邢臺市區淺層地熱資源及潛力評估

袁宗強

摘要：從邢臺市區城市發展對淺層地溫的資源需求出發，結合該區淺層地熱能賦存情況進行了淺層地熱資源評價，經計算200 m以上淺層地熱儲存總量為597.60×1012 kJ。地埋管適宜區和較適宜區淺層地熱可利用量為1141470.63 kW。地下水換熱系統適宜區和較適宜區淺層地熱可利用量為525957.384 kW。并分析了淺層地熱能帶來的經濟和社會價值，提出了適宜邢臺市區的淺層地熱能開發利用的對策。

關鍵詞：淺層地熱；熱儲；地下水換熱系統；邢臺市區

中圖分類號：P314

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10016204

1 引言

淺層地熱是指地表以下一定深度范圍（一般為恒溫帶至200 m埋深）內，溫度低于25℃，在當前技術經濟條件下具備開發利用價值的地球內部的熱能資源。其熱能主要來自地球深部的熱傳導，由于埋藏淺（深度小于200 m）、溫度低（一般溫度低于25℃），所以也稱為“低溫地熱能”。淺層地熱能的溫度一般高于當地平均氣溫3～5℃，溫度比較穩定，分布廣泛，開發利用方便。淺層地熱能的利用，主要是通過熱泵技術的熱交換方式，將賦存于地層中的低品位熱源轉化為可以利用的高品位熱源，既可以供熱，又可以制冷。

位于太行山山前傾斜平原區的邢臺市區淺層地熱能資源是比較豐富的地區，具有一定的淺層地熱能開發前景。近幾年來也已經有少數單位開始使用淺層地熱能進行冬季取暖和夏季制冷。但是邢臺市區未進行過專項的淺層地熱能資源調查工作，地溫的利用和推廣呈現出很大的盲目性。因此，需要對邢臺市區淺層地熱能資源進行調查評價，為該區合理開發利用淺層地熱能提供基礎科學依據。筆者通過收集資料和開展淺層地熱能利用條件調查，選擇有代表性地段進行原位熱傳導試驗，以獲得地層綜合換熱能力，初步查明調查區淺層地熱能資源數量、質量以及分布規律，進行開發利用區劃，為淺層地熱能可持續開發及合理開發利用提供基礎資料和依據。

2 淺層地熱能資源賦存概述

淺層地熱能的開發利用與其賦存條件息息相關，而資源賦存主要依附于氣候條件地質條件和巖土熱物性等。

2.1 氣候概況

本區屬暖溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，冬季寒冷少雪，盛行東北風，夏季炎熱多雨，盛行東南風。該區歷年平均氣溫13.5℃，極端最低氣溫-22.4℃（1958年1月16日），極端最高氣溫41.8℃（1961年6月12日）。多年平均降水量516.1 mm（1956～2006年），最低228.2 mm（1972年），最高1269.0 mm（1963年），日降水量最大為304.3 mm（1963年8月4日），降水量年際間變化大，且具10～11年的周期性特點。年內則多集中于6～9月份，占全年的70%以上。最大年蒸發量2190.6 mm，最小年蒸發量1257.1 mm，平均年蒸發量1887.0 mm。區最大風速18 m/s，最大季節性凍土深度41 cm，平均相對濕度為59.6%，年平均日照時數為2297 h，全年無霜期200 d?？傮w上該區四季分明，適宜開發利用淺層地熱能。

2.2 地質概況

邢臺市從大的地貌單元上位于山西高原與華北平原的過度地帶上，區內地勢是西高東低，地形起伏較大，形態復雜。自西向東依次為中低山、低山、低丘壟崗和山前傾斜平原等地貌景觀。

工作區位于太行山東麓山前沖洪積傾斜平原上（圖1），區內地形較為平坦，起伏不大，總的地形西高東低，地面標高在126～55 m之間，自然坡降2.75‰左右，該區地層由老至新有：下古生界奧陶系，上古生界石炭系、二疊系和新生界第四系。

邢臺市自西向東跨越兩個水文地質區，以內丘—邢臺—峰峰弧形斷裂為界，中西部為百泉泉域巖溶水、孔隙水水文地質區，東部為孔隙水水文地質區。地下水資源豐富，由于地下巖土的含水率高，對于地埋管的地源熱泵工程，可提升其熱交換率，非常有利于熱泵工程的應用。

2.3 巖土體熱物性特征概況

巖土體熱物性特征包括巖土體的熱導率比熱容以及地溫場特征等，其反映了巖土體的蓄熱和導熱能力，是影響淺層地熱能資源賦存的重要影響因素。巖土體熱物性在實際工作中通常由巖土熱響應試驗獲取。

由巖土熱響應試驗結果可知，工區巖土熱導率為0.8501～1.574 W/mK ，比熱容為1.481～1.746 kJ/（kg·℃）（表1）。在地溫梯度方面，工區內地溫梯度基本介于1.5℃/100m與2.0℃/100m之間。區內的地溫梯度總體是西南和東部偏高，地溫梯度值等于或大于2.0℃/100m，西北與南部的南康莊-南陳村-柴家莊-后樓下一帶地溫梯度值小于或等于1.5℃/100m。工作區的恒溫層深度為35 m，恒溫層溫度15.5℃，多年平均地面溫度15.5～15.9℃。

在大地熱流方面，根據河北省環境地質勘查院編制的《邢臺市地熱資源調查評價報告》中給出的平均熱流值作為研究大地熱流值即：50 mW/m2。

3 淺層地熱資源儲量及換熱功率計算

研究區淺層地熱資源儲量規模特指在當前技術經濟條件下具備開發利用價值埋藏深度一般在距地表200 m以內的地熱能儲量。

3.1 淺層地熱儲存量計算

地熱能儲存量采用體積法計算。通過對工作區范圍內鉆孔的收集，盡量做到了鉆孔的均勻分布，本次共收集工作區范圍內42個鉆孔。計算面積為適宜開發利用淺層地熱能的土地面積。在計算中將調查區總面積200 km2按42個鉆孔平均分配，每個鉆孔分配面積為4.7619 km2，體積法相關參數依據表1，計算結果為包氣帶中地熱能儲存量為46.99×1012kJ ；在200 m以淺含水層和相對隔水層中地熱能儲存量為550.61×1012kJ；總計597.60×1012kJ。

3.2 換熱功率計算

研究中將可利用量，采暖期取熱量和制冷期排熱量分為地下水熱系統和地埋管換熱系統、適宜區和較適宜區分別計算。

3.2.1 地下水換熱系統

采用水量折算法計算可開采資源量，計算式為：

Qq=Qb×n×τ（1）

式（1）中：Qq為評價區淺層地熱能換熱功率（kw）；

Qb為單井淺層地熱能換熱功率（kw）；

n為計算面積內可鉆孔數量；

τ為土地利用率。

具體計算步驟為，根據工作區地下水換熱方式適宜性（富水性）分區，確定各區域單井出水量，通過水量折算出單井可提取利用熱量（表2），根據單位面積可布抽灌對井數乘以布井區面積（適宜、較適宜區面積乘以土地利用系數）和單井換熱功率計算適宜、較適宜區地下水地源熱泵系統換熱功率（表3）。

計算結果為，地下水換熱系統適宜區可利用面積為7.062 km2，可利用資源量為301331.585 kW；較適宜區可利用面積為23.397 km2，可利用資源量為224625.799 kW。地下水換熱系統適宜區和較適宜區總可利用資源量為525957.384 kW。

按此開采強度，在工作區內一個采暖、制冷節（120 d）可以從地下巖土體提取或排放的熱量為：525957.384×3600×24×120×0.52=283.56×1010kJ。

3.2.2 地埋管換熱系統

根據現場地源熱泵熱響應試驗，確定地層綜合傳熱系數，從而獲得地層綜合換熱能力，為邢臺市淺層地熱能調查評價工作提供地源熱泵設計、資源量計算等技術參數。先計算單孔換熱量，然后根據單孔換熱量和淺層地熱能計算面積，計算地埋管換熱量。

（1）單孔換熱量計算表達式為：

D=Kz/1000×ΔT×L （2）

式（2）中：D單孔換熱量，kW；

Kz綜合傳熱系數，W/（m·℃）；

ΔT溫差，℃，即為U型管內循環液平均溫度與巖土體原始溫度之差；

L單U型地埋管換熱孔長度，m。

換熱孔的換熱量現場及熱物性測試結果見表4，由此計算單孔換熱量夏季為2.599 kW，冬季為1.879 kW。

（2）可開采資源量計算表達式為：

Dq= D×n×τ（3）

式（3）中：Dq單位面積淺層地熱能可開采量，kW；

D單孔換熱量，kW；

n可鉆換熱孔數；

τ土地利用系數。

本次計算換熱孔間距取5 m，均按網格狀布孔，則在1 km2范圍內均勻布孔的鉆孔數為4萬個。土地利用系數為25%，則可鉆換熱孔數量為10000個。

計算結果為單位面積1 km2范圍內夏季可開采資源量為25990 kW；冬季可開采資源量為18790 kW；夏冬兩季節可開采資源總量為44780 kW。適宜區可利用面積為32.391 km2，適宜區夏季可開采資源量為841842.09 kW，冬季可開采資源量為608626.89 kW；夏、冬兩季節可開采資源總量為：1450468.98 kW。較適宜區可利用面積為8.382 km2，較適宜區夏季可開采資源量為217848.18 kW，冬季可開采資源量為157497.78 kW，夏、冬兩季節可開采資源總量為：375345.96 kW。適宜區和較適宜區范圍內夏季可開采資源量為1059690.27 kW，冬季可開采資源量為766124.67 kW。

按此開采強度，在工作區內一個采暖季（120 d）可以從地下巖土體提取的熱量：766124.67×3600×24×120×0.52=413.04×1010kJ。一個制冷季（120 d）可以向地下巖土體排放的熱量為1059690.27×3600×24×120×0.52=571.32×1010kJ，總計984.36×1010kJ。

4 淺層地熱能利用的社會價值

依據環保統計資料，冬采暖鍋爐每燃燒1 t標煤，向大氣排放一氧化碳（CO）22.7 kg、二氧化碳（CO2、以碳基計算）440 kg、碳氫化合物（CNHM）0.45 kg、氮氧化物（NOX）3.62 kg、二氧化硫（SO2）16.72 kg、粉塵15.0 kg、灰渣260.0 kg。

依據前面計算所得，淺層地熱能儲存量為597.60×1012kJ，采用地下水換熱系統可利用量為283.56×1010kJ。（其中適宜區為121.10×1010kJ、較適宜區為162.46×1010kJ）；采用地埋管換熱系統可利用量為984.36×1010kJ（其中適宜區為782×1010kJ、較適宜區為202.36×1010kJ）。若按可利用淺層地熱能計算，相當于433165.30 t煤發熱量（其中適宜區308530.0 t煤發熱量，較適宜區124635.3 t煤發熱量）（按1 kg標準煤發熱量為29271 kJ計算），可減少污染物排放，（污染物排放量見統計表5）對改善大氣質量，減少產生溫室效應氣體（主要氣體CO2），尤其是在冬季采暖季節是很有必要的。所以淺層地熱能的開發利用對大氣環境保護是有利的。

5 開發利用

淺層地熱能的開發利用受社會生產力、科學技術水平、水文地質條件，以及政治經濟等多方面因素的影響與制約，該區淺層地熱資源的賦存條件受第四系地質結構巖性巖相、沉積環境、水文地質特征、巖土熱物理性質、淺層地溫場特征、環境地質條件等多方面因素的控制，只有根據區內淺層地熱能資源的特點，能源消耗結構以及經濟技術等社會要素進行系統規劃，才能最大限度地合理開發利用該資源。

地下水地源熱泵系統的開發利用原則上必須采取可靠的回灌措施，確保置換冷熱量后的水全部回灌到同一含水層中。系統投入運行后，應對抽水量、回灌量、水質、水溫進行定期檢測，回灌水水質至少應與原采集地下水的水質相當，以保證回灌后不會引起區域性地下水水質污染，杜絕水資源的浪費，合理有效地利用地下水資源；其次為了預防井管堵塞，應及時清除堵塞含水層和井管的雜質，在進行回灌以后，通過回揚，排除回灌井水中的堵塞物，或抽水井與回灌井定期互換，以確?；毓噘|量。

在地埋管地源熱泵系統的開發利用原則上，地埋管應采用化學穩定性好、耐腐蝕、導熱系數大的、流動阻力小的塑料管材；豎直地埋管換熱器埋管深度宜大于20 m，鉆孔孔徑不宜小于110 mm，間距應滿足換熱需要，間距宜為3～6 m。水平連接管的深度應在凍土層以下0.6 m，且距地面不宜小于1.5 m，水平環路坡度宜為0.002°；并需要加強對地埋管附近的地溫監測工作。

6 建議及結語

為使這項新技術得到推廣，為使高效、節能、環保得到充分體現，提出以下建議。

（1）地下水源熱泵，要做到同層回灌，抽水回灌要做到密閉，以防止與外界接觸而使地下水質發生變化。

（2）建議采用較先進的成井工藝，切勿將不同的含水層連通。

（3）建議在工作區內，分區做回灌試驗和原位熱傳導試驗，以便更準確地了解區內地下水回灌難易和巖土換熱指標，更好地為規劃建設服務。

目前在邢臺市區淺層地熱資源開采利用方面雖然尚存在一些問題但筆者相信在政府及相關部門的協調下，在不斷完善各項政策法規規程規范基礎上，隨著科技的進步及創新，淺層地熱資源這一清潔環保能源一定能為區內的經濟發展和環境保護發揮更大的作用。

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