湖南省主要城市淺層地溫能資源初步調查評價

文　娟（湖南省地質礦產勘查開發局四0二隊，湖南　長沙　410004）

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湖南省主要城市淺層地溫能資源初步調查評價

文娟（湖南省地質礦產勘查開發局四0二隊，湖南長沙410004）

本文利用調查、鉆探、取樣分析、熱響應試驗等綜合方法，對湖南省主要城市淺層地溫能資源的分布特點和賦存條件進行了分析，評價了淺層地溫能資源容量及開發利用潛力，為湖南省淺層地溫能的合理開發利用和保護提供了依據。

淺層地溫能；巖土體熱物性特征；熱容量；換熱功率；潛力評價

淺層地溫能是一種分布廣泛、儲量巨大、清潔環保、可再生的新型能源，開發利用淺層地溫能對構建“兩型社會”，緩解我國能源資源壓力，實現非化石能源目標具有非常重要的意義。

1　研究區概況

湖南省位于我國中南部，長江中游，地理座標為東經108° 47′～114°15′，北緯24°39′～30°08′。本次研究區范圍包括除長沙市外的13個地級市市區規劃范圍，評價區（市區規劃）總面積16250km2。

省內各城市不同巖層類型的恒溫帶深度大致在15～25m之間，多在20m左右，溫度約在19～21.4℃之間。區內年平均氣溫16～18℃，年平均降雨量在1200～1700mm之間；地貌類型多樣，有半高山、低山、丘陵、崗地、盆地和平原；地層發育齊全，層序清楚，從中元古代至第四紀沉積均有分布；巖漿巖發育中等；境內構造復雜，大型斷裂構造多以北東向、北西向為主，自晚第三紀以來，全省新構造運動比較活躍。湖南省地下水類型可劃分為松散巖類孔隙水（常德、益陽、岳陽）、紅層裂隙孔隙水（長沙、株洲、湘潭、衡陽）、碳酸鹽巖巖溶水（張家界、吉首、懷化、婁底、邵陽、郴州、永州）、基巖裂隙水等四大類型。

2　巖土體熱物性特征

經對11組熱響應試驗、300組熱物性測試樣品室內分析及30組水樣水質分析，全省巖土體主要概化為以下五類，把全省不同地點的各取樣孔相同巖土體對應的物性參數加權平均，得到省內不同巖性的熱物性參數（表1）。

式中：QR為淺層地溫能熱容量，kJ/℃；QS為巖土體中的熱容量，kJ/℃；QW為巖土體所含水中的熱容量，kJ/℃；QA為巖土體中所含空氣中的熱容量，kJ/℃；ρS為巖土體密度，kg/m3；CS為巖土體骨架的比熱容，kJ/kg·℃；φ為巖土體的孔隙率（或裂隙率）；M為計算面積，m2；d1為包氣帶厚度，m；ρW為水密度，kg/m3；CW為水比熱容，kJ/kg·℃；ω為巖土體的含水量；ρA為空氣密度，kg/m3；CA為空氣比熱容，kJ/kg·℃。

（2）在飽水帶中，淺層地溫能熱容量按下式計算：

式中：QR為淺層地溫能熱容量，kJ/℃；QS為巖土體骨架的熱容量，kJ/℃；QW為巖土體所含水中的熱容量，kJ/℃。QW的計算公式如下：

式中：d2為潛水面至計算下限的巖土體厚度，m；QS為計算時厚度采用d2。

3.1.2參數確定與熱容量計算

數據的選取先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（見表2）。表1湖南省巖土樣物性及熱物性參數表

表2　儲存量參數取值表

含水率（%）密度（g/cm3）孔隙率（%）　比熱容（kJ/（kg·K））導熱系數（W/（m·k））松散層　11.18　2.06　23.96　0.89　1.50紅層砂礫巖　9.36　2.43　21.11　0.72　1.92碎屑巖　3.80　2.60　14.15　0.88　2.60碳酸鹽巖　3.77　2.70　0.74　0.92　2.01淺變質巖　3.04　2.61　7.62　0.82　2.22巖漿巖　0.24　2.70　0.06　0.79　2.72區內平均　5.23　2.52　11.27　0.84　2.16

3　研究區淺層地溫能資源量及開發利用潛力評價

淺層地溫能資源潛力評價包括：淺層地溫能熱容量、地下水地源熱泵系統換熱功率、地埋管地源熱泵系統換熱功率和淺層地溫能潛力分析。

3.1淺層地溫能熱容量

3.1.1評價方法

采用容積法計算淺層地溫能熱容量，分別計算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲藏的熱量，然后合并計算評價范圍內地質體的儲熱性能。

（1）在包氣帶中，淺層地溫能熱容量按下式計算：

經計算，全省13個地級城市規劃區淺層地溫能總熱容量為6933.15×1012kJ/℃。

3.2淺層地溫能換熱功率

3.2.1地下水換熱功率

根據適宜性分區結果，本次只對岳陽、常德、益陽、株洲4個市的地下水地源熱泵適宜區、較適宜區進行換熱功率計算。

（1）評價方法及參數確定

式中：Qh為單井換熱功率，kW；常德市適宜區取5000m3/d，較適宜區取1000m3/d；岳陽市適宜區取2000m3/d，較適宜區取500m3/d；益陽市和株洲市較適宜區取500m3/d；qw為工作區單井涌水量，m3/d；ΔT為地下水利用溫差，℃；夏季為10℃，冬季為5℃。

式中：Qq為工作區地下水換熱功率，kW；Qh為單井換熱功率，kW；n為計算面積內可鉆孔數量；τ為土地利用系數；土地利用系數=城鄉建設用地率×折減系數。城鄉建設用地率根據13個地級市2020年土地利用規劃取得，折減系數取0.8。

（2）計算結果

經計算，湖南省岳陽、常德、益陽、株洲4個地級城市規劃區地下水冬季總換熱功率為98.41×104kW，夏季總換熱功率為196.81×104kW。

3.2.2地埋管換熱功率

本次對13個城市規劃區的地埋管地源熱泵適宜區、較適宜區進行換熱功率計算。

（1）評價方法及參數確定

在層狀均勻的土壤或巖石中，穩定傳熱條件下U形地埋管的單孔換熱功率按下式計算：

得到單孔換熱量，然后乘以工作區地埋管地源熱泵系統適宜區、較適宜區可鉆孔數，計算工作區的淺層地溫能換熱功率；

式中：Dq為工作區淺層地溫能換熱功率，W；D為單孔換熱量，W；n為可鉆換熱孔數，孔；按照每5m布置一個鉆孔計算；τ為土地利用系數；計算同上，折減系數取0.3～0.4（建筑密集區取小值）。

（2）計算結果

經計算，湖南省13個地級城市規劃區內地埋管冬季總換熱功率為1030.63×105kW，夏季總換熱功率為1545.95×105kW。

3.2.3總換熱功率

按照規范要求：在地下水和地埋管地源熱泵資源評價的非重疊范圍區域，按照地下水和地埋管各自的資源潛力進行計算；重疊區域內，按照地埋管地源熱泵資源量的2/3，地下水地源熱泵資源量的1/3的權重進行計算。依據以上原則，湖南省13個地級城市規劃區地源熱泵系統冬季總換熱功率為1003.72×105kW，夏季總換熱功率為1389.02×105kW。

3.3淺層地溫能潛力評價

淺層地溫能資源潛力評價采用單位面積可利用量的供暖和制冷面積表示。

式中：Qzq為地埋管地源熱泵系統資源潛力，m2/km2；Qq為地下水地源熱泵系統適宜區、較適宜區換熱功率（kW）；M為地下水地源熱泵系統較適宜區各分區面積，km2；q為冬季供暖、夏季制冷負荷，W/m2；夏季制冷負荷為76W/m2，冬季供暖負荷為46W/m2；COP為地源熱泵機組供暖工況效能比；取4.3；EER為地源熱泵機組制冷工況效能比；取4.3，見表3。

4　結論

（1）基巖導熱系數在1.50～2.72W/（m·k）之間，熱物性較好，熱響應效率高。

表3　湖南省淺層地溫能潛力評價

（2）湖南省13個地級城市淺層地溫能總熱容量為6933.15× 1012kJ/℃，相當于每年節約標煤0.823億t；地源熱泵系統冬季總換熱功率為1003.72×105kW，夏季總換熱功率為1389.02× 105kW；地下水地源熱泵冬季供暖潛力一般為0.28～2.11× 105m2/km2，夏季制冷潛力一般為0.29～2.20×105m5/km2。

［1］中華人民共和國國家標準.《地熱資源地質勘查規范》（GB/T11615-2010）.

［2］張華民.重慶市淺層地溫能資源量調查評價.重慶交通大學，2012，4，20.

［3］丁萬順，鄭家森，等.淺層地溫能資源評價.中國大地出版社，2010，7.

文 娟（1985-），女，工程師，本科，主要從事水工環地質工作。

TU831

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2095-2066（2016）19-0083-02

2016-6-8