鄆城縣淺層地熱能勘查評價

孫文廣，冷旭勇，王飛，趙長福

(山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南　250014)

鄆城縣淺層地熱能勘查評價

孫文廣，冷旭勇，王飛，趙長福

(山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南250014)

淺層地熱能是地熱資源的組成部分，分布廣，利用價值大，既可緩解能源緊張矛盾，又有利于保護環境。該文分析了鄆城縣淺層地熱能條件，對地埋管換熱方式有關熱物性參數進行了測試，對鄆城縣淺層地熱能資源進行了計算評價，并進行了效益分析。

淺層地熱能；地埋管換熱；效益分析；鄆城縣

引文格式：孫文廣，冷旭勇，王飛，等.鄆城縣淺層地熱能勘查評價[J].山東國土資源，2015,31(1):36-39.SUN Wenguang, LENG Xuyong, WANG Fei,etc.Exploration Evaluation of Shallow Geothermal Energy in Yuncheng County[J].Shandong Land and Resources,2015，31(1)：36-39.

0　引言

淺層地熱能是地熱資源的組成部分，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[1]。一般指通過換熱技術利用的蘊藏在地表以下200m以內，溫度低于25℃的熱能。其能量主要來源于太陽輻射與地球梯度增溫。淺層地熱能分布廣，儲量大，再生迅速，利用價值大。既可以滿足供暖需求，緩解能源緊張矛盾，改善人民生活，同時也直接降低了污染物排放量，有利于保護環境，帶來較好的社會效益和經濟效益。

近年來，在全國可再生能源建筑應用政策的推動下，許多地區已經陸續開始建設淺層地熱能資源利用系統，并取得較好的應用效果[2]。目前國內淺層地熱能開發主要通過地下水換熱和地埋管換熱2種方式，地下水換熱方式雖然初期投資稍低，但是較高的運行成本及其對地下水資源的粗放式利用，使其近年來應用率呈下降趨勢，而地埋管換熱方式應用越來越廣泛，該文主要就地埋管換熱方式對鄆城縣淺層地熱能進行評價分析。

1　淺層地熱能利用條件分析

鄆城縣地處黃河下游沖積平原，地形平坦，微向東北傾斜，地面坡降在1∶5000～1∶1萬，海拔在38.5～47.5m之間。區內廣泛分布著巨厚第四紀堆積物，厚度200m左右；區內含水層巖性主要以粉細砂、細砂及中粗砂為主，未發現卵石層。

區內廣泛分布有第四紀松散巖類孔隙潛水和淺層承壓水，水位較淺，地下水資源豐富，大部分地區含水層厚度大于30m，只有東南部及趙樓西小部分地區厚度小于30m。根據淺層地熱能勘查評價規范(DZ/T 0225-2009)中地埋管換熱方式適宜性分區指標[1]，鄆城縣具備良好的水文地質條件和工程地質條件(表1)，為淺層地熱能地埋管換熱方式可持續利用提供了基礎。

表1　地埋管換熱方式適宜性分區指標

2　淺層地熱能參數測試

2.1測試原理

測試設備采用北京華清榮昊新能源開發有限責任公司開發的HQ-H2淺層地熱能冷、熱響應試驗臺，該試驗臺是根據相似理論[3-4]設計和搭建的一套地埋管換熱器綜合微縮試驗臺[5]，其功能強大、測試精確度高以及移動性好，能夠模擬冬、夏兩季地源熱泵地埋管換熱器運行工況。

測試原理[6-7]如下：將測試裝置的水路循環部分與所要測試的地埋管換熱孔內的HDPE管路相連接，形成閉式環路，通過儀器內的微型循環水泵驅動環路內的載冷劑不斷循環，同時測試裝置內的設備不斷加熱或降溫環路中的載冷劑。該閉式環路內的載冷劑不斷循環，熱泵裝置所產生或需要吸收的熱量就不斷通過地埋管換熱孔內的HDPE管釋放到巖土或從巖土中吸收熱量。在閉式環路內的載冷劑循環的過程中，測試車將各種測試工況下進、回測試車的載冷劑溫度、巖土溫度，以及流量和實驗裝置產生的熱量或所吸收的熱量進行采集并記錄在相應的數據處理儀器中，后期對數據進行處理。

2.2測試步驟

首先鉆鑿2個換熱測試孔，孔深120m，孔徑150mm，分別編號D1，D2孔。鉆鑿完成后下入U型HDPE管并回填，回填采用原漿。測試孔安裝完成2天后進行巖土換熱能力測試，測試首先對D1孔進行巖土體平均初始溫度測試，之后進行D1孔的穩定熱流測試和穩定工況(夏季工況)測試，最后進行D2孔的穩定工況(冬季工況)測試。在測試過程中共作3次水壓試驗。

2.3測試數據分析

2.3.1巖土平均初始溫度測試

巖土平均初始溫度測試歷時13h，在該時間段內，測試車未向地埋管提供冷、熱量的情況下使地埋管內水形成循環，測得的循環水溫度即為巖土的平均初始溫度。經測定，巖土平均初始溫度為17.9℃。

圖1　地層初始溫度隨時間變化曲線

2.3.2穩定熱流測試

穩定熱流測試循環水中連續輸入穩定功率熱量，測定地埋管換熱器進出水溫度的響應情況，進而計算巖土體的熱物性參數。測試流量設定為1.5m3/h，加熱功率為6kW，歷時48h。實驗數據分析采用Hart和Couvillion建立的線源模型[5-9]，利用恒熱流模擬試驗數據計算巖土體導熱系數，試驗數據曲線圖及測試參數表見圖2、表2。計算巖土體導熱系數為2.75W/m·K。

圖2　穩定熱流測試地埋管換熱器進出水平均溫度變化曲線及對數擬合曲線

設定加熱功率/kW平均加熱功率/kW單位換熱量/(W/m)加熱功率波動/kW流量/(m3/h)數據記錄周期/min65.99086.810.31.53

2.3.3穩定工況(夏季工況)測試

夏季工況運行時，地埋管換熱孔吸熱，測試設定初始參數為地埋管換熱孔進水溫度35℃，流量為1.5m3/h，測試歷時48h，測試結論如下：

由測試數據可以得出，在測試裝置開始運行至40min，地埋管換熱器進水溫度穩定到設定運行工況點35℃左右，故穩定工況(夏季工況)的測試數據從40min后為有效數據。在此時間段內，地埋管換熱孔的進水溫度均值35.1℃，出水溫度均值31.5℃，進出水溫差3.6℃，進水溫度與設定值偏差0.1℃，在有效時間內，進水溫度與設定值偏離均小于0.3℃，測試數據有效。

隨著運行時間的增加，地埋管換熱器換熱量、瞬時流量逐漸趨于穩定。流量均值為1.5m3/h，換熱器換熱量均值7.62kW，換熱孔深120m，因此每延米地埋管換熱器換熱量為63.46W/m。

2.3.4穩定工況(冬季工況)測試

冬季工況運行時，地埋管換熱器放熱，測試設定初始參數為地埋管換熱孔進水溫度5℃，流量為1.5m3/h，測試歷時48h，測試結論如下：

由測試數據可以得出，在測試裝置開始運行至60min，地埋管換熱器進水溫度由初始溫度穩定到設定運行工況點5℃左右，故穩定工況(冬季工況)測試的測試數據從60min后為有效數據。在此時間段內，地埋管換熱孔的進水溫度均值5.0℃，出水溫度均值7.3℃，進出水溫差2.3℃，進水溫度與設定值偏差0℃，在有效時間內，進水溫度與設定值偏離均小于0.3℃，測試數據有效。

隨著運行時間的增加，地埋管換熱孔換熱量、流量逐漸趨于穩定。流量均值為1.5m3/h，換熱孔換熱量均值7.21kW，換熱孔深120m，因此每延米地埋管換熱孔換熱量為60.10W/m。

2.3.5測試結論

(1)地層初始溫度。測得地層初始溫度為17.9℃。

(2)穩定熱流測試。設定地埋管換熱孔加熱功率6kW，流量1.5m3/h。根據對現場測試數據的分析，巖土體導熱系數為2.75W/m·K。

(3)穩定工況(夏季工況)測試。設定地埋管換熱孔進水溫度35℃，流量1.5m3/h。該工況下，地埋管換熱孔實際進/出水溫度：35.1℃/31.5℃，換熱量7.62kW，折合每延米換熱量63.46W/m。

(4)穩定工況(冬季工況)測試。設定地埋管換熱孔進水溫度5℃，流量1.5m3/h。在該工況下，地埋管換熱孔實際進/出水溫度：5.0/7.3℃，換熱量7.21kW，折合每延米換熱量60.10W/m。

3　鄆城縣淺層地熱能資源評價

3.1淺層地熱容量計算

根據《淺層地熱能勘查評價規范》(DZ/Z 0225-2009)，采用體積法計算淺層地熱容量，分別計算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲藏的熱量，計算下限取試驗鉆孔深度120m，然后合并計算調查區范圍內的地質體的儲熱性能。

經計算，鄆城縣范圍內淺層地熱容量為6.22×1014kJ/℃，折合標準煤2122.18×104t[8]。

3.2地埋管換熱功率計算

根據《淺層地熱能勘查評價規范》(DZ/Z 0225-2009)，采用換熱量現場測試法進行計算，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

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。

經計算，地埋管換熱功率，冬季為7.85×106kW，可開采資源量約0.81×1014kJ(按120天計)，相當于標準煤2.77×106t；夏季為8.01×106kW，可開采資源量約0.83×1014kJ(按120天計)，相當于標準煤2.83×106t。

4　效益分析

在國家大力發展循環經濟、推廣可持續發展模式的背景下，淺層地熱能的開發利用不僅能優化能源供給結構，還能產生巨大的環境效益和經濟效益。在目前資源緊缺的狀況下，淺層地熱能的開發利用使經濟效益得到充分體現。依據當地淺層地熱能資源的特點、能源消耗結構以及經濟技術等社會要素進行系統規劃，才能最大限度地合理開發利用該資源[10]。根據鄆城縣地埋管換熱方式換熱功率計算結果分析，可開采資源量轉化的經濟效益是非?？捎^的。調查區內可開采資源量1.64×1014kJ(冬、夏季共240天計)，折合標準煤5.60×106t，可轉化經濟效益38.85多億元。

參考《地熱資源地質勘查規范》(GB/T11615-2010)，進行節能和減排效果分析。按地埋管換熱方式換熱功率計算，每年能節省5.60×106t標準煤，減少CO2排放量1.34×107t、減少SO2排放量0.95×105t、減少NOx排放量3.36×104t、減少懸浮質粉塵排放量4.48×104t、減少煤灰渣排放量5.60×103t。可見，淺層地熱能的開發利用，可減輕對自然環境的污染壓力，有利于經濟社會可持續發展。

5　結語

(1)鄆城縣具備良好的水文地質條件和工程地質條件，為淺層地熱能地埋管換熱方式可持續利用提供了基礎。

(2)經測定：巖土平均初始溫度為17.9℃；巖土體導熱系數為2.75W/m·K；夏季工況換熱量7.62kW，折合每延米換熱量63.46W/m；冬季工況換熱量7.21kW，折合每延米換熱量60.10W/m。

(3)經計算，鄆城縣范圍內淺層地熱容量為6.22×1014kJ/℃，折合標準煤2122.18萬t，具有較好的經濟和節能減排效果，淺層地熱能的開發利用，有利于經濟社會可持續發展。

[1]DZ/T 0225-2009，淺層地熱能勘查評價規范[S].

[2]劉樹亮，許靜波，衣偉虹，等.濰坊市淺層地熱能資源調查及開發利用研究[J].山東國土資源,2013，29(10-11):67-69.

[3]薛禹群，朱學愚.地下水動力學[M].北京：地質出版社，1979.

[4]陳鴻雁，徐蕾，孫曉萍.地下水運移的物理模擬實驗方法研究[J].吉林水利，2000，(6):25-17.

[5]畢文明，岳麗燕，韓再生，等.地埋管換熱性能綜合微縮試驗研究[J].水文地質工程地質,2014，41(1):144-148.

[6]岳麗燕.垂直地埋管換熱性能影響因素分析[D].北京:中國地質大學，2012:22-23.

[7]趙飛.地源熱泵U型豎直埋管傳熱過程的模型構建及數值模擬[D].北京:中國地質大學，2011.

[8]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.

[9]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.

[10]楊紅亮，鄭康彬，鄭克棪，等.中國淺層地熱能規模化開發與利用[A]//中國地熱能成就與展望——中國地熱發展研討會論文集[C].北京：地質出版社，2010,97-115.

Exploration Evaluation of Shallow Geothermal Energy in Yuncheng County

SUN Wenguang, LENG Xuyong, WANG Fei, ZHAO Changfu

(No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Jinan 250014, China)

Shallow geothermal energy is one part of geothermal resources. It distributes widely and has great utilization value. It can not only relieve the contradictions of energy shortage, but also protect environment. In this paper, the condition of shallow geothermal energy in Yuncheng county has been analyzed, relative thermophysical properties of pipe heat exchanger ways have been tested, calculation and evaluation of shallow geothermal resources have been carried out, and benefit analysis has been carried out as well.

Shallow geothermal energy; pipe heat exchanger ways; benefit analysis; Yuncheng county

2014-02-15；

2014-03-05；編輯：陶衛衛

孫文廣(1973—)，男，山東文登人，高級工程師，主要從事水文地質、工程地質、環境地質工作； E-mail：sddkswg@126.com

P641.8

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