淄博市周村區淺層地溫能開發利用資源潛力評價

王樹星，宋亮，梁云漢

(山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250000)

0 引言

淺層地溫能是指蘊藏在地下200m以內的巖土體或地下水中，具有開發利用價值的熱能。因其具有儲量大、分布廣、埋藏淺、無污染等優點[1-2]，近年來受到了國家的大力推廣，許多地產項目更是大力開發建設地源熱泵項目，但由于缺乏前期勘查和規劃資料[3]，在一些條件不適宜地區盲目建設新的地源熱泵項目，造成了投資過高，運行效率低等問題[4-7]。因此，開展淺層地溫能資源調查及適宜性區劃研究具有重要的現實意義。

該文以山東省十六市下轄縣(市)及城鎮化建設重點區域淺層地溫能調查評價項目為依托，開展淺層地溫能適宜性分區及資源潛力評價工作，為合理開發利用淺層地溫能資源提供科學依據，對其他相近地區推廣利用淺層地溫能提供參考。

1 淺層地溫能賦存條件

1.1 淺層地質結構特征

研究區位于山東省中部地區，屬于傾斜平原區。區內幾乎全部被第四系覆蓋，巖性為粉質粘土、粘土，厚10～50m，區內分布自南向北逐漸變厚。下伏地層以萊陽群城山后組砂巖、長石砂巖及青山群八畝地組玄武巖、安山巖、凝灰巖為主。

1.2 水文地質概況

圖1 山東省水文地質分區圖(局部)

研究區位于魯西北平原松散巖類水文地質區與魯中南中低山丘陵碳酸鹽類為主水文地質區交界地帶[8](圖1)。北部屬山前沖洪積平原淡水水文地質亞區(Ⅰ1)的孝婦河沖洪積扇孔隙水系統(Ⅰ1-3)，南部屬平陰-臨朐單斜水文地質亞區(Ⅱ1)的淄川盆地裂隙、孔隙水文地質小區(Ⅱ1-10)。

依據地下水賦存的不同介質類型、巖石的含水性及水力特征，該區地下水含水巖組分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組及基巖裂隙含水巖組3類(圖2)。

1.2.1 第四系松散巖類孔隙含水巖組

(1)沖積孔隙含水層

該含水層主要沿孝婦河河漫灘呈條帶狀分布，分布寬度50～500m，含水層巖性為砂礫石夾中、粗砂，厚度一般10～20m。單井涌水量一般大于1000m3/d，含水層富水性好；水化學類型為SO4-Ca·Mg或SO4·Cl-Ca·Mg型。

(2)沖洪積孔隙含水層

該含水層廣泛分布于孝婦河沖洪積平原區，主要沿河帶狀分布。沉積厚度一般10m左右，最厚20m以上，含水層厚度3m左右，近河道地帶厚度較小，約5～10m。單井涌水量一般300～1000m3/d，透水性和富水性較好；水位埋深6～14m；礦化度介于600～1000mg/L之間，水化學類型為HCO3·Cl-Ca·Mg型。

1—松散巖類孔隙含水巖組；2—碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組；3—基巖裂隙含水巖組；4—粉質粘土；5—砂質粘土；6—粘土；7—細砂；8—長石砂巖；9—石英砂巖；10—砂巖；11—含礫砂巖；12—凝灰巖；13—玄武巖；14—第四系白云湖組；15—第四系大站組；16—新近系牛山組；17—青山群八畝地組；18—萊陽群城山后組；19—實測及推測平行不整合地質界線；20—含水巖組界線；21—斷層；22—研究區范圍圖2 研究區立體水文地質結構圖

(3)坡洪積孔隙含水層

分布于城區南部山間谷地、溝谷兩側的丘陵地帶，巖性主要為粉質粘土、砂質粘土夾砂礫，厚度1～15m。一般單井涌水量小于100m3/d；個別溝谷地帶單井涌水量可達240m3/d。水位埋深一般10m左右。水化學類型為Cl·HCO3-Ca·Mg，HCO3·SO4-Ca·Mg型。

1.2.2 碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組

主要分布于研究區南部丘陵壟崗區，在山間洼地及北部隱伏于第四系之下。含水層巖性主要為中薄層長石砂巖夾砂礫巖。裂隙發育程度差，一般透水性弱，富水性差。單井涌水量一般小于100m3/d。

1.2.3 基巖裂隙水含水巖組

該含水巖組主要分布在研究區南部的方家村一帶，主要巖性為黑色橄欖玄武巖，垂直層面柱狀節理構造發育，具氣孔及杏仁構造，與下伏地層呈不整合接觸。富水性較差，單井涌水量小于100m3/d。

1.3 巖土體熱物性特征

共采集巖土樣品171件測試巖土熱物性參數。熱物性測試方法為瞬態平面熱源法，試驗設備為湘潭湘儀儀器有限公司生產的DRE-Ⅲ導熱系數測試儀，儀器測量范圍為0.005～20W/(m·℃)，測量精度為±3%，分辨率為0.005W/(m·℃)。測試結果如表1所示。粘土和粉質粘土熱導率較低，介于1.67～1.83W/(m·K)之間，砂巖、安山巖、凝灰巖、玄武巖的熱導率較高，介于1.986～2.647W/(m·K)之間。巖性的熱導率越大，則熱擴散率越大，不同巖性熱導率和熱擴散率呈正相關關系；而比熱容則隨著熱導率和熱擴散率的增大而減小。

表1 主要巖性熱物理參數

2 換熱方式適宜性分區

淺層地溫能的開發利用適宜性分區主要圍繞地下水源熱泵和地埋管地源熱泵的方式進行[9-10]。

2.1 分區方法

層次分析法(AHP)是一種可以對一些復雜、模糊問題作出決策的權重分析方法[11-14]。

運用層次分析法(APH)，通過yaahp(verion6.0)軟件，在綜合考慮該區實際情況及專家建議指標[15]和其他檢驗指標[16-17]的情況下，建立分區評價模型(圖3)。使用MapGIS軟件，對研究區換熱方式進行評價分區。

2.2 分區結果

2.2.1 地下水源熱泵適宜性分區

研究區地下水熱泵開發利用適宜性分區劃分為二級，即適宜性中等區、不適宜區。

a—地下水源熱泵適宜性分區評價模型；b—地埋管地源熱泵分區評價模型圖3 換熱方式適宜性分區評價模型

適宜性中等區：研究區內較適宜利用孔隙水換熱系統的區域共計2.62km2，約占全區面積的4.36%。主要分布在研究區東北部孝婦河沿岸的白家寨、班里莊一帶(圖4)。區內含水層巖性以第四系砂質粘土為主，富水性較好，水位埋藏深度小，礦化度小。

不適宜區：除了研究區東北部孝婦河沿岸以外，研究區其他地區均為地下水換熱方式不適宜區。

2.2.2 地埋管地源熱泵適宜性分區

結合研究區淺層地溫能水文地質條件、地質條件及熱物性、地層屬性，利用層次分析法，將研究區地埋管地源熱泵適宜性分區劃分為適宜性好區(Ⅰ區)、適宜性中等區(Ⅱ區)、適宜性差區三個級別(圖4)。

1—適宜性好區；2—適宜性中等區；3—適宜性差區；4—地下水源熱泵適宜性中等區；5—研究區范圍；6—地埋管地源熱泵適宜性分區界線；7—地下水源熱泵適宜性分區界線圖4 研究區地源熱泵適宜性分區

適宜性好區(Ⅰ區)：總面積21.69km2，約占研究區總面積的36.13%。

Ⅰ1亞區主要分布于研究區中部、南部的北旺莊、黃家營村、陳路村、太和莊、趙家莊、二十里鋪、孟家堰、杜家莊一帶，面積17.40km2。區內巖性主要為第四系粉質粘土、粘土，下伏地層巖性為城山后組砂巖、長石砂巖，綜合熱導率一般大于2.00w/m·℃。

Ⅰ2亞區主要分布于研究區東北部的張坊村、白家寨、南營一帶，面積4.29km2，區內巖性主要為粉質粘土、粘土，下伏地層巖性為城山后組砂巖、長石砂巖。

適宜性中等區(Ⅱ區)：總面積32.20km2，占研究區總面積的53.63%，區內巖性主要為第四系粉質粘土、粘土，下伏地層巖性為城山后組砂巖以及八畝地組玄武巖、安山巖。

Ⅱ1亞區主要分布于周村區老城區、北部的東塘塢、陳橋村以及黃家營東部的區域，面積30.19km2。

Ⅱ2亞區分布于研究區東南部南部的高塘一帶，面積2.01km2。

適宜性差區(Ⅲ區)：面積6.15km2，占研究區面積的10.24%。分布在研究區南部的尚莊、方家莊一帶。

2.3 淺層地溫能適宜性區劃

在分別進行地下水和地埋管換熱方式適宜性分區的基礎上，遵循地下水和地埋管換熱方式適宜性優先原則(表2)，進行淺層地溫能開發利用適宜性區劃。

研究區除了水庫等重要水源地保護區之外，其他地區均適合開發淺層地溫能。其中，淺層地溫能開發利用適宜性中等區面積53.89km2，占研究區的89.76%，為地埋管換熱方式適宜性好、適宜性中等區和地下水換熱方式不適宜區的重疊區域；適宜性差區面積6.15km2，占研究區面積的10.24%，主要分布在研究區南部的尚莊、方家莊、王家莊一帶，不適宜淺層地溫能開發利用。

表2 淺層地溫能適宜性區劃原則

3 資源潛力評價

淺層地溫能資源潛力評價需要計算的數據有：淺層地溫能熱容量、地埋管地源熱泵換熱功率。

3.1 熱容量計算

3.1.1 計算方法

采用體積法分別計算120m和200m以淺包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲藏的熱量，然后合并計算評價區范圍內巖土體和地下水中的儲熱性能。

計算時僅計算適宜區和較適宜區范圍內的熱容量，不適宜區不參與計算。首先按200m×200m進行單元格劃分，在此基礎上考慮單元格巖性分布的特點以及單元格內包氣帶和飽水帶的厚度，另外，對于巖土體比熱容、孔隙率、密度等參數差異較大的單元，再按照實際情況進行細分。

參考淺層地溫能勘查評價規范的要求確定各計算參數。

3.1.2 計算結果

研究區內120m深度內淺層地溫容量為14.09×1012kJ/℃；200m深度內淺層地溫容量為23.16×1012kJ/℃。

表3 淺層地溫能熱容量計算

3.2 淺層地溫能換熱功率計算

淺層地熱能換熱功率為在淺層巖土體、地下水中單位時間內的熱交換量[18]。

3.2.1 計算方法

在淺層地溫能賦存條件類似區域，先計算地埋管單孔換熱功率，再計算全區地埋管換熱功率。地埋管熱泵和地下水源熱泵均可利用區域，按照地埋管換熱功率占2/3，地下水源換熱功率占1/3的比例計算。僅可利用地埋管熱泵或僅可利用地下水熱泵的區單獨100%全部計入，計算換熱功率。

土地利用系數=城市規劃系數×0.35(折減系數)[1]。

3.2.2 計算結果

通過計算，在研究區內考慮土地利用系數的情況下，120m以淺地埋管熱泵系統換熱功率為61.15×104kW/69.62×104kW(夏季/冬季)。

表4 地埋管換熱功率計算結果

3.3 資源潛力評價

3.3.1 冷熱負荷的確定

公用建筑負荷和民用建筑負荷比例采用3∶2，老建筑和節能建筑指標各按50%計，建筑物制冷、供暖負荷取值為70W/m2(夏季)/55W/m2(冬季)，結合冬季換熱功率的計算結果，計算可供暖面積(表5)[2]。

表5 單位建筑面積冷熱負荷指標

3.3.2 計算結果

在研究區城市規劃區范圍內，考慮土地利用系數的情況下，全部應用地埋管地源熱泵系統，夏季可制冷面積873.57×104m2，冬季可供暖1265.80×104m2。2017年周村區集中供暖面積550×104m2，如采用地源熱泵，完全可以滿足全區供暖需求。

4 經濟效益分析

淺層地溫能作為一種非常規能源，通常采用折算常規能源(標準煤)的方法來計算其經濟價值。

4.1 計算公式

取原煤與標準煤的折算系數0.7143[19]，燃煤鍋爐熱效率按0.6計算[20]，計算出節省的標煤量。

GB=56.94×Q

GJ=GB×η

V=GJ×P/10000

式中：GB—相當節約標煤量(kg);Q—淺層地溫能開發利用的總能量(GJ);GJ—節煤量(kg)；η—淺層地溫能開發利用效率，按35%計；V—相當熱資源價值(萬元)；p—燃煤價格(元/kg)

4.2 計算結果

自然條件下，淺層地溫能開發利用總能量Q為4.48×106GJ/a(考慮土地利用系數)，折合標準煤25.52萬t/a。按照淺層地溫能開發利用效率35%計算，節煤量8.93萬t/a，熱資源價值4465.69萬元/a。

5 結論

(1)基于周村區的水文地質條件、水動力場、水化學場、熱物性及巖性組合條件，對周村區城市規劃區進行淺層地溫能適宜性分區結果表明，適宜性中等區面積共53.89km2，占研究區面積的89.76%。研究區范圍內可以大力開發利用淺層地溫能資源。

(2)研究區內利用淺層地溫能系統，夏季可制冷面積873.57×104m2，冬季可供暖1265.80×104m2。

(3)研究區內淺層地溫能開發利用總能量為4.48×106GJ/a，折合標準煤25.52萬t/a；節煤量8.93萬t/a，熱資源價值4465.69萬元/a。