表。

1.2 水文地质特征

本区为以鲁中南低山丘陵松散岩、碎屑岩、灰岩类为主的水文地质区，根据地下水赋存条件、埋藏规律及各含水层间的水力联系，将区内地下水划分为碳酸盐岩类裂隙岩溶水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙水、松散岩类孔隙水(图1)。

1—裸露型裂隙岩溶水<100m3/d；2—裸露型裂隙岩溶水100～1000m3/d；3—隐伏型裂隙岩溶水100～1000m3/d；4—隐伏型裂隙岩溶水1000～3000m3/d；5—隐伏型裂隙岩溶水>3000m3/d；6—碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙水<100m3/d；7—松散岩类孔隙水<500m3/d；8—松散岩类孔隙水500～1000m3/d；9—松散岩类孔隙水1000～2000m3/d；10—松散岩类孔隙水>2000m3/d；11—富水性分区界线；12—地层界线；13—断层；14—研究区边界

1.2.1 碳酸盐岩类裂隙岩溶水

该含水层以奥陶纪八陡组灰岩为主，在区内分布较广，南部出露于地表，中部山前地带隐伏于第四系和煤系地层之下。含水层富水性好，单井涌水量3000～1000m3/d，水化学类型为SO4·HCO3-Ca·Mg型。

1.2.2 碎屑岩类孔隙裂隙水

含水层主要为石炭-二叠纪砂岩，除赭山和李家埠附近有小范围出露外，大部分被第四系覆盖。水位埋深15～57m，受深断裂带影响，单井涌水量变化较大，一般在100～3000m3/d，水化学类型为SO4·HCO3-Ca型。

1.2.3 碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙水

含水层为石炭纪本溪-太原组灰色砂岩、页岩夹灰岩，二叠纪山西组砂岩夹薄层灰岩，主要分布在山前地带煤系地层，水量受季节影响，年内变化较大。含水层通常岩溶裂隙不发育，富水性较差，涌水量一般小于100m3/d，水质较差，地下水类型以SO4·HCO3-Ca·Mg型为主(贺套庄水井)，在研究区构造发育地带，特别是在泉口附近，受断裂构造的作用，与下伏岩溶水连通，涌水量增大，但一般小于500m3/d。

1.2.4 松散岩类孔隙水

主要分布在研究区北部山前地带及西南部的山区，含水层主要为山前冲洪积堆积物及河流冲洪积物，岩性为砂质黏土、黏质砂土夹碎石、砾石，厚度一般在10～50m。枯水期一般水量较小、水位埋深较大.平水期或丰水期局部地段水量充沛，在研究区北部为主要的农业灌溉水源(如吕家村-查旧一带)。西南部松散岩类孔隙水涌水量大于2000m3/d，水质较差，因总硬度和硫酸盐超标被评定为Ⅴ类水，地下水类型以SO4·HCO3-Ca·Mg型为主。

1.3 物性、热物性特征

本次共测试249件岩样的物理性质和热物理性质参数，测试方法为瞬态平面热源法，主要监测仪器为B2002型电子天平和DRE-Ⅲ型导热系数测试仪，仪器测量精度为±3%，测量范围为0.005～20 W/(m·℃)，测试分辨率为0.005 W/(m·℃)。测试结果表明，热导率值由高到低顺次为砂岩、灰岩、泥岩、黏土，与热扩散系数不具有明显的相关性。热导率和比热容之间相关性较明显，大致呈正相关关系。中粗粒砂岩的热导率较大，平均值为3.37W/(m·℃)；灰岩次之，其热导率平均值2.858W/(m·℃)；泥岩为2.40W/(m·℃)，黏土岩最小。热导率越大表明岩土体导热性能好，越有利于浅层地温能的开发利用。

表1 主要岩性物理、热物理参数特征

2 地埋管地源热泵系统开发利用适宜性分区

首先以1∶5万地理底图为基础将研究区剖分为若干个500m×500m大小的单元网格。地埋管地源热泵系统开发利用适宜性分区紧紧围绕评价指标、评价体系以及由研究区浅层地温实际条件而获得的评价因子权重在每个单元格上进行。

2.1 分区方法

层次分析法(AHP)是一种对复杂、模糊问题作出决策权重的分析方法[4-7]，本次评价运用指标法和层次分析法(AHP)，利用YAAHP(verion)软件,结合章丘区浅层地温地质条件以及以往类似地质区的工作经验，赋予评价因子分值区间，同时利用各评价要素相对于中间层的决策权重以及中间层相对于目的层的决策权重，得出各评价因子相对于目的层的权重[8]。通过加权平均计算出各单元格的分值，最终依据指标区间对研究区进行适宜性分区(表2，图2)[9-12]。

表2 章丘区地埋管地源热泵系统分区分值指标

图2 地埋管地源热泵系统适宜性分区评价结构图

2.2 分区结果

研究区地埋管地源热泵系统开发利用适宜性分区划分为三级，分别是适宜性好区、适宜性中等区和适宜性差区(图3)。

适宜性好区主要分布在研究区北部和西南部，面积40.08km2,占研究区总面积的50%，该区地层岩性以二叠纪砂岩为主，局部可夹薄层灰岩、泥岩，热导率值较高，一般大于3W/(m·℃)。

适宜性中等区主要分布在研究区的西南部和中部，面积36.30km2,占总面积的45.38%，区内西南部地层岩性结构为上覆厚层第四系粉质黏土夹卵砾石层，下伏二叠系砂岩、泥质粉砂岩，枯水期地下水位一般大于12m,水位变化受丰枯水期影响较大，该区地层综合热导率值较小，一般在1.5W/(m·℃)左右；区内中部地层岩性以二叠纪砂岩和石炭纪粉砂质泥岩、泥页岩为主，奥陶纪八陡组灰岩在东南部小范围出露；水位埋深较大，最深处超过60m，地层综合热导率值均在2.5W/(m·℃)以上。

适宜性差区在研究区小范围零星分布，主要为西部的大站水库、东南部的林荫公园和龙盘山公园、东部的百脉泉地质公园总面积约3.64km2，占研究区总面积的4.6%。

1-适宜性好区；2—适宜性中等区；3—适宜性差区；4—分区界线；5—研究区边界

章丘大部分地区地层热储能力和热传导性能较好，比较适合采取竖直地埋管换热方式。本次研究与评价工作遵从科学研究服务于生产实践、调查重点与章丘城市发展规划相结合的原则，重点对即将开发的赭山片区、明水古城片区和山大片区的地埋管地源热泵系统的适宜性进行了研究评价。其中赭山片区为地埋管地源热泵系统开发利用适宜性好区，明水古城片区和山大片区均为地埋管地源热泵系统开发利用适宜性中等区[13-15]。

3 资源潜力评价

在进行地埋管地源热泵系统开发利用资源潜力评价时，首先计算出适宜区浅层地温能热容量、地埋管地源热泵系统换热功率、浅层地温能可制冷/供暖面、单位面积可制冷/供暖面积[9-10]。依据单位面积可制冷/供暖面积区间值对研究区做出潜力评价，最终将研究区划分为潜力高区、潜力中等区和潜力低区3部分[16]。

3.1 热容量计算

3.1.1 计算方法

采用体积法分别计算了单元格内120m和200m以浅包气带和饱水带中的单位温差储藏的热量，然后合并计算评价范围内地质体的储热性能。对参数差异较大的单元实时校正[17]。

3.1.2 计算结果

研究区200m深度内浅层地温能热容量为36.3115×1012kJ/℃；120m深度内浅层地温能热容量为21.3228×1012kJ/℃。

表3 浅层地温能热容量值

3.2 换热功率计算

3.2.1 计算方法

依据热影响半径经验值、常用管材和滤料热导率值、现场热响应试验数据、山东地区冬/夏两季常设地埋管平均进出口温度经验值等参数，利用换热功率计算公式计算求取[18]。

3.2.2 计算结果

在地埋管地源热泵系统开发利用适宜区[11]，考虑土地利用系数，120m以浅换热功率：212.9238×104kW/203.1665×104kW(夏季/冬季)，其中适宜性好区换热功率：106.2767×104kW/110.1798×104kW(夏季/冬季)，适宜性中等区换热功率：106.6471×104kW/92.9867×104kW(夏季/冬季)。200m以浅换热功率：363.8082×104kW/347.081kW(夏季/冬季)。其中适宜性好区换热功率：180.3492×104kW/186.9711×104kW(夏季/冬季)，适宜性中等区换热功率：183.459×104kW/160.1099×104kW(夏季/冬季)。

3.3 资源潜力评价

3.3.1 冷热负荷的确定

参照山东省公用建筑和民用建筑单位面积冷热负荷指标[12]，本次评价公用建筑和民用建筑负荷比例采用3∶2，老建筑和节能建筑指标各按50%计，则夏季制冷负荷70W/m2，供暖负荷55W/m2，计算可供暖面积和可制冷面积，以及单位面积可利用量的供暖和制冷面积(表4)。

3.3.2 计算结果

120m深度内地埋管地源热泵系统适宜区可建设地源热泵工程的场地面积按章丘区规划系数确定。夏季可制冷面积3041.7685×104m2，冬季可供暖3693.9364×104m2。夏季平均单位面积(km2)可制冷面积38.1202×104m2；冬季平均单位面积(km2)可供暖面积45.8796×104m2。

表4 单位建筑面积冷热负荷指标 W/m2

3.3.3 评价结果

地埋管地源热泵系统资源潜力高区在研究区广泛分布,面积57.57km2，占全区总面积的71.96%。每平方千米浅层地温能可采量可供暖/制冷面积均大于30×104m2。区内砂岩、灰岩、泥岩均有分布，单一岩体厚度大且径流条件好。潜力中等区在研究区西北部和西南部零星分布，面积12.64km2，约占15.8%(图4)。每平方千米浅层地温能可采量可供暖/制冷面积在(10～30)×104m2之间。

1-潜力高区；2—潜力中等区；3—潜力低区；4—分区界线；5—研究区边界

4 经济效益分析

浅层地温能经济效益的计算是通过换算成常规能源，即折合标煤量来实现的。

4.1 计算方法

原煤与标煤的折算系数取0.7143[19]，考虑燃煤与换热效率等因素，选取燃煤锅炉热效率转换系数0.6[20],计算出节省的标煤量。

GB=56.94×Q

GJ=GB×η

V=GJ×P/10000

式中：GB—相当节约标煤量(kg)；Q—浅层地温能开发利用的总能量(GJ)；GJ—节煤量(kg)；η—浅层地温能开发利用效率，按35%计；V—相当热资源价值(万元)；P—燃煤价格(元/kg)。

4.2 计算结果

自然条件下，考虑土地利用系数浅层地温能年开发利用总能量约为1814.7048万GJ/a，折合标准煤约103.3293万t/a，年节煤量35.1478万t/a，热资源价值18082.6264万元/a。

5 结论

(1)在详细研究了章丘区地质、水文地质、浅层地温能地质条件的基础上，对研究区进行了地埋管地源热泵开发利用适宜性分区，结果表明，适宜性好区面积40.08km2,约占研究区总面积的50%，该区地层岩性以二叠纪砂岩为主，局部可夹薄层灰岩、泥岩，热导率值较高，一般大于3W/(m·℃)。适宜性中等区主要分布在研究区的西南部和中部，面积36.30km2,约占总面积的45.38%，即研究区可开发利用地埋管地源热泵系统面积占85.46%。

(2)夏季可制冷面积3041.7685×104m2，冬季可供暖3693.9364×104m2。夏季平均单位面积(km2)可制冷面积38.1202×104m2；冬季平均单位面积(km2)可供暖面积45.8796×104m2。地埋管地源热泵系统资源潜力高区面积57.57km2，占研究区总面积的71.96%。潜力中等区面积12.64km2，约占15.8%。