貴安新區(qū)淺層地溫能資源開發(fā)利用適宜性分區(qū)及潛力評(píng)價(jià)

張 新

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550001)

淺層地溫能是指蘊(yùn)藏在地表水或地表以下200 m深度范圍內(nèi)的巖土體中具有開發(fā)利用價(jià)值的的熱能(一般低于25℃)。淺層地溫能作為一種新型能源，具有儲(chǔ)量巨大、可再生和開發(fā)利用對(duì)環(huán)境影響小等特點(diǎn)，具有明顯的資源屬性；開發(fā)利用淺層地溫能成為當(dāng)今應(yīng)對(duì)全球氣候變化、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。本文通過對(duì)貴安新區(qū)淺層地溫能賦存條件的研究，結(jié)合巖土樣測試等數(shù)據(jù)的分析，采用熱儲(chǔ)量體積法計(jì)算其資源容量，在利用地埋管式地源熱泵技術(shù)開發(fā)淺層地溫能的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)，結(jié)果表明；綠地土地利用系數(shù)按60%考慮時(shí)，地埋管地源熱泵冬季供暖面積1.22×109m2，夏季制冷面積1.18×109m2。因此，研究區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用潛力大，可帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 研究區(qū)淺層地?zé)崮苜x存條件

1.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)位于貴州省中部，屬于以巖溶地貌為主、高原臺(tái)地、山地、丘陵盆地等交錯(cuò)分布的地區(qū)。

研究區(qū)碳酸鹽巖及夾碎屑巖的碳酸鹽巖層分布廣泛，占研究區(qū)總面積的99%，碎屑巖占1%。第四系主要分布于研究區(qū)的河流、巖溶洼地等地勢低洼地帶，平均厚度3.69 m。

1.2 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)主要為松散巖類孔隙水、基巖(碎屑巖)裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水三大類型。

1.2.1 碳酸鹽巖巖溶水

含水層組包括三疊系下統(tǒng)大冶組、安順組、三疊系中統(tǒng)貴陽組、花溪組、二疊系上統(tǒng)吳家坪組—長興組、中統(tǒng)茅口組-棲霞組、下石炭系上統(tǒng)黃龍組、下統(tǒng)擺佐組等，含水層以灰?guī)r、白云巖為主，地下水主要賦存、富集、運(yùn)移于灰?guī)r溶洞-管道、溶蝕裂隙-溶洞中，動(dòng)態(tài)變化大等特點(diǎn)，含水極不均勻，地面泉出露少。

1.2.2 基巖(碎屑巖)裂隙水

含水層組包括下三疊系中統(tǒng)邊陽組。含水層以鈣質(zhì)頁巖、泥巖、粉砂巖等碎屑巖為主。地下水主要賦存于碎屑巖構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙中，泉水出露點(diǎn)較多，但流量小，泉水流量一般在0.1～1 L/s之間，徑流途徑短，近源補(bǔ)給、分散排泄等特點(diǎn)，流量變化在短期內(nèi)不十分明顯。

1.2.3 松散巖類孔隙水

松散巖類孔隙水分布在河谷兩岸及大型巖溶洼地底部的沖積、洪積物及殘坡積層中，地下水賦存于第四系松散層的孔隙中，含水層由沖積、洪積及殘坡積粘土、亞砂土、砂、礫石層組成，一般為潛水，地下水天然露頭較少，動(dòng)態(tài)變化大。

1.3 巖土體熱物性特征

1.3.1 室內(nèi)測試

本次共采集巖土樣品65件測試巖土樣進(jìn)行熱物性參數(shù)室內(nèi)測試。根據(jù)熱物性參數(shù)測試成果及收集區(qū)域勘察資料顯示(表1，圖1)，砂巖、泥巖等碎屑巖類孔隙率約0.08，綜合導(dǎo)熱系數(shù)介于2.13～2.62 W/m·℃，比熱容介于0.563～0.733 KJ/kg℃，密度約為2.59 g/cm3；碳酸鹽巖類的孔隙率介于0.08～0.12之間，導(dǎo)熱系數(shù)介于2.37～3.05 W/m·℃，密度介于2.61～2.78 g/cm3，比熱容介于0.601～0.850 KJ/kg℃。

表1 工作區(qū)地層巖性熱物性測試成果

圖1 工作區(qū)巖性導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比直方圖

1.3.2 現(xiàn)場測試

1)恒溫帶特征

本次工作共布置地溫檢測孔9個(gè)，觀測周期均為10～20 d，其中，根據(jù)工作測量的溫度地溫值(圖2)，確定工作區(qū)內(nèi)恒溫帶深度為20～30 m間。

圖2 工作區(qū)巖性導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比直方圖

2)地溫空間變化特征

通過地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)成果分析，工作區(qū)地?zé)嵩鰷芈式橛?.7～2.3℃/100m，在平面上，增溫率呈自南東向北西遞增趨勢。

3)地層熱響應(yīng)特征

本次工作共布置16個(gè)熱響應(yīng)試驗(yàn)孔，孔徑均為φ150 mm。均使用雙U換熱器。試驗(yàn)儀器采用華清地?zé)酖H-12FT05型巖土熱物性測試儀。試驗(yàn)?zāi)M夏季制冷工況。試驗(yàn)功率為3 kw和6 kw。

通過16組熱響應(yīng)試驗(yàn)，對(duì)工作區(qū)主要地層初始溫度、熱擴(kuò)散系數(shù)、容積比熱容、綜合導(dǎo)熱系數(shù)等做了解。淺層地溫能熱響應(yīng)試驗(yàn)計(jì)算成果見表2。

表2 淺層地溫能熱響應(yīng)試驗(yàn)計(jì)算成果表

2 適宜性分區(qū)

2.1 適宜性分區(qū)原則

淺層地溫能的開發(fā)利用適宜性分區(qū)主要圍繞地下水源熱泵和地埋管地源熱泵的方式進(jìn)行[6-7]。在地下水、地埋管適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上，按照適宜性優(yōu)先原則(即不同形式的適宜性分區(qū)兩兩相比，綜合取兩者中適宜較好者)，采用疊加法評(píng)價(jià)出淺層地溫能適宜性綜合分區(qū)。

2.2 分區(qū)方法

層次分析法(Analytical Hierar-chy Process，簡稱AHP方法)是美國運(yùn)籌學(xué)家A.L.Saaty于1970年代提出的一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法[8-11]。它是一種將決策者對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維過程模型化、數(shù)量化的過程，應(yīng)用這種方法，決策者通過將復(fù)雜的問題化解為若干層次和若干因素，通過對(duì)各因素之間進(jìn)行比較和計(jì)算，得出不同的權(quán)重，為最佳方案的選擇提供依據(jù)(見圖3)。

圖3 貴安新區(qū)直管區(qū)地下水地源熱泵層次分析模型結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 分區(qū)結(jié)果

2.3.1 地下水源熱泵適宜性分區(qū)

按照地下水地源熱泵適宜性分區(qū)模型及劃分標(biāo)準(zhǔn)，將工作區(qū)劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)三個(gè)類別。地下水地源熱泵適宜區(qū)主要分布在清鎮(zhèn)職教城、貴安生態(tài)新城以及馬場科技新城沿馬場河沿線一帶三處核心職能聚集區(qū)，較適宜區(qū)主要分布在天河潭新城、馬場科技新城東側(cè)及高峰鎮(zhèn)大部分，不適宜區(qū)主要位于高峰山及貴陽花溪大學(xué)城(見表3)。

表3 貴安新區(qū)直管區(qū)地下水地源熱泵

2.3.2 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)

按照地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)模型及劃分標(biāo)準(zhǔn)，將工作區(qū)劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)三個(gè)類別，地埋管地源熱泵在貴安新區(qū)直管區(qū)普遍適用，適宜區(qū)主要分布在清鎮(zhèn)職教城、貴安生態(tài)新城、馬場科技新城、天河潭新城以及高峰鎮(zhèn)北部，較適宜區(qū)主要分布在貴陽花溪大學(xué)城、湖潮物流區(qū)，不適宜區(qū)主要分布在高峰山、馬場科技新城南側(cè)、高峰鎮(zhèn)西南側(cè)，黨武南側(cè)等地勢起伏較大區(qū)域(見表4和圖4)。

表4 貴安新區(qū)直管區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)成果表

圖4 貴安新區(qū)直管區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用適宜性區(qū)劃圖

3 資源潛力評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算方法

淺層地溫能熱容量是指蘊(yùn)藏在地表以下一定深度內(nèi)巖土體、地下水和地表水中單位溫差的熱量。采用熱儲(chǔ)量體積法計(jì)算評(píng)價(jià)區(qū)淺層地溫能熱容量。首先以地層單元為單位，確定各地層潛水水位，再確定主要地層厚度和物性參數(shù)，分別計(jì)算淺層地溫能可開發(fā)范圍內(nèi)各單元地層的分項(xiàng)熱儲(chǔ)量(QS、QW、QA、)，然后以分項(xiàng)總和法求得評(píng)價(jià)區(qū)淺層地溫能熱容量總量。評(píng)價(jià)區(qū)分布的地層單元有11個(gè)，分別為：Q、T2gy、T2b、T2h、T2q、T1a、T1d+g、P3w+c、P2q+m、C2h+m、C1b。

3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)淺層地溫能熱容量計(jì)算方法，分別計(jì)算各單元地層120 m、200 m深度內(nèi)包氣帶熱容量、飽水帶熱容量，進(jìn)而按分層總和法計(jì)算出120 m、200 m深度內(nèi)的總熱容量。

在120 m深度范圍內(nèi)，包氣帶巖土體中固態(tài)物質(zhì)熱容量為1.83×1013KJ/℃、巖土體所含水中的熱容量為3.62×1012KJ/℃、巖土體所含空氣的熱容量為1.47×108KJ/℃，合計(jì)為2.19×1013KJ/℃；飽水帶巖土體中固態(tài)物質(zhì)熱容量為7.37×1013KJ/℃、巖土體所含水中的熱容量為2.04×1013KJ/℃，合計(jì)為9.41×1013KJ/℃。120 m深度內(nèi)淺層地溫能熱容量總計(jì)1.16×1014KJ/℃。

在200 m深度范圍內(nèi)，包氣帶巖土體中固態(tài)物質(zhì)熱容量為1.83×1013KJ/℃、巖土體所含水中的熱容量為3.62×1012KJ/℃、巖土體所含空氣的熱容量為1.47×108KJ/℃，合計(jì)為2.19×1013KJ/℃；飽水帶巖土體中固態(tài)物質(zhì)熱容量為1.34×1014KJ/℃、巖土體所含水中的熱容量為3.70×1013KJ/℃，合計(jì)為1.71×1014KJ/℃。200 m深度內(nèi)淺層地溫能熱容量總計(jì)1.93×1014KJ/℃。

3.3 地埋管地源熱泵潛力評(píng)價(jià)

根據(jù)貴安新區(qū)氣候條件及建筑結(jié)構(gòu)特征，空調(diào)負(fù)荷采用：供暖期50 w/m2、制冷期70 w/m2。按綠地土地利用系數(shù)60%計(jì)算出工作區(qū)地埋管淺層地溫能潛力為為：冬季可供暖面積1.22×109m2，夏季可制冷面積1.18×109m2。

4 結(jié)語

(1)區(qū)內(nèi)主要地層的綜合熱導(dǎo)率在2.17～3.21 W，綜合熱擴(kuò)散系數(shù)0.94～1.32×106m2/s，總熱阻0.09～0.28 m·℃/W。地埋管地源熱泵較適宜區(qū)面積共123.38 km2，占研究區(qū)面積的26.0%。適宜區(qū)面積共246.47 km2，占研究區(qū)面積的52.0%，研究區(qū)范圍內(nèi)可以大力開發(fā)利用淺層地溫能資源。

(2)研究區(qū)內(nèi)利用地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用淺層地溫能，按綠地土地利用系數(shù)60%計(jì)算出工作區(qū)地埋管淺層地溫能潛力為為：冬季可供暖面積1.22×109m2，夏季可制冷面積1.18×109m2。

(3)研究區(qū)內(nèi)淺層地溫能開發(fā)利用總能量為能量為7.60×108GJ/a，減排節(jié)約的環(huán)境治理費(fèi)為598 017.3萬元/a。折合成標(biāo)準(zhǔn)煤15 143 064.53 t。