臨沂城區淺層地熱能利用方式適宜性分區研究

張宗元，孫曉濤，王飛，潘錦銘

(1.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南　250014；2.天津理工大學自動化學院，天津　300380)

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臨沂城區淺層地熱能利用方式適宜性分區研究

張宗元1，孫曉濤1，王飛1，潘錦銘2

(1.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南250014；2.天津理工大學自動化學院，天津300380)

臨沂城區淺層地熱容量豐富，利用潛力大，具有較好的開發利用前景。通過對該區進行地埋管勘查和地下水換熱方式勘查研究，結合水文地質條件、工程地質條件等控制因素對該區進行了適宜性分區，區內只有部分區域適宜采用地下水換熱方式，絕大部分區域較適宜采用地埋管換熱方式。

淺層地熱能；地埋管；地下水換熱；適宜性；臨沂城區

引文格式：張宗元，孫曉濤，王飛,等.臨沂城區淺層地熱能利用方式適宜性分區研究[J].山東國土資源，2015,31(8)：42-44.ZHANG Zongyuan，SUN Xiaotao，WANG Fei，etc. Study on Suitability Partition of Shallow Geothermal Energy Utilization Modes in Linyi City[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(8):42-44.

臨沂城區淺層地熱能資源豐富、開采條件便利，淺層地熱能可以通過熱泵技術進行供暖和制冷，環境效益好，應用潛力巨大，開發利用淺層地熱能對我國構建資源節約型和環境友好型社會、保障國家能源安全、改善現有能源結構、促進國家節能減排戰略目標的實現具有非常重要的意義。目前國內淺層地熱能的開發利用主要方式有地埋管換熱方式和地下水換熱方式，這兩種利用方式主要由水文地質條件、工程地質條件、環境地質條件、巖土體物理、熱物理性質等條件控制，不同地質條件的區域淺層地熱能利用方式存在較大差異。對該區進行淺層地熱能利用方式的適宜性分區進行系統研究，為該地區淺層地熱能合理的開發利用提供可靠、科學的設計依據具有十分重要的意義[1-2]。

1　研究區地質水文地質特征

研究區位于沂河與祊河交匯處，地勢較平坦，區內地面標高66.4～75.6m，多被第四系覆蓋，整個工作區基巖較少出露，可知第四系厚度較薄，小于25m，巖性主要為細砂、中粗砂、細礫石、砂礫石層，未發現卵石。西南部下伏巖層主要為奧陶紀灰巖，地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水和裂隙巖溶水，其他下伏巖層主要為白堊紀安山巖，地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水和碎屑巖類裂隙水，松散巖類孔隙潛水平均含水層利用厚度3.65m,碎屑巖類裂隙水平均含水層利用厚度61.30m，裂隙巖溶水平均含水層利用厚度66.30m，根據山東省地質環境監測總站《山東省臨沂市三區地質災害防治區劃圖》，在工作區西南部蘭山小區—小涑河河床及沿岸地段、苗莊小區及南部地段是巖溶塌陷地質災害高易發區，需要避讓，加強監測及預警警報，限制地下水開采。

2　研究區開發利用現狀

臨沂城區淺層地熱容量約為3.00×1013kJ/℃，折合標準煤102.34萬t，目前臨沂市已有淺層地熱利用，地埋管熱泵工程利用區有三合里花園、桃園小區、杏花村委辦公樓；地下水源熱泵利用區有河東區地稅局、九州超市臨西七路店等50余項熱泵項目，其中臨沂市國土資源局三和里花園宿舍區地埋管熱泵工程規模較大，總建筑面積約12.7萬m2，總冷負荷約為6800kW，總熱負荷約為7400kW，運行費用可比傳統中央空調系統降低約30%～50%，夏季3個月冬季4個月每天運行時間10h負荷率80%，估算合計每年節省用電約260萬度，減少二氧化碳排放約2592t。

3　淺層地熱能利用方式適宜性分區

淺層地溫能利用適宜性主要由水文地質條件、工程地質條件、環境地質條件、巖土體物理、熱物理性質等因素控制，本次研究根據規范和目前開發利用方式，主要采用資料收集、淺層地熱能地質調查、地埋管換熱方式淺層地熱能勘查和地下水換熱方式淺層地熱能勘查方法[3]。

3.1地埋管換熱方式適宜性分區研究

該方式以巖土體作為熱儲介質，主要取決于水文地質條件、巖土溫度場、熱物性等因素[4]。該方式適應范圍廣，利用深度一般在100m以淺，投資成本相對較小，從節約地下空間的角度，結合目前臨沂城區的開發利用現狀，該次研究工作只考慮豎直地埋管方式，對于該方式適宜性分區主要考慮巖土體特性、地下水的分布和滲流情況、地下空間利用等因素。全區第四系厚度小于25m，卵石層厚度小于5m，含水層總厚度大于10m，根據規范(豎直)地埋管換熱系統適宜性分區主要指標及區內已開發利用情況，全區均屬較適宜區，但東南部蘭山小區及苗莊小區附近為地質災害高易發區，其對地埋管工程有破壞作用，故將地質災害易發區為不適宜區。

根據以上較適宜性評價，在適宜區臨沂市三和里花園國土局宿舍B,I,G區分別施工3個代表性的地埋管換熱勘查孔K1,K2,K3；三孔皆為安山巖孔，鉆孔口徑通孔為Φ150mm，孔深100m，在孔內安裝HDPEΦ32等效雙U型管換熱器，采用原孔巖屑混水回填，測試孔安裝完成2天后進行巖土換熱能力測試，測試設備采用北京華清公司生產的淺層地熱能冷、熱響應試驗臺，測試首先對換熱孔進行巖土體平均初始溫度測試，之后進行穩定熱流測試。通過對測試數據整理、分析取得該區的有效傳熱系數、巖土體平均導熱系數、地層初始溫度等參數[5-6]，所得參數見表1。

根據規范采用換熱量現場測試法進行計算，計算公式如下：

Qh=D×n×10-3

D=Kz×ΔT×L

式中：Qh為工作區換熱功率(kW)；D為單孔換熱功率(W)；n為計算面積內換熱孔數量；Kz為綜合熱傳導系數(W/m·k)；△T溫差，U形管內循環液平均溫度與巖土體原始溫度之差(℃)；L為U型地埋管換熱器長度(m)；M為工作區面積(m2)；τ為土地利用系數。

表1　穩定熱流測試參數

綜合熱傳導系數，取該次工作現場熱響應試驗測定的值2.64W/m·k，溫差△T，根據現場熱響應試驗數據，并參考其已有的地埋管地源熱泵工程利用情況，巖土體原始溫度為17.0℃，冬季U形管內循環液平均溫度取6℃，夏季U形管內循環液平均溫度取32℃。該次工作冬季溫差取11℃，夏季溫差取15℃。地埋管換熱器長度L取100m。根據經驗取土地利用系數為3.94%(面積百分率×0.3)。地埋管換熱功率，冬季為5.79×105kW；夏季為7.90×105kW[5]。

3.2地下水換熱方式方式適宜性分區研究

該方式以地下水為熱儲介質，通過抽灌地下水與機組的冷凝器(蒸發器)進行熱交換實現利用目的，地下水的換熱能力主要取決于地下水賦存條件、動態特征、水化學特征等因素[7-8]。該次研究主要采用單位涌水量、采灌比、地下水位埋深、地下水位年降幅等因素進行適宜性分區。為了查明工作區范圍內地層巖性結構、含水層類型及埋藏條件、地下水位，該次研究在區內三和里花園國土局宿舍B區施工了地下水換熱方式淺層地熱能勘查井J1和臨沂臨西七路民井J3。J1井揭露地層0～5m為第四紀沂河組黃褐色粉質粘土，5～196.6m為白堊紀八畝地組玄武安山巖；J3井揭露地層0～6.5m為第四系沂河組黃褐色粉質粘土，6.5～160m為奧陶紀馬家溝群灰巖。并對J1，J3井進行了抽水試驗和回灌試驗，通過抽水試驗獲得單井涌水量及相應的降深、水溫，通過回灌試驗獲得單井回灌量及相應的水位上升值。根據適宜性分區指標和區內已開發利用情況(表2)，研究區西部及北部為基巖裂隙水，為地下水換熱方式不適宜區，西南部為裂隙巖溶水區，為較適宜區。

表2　工作區地下水換熱方式適宜性分區

4　結語

臨沂城區具有良好的工程地質條件和水文地質條件，淺層地熱容量約為3.00×1013kJ/℃，折合標準煤102.34萬t，有很好的利用前景。經勘查研究，研究區東南部蘭山小區及苗莊小區附近淺層地熱能利用為不適宜區，其他區域為地埋管換熱方式較適宜區，地埋管換熱功率冬季為5.79×105kW，夏季為7.90×105kW。研究區西部及北部為為地下水換熱方式不適宜區，西南部為較適宜區。

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[2]尹航，朱能.地熱水水源熱泵在校園建筑的應用[J].煤氣與熱力,2006,26(1):56-60.

[3]DZ/T0225-2009.淺層地熱能勘查評價規范[S].

[4]畢文明，郭艷春，王琳.地埋管地源熱泵系統巖土熱物性參數研究[A]//地溫資源與地源熱泵技術應用論文集[C].北京：地質出版社，2009:105-111.

[5]王松濤，吳振，王華軍.基巖地區地埋管換熱器傳熱特性的測試研究[J].河北工業大學學報，2012,41(6):69-73.

[6]刁乃仁.地埋管換熱器的傳熱問題研究及其工程應用[D].北京:清華大學，2005:16-18.

[7]唐永香，李嫄嫄，俞礽安，等.濱海新區淺層地熱能利用方式適宜性分區評價[J].煤氣與熱力,2014,34(1):21-25.

[8]祖秉新，孟凡利，張丕，等.吉林省淺層地熱開發利用適宜性[J].吉林地質，2013,32(3):105-107.

Study on Suitability Partition of Shallow Geothermal Energy Utilization Modes in Linyi City

ZHANG Zongyuan1，SUN Xiaotao1，WANG Fei1，PAN Jingming2

(1.No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Jinan 250014, China;2.Tianjin university of technology institute of automation ,Tianjing 300380,China))

There is rich shallow geothermal energy in Linyi city with great utilization value. It has good development and utilization prospect. Through exploration and study on heat transfer of underground water, combining with hydrogeological condition and geo-engineering condition, suitability partition has been carried out. It is thought that only few regions are suitable for heat transfer, while most regions are suitable for buring pipes.

Shallow geothermal energy； buried pipe；heat transfer of underground water；suitability partition

2015-02-03；

2015-04-02；編輯：陶衛衛

張宗元(1980—)，男，山東臨沂人，工程師，主要從事水工環地質工作；E-mail:zhzykuaile@126.com

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