貴安新區淺層地溫能資源開發利用適宜性分區及潛力評價

張 新

(貴州有色地質工程勘察公司，貴州 貴陽 550001)

淺層地溫能是指蘊藏在地表水或地表以下200 m深度范圍內的巖土體中具有開發利用價值的的熱能(一般低于25℃)。淺層地溫能作為一種新型能源，具有儲量巨大、可再生和開發利用對環境影響小等特點，具有明顯的資源屬性；開發利用淺層地溫能成為當今應對全球氣候變化、發展低碳經濟、促進節能減排戰略目標的實現。本文通過對貴安新區淺層地溫能賦存條件的研究，結合巖土樣測試等數據的分析，采用熱儲量體積法計算其資源容量，在利用地埋管式地源熱泵技術開發淺層地溫能的基礎上，對研究區進行了淺層地溫能開發利用適宜性分區，結果表明；綠地土地利用系數按60%考慮時，地埋管地源熱泵冬季供暖面積1.22×109m2，夏季制冷面積1.18×109m2。因此，研究區淺層地溫能開發利用潛力大，可帶來巨大的經濟效益。

1 研究區淺層地熱能賦存條件

1.1 地質結構特征

研究區位于貴州省中部，屬于以巖溶地貌為主、高原臺地、山地、丘陵盆地等交錯分布的地區。

研究區碳酸鹽巖及夾碎屑巖的碳酸鹽巖層分布廣泛，占研究區總面積的99%，碎屑巖占1%。第四系主要分布于研究區的河流、巖溶洼地等地勢低洼地帶，平均厚度3.69 m。

1.2 水文地質概況

研究區主要為松散巖類孔隙水、基巖(碎屑巖)裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水三大類型。

1.2.1 碳酸鹽巖巖溶水

含水層組包括三疊系下統大冶組、安順組、三疊系中統貴陽組、花溪組、二疊系上統吳家坪組—長興組、中統茅口組-棲霞組、下石炭系上統黃龍組、下統擺佐組等，含水層以灰巖、白云巖為主，地下水主要賦存、富集、運移于灰巖溶洞-管道、溶蝕裂隙-溶洞中，動態變化大等特點，含水極不均勻，地面泉出露少。

1.2.2 基巖(碎屑巖)裂隙水

含水層組包括下三疊系中統邊陽組。含水層以鈣質頁巖、泥巖、粉砂巖等碎屑巖為主。地下水主要賦存于碎屑巖構造裂隙和風化裂隙中，泉水出露點較多，但流量小，泉水流量一般在0.1～1 L/s之間，徑流途徑短，近源補給、分散排泄等特點，流量變化在短期內不十分明顯。

1.2.3 松散巖類孔隙水

松散巖類孔隙水分布在河谷兩岸及大型巖溶洼地底部的沖積、洪積物及殘坡積層中，地下水賦存于第四系松散層的孔隙中，含水層由沖積、洪積及殘坡積粘土、亞砂土、砂、礫石層組成，一般為潛水，地下水天然露頭較少，動態變化大。

1.3 巖土體熱物性特征

1.3.1 室內測試

本次共采集巖土樣品65件測試巖土樣進行熱物性參數室內測試。根據熱物性參數測試成果及收集區域勘察資料顯示(表1，圖1)，砂巖、泥巖等碎屑巖類孔隙率約0.08，綜合導熱系數介于2.13～2.62 W/m·℃，比熱容介于0.563～0.733 KJ/kg℃，密度約為2.59 g/cm3；碳酸鹽巖類的孔隙率介于0.08～0.12之間，導熱系數介于2.37～3.05 W/m·℃，密度介于2.61～2.78 g/cm3，比熱容介于0.601～0.850 KJ/kg℃。

表1 工作區地層巖性熱物性測試成果

圖1 工作區巖性導熱系數對比直方圖

1.3.2 現場測試

1)恒溫帶特征

本次工作共布置地溫檢測孔9個，觀測周期均為10～20 d，其中，根據工作測量的溫度地溫值(圖2)，確定工作區內恒溫帶深度為20～30 m間。

圖2 工作區巖性導熱系數對比直方圖

2)地溫空間變化特征

通過地溫監測數據成果分析，工作區地熱增溫率介于1.7～2.3℃/100m，在平面上，增溫率呈自南東向北西遞增趨勢。

3)地層熱響應特征

本次工作共布置16個熱響應試驗孔，孔徑均為φ150 mm。均使用雙U換熱器。試驗儀器采用華清地熱GH-12FT05型巖土熱物性測試儀。試驗模擬夏季制冷工況。試驗功率為3 kw和6 kw。

通過16組熱響應試驗，對工作區主要地層初始溫度、熱擴散系數、容積比熱容、綜合導熱系數等做了解。淺層地溫能熱響應試驗計算成果見表2。

表2 淺層地溫能熱響應試驗計算成果表

2 適宜性分區

2.1 適宜性分區原則

淺層地溫能的開發利用適宜性分區主要圍繞地下水源熱泵和地埋管地源熱泵的方式進行[6-7]。在地下水、地埋管適宜性分區的基礎上，按照適宜性優先原則(即不同形式的適宜性分區兩兩相比，綜合取兩者中適宜較好者)，采用疊加法評價出淺層地溫能適宜性綜合分區。

2.2 分區方法

層次分析法(Analytical Hierar-chy Process，簡稱AHP方法)是美國運籌學家A.L.Saaty于1970年代提出的一種定性與定量相結合的決策分析方法[8-11]。它是一種將決策者對復雜系統的決策思維過程模型化、數量化的過程，應用這種方法，決策者通過將復雜的問題化解為若干層次和若干因素，通過對各因素之間進行比較和計算，得出不同的權重，為最佳方案的選擇提供依據(見圖3)。

圖3 貴安新區直管區地下水地源熱泵層次分析模型結構示意圖

2.3 分區結果

2.3.1 地下水源熱泵適宜性分區

按照地下水地源熱泵適宜性分區模型及劃分標準，將工作區劃分為適宜區、較適宜區、不適宜區三個類別。地下水地源熱泵適宜區主要分布在清鎮職教城、貴安生態新城以及馬場科技新城沿馬場河沿線一帶三處核心職能聚集區，較適宜區主要分布在天河潭新城、馬場科技新城東側及高峰鎮大部分，不適宜區主要位于高峰山及貴陽花溪大學城(見表3)。

表3 貴安新區直管區地下水地源熱泵

2.3.2 地埋管地源熱泵適宜性分區

按照地埋管地源熱泵適宜性分區模型及劃分標準，將工作區劃分為適宜區、較適宜區、不適宜區三個類別，地埋管地源熱泵在貴安新區直管區普遍適用，適宜區主要分布在清鎮職教城、貴安生態新城、馬場科技新城、天河潭新城以及高峰鎮北部，較適宜區主要分布在貴陽花溪大學城、湖潮物流區，不適宜區主要分布在高峰山、馬場科技新城南側、高峰鎮西南側，黨武南側等地勢起伏較大區域(見表4和圖4)。

表4 貴安新區直管區地埋管地源熱泵適宜性分區成果表

圖4 貴安新區直管區淺層地溫能開發利用適宜性區劃圖

3 資源潛力評價

3.1 計算方法

淺層地溫能熱容量是指蘊藏在地表以下一定深度內巖土體、地下水和地表水中單位溫差的熱量。采用熱儲量體積法計算評價區淺層地溫能熱容量。首先以地層單元為單位，確定各地層潛水水位，再確定主要地層厚度和物性參數，分別計算淺層地溫能可開發范圍內各單元地層的分項熱儲量(QS、QW、QA、)，然后以分項總和法求得評價區淺層地溫能熱容量總量。評價區分布的地層單元有11個，分別為：Q、T2gy、T2b、T2h、T2q、T1a、T1d+g、P3w+c、P2q+m、C2h+m、C1b。

3.2 計算結果

根據淺層地溫能熱容量計算方法，分別計算各單元地層120 m、200 m深度內包氣帶熱容量、飽水帶熱容量，進而按分層總和法計算出120 m、200 m深度內的總熱容量。

在120 m深度范圍內，包氣帶巖土體中固態物質熱容量為1.83×1013KJ/℃、巖土體所含水中的熱容量為3.62×1012KJ/℃、巖土體所含空氣的熱容量為1.47×108KJ/℃，合計為2.19×1013KJ/℃；飽水帶巖土體中固態物質熱容量為7.37×1013KJ/℃、巖土體所含水中的熱容量為2.04×1013KJ/℃，合計為9.41×1013KJ/℃。120 m深度內淺層地溫能熱容量總計1.16×1014KJ/℃。

在200 m深度范圍內，包氣帶巖土體中固態物質熱容量為1.83×1013KJ/℃、巖土體所含水中的熱容量為3.62×1012KJ/℃、巖土體所含空氣的熱容量為1.47×108KJ/℃，合計為2.19×1013KJ/℃；飽水帶巖土體中固態物質熱容量為1.34×1014KJ/℃、巖土體所含水中的熱容量為3.70×1013KJ/℃，合計為1.71×1014KJ/℃。200 m深度內淺層地溫能熱容量總計1.93×1014KJ/℃。

3.3 地埋管地源熱泵潛力評價

根據貴安新區氣候條件及建筑結構特征，空調負荷采用：供暖期50 w/m2、制冷期70 w/m2。按綠地土地利用系數60%計算出工作區地埋管淺層地溫能潛力為為：冬季可供暖面積1.22×109m2，夏季可制冷面積1.18×109m2。

4 結語

(1)區內主要地層的綜合熱導率在2.17～3.21 W，綜合熱擴散系數0.94～1.32×106m2/s，總熱阻0.09～0.28 m·℃/W。地埋管地源熱泵較適宜區面積共123.38 km2，占研究區面積的26.0%。適宜區面積共246.47 km2，占研究區面積的52.0%，研究區范圍內可以大力開發利用淺層地溫能資源。

(2)研究區內利用地埋管地源熱泵系統開發利用淺層地溫能，按綠地土地利用系數60%計算出工作區地埋管淺層地溫能潛力為為：冬季可供暖面積1.22×109m2，夏季可制冷面積1.18×109m2。

(3)研究區內淺層地溫能開發利用總能量為能量為7.60×108GJ/a，減排節約的環境治理費為598 017.3萬元/a。折合成標準煤15 143 064.53 t。