贵州省开阳县规划开发区浅层地热能开发利用前景分析_江峰.pdf

2021年第1期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-10修回日期 2020-04-10 基金项目 贵州省地勘基金项目 “贵州省1 ∶ 5万水文地质调查”（2019-1号） ， 贵州省矿产勘查开发局地质科研项目 “贵州省矿泉水资源成矿机理与规 律研究” 黔地矿科合[2018]24号资助。 第一作者简介 江峰 （1991-） ， 男 （汉族） ， 四川资中人， 工程师， 现从事水工环地质研究工作。 贵州省开阳县规划开发区浅层 地热能开发利用前景分析 江峰*，李强，吉勤克补子，王若帆，焦恒 （贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队， 贵州 遵义 563000） 摘要 浅层地温能是一种新型的优质环保可再生能源， 能够有效缓解能源供应压力。对贵州省开 阳县规划开发区实施三口热响应试验孔， 对其进行现场热响应试验， 并据此进行了区域浅层地温能 潜在资源量进行了评价。热响应试验结果显示， 区域娄山关组岩石地层导热系数为4.37W/m℃， 热 扩散系数为1.06106J/m3℃， 夏季 （26℃） 单位延米换热量为65.08W/m， 冬季 （7℃） 单位延米换热量 为60.63W/m； 石冷水组岩石地层导热系数为4.67W/m℃， 热扩散系数为1.06106J/m3℃， 夏季 （26℃） 单位延米换热量为71.01W/m， 冬季 （7℃） 单位延米换热量为60.47W/m。区域夏季换热功率 为1361882.17kW， 冬季换热功率为1246444.64kW， 开阳县规划开发区浅层地热能开发利用条件较 好， 具有良好的开发利用价值。 关键词 贵州省开阳县； 浅层地温能； 开发利用条件 中图分类号 P64 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202101-0092-05 浅层地温能是一种新型的优质环保能源， 具有可 再生、 储量大、 清洁环保和可用性强等特点， 它能够有 效缓解能源供应压力。研究表明， 浅层地温能与传统 锅炉 （电、 燃料） 供热系统相比， 地源热泵要比电锅炉加 热节省三分之二以上的电能， 比燃料锅炉节省二分之 一以上的能量[1]； 地源热泵相对于传统供暖、 空调方式， 其运行费用节约 185～54[2]。此外， 浅层地温能相 关研究成果越来愈丰富。王贵玲等[3]对我国主要城市 的浅层地温能利用潜力进行了评价； 韩再生和冉伟彦[3] 对城市地区的浅层地温能评价方法进行了探讨， 并指 出浅层地温能资源评价是地源热泵工程设计的基础， 也是城市地区浅层地温能利用规划、 管理的依据。 贵州省开阳县规划开发区乃至整个开阳县均未 对浅层地温能进行开发利用， 其浅层地温能开发利用 条件及潜力未知。基于此， 本文在充分收集区域已有 地质、 水文地质、 地热地质勘查成果等基础上， 通过开 展 1 ∶5万水文地质补充调查， 查明了开阳县规划开发 区200m以浅第四系区域水文地质条件和岩土层岩性 结构； 通过取样测试、 热响应试验以及抽水、 回灌试验 等工作， 取得了开阳县规划开发区相关浅层地温能基 础热物性参数， 分别进行了地埋管换热方式和地下水 换热方式换热功率的计算； 进而开展了区域浅层地温 能开发利用条件评价工作， 基本查明县城浅层地热能 资源禀赋特征， 并对县城周边浅层地热能资源量及开 发利用潜力进行初步评价， 为开阳县规划开发区浅层 地温能的开发利用提供基础支撑。 1工作区概况 贵州省开阳县规划开发区位于开阳县城南东缘 5km， 开发区总面积约2.57km2， 出露地层仅有寒武系芙 蓉统至第三统娄山关组 （∈3-4O1l） 和寒武系第三统石冷 水组 （∈3sh） ， 岩性均为白云岩、 细晶白云岩。开发区构 造相对单一， 区内主要构造为一条北东东向翁昭断层 （图1） 。 2岩样采集及热响应试验 根据前期详细的地质勘察结果， 开阳县城规划发展 区的浅层地热能资源估算区内主要发育分布有寒武系 92 2021年第1期西部探矿工程 娄山关组和石冷水组两套碳酸盐岩地层， 其中∈3-4O1l地 层面积为2.08km2， ∈3sh地层面积为0.49km2。 本次工作控制性采集区内娄山关组和石冷水组 岩土样各10件， 并送至重庆市岩土工程检测中心进 行了实验室物性参数检测， 检测内容为岩土体导热 系数 （W/m℃） 、 热扩散系数 （10-6m2/s） 和质量比热 容 （kJ/kg℃） ， 主要检测结果平均值见表1。 本次工作共布置 3 个热响应试验孔 （全孔同径 150mm） ， 均使用双U换热器， 回填料均采用原浆回 填。试验仪器采用天津地热研究院生产的PTPT111 热响应测试仪。通过对以上3孔开展现场热响应试验 及线热源理论公式计算得出， 各勘查孔热物性测试成 果见表2。 3地热容量计算 浅层地热容量是指蕴藏在地表以下一定深度范围 内岩土体、 地下水和空气中单位温差储藏的热量， 反映 了地质体的综合储热性能。根据 浅层地热能勘查评 价规范 （DZ/T0225-2009） ， 浅层地热容量的计算方法 地层 ∈3-4O1l ∈3sh 测试电阻温度 ℃ 295.39 295.07 芯样密度 kg/m3 2769.0 2798.0 导热系数 W/m℃ 1.35 1.62 热扩散系数 10-6m2/s 1.35 1.62 质量比热容 kJ/kg℃ 0.90 0.90 表1实验室岩土体热物性检测成果表 测试项目 岩体初始温度℃ 导热系数W/m℃ 容积比热容106J/m3℃ 热扩散系数10-6m2/s 地温恢复时间h 恢复温度℃ 单位延米换热量W/m 夏季26℃ 冬季7℃ ZK4 ∈3-4O1l 16.23 4.37 4.14 1.06 8.0 15.3 65.08 60.63 ZK5 ∈3sh 15.85 4.84 4.46 1.09 7.0 15.5 72.33 62.14 ZK6 ∈3sh 15.76 4.49 4.34 1.03 9.0 15.25 69.68 58.81 表2现场热响应试验成果统计表 为体积法， 即分别计算包气带与饱水带中浅层地热容 量， 以二者之和作为计算深度的浅层地热容量。具体 计算方法如下所述。 3.1包气带中浅层地热容量计算 QRQSQWQA（1） QSρSCS1-φMd1（2） QWρWCWωMd1（3） QAρACAφ-ωMd1（4） 式中QR浅层地热容量； 93 2021年第1期西部探矿工程 QS岩土体中的热容量； QW岩土体所含水中的热容量 QA岩土体所含空气中的热容量； ρS岩土体密度； CS岩土体骨架的比热容； φ岩土体的孔隙率 （或裂隙率） ； M计算面积； d1包气带厚度； ρW水密度， 取值1000kg/m3； CW水比热容， 取4.18kJ/kg℃； ω岩土体的含水率， ； ρA空气密度， 取1.29kg/m3； CA空气比热容， 取1.003kJ/kg℃。 其中， 岩土体孔隙率、 含水率、 密度及比热容按勘 查区各地层不同地带芯样实验室检测加权平均值确定 （包气带岩土体密度按块体干密度取值， 饱水带密度按 块体饱和密度取值） ， 包气带厚度d1根据区域地下水潜 水位确定， 取值为12m。 3.2饱水带中浅层地热容量计算 QRQSQW（5） QSρSCS1-φMd2（6） QWρWCWφMd2（7） 式中QR浅层地热容量； QS岩土体骨架的热容量； QW岩土体所含水中的热容量； d2潜水面至计算下限的岩土体厚度。 上述参数同包气带地热容量计算式涉及参数取值 相同。根据浅层地热容量计算方法， 对区域地层的包 气带及饱水带热容量进行估算， 进而运用汇总法计算 区域浅层地热总热容量， 计算结果详见表3。 包气带MJ/℃ 地层 ∈3-4O1l ∈3sh 合计 QS 6.05107 1.45107 7.50107 QW 3.44105 5.45104 3.99105 QA 742.25 141.87 884.12 QR 6.08107 1.46107 7.54107 饱水带MJ/℃ QS 4.15108 7.76108 1.19108 QW 2.33106 2.89106 5.23106 QR 4.17108 7.79108 1.20109 总计Q MJ/℃ 4.78108 7.94108 1.27109 表3开浅层地热容量计算结果 4换热功率计算 4.1地下水换热功率 地下水换热功率是指通过地源热泵系统单位时间 内从一定地下水循环利用量中交换出的热量， 反映了 地下水的综合换热能力。根据 浅层地热能勘查评价 规范 （DZ/T0225-2009） ， 采用如下公式计算 QhqWΔTρWCW1.1610-5（8） 式中Qh换热功率， kW； qW地下水循环利用量， m3/d； ΔT地下水利用温差， ℃； ρW水密度， 取1000 kg/m3； CW水比热容， 取4.18kJ/kg℃。 地下水循环利用量即为地下水开采换热、 尾水回 灌后， 可有效循环利用的水资源量。地下水循环利用 量按允许开采量 （夏季取平水期X0.75、 冬季取枯水期 X0.95） 的1.65倍进行取值。经计算， 夏季地下水循环 利用量为14.59L/s （1261.24m3/d） ， 冬季地下水循环利 用量为17.03L/s （1471.91m3/d） ， 区域地下水温在16℃ 左右， 根据 实用供热空调设计手册 （第二版） 中地下 水利用温差取值范围 （ΔT5℃～11℃） ， 结合区内冷期 长、 采暖为主， 制冷次之的实际情况， 地下水利用温差 夏季取10℃、 冬季取7℃。 4.2地埋管换热功率 本次地埋管换热功率的计算采用单孔换热功率汇 总法， 即通过现场热响应试验求取计算地层的单孔换 热功率， 再根据计算地层有效开发利用面积 （适宜区及 较适宜区） 推算换热孔数， 最后将各计算分区不同地层 单孔换热功率与换热孔数的乘积累加汇总得到区域换 热功率。具体计算方法如下 QhDn10-3（9） DQL（10） 式中Qh区域换热功率； D单孔换热功率； n计算面积内换热孔数； Q单位延米换热量； L计算深度， 取200m。 根据地埋管地源热泵建设一般孔距要求 （5m 5m） ， 单孔占地面积为25m2， 经计算， 计算面积内换热 94 2021年第1期西部探矿工程 孔数为102800个， 而单位延米换热量在现场热响应试 验报告中已计算得出。 计 算 结 果 显 示 ， 开 阳 县 规 划 开 发 区 面 积 为 2.57km2， 按5m5m孔距可布置换热钻孔102800个， 孔 深为200m时， 夏季换热功率为1361270.8kW， 冬季换 热功率为1245945.2kW。 4.3区域换热功率 根据地下水及地埋管换热功率累加计算区域总换 热功率， 具体结果见表4， 开阳县城规划开发区200m以 浅夏季总换热功率为1.36106kW， 冬季总换热功率为 1.25106kW。 5开发利用评价 换热类型 地 埋 管 地下水 合计 地层 单元 ∈3-4O1l ∈3sh 小计 ∈3-4O1l ∈3sh 面积 km2 2.08 0.49 2.57 2.57 2.57 夏季换热功率 MW 1181.5 255.11 1436.6 0.61 1437.2 夏季制冷面积 km2 23.63 5.10 28732.7 0.012 28.74 冬季换热功率 MW 1006.30 237.67 1244.0 0.50 1244.47 冬季采暖面积 km2 11.18 2.64 13.82 0.0055 13.83 表5两种地源热泵可供面积估算表 换热类型 地下水 地埋管 合计 夏季换热功率 （kW） 611.37 1361270.80 1.36106 冬季换热功率 （kW） 499.44 1245945.20 1.25106 表4区域总换热功率计算结果表 5.1开发利用潜力评价 根据对开阳县城规划开发区浅层地热能资源计算 结果， 根据有关规定， 夏季单位面积需求的制冷功率约 50W， 而冬季单位面积需求的采暖功率约90W， 据此进 一步对规划区地下水地源热泵和地埋管地源热泵可供 面积进行估算 （表5） 。计算结果显示， 开阳县城规划开 发区夏季可供制冷面积约28.74km2， 冬季可供采暖面 积约 13.83km2。而开阳县城规划开发区总面积约 2.57km2， 计算结果表明， 浅层地热能资源的可供面积 足以满足规划开发区的制冷和采暖需求。 5.2开发利用条件评价 开阳县城规划发展区地形起伏较小， 岩溶发育深 度不大， 且区域地下水位埋深小， 地下水换热适宜机井 开采取水。规划发展区所处的地下水系统的含水介质 以裂隙溶洞及溶洞溶隙等为主， 换热后的尾水回灌条 件极佳， 极有利于地下水的循环利用， 地下水换热浅层 地热能开发利用条件良好。 对于地埋管换热浅层地热能开发利用可从以下几 个方面进行评价 首先， 区域岩土体热物性条件 热物性是影响地埋管 换热性能的主要因素， 开发区区岩土体导热系数4.37～ 4.67W/m℃， 容积比热容为 （4.14～4.46） 106J/m3℃， 延米换热量65.08～71.01W/m， 地温恢复时间约8h， 总 体热物性参数较大、 地温恢复较快， 地埋管换热的热物 性条件良好。 其次， 地质条件和岩石可钻性 开发区主要分布地 层为∈3-4O1l和∈3sh， 占开发区比重在99以上， 其热物 性参数总体较大， 地埋管换热条件较好。另外， 开发区 整体地形起伏变化小、 岩溶发育不深、 地下水位埋深较 浅， 运用地埋管换热的地质条件较好； 开发区主要分布 的是碳酸盐岩地层， 坚硬程度上总体属较硬岩和较软 岩， 大部分属完整和较完整， 岩石可钻性总体较好， 地 埋管换热的钻进条件较好。 最后， 交通状况方面， 区内高速公路通达， 县道穿 过开发区。因此， 区内实施地埋管地源热泵工程技术 （下转第99页） 95 2021年第1期西部探矿工程 104m3为统计 11 年期间的最小值， 因此将 236.70 104m3/a即6484.93m3/d， 作为热田均衡法计算确认为 地热流体可开采量。 解析法和均衡法资源储量计算结果见表4。解析 法计算热田地热流体可开采量要比均衡法多 67.73 104m3/a； 多出约29。解析法相比均衡法还存在如下 问题 以均衡法计算热田236.70104m3/a即6484.93m3/d， 作为地热流体可开采量。 6结论 热田 后郝窑 解析法104m3/a 热水区 17.72 温热水区 51.01 温水区 235.70 合计 304.43 均衡法104m3/a 热水区 35.51 温热水区 59.18 温水区 142.01 合计 236.70 表4解析法和均衡法资源储量计算结果对比表 注 热水区t≥60℃、 温热水区40℃≤t＜60℃、 温水区25℃≤t＜40℃。 （1） 解析法各地热分区开采量是按热田平均开采 强度来计算的， 没有均衡法在人为选择性倾向情况下， 温度高的多开采， 温度低的少开采， 地热能量利用效率 较低； （2） 解析法未考虑水均衡条件， 即未考虑开采量是 否大于补给量， 长期开采可能造成地下水位下降； 也未 考虑热平衡， 开采热量如果大于深层热水涌出带来的 热量， 长期开采可能造成水温降低； （3） 解析法未经开采验证， 只是通过数学计算得出 的可开采量， 未经实际验证， 也未经长期开采验证， 保 障程度和可靠性较低； （4） 解析法计算结果比均衡多出约29， 在同一地 区， 解析法的保障程度要低于均衡法； （5） 均衡法计算的可开采量是从长系列开采量中 选择了保障程度最高的长系列最低开采量作为可开采 量， 保障程度高； 在人为选择性影响下， 热田热水区 （t≥ 60℃） 的开采强度是温水区 （25℃≤t＜40℃） 的3.3倍， 地 热利用效率高； 开采历史时期， 最低开采量条件下， 水 位水温均呈上升趋势， 说明深层热水补给量和补给能 量均大于开采量， 呈正均衡状态， 可保证长期开采； 均 衡法可开采量经长期验证， 开采能力没有问题； 可开采 总量相比解析法低， 保障程度更高。 参考文献 [1]陈迎辉.河北省怀来县后郝窑、 奚家堡地热田地热资源勘查 报告[R].河北省地矿局第三地质大队， 2020. [2]徐巍.河北省怀来县地热资源调查评价报告[R].北京市地质 工程勘察院， 2014. （上接第95页） 难度小、 成本费用低、 不易引发滑坡等地质灾害， 地埋 管换热浅层地热能开发条件好。 总体上， 开阳县规划开发区浅层地温能开发利用 潜力较大， 且其开发利用条件较好， 非常适于进行浅层 地温能资源的开发利用。 6结论 （1） 规划开发区娄山关组地层夏季单位延米换热 量为65.08W/m， 冬季单位延米换热量为60.63W/m； 石冷水组地层夏季单位延米换热量为71.01W/m， 冬季 单位延米换热量为60.48W/m； （2） 规划开发区 200m 以浅夏季总换热功率为 1.36106kW， 冬季总换热功率为1.25106kW； （3）规 划 开 发 区 夏 季 可 供 制 冷 面 积 约 28744963.47m2， 冬季可供采暖面积约13827478.27m2， 规划开发区总面积约2.57km2， 区域浅层地热能资源的 可供面积足以满足规划开发区的制冷和采暖需求； （4） 规划开发区浅层地温能开发利用潜力较大， 且 其开发利用条件较好， 非常适于进行浅层地温能资源 的开发利用。 参考文献 [1]文力， 王丰. 地源热泵中央空调应用的探讨[J].制冷与空调， 2002452-56. [2]Peter Holihan.Analysis of Geothermal Heat Pump Manufactur- ersSurvy Dada[J].Energy Ination Administration∕Renew- able Energy， Issuesand Trends，199859 -66. [3]王贵玲，蔺文静，张薇. 我国主要城市浅层地温能利用潜力评 价[J].建筑科学， 2012，28101-3. [4]韩再生， 冉伟彦. 城市地区浅层地温能评价方法探讨[J].城 市地质， 2007， 24 9-15. 99