鄭州航空港區淺層地熱能評價及潛力分析

郭麗麗，黃 凱，王 昕，趙海嬌

(河南省地勘局第五地質勘查院，河南 鄭州 450001)

鄭州航空港經濟綜合實驗區(Zhengzhou Airport Economy Zone)，簡稱鄭州航空港區，是中國首個國家級航空港經濟綜合實驗區，規劃面積415km2。利用淺層地溫能供暖不僅可以增加適用人群的舒適感，而且有利于當地保護環境和節約成本。

本次評價通過地下水源熱泵和地埋管熱泵兩個方面對航空港區的淺層地溫能進行適宜性評價，進而開展資源量和潛力評價，為航空港區的淺層地溫能開發利用規劃和合理布局提供依據。

1 淺層地熱能賦存條件

1.1 第四系結構特征

根據鄭州市航空港區地質、水文地質特征，淺層地溫能的評價深度確定為200 m以淺。航空港綜合試驗區地處黃河沖積的廣闊平原之上，歸類于沖積平原型城市，分布有厚度較大的第四紀沖洪積松散層；由于第四紀以來，地處緩慢沉降過程中，河流歷經頻繁變遷，形成了第三系巖土性質變化顯著，廣泛分布著中細砂、粉細砂、粉土、粘性土及軟土等土體特征。

1.2 水文地質條件

地下水的含水類型主要為松散巖類孔隙水。實驗區的水位埋深大部分都在5～10 m，東北角祥符劉村—閆家—前張村一帶的水位埋深在0～5 m，西北角的水位埋深變化較大，深達30～50 m，地下水流向總體自西北向東南。

根據區內地下水抽水試驗數據，評價區三官廟鎮—薛店鎮以南為富水性中等區(5～10 m3/h·m)，張莊鎮—八崗鎮一帶為富水性極弱區(<1 m3/h·m)。在圈后村—八李橋一帶為富水性弱區(1～5 m3/h·m)。整理分析抽水回灌試驗數據，評價區薛店鎮—張莊鎮以西為回灌能力極弱區(單井回灌量<600 m3/d)，其余為回灌能力弱區(單井回灌量600～1 500 m3/d)。見圖1。

圖1 航空港區水文地質分區圖

根據采集水樣分析結果，航空港區內大部分區域礦化度為<1 g/L，在土墻村、薛店鎮和霍莊—河張一帶為1～3 g/L。 整體來說總硬度較大，超出規范值，其余均符合水源熱泵系統要求。

1.3 淺層地溫場特征

根據區內的地溫測量點，淺層地溫從地表以淺26 m處往下波動很小，由此可以做出這樣的結論：調查區內恒溫帶處于地淺26～27 m之間，恒溫帶溫度為16.9℃，且恒溫帶的溫度隨深度略有增大；松散層地溫梯度約為3.0℃/100m。

2 現場試驗

2.1 地下水抽、回灌試驗研究

2.1.1 地下水抽回灌試驗及水文地質參數計算

評價區內在不同水文地質單元共布設4眼地下水換熱孔(ZS1和ZS2、ZS3和ZS4)，兩兩成對布置。單孔深度100 m，通過現場非穩定流抽水和1個落程的回灌試驗觀測數據，采用直線圖法、水位恢復法和經驗法三種不同的方法分別求取各項水文地質參數。試驗成果見表1。

表1 地下水換熱孔抽灌成果表

2.1.2 灌抽比大小的影響因素分析

單位回灌量與單位涌水量的比值，簡稱灌抽比。灌抽比的大小受成井工藝、井管濾管孔隙率、巖性和回灌井間距等多種因素影響。

水文地質條件相同的地區，灌抽比不同與成井工藝密切相關。如ZS1井與ZS2井兩井的灌抽比分別是37.61%與48.64%，兩井相距44 m。這是因為ZS1井采用清水反循環鉆進，ZS2井采用泥漿正循環鉆進，成井工藝不同，單位抽、回灌量也不同，灌抽比不同。ZS3井與ZS4井亦是如此。

2.1.3 抽、灌井間距的確定

利用含水層的有效孔隙度、抽水井和注水井距離(m)、含水層厚度(m)和穩定的注水量(m3/h)計算得出回灌水到達抽水井的時間(熱短路時間)，同時考慮其回灌水影響范圍內水溫的變化能否滿足熱泵系統運行要求以及運行的經濟性，結合本次對已有地溫空調系統運行效果的調查情況及抽灌試驗成果，確定細顆粒地層中抽灌井間距不宜小于40 m，粗顆粒的含水層中間距不宜小于50 m。對于本次評價區內最佳井間距為50～70 m。

2.2 現場熱響應試驗

通過設備模擬土壤源熱泵系統的運行工況，對試驗孔進行放熱或取熱測試，分析試驗數據。按照巖土體的巖性、物理性質分類，在對各種熱物性參數進行數理統計基礎上進行全孔段的加權平均。對全區主要城市熱物性參數進行了統計分析，得出航空港區的綜合熱物性參數如表2，其導熱系數從大到小排序大致為：中砂>細砂>粉砂>粉質粘土>粉土>粘土。

表2 鄭州航空港區綜合熱物性參數匯總表

表3 鄭州航空港區地埋管換熱孔測試參數及巖土熱物性計算值

評價區內共布設4眼地埋管換熱孔(ZD1、ZD2、ZD3、ZD4),測試結果見表3。由現場熱響應試驗結果，對比分析鉆孔所處的地質、水文地質條件可知，富水性好，巖性顆粒粗、地下水徑流速度快的地區其綜合導熱系數最大，換熱效果最好；巖性顆粒都較細、地吸水徑流緩慢的地區綜合導熱系數較小，換熱效果最差。

3 淺層地熱能適宜性評價

3.1 地下水地源熱泵適宜性評價

本次采用層次分析法建立評價體系。評價體系分為三層，從頂層至底層分別為系統目標層(A)、屬性層(B)和要素指標層(C)。A層是對地下水源熱泵系統應用適宜性評價的一個總的判斷；B層是對地下水源熱泵系統應用適宜性不同側面的反映，由供水條件、回灌條件和水化學條件三部分構成；C層是描述各屬性指標的最基礎要素，由含水層富水性、地下水位埋深、補給模數、地下水開采潛力、含水層巖性、地下水的腐蝕性、硬度和礦化度共8個指標構成。要素層中各要素占總目標的最終權重如表4。含水層的供水條件和回灌條件是決定一個地區是否適合建設地下水源熱泵最重要的兩個方面。

評價結果表明，去除掉港區內的禁建區，航空港區北部為地下水源熱泵不適宜區，主要為山前坡洪積傾斜平原、黃河古沖積平原，面積153.99 km2；受制約因素主要為含水層富水性。南部為較適宜區，主要為山前坡洪積傾斜平原南部、黃河沖積洼地區，面積260.00 km2。見圖2。

圖2 航空港區水源熱泵適宜性分區圖 圖3 航空港區地源熱泵適宜性分區圖

表4 地下水源熱泵適宜性評價各要素占總目標的最終權重

3.2 地埋管地源熱泵適宜性評價

地埋管地源熱泵適宜性評價同樣采用層次分析法。A層是對地埋管地源熱泵系統應用適宜性評價的一個總的判斷；B層是由水文地質條件、地層熱物理特征和施工條件三部分構成；C層是描述各屬性指標的最基礎要素，由松散層厚度、地下水徑流條件、地下水水位埋深、地下水水質、土體導熱系數、比熱容、淺層地溫場特征、地層可鉆性和環境條件共9個指標構成。要素層中各要素占總目標的最終權重如表5。評價對結果影響最大的因素分別為松散層厚度、土層導熱系數、地下水徑流條件以及地層可鉆性。

表5 地埋管地源熱泵適宜性評價各要素占總目標的最終權重

評價結果顯示，去除掉港區內的禁建區，剩余區域內松散層厚度大、土層導熱系數大、地下水徑流條件及地層可鉆性好，為地埋管適宜區。見圖3。

4 淺層地溫能資源量評價

4.1 淺層地熱容量計算

4.1.1 計算方法

根據《淺層地熱能勘查評價規范》[1]，結合工作區地質條件，本次計算深度確定為地表以下200 m。計算面積為鄭州航空港區適宜淺層地溫能開發利用的面積(全部扣去區內河流的面積)即394.56 km2。采用體積法計算淺層地熱容量。分別計算在包氣帶和含水層中單位溫差儲藏的熱量，然后合并計算評價區內地質體的地熱容量。

4.1.2 計算參數

在含水介質分區的基礎上，結合地形地貌、地下水位埋深等地質條件進行淺層地熱容量計算分區，在此基礎上確定各區參數。航空港區此次分為五個區，見圖4，每個區的參數選取見表6，其中ρw和Cw分別為水的密度和比熱容。

圖4 航空港區淺層地熱容量計算分區圖

表6 鄭州航空港綜合實驗區淺層地熱容量計算分區及參數取值表

計算可知，鄭州航空港綜合實驗區淺層地溫能開發利用適宜區的總面積為394.56 km2，區內的淺層地熱容量250.91×1012kJ/℃，其中包氣帶熱容量為12.58×1012kJ/℃，飽水帶熱容量為238.33×1012kJ/℃。

4.2 淺層地溫能換熱功率計算

4.2.1 地下水地源熱泵換熱功率

采用地下水量折算法，按照《淺層地熱能勘查評價規范》[1]地下水換熱功率計算公式，以航空港區地下水地源熱泵較適宜區為基礎，考慮涌水量、土地利用率等條件的差異進行分區，在此基礎上確定各區參數。其中地下水利用溫差△T夏季利用溫差取10℃；冬季利用溫差取5℃；水的密度ρw與比熱容Cw取常量。最終確定各分區其余參數及計算結果見表7。

表7 地下水適宜區換熱功率計算參數取值表

4.2.2 地埋管地源熱泵換熱功率

評價深度以淺地層概化為均勻層狀，按照穩定傳熱條件計算U型地埋管的單孔換熱功率，然后根據單孔換熱功率計算評價區換熱功率?！稖\層地熱能勘查評價規范》[1]地埋管換熱功率計算公式，最終確定航空港區各分區計算參數見表8。各分區計算成果見表9。

表8 地埋管適宜區換熱功率計算參數取值表

表9 地埋管地源熱泵換熱功率計算成果表

5 淺層地熱能潛力評價

5.1 地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵潛力評價

鄭州航空港綜合試驗區地下水地源熱泵和地埋管熱泵系統潛力評價結果如表10。

表10 鄭州航空港綜合試驗區淺層地溫能潛力計算成果

5.2 潛力綜合評價

在進行淺層地溫能潛力綜合評價時，各分區資源量的計算原則為：在二者重合的區域計算資源量時，按照地埋管資源量占2/3、地下水資源量占1/3的標準進行合計；在不重復的區域，各自計算資源量，三者合計為鄭州航空港區淺層地溫能總資源量。在考慮土地利用系數的情況下，鄭州航空港綜合實驗區淺層地溫能可開采資源量為90.96×1012kJ/a，折合標煤310.38萬 t/a；夏季換熱功率398.76×104kW，冬季換熱功率467.61×104kW；夏季可制冷面積54.14×106m2/a，冬季可供暖面積94.25×106m2/a；夏季制冷潛力28.19×104m2/km2，冬季制冷潛力50.18×104m2/km2。

6 結論建議

6.1 結論

(1)通過抽回灌試驗和現場熱響應試驗取得的數據資料綜合分析，鄭州航空港綜合試驗區地下水地源熱泵系統適宜區和較適宜區總面積260.00 km2；除掉禁建區和河流之外，剩余全區為地埋管地源熱泵系統適宜區，總面積為394.56 km2。

(2)考慮土地利用系數的情況下，地下水地源熱泵系統可利用的淺層地溫能資源量25.49×1012kJ/a；折合標煤86.96萬 t/a； 地埋管地源熱泵系統可利用的淺層地溫能資源量106.71×1012kJ/a；折合標煤364.11萬 t/a；

6.2 建議

(1)現有水源熱泵對節約成本和環境保護起到一定的作用，但是目前由于前期缺乏專業的地質勘查工作，容易形成回灌率不合格甚至不回灌的現象，從而造成水資源的浪費，長此以往，個別地區甚至形成地質災害。因此，各級地方政府應該制定強制性措施，在項目實施前必須進行淺層地熱能勘查設計論證工作，使工程項目施工質量有所保障。

(2)加強管理，改變目前管理缺位、管理越位和多頭管理的被動狀態，反對技術工作行政化的傾向。淺層地溫能開發管理涉及規劃、國土、城建、水利、環保、電力、房地產等相關部門，建議改革與發展委員會牽頭，制定淺層地溫能管理的規定，加強熱泵工程的前期、后期監管，促進航空港區淺層地溫能健康有序發展。