鄭州市地下水源熱泵適宜區淺層地熱能資源量評價

田良河，閆震鵬，劉新號

（河南省地質調查院，鄭州 450001）

鄭州市地下水源熱泵適宜區淺層地熱能資源量評價

田良河，閆震鵬，劉新號

（河南省地質調查院，鄭州 450001）

采用數值模擬法確定了鄭州市地下水源熱泵適宜區最佳井間距，評價了鄭州市地下水源熱泵適宜區淺層地熱能資源。

鄭州市；水源熱泵；適宜區；淺層地熱能資源；評價

鄭州市淺層地熱能的賦存層主要為第四系及新近系上部松散堆積物，其地下水換熱系統適宜區和較適宜區面積為739.63km2。地區含水層厚度大，水量較豐富，易開采，為地下水換熱系統應用提供了有利條件。

1 評價區域與方法

（1）評價區域和深度

淺層地熱能儲存資源量計算深度為恒溫帶至200m以淺松散沉積物底界，計算面積為鄭州市適宜淺層地熱能開發利用的面積。

（2）評價方法

采用熱儲法計算淺層地熱能儲存資源量，用地下水量折算法計算可利用資源量。

熱儲法是計算淺層地熱能儲存量的主要方法。

①包氣帶熱儲量計算：

式中：QR淺層地熱能儲存總量（kJ）；

QS巖土體中的熱儲量；

QW巖土體所含水中的熱儲量；

QA巖土體中所含空氣中的熱儲量。

Qs按下式計算：

式中：ρS巖土體密度（kg/m3）；

CS巖土體比熱容（kJ/kg·℃）；

φ 巖土體的孔隙率（或裂隙率）；

M 計算評價區域面積（m2）；

d 包氣帶厚度（m）；

ΔT 利用溫差（℃）。

Qw按下式計算：

式中：ρW水密度(kg/m3)；

Cw 水比熱容(kJ/kg·℃)；

ω 巖土體含水量。

QA按下式計算：

式中：ρA空氣的密度（kg/m3）；

CA空氣的比熱容（kJ/kg·℃）。

②飽水帶中熱儲量按下式計算：

式中：QR淺層地熱能儲存總量（kJ）；

QS巖土體中的熱儲存量（kJ）；

QW巖土體所含水中的熱儲存量（kJ）。

QS的計算公式同（2）式；QW按下式計算：

式中：d 地下水面至計算下限的巖土體厚度（m），包括需要計算的含水層和相對隔水層。

（3）換熱功率與可利用資源量

在地下水源熱泵系統應用適宜區內，根據地下水循環利用量計算換熱功率。其計算方法為：①根據計算區不同水文地質單元的富水性確定各區域的單井出水量；②根據各個水文地質單元的單井出水量，利用數值模擬、現場試驗、調查訪問法等確定最佳井間距；③根據最佳井間距確定單位面積上的可布井數，并根據提取溫差計算單位面積可提取利用的熱流量；④利用單位面積上的可提取地熱量乘以相應面積并累加，得到整個區域內利用地下水源熱泵系統所能提取的淺層地熱能可利用資源量。

具體計算公式如下：

式中：qw評價區單井出水量（m3/d）；

Qh單井換熱功率（kW）；

△T地下水利用溫差（℃）。

式中：Q可 單位面積上淺層地熱能可開采量（kJ）；

N 單位面積可布井數；

t 熱泵系統運行時間（d）。

2 參數確定

本文資源量計算所涉及到的參數采用如下方法取得。

2.1 儲存量計算參數的確定

（1）評價區面積（M）：為適宜淺層地熱能開發利用的面積，包括水源熱泵適宜區和地埋管適宜區；

（2）利用溫差（ΔT）：根據實際工程調研成果，綜合確定為5℃；

（3）水的密度（ρw）與比熱容（Cw）、空氣的密度（ρA）與比熱容（CA）：均按常量選取；

（4）包氣帶厚度（d1）：以本次調查成果為主，結合收集資料綜合確定；

（5）地下水面至計算下限的巖土體厚度（d2）：根據已有資料綜合研究，確定200m以淺松散土體底界作為儲存量計算下限，其土體總厚度減去包氣帶厚度即為d2；

（6）巖土體密度（ρS）、比熱容（CS）、孔隙率（φ）、含水量（ω）：首先根據試驗成果（表1），結合《淺層地熱能勘查評價規范》確定各單層土體參數，再根據垂向土體結構組合特征進行加權平均，確定計算深度的平均參數；

在鄭州市某區選取了不同深度的不同土樣進行測試，測試內容為土樣的熱物理參數，主要包括巖土體的比熱容、密度、含水量、導熱系數、導溫系數等，由南京大學地球科學與工程學院完成。其具體測試結果見表1。最終確定儲存量各計算參數見表2。

表1 土樣熱物理參數測試成果表

表2 儲存量計算參數取值表

ρSkg/m32000 CSJ/kg·℃ 1570 φ—0.4包氣帶d1m 17 ω—0.25 ρAkg/m31.29 CAJ/kg·℃ 1003飽水帶ρSkg/m31930 CSJ/kg·℃ 1250 d2m 183 φ—0.3 ρS—巖土體密度（kg/m3）；CS—巖土體比熱容（J/kg·℃）； φ—巖土體的孔隙率；d1—包氣帶厚度（m）； ω—巖土體的含水量；ρA—空氣的密度（kg/m3）；CA—空氣的比熱容（J/kg·℃）； d2—地下水面至計算下限的巖土體厚度（m）

2.2 可利用資源量計算參數確定

（1）單井出水量（qw）：根據不同水文地質單元富水性選取；

（2）地下水利用溫差（ΔT）：根據實地調查地下水源熱泵應用情況綜合確定，夏季利用溫差取7℃；冬季利用溫差取5℃；

（3）水的密度（ρW）與比熱容（Cw）取常量；

（4）評價區面積（M）：為地下水源熱泵適宜區面積；

（5）最佳井距（d）：指1抽2灌布井方式的最佳井間距。最佳井間距確定標準：水源熱泵系統運行期內，抽水井溫度變化不超過利用溫差的20%，即系統的效率損失不超過20%。本次采用數值模擬法確定。

（6）單位面積可布井對（N）：按1抽2灌方式，根據最佳井間距計算單位面積內可布設井對數量；

（7）系統運行時間（t）：根據研究區實際工程運行情況，制冷期和采暖期各取120d。

2.3 數值模擬法確定最佳井間距過程

鄭州市的水文地質單元主要分為黃河沖積平原和塬前沖積平原，因此，選取這兩個水文地質單元的典型剖面，構建水文地質概念模型和數學模擬模型，利用HST3D軟件模擬確定這兩個水文地質單元上1抽2灌系統的最佳井間距。

（1）黃河沖積平原

黃河沖積平原的巖性一般為粉砂到粗砂、局部夾礫石，含水層主要由多層粉砂、細砂層構成，含水層之間由粉土及粉質粘土隔開。單井出水量一般為1000～3000m3/d。該水文地質單元內的典型鉆孔結構如表3所示。

表3 典型水文地質剖面巖性分層

根據上述地層結構，構建1抽2灌系統的模擬模型。參照單井出水量，模擬中抽灌量取2000m3/d，采用等溫差回灌，提取溫差夏季為7℃，冬季為5℃。模擬周期為3年。各巖性的水文地質參數及熱物理參數取值參照經驗值。分別模擬了井間距為20m，40m，60m，80m，100m，120m共6種情況。模擬結果如圖1所示。

由圖中可以看出，當井間距為60m時，整個運行周期內抽水井的溫度變化很小，已趨于平緩。圖2給出了整個運行周期內抽水井溫度與初始溫度的最大溫差，從圖中可以看出，當抽水井與回灌井間的距離為50m時，兩者之間的最大溫差不超過1℃。因此，對于給定的抽灌量和提取溫差條件下，黃河沖積平原上1抽2灌系統的最佳井間距為50m。

（2）塬前沖積平原

塬前沖積平原的主要巖性為細砂、中細砂及粘土，含水層由多層砂層組成，單井出水量一般為1000～3000m3/d。該水文地質單元內的典型鉆孔結構如表4所示。

誠信是企業的立身之本，也是市場對企業的基本要求。工程造價咨詢企業要規范現代化管理，建立企業內部信用評價制度，只有建立誠信經營的職業道德自律機制，在執業中防范不正當、不道德的服務行為，才能維護企業形象，提高企業競爭力。

圖1

圖2

表4 典型水文地質剖面巖性分層

根據上述地層結構，構建1抽2灌系統的模擬模型。參照單井出水量，模擬中抽灌量取1200m3/d，采用等溫差回灌，提取溫差夏季為7℃，冬季為5℃。模擬周期為3年。各巖性的水文地質參數及熱物理參數取值參照經驗值。分別模擬了井間距為20m，40m，60m，80m，100m，120m共6種情況。模擬結果如圖3所示。由圖中可以看出，當井間距為60m時，整個運行周期內抽水井的溫度變化已經很小，趨于平緩。圖4給出了整個運行周期內抽水井溫度與初始溫度的最大溫差，從圖中可以看出，當抽水井與回灌井間的距離為50m時，兩者之間的最大溫差不超過1℃。因此，對于給定的抽灌量和提取溫差條件下，塬前沖積平原上1抽2灌系統的最佳井間距為50m。

綜合考慮，確定計算區最佳井間距為50m左右。

最終確定地下水源熱泵適宜區可利用量計算參數見表5。

表5 地下水源熱泵適宜區可利用量計算參數取值表

3 淺層地熱能資源量評價

根據前述計算方法與參數，對鄭州市淺層地熱能資源量進行計算。

3.1 儲存資源量

計算結果：包氣帶儲量256.2 1012kJ，飽水帶儲量3251 1012kJ；總儲量為3507 1012kJ。

3.2 可利用資源量

計算結果：適宜區和較適宜區總的可利用資源量為406.1 1012kJ/a，折合標煤1385.72萬噸/年；如按平均冬季供暖負荷50w/m2、平均夏季制冷負荷75w/ m2折算，則每年冬季可供暖總面積為3.264 108m2，夏季可制冷總面積為3.045 108m2。

表6 地下水地源熱泵水質要求

3.3 水源熱泵用地下水水質評價

（1）評價標準

水源熱泵用地下水水質參考標準見表6。

各種水質指標對地下水源熱泵運行效果和使用壽命的影響如下。

①含沙量和渾濁度：有些水源含有泥沙、有機物與膠體懸浮物，使水變得渾濁。水源含沙量高對機組和管閥會造成磨損，嚴重時會造成管道堵塞。而且，含沙量和渾濁度高的水用于地下回灌會造成含水層堵塞。

②結垢趨勢：可以分析水的硬度，即水中Ca2+、Mg2+總量。硬度大，易生垢。

③礦化度：地下水礦化度的高低，直接影響土壤的含鹽量。適用于地下水源熱泵的地下水一般為淡水和弱咸水。

④酸堿度：水的pH值小于7時，呈酸性，反之呈堿性。地下水中pH值過高或者過低都會造成機組的腐蝕，嚴重影響到系統的使用壽命。地下水源熱泵的水源pH值一般應為6.5～8.5。

⑤水中Cl-、CO2、SO42-含量：Cl-在很大程度上促進碳的腐蝕；CO2溶解在水中，加速氧化及對高強度低合金鋼的腐蝕；SO42-主要對水泥起腐蝕作用。

（2）水質適宜性評價

鄭州市22個水樣中，硬度全部超標，Cl-、SO2-4和游離CO2局部超標。

總體來看，地下水除硬度和個別元素局部超標，基本滿足水源熱泵水質需要。

4 淺層地熱能綜合評價

鄭州市2020年規劃區范圍內，適宜淺層地熱能開發利用的地區總面積面積為1029km2，淺層地熱能總的儲存量為3507 1012kJ/a。

地下水源熱泵適宜區和較適宜區總面積739.63km2，地下水源熱泵形式可利用的淺層地熱能資源量406.1 1012kJ/a，折合標煤1385.72萬t/a，地下水質基本滿足水源熱泵水質需要；實際應用后可減排二氧化碳3404.71萬t/a。

5 結語

鄭州市第四系松散砂層中賦存豐富的淺層地熱能，易于開采，較易回灌，對地下水換熱系統適宜性較好。該區淺層地熱能的合理開發利用，可產生巨大的社會經濟效益。因此，應加大淺層地熱能這種清潔能源的宣傳與開發力度，提高清潔能源使用率，為節能減排，實現環保型低碳經濟做出應有的貢獻。

[1] 韓再生，冉偉彥，佟紅兵等.淺層地熱能勘查評價[J].中國地質，2007，34（6）：1115～1121.

[2] 趙靜，閆震鵬，邵景力等.河南淺層地熱能開發利用環境影響研究[J].中國礦業，2009，18（5）：45～47.

The Shallow Geothermal Energy Resource Evaluation on the Suitable Area of Groundwater Source Heat Pump in Zhengzhou City

TIAN Lianghe YAN Zhenpeng LIU Xinhao
(Henan Geological Survey, Zhengzhou, 450001)

By numerical simulation, we determine the best distance between wells of the groundwater source heat pump in Zhengzhou City, and evaluate the shallow geothermal energy resource in the suitable areas. It can provide important basis for urban development and utilization of shallow geothermal energy in Zhengzhou City.

Zhengzhou City;Water source heat pump;Suitable area;Shallow geothermal energy;Evaluation

TK521

A

1007-1903(2011)03-0012-05