昌樂縣淺層地溫能開發利用資源潛力評價研究

牛 妍 張承斌 尹俊凱

（山東省煤田地質局第三勘探隊，山東 泰安 271000）

淺層地溫能是指從地表至地下200 m 深度范圍內，儲存于水體、土體、巖石中的溫度低于25 ℃，采用熱泵技術可提取用于建筑物供熱或制冷等的地熱能。因其廣泛分布、儲量豐富、埋藏較淺、易于開發，且具有循環可再生、清潔環保等特點，可替代化石能源，減少污染物排放。

2016 年開始，我國全面推進“北方地區冬季清潔取暖”，清潔取暖政策接連出臺，淺層地溫能的開發利用也得到了各級政府部門的重視。因此，開展淺層地溫能開發利用適宜性區劃及資源潛力評價有重要的現實意義[1]。

1 淺層地溫能賦存條件

1.1 淺層地質結構特征

研究區內既有松散堆積，又有丘陵、殘丘，200 m 以淺巖土體結構大致以巖土二元結構為主。

1.1.1 上部土體結構

研究區上部主要為第四系松散巖類，厚5～60 m，由南向北逐漸變厚，主要為大站組，局部分布有黑土湖組和沂河組。巖性主要為褐黃色粉土、粘土，底部含少量碎石及土黃色姜狀鈣質結核。

1.1.2 下部巖體結構

研究區內下部巖體結構主要以新生代和古生代地層為主，隱伏于第四系之下。巖性以臨朐群（NL）火山噴發沉積的灰黑色致密塊狀、杏仁狀、氣孔狀玄武巖和古生界九龍群（∈3-O1J）灰巖為主。

1.2 含水巖組劃分

根據研究區水文地質特征，可將區內淺層地下水分為以下三種類型：第四系松散巖類孔隙含水巖組、噴出巖類孔洞裂隙含水巖組和碳酸巖類裂隙含水巖組[2]。

松散巖類孔隙含水巖組主要分布于昌樂縣北部地區，含水層包括第四系砂礫石、粉細砂及粉土等，厚度5 m 左右，單位涌水量小于100 m3/（d·m）；噴出巖類孔洞裂隙含水巖組主要分布在研究區南部，含水層主要為新近系臨朐群牛山組（N1n）的氣孔狀玄武巖，厚度70 m 左右，單位涌水量一般小于120 m3/（d·m）；碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組主要分布于研究區東部，五圖斷裂以北，含水層巖性為奧陶系馬家溝群和寒武系九龍群炒米店組的質純灰巖和白云質灰巖等，研究區內單井涌水量一般500 m3/d 左右。

1.3 巖土體熱物性特征

本次共采集187 件巖土樣品并測試其熱物性參數，實驗室數據匯總見表1。由表1 可以看出，各類巖性熱物理性質相差不大，粉土、粘土等第四系松散巖類比熱容相對較大，而石灰巖的導熱系數和導溫系數明顯高于其他巖性。

表1 主要巖性熱物理參數一覽表

2 換熱方式適宜性分區

工作區內第四系巖性以粘土、粉土為主，且基巖埋藏較淺，區域地下水富水性較差，而且松散層和玄武巖地層不利于地下水回灌。綜合研究區的水文地質條件，不宜進行地下水換熱系統的開發利用。本文主要闡述地埋管換熱系統的適宜性分區。

2.1 分區方法

層次分析法，簡稱AHP，是一種解決多目標復雜問題的定性與定量相結合的決策分析方法[3]。

2.1.1 評價體系

地埋管熱泵系統評價體系層次結構模型由三層構成，從頂層至底層分別由目標層、屬性層和要素指標層3 級層次結構組成[4]。地埋管換熱系統適宜性分區評價模型如圖1。

圖1 地埋管換熱系統適宜性分區評價模型

2.1.2 因子權重確定

依據評價體系的層次結構模型，應用專家打分方法，通過各因素之間的兩兩比較確定合適的標度，構造判斷矩陣。使用CR 值檢驗判斷矩陣的一致性，如果沒有通過一致性檢驗，則需修改判斷矩陣，直至達到可以接受的一致性，最后確定各因子權重見表2。

表2 地埋管換熱系統適宜性分區指標權重排序表

2.1.3 綜合評分

（1）網格剖分

對評價區進行網格剖分，網格大小500 m×500 m。

（2）要素分值

通過Mapgis 制圖軟件制作各因素指標的分區圖件，包括：導熱系數分區圖、含水層厚度分區圖等。再應用專家打分法，確定單因素地埋管換熱系統適宜性等級（1～9）。

（3）網格賦值

將剖分網格與各因素指標分區圖疊加，并對網格中心點進行賦值，進而采用綜合指數法公式計算每個網格的分值，最終根據網格得分繪制綜合指數分區圖。

（4）適宜性分區標準

結合專家意見并考慮實際情況，將總得分7～9分的區域劃分為適宜性好區，5～7 分劃分為適宜性中等區，小于5 分的區域劃為適宜性差區。

2.2 分區結果

結合研究區淺層地溫能水文地質條件、地質條件及熱物性、地層屬性，將整個研究區劃分為地埋管換熱適宜性中等區，如圖2，區域面積55 km2。

圖2 研究區地源熱泵適宜性分區

3 資源潛力評價

3.1 熱容量計算

3.1.1 計算方法

采用體積法計算淺層地溫能熱容量，分別計算120 m 以淺包氣帶和飽水帶中的熱容量，然后求和得到研究區內120 m 以淺的熱容量。

工作區內均屬適宜性中等區，面積55 km2。為體現淺層地溫能熱容量計算參數在空間分布上的均一性和差異性，便于參數的選取，本次根據巖土體巖性等影響計算參數的因素，將工作區在平面上分為3 個區，見表3。

表3 計算分區表

3.1.2 計算結果

研究區120 m 深度內，包氣帶熱容量為1.65×1012kJ/℃，飽水帶熱容量15.04×1012kJ/℃，合計淺層地溫能容量為16.69×1012kJ/℃。

3.2 淺層地溫能換熱功率計算

淺層地熱能換熱功率為在淺層巖土體、地下水中單位時間內的熱交換量。

3.2.1 計算方法

研究區內為地埋管換熱適宜性中等區，首先算出各區單孔換熱功率，再計算單位面積的地埋管熱泵源系統換熱功率，最后可布孔區域的地埋管地源熱泵系統換熱功率。換熱功率計算分區見表3。

3.2.2 換熱功率計算

經計算，研究區內120 m 以淺地埋管單孔換熱功率夏季平均2 085.96 W，冬季3 199.02 W。區內地埋管換熱功率共計85.66×104kW/125.41×104kW（夏季/冬季）。

3.3 資源潛力評價

3.3.1 冷熱負荷的確定

按照節能建筑和老建筑為1:1，公用建筑和民用建筑3:2 計，確定夏季制冷負荷70 W/m2，冬季供暖負荷55 W/m2。

3.3.2 潛力評價

研究區內可埋設地埋管面積全部按照5 m×5 m網格埋設地埋管計算其地埋管熱泵資源潛力，120 m深度內夏季可制冷面積1 223.68 萬m2，單位面積夏季制冷22.16 萬m2；冬季供暖面積2 280.12 萬m2，單位面積冬季供暖43.27 萬m2。

4 經濟社會效益分析

4.1 經濟效益分析

淺層地溫能是一種非常規能源，本文采用類比常規能源（燃煤）的方法對研究區淺層地溫能的經濟價值進行了折算。經計算，研究區120 m 深度內淺層地溫能可開發利用總能量（Q）為7.53×106GJ/a，折合標準煤42.89 萬t/a。按照淺層地溫能開發利用效率35%計算，節煤量15.01 萬t/a，熱資源價值 7 505.54 萬元 /a。

4.2 環境效益分析

淺層地溫能開發利用帶來的環境效益巨大，本文參照《地熱資源地質勘查規范》（GB/T 11615-2010）計算，研究區淺層地溫能開發利用每年可減少向大氣排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、懸浮質粉塵等37.78 萬t，相當于每年節省治理費用4 234.63 萬元，見表4。

表4 淺層地溫能開發利用環境效益估算表

5 結論及建議

（1）基于昌樂縣研究區的地質及水文地質條件、地層屬性和熱物性等條件，對昌樂縣城市規劃區進行了淺層地溫能適宜性分區。結果表明，全區均為適宜性中等區。

（2）對昌樂縣研究區進行了淺層地溫能資源潛力評價，結果顯示研究區淺層地溫能開發利用潛力大，可帶來巨大的經濟社會效益。

（3）昌樂縣城南街道范圍內可以大力推廣地埋管地源熱泵技術，昌樂經濟開發區可鼓勵淺層地溫能的開發利用，老城區及朱劉街道為一般開發區，對已有建筑進行節能改造及新建建筑時可適當開發利用淺層地溫能資源。