貴州省開陽縣規劃開發區淺層地熱能開發利用前景分析

江 峰，李 強，吉勤克補子，王若帆，焦 恒

（貴州省地質礦產勘查開發局114地質大隊，貴州遵義563000）

淺層地溫能是一種新型的優質環保能源，具有可再生、儲量大、清潔環保和可用性強等特點，它能夠有效緩解能源供應壓力。研究表明，淺層地溫能與傳統鍋爐（電、燃料）供熱系統相比，地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省二分之一以上的能量[1]；地源熱泵相對于傳統供暖、空調方式，其運行費用節約185%～54%[2]。此外，淺層地溫能相關研究成果越來愈豐富。王貴玲等[3]對我國主要城市的淺層地溫能利用潛力進行了評價；韓再生和冉偉彥[3]對城市地區的淺層地溫能評價方法進行了探討，并指出淺層地溫能資源評價是地源熱泵工程設計的基礎，也是城市地區淺層地溫能利用規劃、管理的依據。

貴州省開陽縣規劃開發區乃至整個開陽縣均未對淺層地溫能進行開發利用，其淺層地溫能開發利用條件及潛力未知?；诖?，本文在充分收集區域已有地質、水文地質、地熱地質勘查成果等基礎上，通過開展1∶5 萬水文地質補充調查，查明了開陽縣規劃開發區200m 以淺第四系區域水文地質條件和巖土層巖性結構；通過取樣測試、熱響應試驗以及抽水、回灌試驗等工作，取得了開陽縣規劃開發區相關淺層地溫能基礎熱物性參數，分別進行了地埋管換熱方式和地下水換熱方式換熱功率的計算；進而開展了區域淺層地溫能開發利用條件評價工作，基本查明縣城淺層地熱能資源稟賦特征，并對縣城周邊淺層地熱能資源量及開發利用潛力進行初步評價，為開陽縣規劃開發區淺層地溫能的開發利用提供基礎支撐。

1 工作區概況

貴州省開陽縣規劃開發區位于開陽縣城南東緣5km，開發區總面積約2.57km2，出露地層僅有寒武系芙蓉統至第三統婁山關組（∈3-4O1l）和寒武系第三統石冷水組（∈3sh），巖性均為白云巖、細晶白云巖。開發區構造相對單一，區內主要構造為一條北東東向翁昭斷層（圖1）。

2 巖樣采集及熱響應試驗

根據前期詳細的地質勘察結果，開陽縣城規劃發展區的淺層地熱能資源估算區內主要發育分布有寒武系婁山關組和石冷水組兩套碳酸鹽巖地層，其中∈3-4O1l地層面積為2.08km2，∈3sh地層面積為0.49km2。

本次工作控制性采集區內婁山關組和石冷水組巖土樣各10 件，并送至重慶市巖土工程檢測中心進行了實驗室物性參數檢測，檢測內容為巖土體導熱系數（W/m·℃）、熱擴散系數（10-6m2/s）和質量比熱容（kJ/kg·℃），主要檢測結果平均值見表1。

本次工作共布置3 個熱響應試驗孔（全孔同徑?150mm），均使用雙U 換熱器，回填料均采用原漿回填。試驗儀器采用天津地熱研究院生產的PTPT111熱響應測試儀。通過對以上3孔開展現場熱響應試驗及線熱源理論公式計算得出，各勘查孔熱物性測試成果見表2。

3 地熱容量計算

淺層地熱容量是指蘊藏在地表以下一定深度范圍內巖土體、地下水和空氣中單位溫差儲藏的熱量，反映了地質體的綜合儲熱性能。根據《淺層地熱能勘查評價規范》（DZ/T0225-2009），淺層地熱容量的計算方法為體積法，即分別計算包氣帶與飽水帶中淺層地熱容量，以二者之和作為計算深度的淺層地熱容量。具體計算方法如下所述。

表1 實驗室巖土體熱物性檢測成果表

表2 現場熱響應試驗成果統計表

3.1 包氣帶中淺層地熱容量計算

式中：QR——淺層地熱容量；

QS——巖土體中的熱容量；

QW——巖土體所含水中的熱容量

QA——巖土體所含空氣中的熱容量；

ρS——巖土體密度；

CS——巖土體骨架的比熱容；

φ——巖土體的孔隙率（或裂隙率）；

M——計算面積；

d1——包氣帶厚度；

ρW——水密度，取值1000kg/m3；

CW——水比熱容，取4.18kJ/kg·℃；

ω——巖土體的含水率，%；

ρA——空氣密度，取1.29kg/m3；

CA——空氣比熱容，取1.003kJ/kg·℃。

其中，巖土體孔隙率、含水率、密度及比熱容按勘查區各地層不同地帶芯樣實驗室檢測加權平均值確定（包氣帶巖土體密度按塊體干密度取值，飽水帶密度按塊體飽和密度取值），包氣帶厚度d1根據區域地下水潛水位確定，取值為12m。

3.2 飽水帶中淺層地熱容量計算

式中：QR——淺層地熱容量；

QS——巖土體骨架的熱容量；

QW——巖土體所含水中的熱容量；

d2——潛水面至計算下限的巖土體厚度。

上述參數同包氣帶地熱容量計算式涉及參數取值相同。根據淺層地熱容量計算方法，對區域地層的包氣帶及飽水帶熱容量進行估算，進而運用匯總法計算區域淺層地熱總熱容量，計算結果詳見表3。

表3 開淺層地熱容量計算結果

4 換熱功率計算

4.1 地下水換熱功率

地下水換熱功率是指通過地源熱泵系統單位時間內從一定地下水循環利用量中交換出的熱量，反映了地下水的綜合換熱能力。根據《淺層地熱能勘查評價規范》（DZ/T0225-2009），采用如下公式計算：

式中：Qh——換熱功率，kW；

qW——地下水循環利用量，m3/d；

ΔT——地下水利用溫差，℃；

ρW——水密度，取1000 kg/m3；

CW——水比熱容，取4.18kJ/kg·℃。

地下水循環利用量即為地下水開采換熱、尾水回灌后，可有效循環利用的水資源量。地下水循環利用量按允許開采量（夏季取平水期X0.75、冬季取枯水期X0.95）的1.65 倍進行取值。經計算，夏季地下水循環利用量為14.59L/s（1261.24m3/d），冬季地下水循環利用量為17.03L/s（1471.91m3/d），區域地下水溫在16℃左右，根據《實用供熱空調設計手冊》（第二版）中地下水利用溫差取值范圍（ΔT=5℃～11℃），結合區內冷期長、采暖為主，制冷次之的實際情況，地下水利用溫差夏季取10℃、冬季取7℃。

4.2 地埋管換熱功率

本次地埋管換熱功率的計算采用單孔換熱功率匯總法，即通過現場熱響應試驗求取計算地層的單孔換熱功率，再根據計算地層有效開發利用面積（適宜區及較適宜區）推算換熱孔數，最后將各計算分區不同地層單孔換熱功率與換熱孔數的乘積累加匯總得到區域換熱功率。具體計算方法如下：

式中：Qh——區域換熱功率；

D——單孔換熱功率；

n——計算面積內換熱孔數；

Q——單位延米換熱量；

L——計算深度，取200m。

根據地埋管地源熱泵建設一般孔距要求（5m×5m），單孔占地面積為25m2，經計算，計算面積內換熱孔數為102800 個，而單位延米換熱量在現場熱響應試驗報告中已計算得出。

計算結果顯示，開陽縣規劃開發區面積為2.57km2，按5m×5m孔距可布置換熱鉆孔102800個，孔深為200m 時，夏季換熱功率為1361270.8kW，冬季換熱功率為1245945.2kW。

4.3 區域換熱功率

根據地下水及地埋管換熱功率累加計算區域總換熱功率，具體結果見表4，開陽縣城規劃開發區200m以淺夏季總換熱功率為1.36×106kW，冬季總換熱功率為1.25×106kW。

5 開發利用評價

表4 區域總換熱功率計算結果表

5.1 開發利用潛力評價

根據對開陽縣城規劃開發區淺層地熱能資源計算結果，根據有關規定，夏季單位面積需求的制冷功率約50W，而冬季單位面積需求的采暖功率約90W，據此進一步對規劃區地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵可供面積進行估算（表5）。計算結果顯示，開陽縣城規劃開發區夏季可供制冷面積約28.74km2，冬季可供采暖面積約13.83km2。而開陽縣城規劃開發區總面積約2.57km2，計算結果表明，淺層地熱能資源的可供面積足以滿足規劃開發區的制冷和采暖需求。

表5 兩種地源熱泵可供面積估算表

5.2 開發利用條件評價

開陽縣城規劃發展區地形起伏較小，巖溶發育深度不大，且區域地下水位埋深小，地下水換熱適宜機井開采取水。規劃發展區所處的地下水系統的含水介質以裂隙溶洞及溶洞溶隙等為主，換熱后的尾水回灌條件極佳，極有利于地下水的循環利用，地下水換熱淺層地熱能開發利用條件良好。

對于地埋管換熱淺層地熱能開發利用可從以下幾個方面進行評價：

首先，區域巖土體熱物性條件：熱物性是影響地埋管換熱性能的主要因素，開發區區巖土體導熱系數4.37～4.67W/m·℃，容積比熱容為（4.14～4.46）×106J/m3·℃，延米換熱量65.08～71.01W/m，地溫恢復時間約8h，總體熱物性參數較大、地溫恢復較快，地埋管換熱的熱物性條件良好。

其次，地質條件和巖石可鉆性：開發區主要分布地層為∈3-4O1l和∈3sh，占開發區比重在99%以上，其熱物性參數總體較大，地埋管換熱條件較好。另外，開發區整體地形起伏變化小、巖溶發育不深、地下水位埋深較淺，運用地埋管換熱的地質條件較好；開發區主要分布的是碳酸鹽巖地層，堅硬程度上總體屬較硬巖和較軟巖，大部分屬完整和較完整，巖石可鉆性總體較好，地埋管換熱的鉆進條件較好。

最后，交通狀況方面，區內高速公路通達，縣道穿過開發區。因此，區內實施地埋管地源熱泵工程技術難度小、成本費用低、不易引發滑坡等地質災害，地埋管換熱淺層地熱能開發條件好。

總體上，開陽縣規劃開發區淺層地溫能開發利用潛力較大，且其開發利用條件較好，非常適于進行淺層地溫能資源的開發利用。

6 結論

（1）規劃開發區婁山關組地層夏季單位延米換熱量為65.08W/m，冬季單位延米換熱量為60.63W/m；石冷水組地層夏季單位延米換熱量為71.01W/m，冬季單位延米換熱量為60.48W/m；

（2）規劃開發區200m 以淺夏季總換熱功率為1.36×106kW，冬季總換熱功率為1.25×106kW；

（3）規劃開發區夏季可供制冷面積約28744963.47m2，冬季可供采暖面積約13827478.27m2，規劃開發區總面積約2.57km2，區域淺層地熱能資源的可供面積足以滿足規劃開發區的制冷和采暖需求；

（4）規劃開發區淺層地溫能開發利用潛力較大，且其開發利用條件較好，非常適于進行淺層地溫能資源的開發利用。