淮安城市規劃區淺層地熱能開發利用適宜性分區及潛力評價

時國凱 姚文江 王寬彪

摘 要：淺層地熱能是一種清潔的可再生資源，合理開發利用淺層地熱能可以有效減少化石能源使用，助力實現“碳達峰”“碳中和”目標。從水文地質特征、巖土體結構特征、熱物性特征、熱響應特征、地溫場特征等多個方面進行分析，基本查明了淮安城市規劃區淺層地熱能賦存條件，并在此基礎上采用層次分析法進行了淺層地熱能開發利用適宜性評價。評價結果顯示，規劃區廣泛適宜采用地埋管地源熱泵系統開發利用淺層地熱能，適宜性良好區和較好區面積總和2335 km2，占規劃區總面積的73.3%。資源量計算結果顯示，規劃區淺層地熱能儲量豐富，100 m深度范圍內熱容量為9.25×1014 kJ·℃-1;冬季總換熱功率為32 766 MW，可供暖總建筑面積為5.14億m2;夏季總換熱功率為45 793 MW，可制冷總建筑面積為3.86億m2，開發利用潛力巨大。

關鍵詞：淺層地熱能;層次分析法;適宜性評價;地埋管地源熱泵;城市規劃區

Suitability zoning and potential evaluation of shallow geothermal energy development and utilization in Huai'an

SHI Guokai， YAO Wenjiang， WANG Kuanbiao

（Jiangsu Institute of Geological Survey， Nanjing 210018， Jiangsu， China）

Abstract： Shallow geothermal energy is a clean and renewable resource. The rational development and utilization of shallow geothermal energy can effectively reduce the use of fossil energy and help achieve the goal of "peak carbon dioxide emissions" and "carbon neutrality". Analyses from various aspects such as hydrogeological characteristics， rock and soil structural characteristics， thermal physical properties， thermal response characteristics， and geothermal field characteristics， have revealed the conditions for the occurrence of shallow geothermal energy in the urban planning area of Huai'an. On this basis， the analytic hierarchy process is used to evaluate the suitability of shallow geothermal energy development and utilization. The evaluation results show that it is widely suitable for the development and utilization of shallow geothermal energy in the planning area to adopt the ground source heat pump system with buried pipes. The total area with good suitability is 2335 km2， accounting for 73.3% of the total area of the planning area. The resource calculation results show that the shallow geothermal energy reserves in the planning area are abundant， and the heat capacity within a depth of 100 m is 9.25×1014 kJ·℃-1 .The total heat exchange power in winter is 32 766 MW， and the total building area that can be heated is 514 million m2.The total heat exchange power in summer is 45 793 MW， and the total building area that can be cooled is 386 million m2. There is huge potential for development and utilization.

Keywords： shallow geothermal energy; analytic hierarchy process; suitability evaluation; ground source heat pump; urban planning area

淺層地熱能是地熱資源的一部分（韓再生等，2007），是蘊藏在地表以下一定深度范圍內巖土體、地下水和地表水中具有開發利用價值的熱能。淺層地熱能是一種清潔的可再生資源（衛萬順等，2020），具有分布廣、儲量大、埋藏淺、易開發等特點（欒英波等，2013）。使用淺層地熱能代替傳統化石能源，可有效減少溫室氣體的排放，助推實現“碳達峰”“碳中和”目標（衛萬順等，2021;馬冰等，2021;楊富強等，2021）。

淮安城區曾開展過淺層地熱能調查評價工作，基本查明了城區淺層地熱能的賦存條件，并進行了地埋管地源熱泵適宜性評價（江蘇省地質調查研究院，2014）。但隨著城市規模的擴大、發展規劃的調整，以往的調查評價成果已經不能滿足城市發展需求，在淮安城市規劃區開展淺層地熱能開發利用適宜性分區及潛力評價十分必要。

本次淺層地熱能開發利用適宜性評價范圍為淮安城市規劃區（以下簡稱規劃區），包括淮安市淮陰區、清江浦區、淮安區以及漣水縣陳師鎮的部分區域，總面積3186 km2。通過資料收集分析、現場熱響應試驗、巖土體采樣測試等工作方法基本查明了規劃區淺層地熱能賦存條件，采用層次分析法對規劃區淺層地熱能開發利用適宜性進行了分區評價，并在此基礎上進行了淺層地熱能資源量計算和潛力評價，為淮安城市規劃區淺層地熱能的開發利用工程勘察、選址以及淺層地熱能開發利用規劃的編制、項目的管理、審批提供了依據。

1? 淺層地熱能賦存條件

1.1? 自然地理特征

淮安市位于江蘇省中北部，江淮平原東部，地處長江三角洲地區，是蘇北重要中心城市。淮安城市規劃區內主要為第四系覆蓋的堆積平原，總體地勢西高東低，海拔5～19 m。區內地貌按照物質來源、成因可分為黃淮決口扇沖積平原區與江淮沖積—沖海積平原區。淮安市地處暖溫帶和亞熱帶的分界地帶，受季風影響形成了四季分明、冬冷夏熱、光照充足、雨量集中的氣候特征，全市年日照時數2060～2261 h，年平均氣溫14.1～14.9℃，年平均降水量913～1030 mm。

1.2? 巖土體結構特征

規劃區松散層廣泛覆蓋，第四系和新近系厚度120～600 m，總體呈現從北西向南東逐漸增厚的趨勢。本次工作共布置熱響應試驗孔6個，收集到熱響應試驗孔14個，孔深均在100 m左右（圖1）。根據這些熱響應試驗孔資料，規劃區100 m以淺主要為黏土和砂層互層，局部含泥鈣質結核，以黏土居多，均未鉆遇巖石層，其中粉質黏土、黏土、粉細砂厚度平均占比分別達到35%、30%和20%（圖2）。

1.3? 水文地質特征

規劃區200 m以淺主要為松散巖類孔隙水，含水層類型包括潛水孔隙含水層、第Ⅰ承壓含水層組和第Ⅱ承壓含水層組。潛水孔隙含水層巖性主要為粉土、粉砂和粉質黏土，砂層厚度5～20 m，潛水埋深0.5～2.0 m，單井涌水量小于100 m3·d-1;第Ⅰ承壓含水層組的巖性主要為粉土、粉砂和粉細砂，砂層厚度10～30 m，含水層頂板埋深20～70 m，地下水埋深一般為5～10 m，單井涌水量多為100～2000 m3·d-1;第Ⅱ承壓含水層組巖性主要為中細砂和中粗砂，含水層頂板埋深40～100 m，砂層厚度20～50 m，單井涌水量100～3000 m3·d-1。

1.4? 巖土體熱物性特征

巖土體主要熱物性參數包括導熱系數、比熱容、熱擴散系數等，代表巖土體存儲和傳導熱量的能力，是影響淺層地熱能賦存的重要因素，也是影響開發利用效果的重要指標（鄒鵬飛等，2020;白新飛等，2021）。熱響應孔取樣測試結果顯示，規劃區內各類巖土體樣品的平均導熱系數在1.48～2.07 W·m-1·K-1之間，平均比熱容在1.06～1.52 kJ·kg-1·K-1之間;巖土體密度與導熱系數正相關，與比熱容負相關，密度越大的巖土體導熱系數越大，比熱容越小。其主要原因為巖土體與水和空氣的熱物性參數差異較大，不同密度的巖土體中水和空氣的含量不同，從而影響了巖土體的熱物性參數。總體而言，砂土的導熱系數最大，粉土次之，黏土最小，比熱容反之。見表1。

1.5? 巖土體熱響應特征

1.5.1? 單孔導熱系數

現場熱響應試驗測得規劃區單孔導熱系數的平均值為1.930 W·m-1·K-1，高于采樣測得單孔導熱系數平均值1.506 W·m-1·K-1。采集樣品的測試過程中，熱量的主要傳導方式為熱傳遞，而在現場熱響應試驗過程中，由于地下水滲流的影響，熱量傳遞的方式包括了熱傳遞和熱對流，一定程度上提高了換熱孔與周圍巖土體的熱量交換效率，因此導熱系數相對較大。

1.5.2? 地埋管換熱量

在獲取主要熱物性參數之后，根據DZ/T 0225-2009《淺層地熱能勘查評價規范》附錄A中的公式A.7計算出了長度100 m的雙U地埋管單孔換熱功率，并進一步推算出了各熱響應孔延米換熱量，散熱工況下為49.77～71.17 W·m-1，平均值58.76 W·m-1;取熱工況下為37.56～52.78 W·m-1，平均值為44.39 W·m-1。各換熱孔的延米換熱量見表2。

1.6? 地溫場特征

地溫場是地球內部的熱場，表示地球內部溫度的分布情況。通常情況下地溫場自地表向下依次為變溫層、恒溫層和增溫層。其中，變溫層溫度受太陽輻射影響變化較大;恒溫層的地球深部熱能與太陽輻射相平衡，溫度趨于穩定;增溫層主要受地球內部熱能影響，溫度隨著深度的增加而增高（常征，1989;周紹榮等，2014）。采用點測法對熱響應孔2～100 m深度范圍進行了測溫（圖3），結果顯示規劃區恒溫層埋深8～25 m，厚度10～15 m不等，溫度15.6～17.7℃，高于當地平均氣溫0.7～3.6℃。增溫層平均地溫梯度為2.6℃/100 m，地溫梯度范圍1.07～4.51℃/100 m。

規劃區50 m和100 m深度均屬于增溫層，地溫場特征主要受地球內部熱能影響。其中50 m深度處的地溫16.6～18.5℃，其中西部三樹鎮—碼頭鎮一帶和東南部的范集鎮—車橋鎮—蘇嘴鎮一帶溫度相對較高（圖4）。100 m深度的地溫17.6～20.0℃，地溫場特征與50 m埋深的地溫場相似，相對高溫區域也主要分布在上述地區。

2? 淺層地熱能開發利用適宜性評價

淺層地熱能開發利用的主要方式是熱泵系統，根據熱源的不同可分為地下水系統、地表水系統和地埋管系統（徐偉等，2013）。淮安市地表水體多位于生態紅線內，自然資源開發利用上線受到嚴格控制，難以大規模開采地表水資源用于地表水源熱泵系統;近年來淮安市持續推進地下水壓采工作，并且地下水回灌技術不成熟，地下水源熱泵系統也不宜大規模使用。多項研究成果表明，地埋管地源熱泵系統更適宜在淮安地區大面積推廣應用（汪名鵬，2012;周紹榮等，2014）。因此本次淺層地熱能開發利用適宜性評價僅針對地埋管地源熱泵系統展開。

2.1? 評價方法

本次淺層地熱能開發利用適宜性評價方法采用層次分析法（Analytic Hierarchy Process），該方法是一種定量與定性相結合的分析方法，適用于解決較為復雜、較為模糊、難以定量化分析的問題。其基本原理是通過構建評價體系把復雜問題層層分解為多個要素，對各要素之間的重要程度進行評分比較，并構建判斷矩陣進一步計算出各要素權重，從而提出解決問題的方案（郭金玉等，2008）。

2.2? 評價步驟

2.2.1? 構建層次結構模型

淮安城市規劃區淺層地熱能開發利用適宜性評價體系由3層構成（圖5），最頂層 O是目標層，即淮安城市規劃區地埋管地源熱泵適宜性評價;中間層A是屬性層，包括巖土熱物性、地層條件和現場施工條件;最底層F是要素層，根據淮安城市規劃區實際情況，選擇含水層厚度、巖土體綜合導熱系數、巖土體比熱容、鉆孔平均溫度、松散層厚度、城市覆蓋程度等6個要素指標進行評價。

2.2.2? 構建判斷矩陣

根據業內相關專家對要素重要程度的打分，構建了判斷矩陣并進行一致性檢驗，計算結果見表3。其中Wi為指標權重，采用特征向量法計算;CR為一致性比率，通過判斷矩陣最大特征值計算（鄧雪等，2012）。當一致性比率CR<0.1時，認為不一致程度在容許范圍內，通過一致性檢驗。

根據判斷矩陣可以計算出各指標在其所在層次的權重，將屬性層權重與要素層權重相乘，就可以計算出各要素最終權重，權重計算結果見表4。在各要素中，巖土體綜合導熱系數權重最大，達到0.4743;巖土體比熱容和含水層厚度權重也均大于0.1;其他要素所占權重較小。總體上與巖土體儲熱、導熱相關的要素占據了較大權重，權重計算結果與實際工作中的認知比較相符。

2.2.3? 評價指標分區賦值

巖土體綜合導熱系數代表著地層的導熱能力，依據導熱系數等值線圖分區賦值，導熱系數越高的區域導熱能力越強，賦值越高;巖土體的比熱容代表地層的儲熱能力，依據比熱容等值線圖分區賦值，比熱容越高的區域儲熱能力越強，賦值越高;鉆孔平均溫度一定程度上反映了巖土體的換熱和儲熱能力，依據換熱孔平均溫度等值線圖分區賦值，鉆孔平均溫度越高的區域換熱溫差越大，賦值越高;松散層厚度決定地埋管埋藏深度、地層的熱物性及經濟性，依據松散層等厚線圖分區賦值;含水層厚度直接影響松散層地下水含量，地下水是重要的熱量儲存和運輸載體，對地埋管地源熱泵的換熱效果影響明顯（江蘇省地質調查研究院，2020），依據潛水和Ⅰ、Ⅱ承壓含水層的累計厚度等值線圖分區賦值;城市覆蓋程度對使用地埋管式地源熱泵系統具有制約性，地面建筑覆蓋程度越高適宜性越差，根據遙感解譯資料及收集到的相關規劃資料進行分區賦值。各要素指標分區賦值見表5、圖6。

2.2.4? 適宜性分區

根據各指標分區賦值結果對每個剖分網格上的6項評價指標賦值，各指標值與其對應的權重相乘并求和，就可計算出每個網格點上的總評分值。使用ArcGIS空間分析功能將各評價指標進行加權疊加，最終得到淺層地熱能開發利用適宜性分區圖，共分為3個等級，總分值大于4.5分的區域為適宜性良好區，3.5～4.5分的區域為適宜性較好區，小于3.5分的區域為適宜性一般區。

2.3? 適宜性評價

分區評價結果顯示，淮安城市規劃區廣泛適宜采用地埋管地源熱泵系統開發利用淺層地熱能，適宜性良好區和較好區面積總和約2335 km2，占規劃區總面積的73.3%（圖7）.

適宜性良好區：主要分布在規劃區東部，林集鎮—南馬廠鎮—陳師鎮以東的地區、西部漁溝鎮周邊區域，面積約1698 km2，占總面積的53.3%。適宜性良好區普遍熱物性條件良好、含水層和松散層厚度較大，且城市覆蓋程度相對較低，非常適宜采用地埋管地源熱泵系統開發利用淺層地熱能。

適宜性較好區：主要分布在規劃區中部，碼頭鎮—鹽黃鎮—范集鎮一帶及棉花莊鎮以北的區域，面積約637 km2，占總面積的20%。較好區優勢在于巖土體儲熱能力較好，松散層厚度較大，采用地埋管地源熱泵系統可以有效地開發利用淺層地熱能。

適宜性一般區：主要分布在徐溜鎮周邊、趙集鎮—三樹鎮一帶及中心城區，總面積約851 km2，占總面積的26.7%。其中，中心城區熱物性參數相對較好，但城市覆蓋程度較高，地埋管系統的施工和改造的場地限制是影響適宜性的主要因素。徐溜鎮周邊、趙集鎮—三樹鎮一帶松散層和含水層厚度較小，熱物性參數較差，地埋管地源熱泵換熱效率較低。

3? 淺層地熱能資源量計算及潛力評價

3.1? 淺層地熱能熱容量

淺層地熱能熱容量根據DZ/T 0225-2009《淺層地熱能勘查評價規范》附錄A中的公式A.1～A.6采用體積法進行計算。考慮現狀技術條件、鉆探難度、鉆探經濟性等因素，目前江蘇省內淺層地熱能開發利用工程的地埋管深度普遍不超過100 m，因此本次計算深度取100 m，不考慮包氣帶部分熱容量。各鉆孔計算參數主要依據巖土體取樣測試數據和現場試驗結果加權求得;各適宜性分區的計算參數根據該分區內鉆孔參數求取平均值。

計算結果顯示，規劃區100 m深度范圍內淺層地熱能熱容量為9.25×1014 kJ·℃-1。其中，巖土體骨架的熱容量為3.77×1014 kJ·℃-1，巖土體中地下水的熱容量為5.49×1014 kJ·℃-1，各分區淺層地熱能熱容量見表6。若按100 m埋管深度、5℃的換熱溫差進行計算，假設換熱間隔期地溫完全恢復，則區內年可開發利用淺層地熱能為4.63×1015 kJ，相當于燃燒1.58億t標準煤獲得的能量。

3.2? 淺層地熱能換熱功率

淺層地熱能換熱功率根據DZ/T 0225-2009《淺層地熱能勘查評價規范》附錄A中的公式A.7～A.9進行計算。首先根據現場熱響應試驗取得的數據計算單孔換熱功率，進而計算各分區淺層地熱能換熱功率。埋管深度取100 m，埋管間距5 m，地埋管夏季進出口溫度32.5℃，冬季進出口溫度7.5℃。

計算結果顯示，淮安市現有換熱孔的冬季單孔換熱功率平均值為3307 W，夏季單孔換熱功率平均值為4582 W，夏季換熱功率比冬季高出約42%。根據相關規劃，區內建筑用地面積占比26%，地埋管建設面積折減系數取30%，則土地利用系數為7.8%，在考慮土地利用系數的前提下，規劃區100 m以淺地埋管式地源熱泵系統的冬季總換熱功率為32 766 MW，夏季總換熱功率為45 793 MW（表7）。結合適宜性分區結果，可見淺層地熱能開發利用適宜性越好的區域，其單孔換熱功率越大，單位面積換熱功率越高，進一步驗證了適宜性分區的合理性。

3.3? 潛力評價

淺層地熱能潛力評價在適宜性分區的基礎上進行，依據淺層地熱能換熱功率計算和地源熱泵所需換熱量計算，用可供暖、制冷面積表示。根據GB 50366-2009《地源熱泵系統工程技術規范》，忽略循環水輸送過程中獲得的熱量和水泵釋放到循環水中的熱量，地源熱泵系統冬季、夏季的換熱量分別按下式計算：

Q夏=∑[L冷×（1+1/EER）]???? （1）

Q冬=∑[L熱×（1-1/COP）]???? （2）

式中，Q夏為地源熱泵系統夏季排熱量，單位W·m-2;Q冬為地源熱泵系統冬季吸熱量，單位W·m-2;L冷為建筑夏季冷負荷，單位W·m-2;L熱為建筑冬季熱負荷，單位W·m-2;EER為地源熱泵機組的制冷性能系數;COP為地源熱泵機組的供熱性能系數。

經估算，淮安市的建筑夏季冷負荷標準值為95 W·m-2，冬季熱負荷標準值為85 W·m-2。地源熱泵系統的EER和COP取4.0。根據公式（1）、公式（2）計算出地源熱泵系統夏季需排熱量為118.75 W·m-2，冬季需吸熱量為63.75 W·m-2。

在獲取淺層地熱能換熱功率和熱泵系統所需換熱量之后，可進一步計算出區內淺層地熱能可供暖、制冷建筑面積（表8）。計算結果顯示，區內單位面積內淺層地熱能平均可供暖建筑面積為2.0 m2，可制建筑冷面積為1.5 m2。在考慮土地利用系數的情況下可供暖總建筑面積為5.14億m2，可制冷總建筑面積為3.86億m2，開發利用潛力巨大。

4? 結論

1）使用熱響應孔鉆探、測溫、采樣測試、現場熱響應試驗、資料搜集分析等多種工作方法對淮安城市規劃區內巖土體結構、水文地質特征、熱物性及熱響應特征、地溫場特征展開研究。研究成果表明，規劃區內地層可鉆性強，含水層厚度大，熱物性參數良好，淺層地熱能賦存條件優越。

2）采用層次分析法對淮安城市規劃區地埋管地源熱泵系統適宜性進行了評價，科學、客觀地反映了地埋管地源熱泵系統的適宜性分布特征。評價結果顯示，淮安城市規劃區廣泛適宜采用地埋管地源熱泵開發利用淺層地熱能，適宜性良好區和較好區面積占比達到73.3%。

3）計算了各分區淺層地熱能容量和換熱功率，評價了淺層地熱能開發利用潛力。規劃區100 m深度范圍內淺層地熱能熱容量為9.25×1014 kJ·℃-1，考慮土地利用系數的情況下冬季總換熱功率為32 766 MW，夏季總換熱功率為45 793 MW，可供暖總建筑面積為5.14億m2，可制冷總建筑面積為3.86億m2，開發利用潛力巨大。

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