延安市淺層地熱能開發利用潛力評價

李小等，張鵬偉，楊炳超，盧 娜

(1.中國地質調查局烏魯木齊自然資源綜合調查中心，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安 710054)

淺層地熱能是指蘊藏在地表以下一定深度范圍(多指200 m以內)巖土體、地下水和地表水中具有開采價值的熱能[1]。地熱能作為一種分布廣泛的清潔環保型可再生能源，在我國建筑物供暖和制冷上得到越來越多的應用和研究[2]。楊衛波等通過構建地埋管傳熱模型，分析了各項熱特性參數[3]。劉曉茹從巖土體全年熱平衡的角度，分析了地埋管地源熱泵系統在工程應用中的可行性[4]。潘俊和宋佳蓉對地埋管地源熱泵系統在本溪地區的適宜性進行了評價[5]。李碩和駱祖江(2020)基于南通市的地質情況和現場熱響應試驗結果，研究了南通市淺層地熱能開發利用的可行性[6]。

延安市地處黃土高原河谷地區，周邊為黃土梁峁，城市所在溝谷地勢狹窄，極易遭受到大氣與水體污染，因此生態文明城市建設任重道遠。市區內淺層地熱能研究工作起步較晚，開發利用程度低，目前全市僅有1處地埋管地源熱泵工程，主要用于冬季供暖。因有專家質疑地源熱泵在冷熱負荷不平衡的情況下長期運行，將會使土壤溫度逐漸上升或下降，導致地埋管換熱器換熱環境惡化，換熱效率下降，從而影響熱泵機組的效率和運行的經濟性，使得該工程并未投入實際使用[7]。為了加強延安市生態城市建設，達到低碳城市的目標，筆者在針對區內地質條件、地層熱物性及地熱能開發利用模式進行了系統性分析的基礎上，計算評價淺層地熱能開發利用潛力，為該地區淺層地熱能開發利用提供了一定的理論數據支撐。

1 自然地理

延安市地處鄂爾多斯地塊中東部的黃土高原地區，屬半濕潤半干旱大陸性季風氣候。區內主要地層巖性為中-新生代地層。第四系黃土分布廣泛，幾乎遍布全區，其余時代地層多沿河谷兩側零星出露。水系屬黃河流域，主要河流有延河和洛河。區內多年平均氣溫10.6℃，平均年降水量563.3 mm，多年平均蒸發量為1 110.1 mm。

2 開發利用條件

2.1 地質條件

延安市地層結構按地貌可分為黃土丘陵區、黃土殘塬區、黃土中山區、基巖中低山區，結構上的差異從根本上控制著淺層地熱能的賦存條件[8]。地形破碎，沒有連續、統一的區域地下水流場，地下水順地勢向附近溝谷排泄，形成各自相互獨立的局部水流系統。同時滑坡、崩塌、不穩定斜坡等環境地質問題也影響著淺層地熱能開發利用[9]。

2.2 巖土體的熱物性

2.2.1 巖土概化及參數取值

地層巖土體熱物性參數主要有導熱系數和比熱容[10]。利用巖土體常規測試和熱物性測試成果，對物理性質和熱物性質相近的地層進行了概化處理[11]，其中將黃土、素填土概化為粉土類，圓礫概化為砂礫石類，砂巖、泥質砂巖概化為砂巖類，泥巖、頁巖、泥質頁巖、砂質頁巖概化為泥巖類。熱物性參數取值見表1。

表1 巖性概化及熱物性參數取值表

2.2.2 巖土體熱物性分區

參照相關現場熱響應試驗成果資料，采用類比法取值巖土體熱物性參數[12]。見表2。

表2 各孔熱物性參數取值表

3 適宜性評價

淺層地熱能賦存分布、可利用規模和開采方法主要受地層巖性、厚度、含水層結構、富水性、水位埋深、補給徑流條件等因素制約[13]。分析區域地質、水文地質及工程地質條件等是適宜性區劃的前提基礎。適宜性評價的主要任務是全面分析地質的各類影響因素，對研究區進行開發適宜性分區[14]，進而評價區域淺層地熱資源開發利用潛力，最終為政府統一規劃、提高能源利用效率、保障能源安全的宏觀決策提供基礎依據。評價原則是以地質條件為基礎，水文地質條件為依托，熱泵應用技術做媒介，經濟效益與環境保護并重，平面劃分與垂向控制結合[15]。

3.1 地下水地源熱泵適宜性評價

考慮到含水層巖性、分布、埋深、厚度、富水性、滲透性，地下水溫、水質、水文動態變化、水源地保護和地質災害等因素[16]，各區縣均為地下水地源熱泵不適宜區，見表3。

表3 地下水換熱方式適宜性分區

3.2 地埋管地源熱泵適宜性評價

根據地層巖性特征，結合目前地埋管地源熱泵系統在基巖地區應用的實際情況，考慮巖土體特性、巖土可鉆性、地下水的分布與滲流、地下空間利用情況等主要因素[17]，參考指標具體見表4，區縣適宜性評價結果見表5。

表4 地埋管換熱適宜性分區

表5 延安市各區縣規劃區地埋管地源熱泵適宜性評價結果表

4 資源潛力計算

4.1 總熱容量

采用熱儲法計算地埋管地源熱泵較適宜區淺層地熱能熱容量，通過數學模型計算包氣帶和含水層中地熱能儲存熱量[18]，公式為(1)至(7)。

4.1.1 包氣帶

在包氣帶中，其淺層地熱能資源量按下式計算：

QR=QS+QW+QA

(1)

其中：QS=ρSCS(1-φ)Md1

(2)

QW=ρWCWωMd1

(3)

QA=ρACA(φ-ω)Md1

(4)

式中：QR為包氣帶淺層地熱能熱容量，kJ/℃；QS為包氣帶巖土體中的熱容量，kJ/℃；QW為包氣帶所含水中的熱容量，kJ/℃；QA為包氣帶所含空氣中的熱容量，kJ/℃；ρS為巖土體密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；ρA為空氣密度，kg/m3；CS為巖土體比熱容，kJ/kg·℃；CW為水比熱容，kJ/kg·℃；CA為空氣比熱容，kJ/kg·℃。φ為巖土體的孔隙率(或裂隙率)；ω為巖土體的含水率；M為計算面積，m2；d1為包氣帶計算厚度，m；

4.1.2 含水層

在淺層含水層和相對隔水層中，淺層地熱能儲存量按下式計算：

QR=QS+QW

(5)

其中：QS=ρSCS(1-φ)Md2

(6)

QW=ρWCWφMd2

(7)

式中：QR為含水層淺層地熱能熱容量，kJ；QS為含水層中巖土體中的熱容量，kJ；ρS為巖土體密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；QW為含水層中水的熱容量，kJ；CW為水比熱容，kJ/kg·℃；φ為巖土體的孔隙率(或裂隙率)；M為計算面積，m2；d2為含水層計算厚度，m。

考慮到地表以淺3m受氣候、開發措施等影響[19]，得出3～200 m的淺層地熱能熱容量合計為1.20×1014kJ/℃，見表6。

表6 延安市各區縣規劃區200 m以淺熱容量計算表

4.2 淺層地熱能換熱功率計算

4.2.1 地埋管地源熱泵系統換熱功率計算方法

根據U形地埋管換熱器傳導系數計算[20]，公式(8)至(10)。

Qd=D×n

(8)

D=ks×L×|t1-t4|×10-3

(9)

n=(m×τ)/mi

(10)

式中：Qd為評價區地埋管地源熱泵系統換熱功率，kW；D為單孔換熱功率，kW；n為計算面積內換熱孔數；ks為地埋管換熱器綜合傳熱系數，(W/m·℃)；L為地埋管換熱器長度，(m);t1為地埋管內流體的平均溫度，(℃)；t4為溫度影響半徑之外巖土體的溫度，(℃)；m為各分區計算面積(m2)；τ為土地利用系數；mi為單個換熱孔所占面積(m2)。

4.2.2 地埋管地源熱泵系統換熱功率參數選取

根據有關資料和相關經驗[7]， mi值為25 m2。L長度取200 m。ks值，河谷階地和黃土粱峁區參數分別采用YAG4孔和YAG2孔數據。地埋管折減系數取0.3，地埋管利用溫差(|t1-t4|)冬季為15.84℃，夏季為14.16℃，τ值計算結果見表7。

表7 延安市各區縣規劃區土地利用系數表

4.2.3 地埋管地源熱泵系統換熱功率計算

采用MapGIS空間分析功能[21]，計算出各區塊的可利用面積、可鉆孔數、單孔換熱功率等，最終得出延安市各區縣規劃區地埋管地源熱泵較適宜區總面積為265.98 km2，總換熱功率為1.04×107kw(冬季)/9.27×106kw(夏季)，見表8。

表8 200 m以淺地埋管地源熱泵系統換熱功率計算成果表

4.2.4 可供暖面積計算

在適宜性分區的基礎上，結合淺層地熱能的可利用量，計算評價單位面積可利用量的供暖和制冷面積。經調研和中國地質科學院水文地質環境地質研究所要求計算[22-24]，得出延安市建筑物冬、夏季綜合冷熱負荷值分別為74.5 w/m2和103.5 w/m2。

根據地源熱泵系統換熱功率的計算成果以及延安市冬季供暖和夏季制冷指標，進一步計算出較適宜區可供暖面積和可制冷面積，公式見(11)。

(11)

式中：m為地埋管地源熱泵系統可供暖/可制冷面積，m2；Qq為地埋管地源熱泵系統較適宜區換熱功率，kw；q為調查評價區冬季供暖、夏季制冷熱指標， W/m2。

表9結果表明，延安市各區縣規劃區地埋管地源熱泵較適宜區冬季可供暖面積1.39×108m2，夏季可制冷面積為8.95×107m2。

表9 200 m以淺地埋管地源熱泵系統可供暖面積計算成果表

5 結語

(1)延安市各區縣淺層地熱能開發利用條件較適宜，大部分區域較適宜于地埋管地源熱泵建設；全區不適宜采用地下水地源熱泵方式。

(2) 淺層地熱能總熱容量為1.20×1014kJ/℃，冬季可供暖面積為1.39×108m2，夏季可制冷面積為8.95×107m2。地熱資源量較大，具有一定的開發利用潛力。