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地熱資源開(kāi)發(fā)利用

安徽蚌埠城市規劃區淺層地熱能研究

  淺層地熱能是指蘊藏于地表以下200 m 以淺的巖土體、地下水和地表水中具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的熱能。它以地球內熱為主及太陽(yáng)輻射影響而形成，是分布廣泛、儲量巨大及可再生的新興能源。區域淺層地熱能研究是近年伴隨新興能源利用應運而生的新的專(zhuān)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，其目的是為淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用規劃和布局提供依據。在分析研究區域淺層地熱能條件、分布規律的基礎上，進(jìn)行適應性分區和區域淺層地熱能評價(jià)，為淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用工程進(jìn)行預可行性研究(衛萬(wàn)順，2008)。
 
  研究區為蚌埠市城市遠期規劃區，面積601． 5km2，研究深度總體控制在地表以下200 m 以淺。
 
  1 淺層地熱能賦存條件
 
  1． 1 自然地理特征
 
  研究區位于安徽省中北部的淮河兩側地帶?；春右员睘?a href="http://keyinmall.com/t/淮北.html" >淮北平原南緣，地形開(kāi)闊平坦，微地貌有河漫灘和一級階地;淮河以南為江淮波狀平原北緣，次級地貌類(lèi)型有波狀平原、淺丘狀平原和丘陵等。
 
  本區屬亞熱帶濕潤到暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候的過(guò)渡地帶，四季分明、光照充足，冬夏長(cháng)、春秋短，冬季干寒、夏季炎熱多雨。年均降水量903 mm。年均氣溫15． 6 ℃，每年6—9 月份平均氣溫一般大于22 ℃，1—3 月、12 月平均氣溫一般小于10 ℃。分布有淮河、龍子湖及天河等地表水體。
 
  1． 2 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件
 
  1． 2． 1 地質(zhì)條件(1) 地層巖性。根據淺層地熱能地質(zhì)條件及其開(kāi)發(fā)利用特點(diǎn)，按巖土工程地質(zhì)性質(zhì)及地質(zhì)時(shí)代將地層巖性分為3 類(lèi): 松散巖類(lèi)地層為第四系及新近系(Q + N); 半固結巖類(lèi)地層為古近系及白堊系(E + K); 固結巖類(lèi)地層為除松散巖類(lèi)、半固結巖類(lèi)地層以外的其他各類(lèi)基巖。
 
  研究區200 m 以淺主要為松散巖類(lèi)及固結巖類(lèi)2 類(lèi)地層巖性。松散巖類(lèi)地層:上覆主要為第四系黏性土夾粉細砂，分布廣泛，南薄北厚;新近系隱伏于淮河以北地區，厚約50 ～ 100 m。固結巖類(lèi)地層:
 
  主要為上太古界五河雜巖和蚌埠期花崗巖，南厚北薄。
 
  (2)地層結構。根據地層巖性組合將地層結構
 
  分為單一結構和雙層結構2 類(lèi)。① 單一結構分單一松散層結構和單一基巖結構:當Q + N 厚度小于30 m 時(shí)，概化為單一半固結巖類(lèi)(E + K) 地層結構和單一固結巖類(lèi)地層結構;當Q + N 厚度大于100 m時(shí)，概化為單一松散層地層結構。② 雙層結構是上部為松散巖類(lèi)地層(Q + N)，下部為半固結(E + K)或固結巖類(lèi)地層:當Q +N 厚度30 ～50 m 時(shí)，為第一雙層結構;當Q +N 厚度50 ～100 m 時(shí)，為第二雙層結構。
 
  研究區200 m 以淺地層結構可分4 類(lèi):北部地區以單一松散層結構為主;沿淮河兩側地帶為松散巖類(lèi)地層與五河雜巖及花崗巖組成的第一雙層結構和第二雙層結構;南部地區以五河雜巖及花崗巖為主(Q + N，厚度小于30 m) 構成單一固結巖類(lèi)地層結構。
 
  (3)地質(zhì)構造。自新近紀以來(lái)，淮河以南地區
 
  整體以上升為主，松散層厚度一般小于30 m;淮河以北整體以下降為主，松散巖層厚度一般大于50 m。區內東西向斷層大致平行褶皺軸切割新近系，地質(zhì)構造對淺層地熱能賦存的地質(zhì)背景有明顯控制作用，并進(jìn)一步影響淺層地熱能資源的儲集和開(kāi)發(fā)利用方式的選擇。
 
  1． 2． 2 水文地質(zhì)條件(1) 松散巖類(lèi)孔隙水。研究區松散巖類(lèi)孔隙水按埋藏條件及水力性質(zhì)，可分淺層地下水和深層地下水。淺層地下水含水層組底板埋深40 ～ 50 m，主要分布于淮河以北及其沿河地區;含水層主要由全新統、上更新統組成，巖性以粉砂、粉細砂為主，水位埋深0． 5 ～ 3． 0 m;淮河以北地區單井涌水量500 ～1 000 m3 /d，為潛水和半承壓水。
 
  深層地下水含水層組由第四系中、下更新統及新近系組成，主要分布于淮河以北地區;含水層厚20 ～45 m，水位埋深0. 6 ～3. 0 m，單井涌水量1 000 ～ 3 000 m3 /d，補給條件較差，為承壓水。
 
  (2)基巖裂隙水。主要分布在淮河以南，含水
 
  巖組主要由五河雜巖和花崗巖組成，呈帶狀分布;水位埋深1． 5 ～ 5. 0 m，單井涌水量小于100 m3 /d。另外，零星分布有碳酸鹽巖夾碎屑巖裂隙巖溶水。
 
  1． 3 地溫場(chǎng)特征
 
  1． 3． 1 地溫場(chǎng)自然特征(1) 巖土熱物性特征。本次采取6 組巖土樣，經(jīng)測試，巖土樣熱導率1. 11 ～2. 44 W/(m·K)，比熱容0. 59 ～ 1. 52 kJ /(kg·K)，導溫系數0. 001 4 ～ 0. 005 6 m2 /h，含水率0. 56% ～31. 51%，天然密度1. 82 ～ 2. 64 g /cm3，孔隙比0. 05～ 0. 99。不同巖性的巖土樣其熱物性有明顯差異。
 
  (2)地溫場(chǎng)垂向分布特征。本區20 m 以淺地
 
  溫隨氣溫變化明顯，變溫帶下限深度10 ～ 20 m;3. 2 m深處地溫14 ～ 21 ℃，年變幅7 ℃。地表以下溫度常年基本保持不變的地帶為恒溫帶，其熱能受地球內熱傳導與太陽(yáng)輻射影響達到相對平衡;恒溫帶深度上限10 ～ 20 m、下限20 ～ 35 m，厚10 ～ 25 m;地溫16. 5 ～ 18. 0 ℃。本區增溫帶上限深度一般為20 ～ 35 m，恒溫帶以下至150 m 深度內地溫16. 5 ～21. 0 ℃，地溫梯度淮河以北地區2. 6 ～ 2. 8 ℃ /100m，淮河以南地區2. 9 ～ 3. 2 ℃ /100 m。地溫場(chǎng)垂向分布特征明顯。
 
  (3)地溫場(chǎng)平面分布特征?；春右阅洗蟛糠值?/div>
 
  區恒溫帶平均溫度17. 0 ～ 19. 0 ℃，其上、下限深度分別為7. 0 ～ 12. 5 m、22. 5 ～ 27. 5 m，厚度15. 0 ～20. 0 m;變溫帶較薄?；春右员钡貐^恒溫帶平均溫度16. 0 ～ 17. 5 ℃，其上、下限深度分別為10. 0 ～17. 5 m、20. 0 ～ 35. 0 m，厚10. 0 ～ 20. 0 m。區內中部恒溫帶溫度多為16. 5 ～ 17. 5 ℃，由北至南恒溫帶溫度具有逐漸增大的特點(diǎn)。
 
  (4)地溫滯后效應。2010 年夏季氣溫最大月平
 
  均值為8 月份(28. 4 ℃)，0. 4 m 深處地溫值與氣溫值動(dòng)態(tài)變化基本一致，而1. 6，3. 2 m 深處年地溫最大值分別為9 月份(24. 6 ℃)和10 月份(21. 0 ℃)，5 m 深處年地溫最大值多發(fā)生在11 月份。2010 年冬季最小月平均氣溫為1 月份(2. 8 ℃)，1. 6，3. 2 m深處年地溫最小值分別為3 月份(11. 1 ℃) 和4 月份(14. 3 ℃)。在冬、夏季，年內淺部地溫極值較氣溫極值分布相應滯后1 ～ 4 個(gè)月。在一定深度內，隨深度增加，其地溫滯后時(shí)間較長(cháng)。地溫滯后效應可減少換熱過(guò)程中的負面影響，有利于實(shí)現冷(熱) 平衡，是淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用的有益現象。
 
  1． 3． 2 地溫場(chǎng)巖土熱響應特征在淮河南、北兩不同地質(zhì)單元分別進(jìn)行了一處巖土現場(chǎng)熱響應試驗。
 
  巖土現場(chǎng)熱響應試驗結果客觀(guān)反映了松散層在淮河以北較厚、以南較薄，不同地質(zhì)單元的巖土熱響應特征。試驗孔巖土平均熱導率平原區為2． 09W/(m·K)，波狀平原區為2． 87 W/(m·K)。試驗孔平均熱導率值較高，適宜于地源型(地埋管) 方式淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用。
 
  1． 3． 3 地溫場(chǎng)影響因素分析淺層地熱能地溫場(chǎng)指地表以下200 m 以淺地溫分布及變化狀態(tài)的總和。恒溫帶以淺熱源來(lái)自地球內熱和太陽(yáng)輻射的綜合作用，恒溫帶以深熱源主要來(lái)自于地球深部的熱傳導。采取地質(zhì)鉆探、巖土測試、現場(chǎng)熱響應試驗、地溫監測等方法獲取了詳實(shí)數據。經(jīng)分析認為，區內地質(zhì)構造、地層巖性、地層結構、地下水及氣候等淺層地熱能賦存條件，是構成地溫場(chǎng)分布及其變化的主要影響因素。其中地下水不僅是地溫載體，還具有良好的熱傳遞功能;固結巖類(lèi)基巖具有較高的熱導率;變溫帶地溫動(dòng)態(tài)受氣候條件影響。
 
  地溫場(chǎng)垂向及平面分布均具有較明顯的差異性;在一定的深度內，地溫相對氣溫的變化有明顯滯后效應。
 
  2 開(kāi)發(fā)利用現狀
 
  淺層地熱能利用的本質(zhì)是地溫相對恒定并與氣
 
  溫存在反向溫差、可季節性調節。研究區約有8 個(gè)月可開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能進(jìn)行室內制冷、取暖，其淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用尚處于起步階段，已有開(kāi)發(fā)利用工程具有示范推廣意義。目前，在蚌埠高鐵站廣場(chǎng)有高鐵站房和賓館綜合樓2 處淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用工程，均為地源型利用方式，其節能效果明顯( 趙繼昌等，2011)。
 
  已有工程場(chǎng)地松散層厚16． 0 m 左右，下伏混合花崗巖。恒溫帶溫度17． 8 ℃，平均熱導率2． 87W/(m·K)。高鐵站站房空調面積8 000 m2;地埋管為外徑25 mm 的PE 管，共208 孔，孔深80 ～ 83 m，間距4． 0 ～ 4． 5 m;為地源熱泵系統+ 風(fēng)冷熱泵系統+ 室內多聯(lián)機系統。高鐵站賓館綜合樓空調面積29 000 m2，包括住宿、餐飲、商場(chǎng)及超市;照明主要利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，空調利用淺層地熱能，此2 種能源結合利用可提供熱水;地埋管為外徑25 mm 的PE 管，共400 孔，孔深102 m，間距5 m，回填材料為砂及原漿。
 
  3 開(kāi)發(fā)利用適宜性分區
 
  3． 1 適宜性分區原則及方法
 
  淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用適宜性分區貫穿于研究的
 
  全過(guò)程，其目的是為開(kāi)發(fā)利用方式的選擇、資源評價(jià)及開(kāi)發(fā)利用規劃編制提供基礎依據。
 
  3． 1． 1 分區原則(1) 以地質(zhì)、水文地質(zhì)條件為基礎，地質(zhì)條件是淺層地熱能賦存的重要基礎，水文地質(zhì)條件是淺層地熱能賦存的主要影響因素。(2) 以淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用為目的，合理的開(kāi)發(fā)利用方式及有效的熱泵系統是重要媒介。(3) 經(jīng)濟效益與環(huán)境保護并重。在當前技術(shù)經(jīng)濟條件下，開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能要擇優(yōu)選擇經(jīng)濟效益、環(huán)境效益及節能效果相對較好的地區和方式。(4) 平面劃分與垂向控制相結合。平面分區范圍為2020 年城市建設遠期規劃區，總體評價(jià)控制深度為200 m。
 
  3． 1． 2 分區方法緊密結合本區淺層地熱能賦存條件，首先采取關(guān)鍵因子法進(jìn)行適宜性必要條件劃分，再分別采用層次分析法及綜合指數法進(jìn)行適宜性級別的劃分。
 
  層次分析法是定性和定量相結合、系統化及層
 
  次化的分析方法，具有處理復雜決策問(wèn)題的實(shí)用性和有效性。
 
  綜合指數法是指利用層次分析法計算的權重和
 
  模糊評判法取得的數值提出經(jīng)濟效益指標的綜合評價(jià)指數。對適宜性劃分影響越大的因素其重要性就越大，建立比較矩陣，通過(guò)計算，檢驗比較矩陣的一致性，必要時(shí)對比較矩陣進(jìn)行調整，以達到可以接受的一致性。
 
  根據淺層地熱能賦存條件可分地源型( 地埋
 
  管)、地下水源型、地表水源型3 種開(kāi)發(fā)利用方式，再分別劃分不同適宜區。地源型分適宜區、較適宜區、一般適宜區、差適宜區及不適宜區5 類(lèi)，其中較適宜區分較適宜區松散巖類(lèi)亞區、較適宜區半固結巖類(lèi)亞區及較適宜區固結巖類(lèi)亞區3 個(gè)亞區。地下水源型分適宜區、較適宜區及不適宜區3 類(lèi)。地表水源型分適宜區及不適宜區2 類(lèi)。
 
  3． 2 開(kāi)發(fā)利用適宜性分區評價(jià)體系
 
  3． 2． 1 地源型適宜性分區評價(jià)體系選取地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、施工條件、熱物性、地形地貌及環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題等作為地源型開(kāi)發(fā)利用適宜性分區評價(jià)的屬性層指標，其中松散層厚度、地質(zhì)災害易發(fā)程度、地貌形態(tài)等為關(guān)鍵因子。
 
  在判定關(guān)鍵因子的前提下，采用層次分析法及
 
  綜合指數法進(jìn)行地源型淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用適宜性分區。
 
  3． 2． 2 地下水源型適宜性分區評價(jià)體系選取地下水富水性及地下水動(dòng)力場(chǎng)條件作為地下水源型適宜性評價(jià)的屬性層指標;單井涌水量、含水層有效厚度、回灌能力、水位埋深、水位下降速率及補給模數6 個(gè)指標作為層次分析的要素層;其中地下水富水性、回灌能力及環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題為關(guān)鍵因子。在判定關(guān)鍵因子的前提下，采用層次分析法及綜合指數法進(jìn)行地下水源型淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用適宜性分區。
 
  ① 地面沉降量＞ 500 mm 的地區為地下水源型不適宜區② 地面沉降量0 ～ 500 mm 的地區，取降一個(gè)適宜性級別3． 2． 3 地表水源型適宜性分區評價(jià)體系地表水源型淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用方式分開(kāi)式及閉式2 類(lèi)。
 
  地表水源型適宜性評價(jià)指標主要為地表水體的可循環(huán)利用量、水深、水溫、水質(zhì)及距利用工程的距離等(表4)。
 
  3． 3 開(kāi)發(fā)利用適宜性綜合評價(jià)
 
  研究區主要適宜地源型開(kāi)發(fā)利用方式:其適宜
 
  區分布于松散層厚度大于100 m 的淮河以北地區;較適宜區主要分布在松散層厚度50 ～ 100 m 和小于30 m 的淮河兩側及其以南地區;一般適宜區局部分布于淮河兩側地帶;差適宜區局部分布于南部中丘及中丘以上地區。地下水源型較適宜區僅分布于北部地區，今后開(kāi)發(fā)利用時(shí)需加強地下水回灌，防止因過(guò)量開(kāi)采地下水引發(fā)地下水資源枯竭及地面沉降等問(wèn)題。地表水源型適宜區分布于淮河兩側0． 5 km范圍內，開(kāi)發(fā)利用時(shí)尚需綜合考慮相關(guān)條件。
 
  4 淺層地熱能資源潛力評價(jià)
 
  4． 1 淺層地熱能資源量
 
  4． 1． 1 淺層地熱容量淺層地熱容量是指在淺層巖土體、地下水和地表水中儲藏的單位溫差熱量，采用體積法計算。計算參數主要有巖土體密度、比熱容、孔隙率等。區內潛水位埋深3 m 左右，據地下?lián)Q熱系統埋設特點(diǎn)，包氣帶淺層地熱容量計算略去。
 
  計算厚度為潛水面至計算下限的巖土體厚度，計算面積為城市規劃區面積。地表水為枯水年枯水期的淮河地熱容量。
 
  經(jīng)計算，本區巖土體、地下水和地表水中淺層地熱總熱容量為1． 00 × 1015 kJ。熱容量可折合標準煤981. 61 萬(wàn)t，減排量(CO2、SO2、NOx、懸浮質(zhì)粉塵)2 372. 56 萬(wàn)t，節省治理費272 986 萬(wàn)元。
 
  4． 1． 2 可利用資源量可利用資源量是指采用一定的換熱方式從淺層巖土體、地下水和地表水中單位時(shí)間內可提取的熱量，以換熱功率表示。它不僅受淺層地熱能賦存條件影響，還與開(kāi)發(fā)利用方式有關(guān)?？衫觅Y源量計算方法:地源型利用方式采用熱傳導法，地下水源型及地表水源型利用方式采用水量折算法。采用《淺層地熱能勘查評價(jià)規范》(DZ /T 0225—2009)附錄A 中的A． 7 式計算地埋管單孔換熱功率，A． 10 式計算地下水和地表水的換熱功率。
 
  (1)地源型方式可利用資源量。根據區內地層巖性、地層結構等條件，分別計算地源型利用方式單孔換熱功率和計算區域內可利用資源量。本區適宜區、較適宜區和一般適宜區面積為528 km2;孔間距5 m，雙U 型;地源型淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用綜合考慮工程布局、建筑負荷、占地面積、資源承載力及農田保護等因素，可利用土地系數城鎮和農村分別取19. 6%和4. 8%;本區可設置換熱孔城鎮和農村分別為2 970 576，286 272 個(gè);據現場(chǎng)熱響應試驗獲得利用溫差，計算時(shí)間為1 個(gè)制冷和供暖周期。本區地源型方式冬、夏季可利用換熱功率分別為3. 719× 105，5. 206 × 106 kW。開(kāi)發(fā)利用后每年相當于可節省標準煤236. 81 萬(wàn)t，減排量572. 37 萬(wàn)t，節省治理費65 857 萬(wàn)元。
 
  (2)地下水源型方式可利用資源量。區內地下水源型換熱方式較適宜區面積農村和鄉鎮分別為56. 7，26. 7 km2;地下水循環(huán)利用量取單井涌水量均值2 000 m3 /d;井間距200 m;地下水源型淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用綜合考慮工程布局、建筑負荷、占地面積、資源承載力、農田保護及地下水連通性等因素，可利用土地系數城鎮和農村分別取52. 2%，12. 8%;較適宜區內城鎮和農村分別可布設抽水井269，1 098 眼。地下水源型方式冬、夏季可利用換熱功率分別為1. 96 × 105，2. 75 × 105 kW。開(kāi)發(fā)利用后相當于每年可節省標準煤12. 5 萬(wàn)t，減排量30. 2 萬(wàn)t，節省治理費3 300 萬(wàn)元。
 
  (3)地表水源型方式可利用資源量。地表水源型方式適宜區主要為淮河兩側地帶，其枯水期平均水深5 m，可循環(huán)利用量1 040 × 104 m3。在可利用溫差1 ℃時(shí)，地表水源型方式冬、夏季可利用換熱功率均為5. 04 × 105 kW。開(kāi)發(fā)利用后每年相當于可節省標準煤26. 76 萬(wàn)t，減排量64. 68 萬(wàn)t，節省治理費7 442萬(wàn)元。
 
  4． 1． 3 資源量評價(jià)淺層地熱能資源量計算方法依據《淺層地熱能勘查評價(jià)規范》( DZ /T 0225—2009);計算參數主要來(lái)自本項目實(shí)測及計算數據，部分為經(jīng)驗值及常量數據。其淺層地熱能資源計算方法正確，參數可靠，結果可信。本區淺層地熱資源豐富:淺層地熱容量為1． 00 × 1015 kJ，可利用資源總量9. 682 × 106 kW，其中地表水源型可利用換熱功率為1 ℃溫差下的資源量。
 
  4． 2 資源潛力評價(jià)
 
  資源潛力評價(jià)是指依據可利用資源量，采用不同適宜區的單位面積可供暖和制冷面積，進(jìn)行淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)利用潛力評價(jià)。當地普通住宅冬季供暖、夏季制冷負荷分別按50，70 W/m2 計( 國土資源部地質(zhì)環(huán)境司，2011)。
 
  據不同換熱方式的適宜性分區和可利用資源量，地源型方式冬季供暖、夏季制冷面積各為7． 44 × 107m2，供暖和制冷資源潛力各為每平方千米1. 41 × 105m2;地下水源型冬季供暖、夏季制冷面積各為3. 92 ×106 m2，冬季供暖、夏季制冷資源潛力各為每平方千米4. 70 ×104 m2;地表水源型供暖面積1. 01 × 107 m2，制冷面積0． 72 × 107 m2，資源潛力供暖為每平方千米9. 70 ×105 m2，制冷為每平方千米6. 93 ×105 m2。
 
  本區可利用換熱功率高，資源潛力大，具有顯著(zhù)的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。如合理開(kāi)發(fā)利用，每年可相當于節省標準煤276. 07 萬(wàn)t，減排量667. 25 萬(wàn)t，節省治理費用76 599 萬(wàn)元。
  5 結論
 
  (1)蚌埠城市規劃區淺層地熱能資源豐富，其時(shí)空分布主要與地質(zhì)構造、地層巖性、地下水、地層結構及氣候等條件有關(guān)。資源開(kāi)發(fā)利用潛力較大，預期節能減排效果顯著(zhù)。
 
  (2)本區主要適宜地源型淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用方式，局部適宜地表水源型、地下水源型利用方式。
 
  (3) 建議在區域淺層地熱能調查評價(jià)的基礎上，編制城市淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用規劃;在建設開(kāi)發(fā)利用工程時(shí)，需進(jìn)行場(chǎng)地淺層地熱能勘查評價(jià)。
 
  (4)采用新技術(shù)、新方法進(jìn)行了區域淺層地熱能研究，是服務(wù)于新能源開(kāi)發(fā)利用新的專(zhuān)業(yè)技術(shù)研究領(lǐng)域，其研究方法及相關(guān)內容尚需進(jìn)一步探討和完善。