侯馬市淺層地熱能的開發(fā)利用淺析

裴 偉

為落實科學發(fā)展觀,建設綠色侯馬、生態(tài)侯馬,侯馬市政府對貫徹落實國務院有關節(jié)能減排戰(zhàn)略部署非常重視,以極大的熱情和力度來推動節(jié)能減排工作。為進一步鼓勵、引導和規(guī)范行業(yè)的健康發(fā)展,侯馬市根據(jù)2008年12月13日,國土資源部下發(fā)的《關于大力推進淺層地熱能開發(fā)利用的通知》(國土資發(fā)[2008]249號),首先要對淺層地熱能進行調查研究、編制規(guī)劃、加強監(jiān)測3個方面入手,來促進侯馬市淺層地熱能科學的、有序的開發(fā)利用。本文的目的就是:按照國家的有關規(guī)定,通過搜集現(xiàn)有資料和調查研究,對侯馬市的淺層地熱能資源的狀況,資源利用的合理性、可行性、可靠性、經濟性及對環(huán)境的影響等進行分析論證,為淺層地熱能資源在侯馬市的利用提供科學依據(jù)。

1 淺層地熱能的開發(fā)利用狀況

20世紀80年代初～90年代末,在我國暖通空調領域掀起了一股“熱泵熱”。進入21世紀以來,國家相繼出臺了支持可再生能源開發(fā)利用的一些方針政策,地源熱泵行業(yè)有了較快的發(fā)展。

侯馬市淺層熱能的利用時間相對較早,但到目前為止一般都是建設單位的自主行為,在開發(fā)利用上存在很大的盲目性。往往都是施工單位或空調供應商憑經驗、憑想當然選擇地源熱泵的應用方式,所以大部分項目都沒有前期的淺層地熱能條件的調查研究和論證工作,因而缺乏方案的優(yōu)越性。

2 地質水文狀況

2.1 地層巖性狀況

侯馬市范圍內除南部的紫金山區(qū)出露老的變質巖系外,其余大部分地帶以第四系地層為主,由老到新概述如下:

前震旦系(Ar):裸露于紫金山南側,以混合巖化花崗片麻巖、黑云母角閃片麻巖、斜長角閃片麻巖等為主,區(qū)域厚3000 m以上。

震旦系(z):零星出露于紫金山東側的山坡地帶,以石英巖狀砂巖夾含礫石英巖為主。

奧陶系(o):地表無出露,據(jù)地熱井勘探資料,本區(qū)陷覆奧陶系灰?guī)r,以中奧陶灰?guī)r為主,巖性主要為灰?guī)r、泥質灰?guī)r、白云巖,揭露厚度大于400 m,埋深700 m～1600 m不等。

第三系(N):地表無出露,廣布于第四系黃土之下。巖性以深紅、紫紅色粘土為主,其中多含鈣質結核,間夾砂礫石層,區(qū)域厚0 m～1000 m。

第四系:該系是本區(qū)出露最廣泛的地層,又可進一步劃分為上、中、下、更新統(tǒng)及全新統(tǒng)。下更新統(tǒng)(Q1),地表無出露,鉆探證實區(qū)內廣泛分布,巖性多為粘土、亞粘土間夾砂礫石層,厚0 m～290 m。中更新統(tǒng)(Q2),區(qū)內廣泛分布,有出露也有埋藏,巖性以亞粘土、亞砂土夾鈣質結核或砂礫石層,厚110 m～180 m。上更新統(tǒng)(Q3),廣布于山前傾斜平原及汾澮高階地區(qū),以亞砂土、亞粘土、砂礫石層為主,厚20 m～40 m。全新統(tǒng)(Q4),廣布于現(xiàn)代河谷內,以沖洪積相的亞砂土、亞粘土、砂礫石為主,厚0 m～30 m。

2.2 水文地質條件及地下水資源狀況

1)基巖裂隙水:分布在紫金山等變質巖區(qū),因地勢較高,風化裂隙發(fā)育,大氣降水直接滲入,形成基巖裂隙水,具潛水特征,徑流途徑短,一般以小泉的形式排泄。泉流量大小與降水量密切相關。

2)松散巖類孔隙水:廣布于松散巖類沉積區(qū),據(jù)含水量的埋深、水力特征,進一步劃分為淺層(潛)水、中層(承壓)水、深層(承壓)水。

a.淺層(潛)水:區(qū)內分布廣泛,汾河、澮河谷地及低階地區(qū)含水巖組為上更新統(tǒng)及全新統(tǒng),高階地區(qū)含水巖組為上更新統(tǒng),含水層具雙層結構,下部砂礫石含水,具微承壓性,上部粘性土含裂隙水,與下部微承壓水水力聯(lián)系密切,水位一致,底板埋深30 m～40 m,水位埋深小于10 m,單井涌水量500 m3/d～1000 m3/d,水質類型復雜,多為 HCO3?SO4-Na?Mg 型、HCO3?SO4型,礦 化度較高,一般1000mg/L～3000mg/L。

b.中層(承壓)水:廣布于盆地中,含水層為中更新統(tǒng)沖洪積、河湖相砂層,頂板埋深平原淺、山前深,平原區(qū)一般50 m～100 m,山前一般80 m～120 m。含水層物質來源不一,巖性、厚度、富水性差異較大,總體來說:河谷區(qū)好于高階地,洪積扇上部好于下部。山前傾斜平原區(qū)單井涌水量500 m3/d～1000 m3/d,高階地區(qū)300 m3/d～1000 m3/d,河谷區(qū)1000 m3/d～1500 m3/d。受開采影響,水位埋深變化較大,汾河谷地30 m～50 m,山前傾斜平原80 m～120 m,電廠一帶大于100 m。

c.深層(承壓)水:區(qū)內分布廣泛,含水巖組為下更新統(tǒng)及第三系上更新統(tǒng)的砂礫石層,目前開采較少。下更新統(tǒng)地下水賦存條件、分布規(guī)律與中更新統(tǒng)含水巖組基本一致,但含水層埋藏較深,其頂板埋深一般150 m～280 m,底板埋深一般350 m～460 m。據(jù)侯馬市海關地熱勘探資料顯示,下更新統(tǒng)底板埋深405 m,厚120 m,巖性為河湖相沉積的亞砂土、亞粘土及中細砂或砂礫石層。水位埋深同中層水一致。

本區(qū)地下水的徑流方向總體上由東到西,一方面接受來自曲沃方向的側向徑流,再加上本區(qū)的降水入滲,構成了本區(qū)地下水的主要補給項,除部分排泄于下游外,主要為人工開采,現(xiàn)已在電廠水源地周圍形成了較大的人工開采降落漏斗。

3 淺層地熱能分區(qū)分析

Ⅰ區(qū)分布在紫金山等變質巖區(qū),因地勢較高,風化裂隙發(fā)育,大氣降水直接滲入,形成基巖裂隙水,具有潛水的特征,徑流途徑短,一般以小泉的形式排泄。底板埋深在30 m～40 m之間,水位埋深小于10 m,單井涌水量在500 m3/d～1000 m3/d之間,水質類型復雜,多為 HCO3?SO4-Na?Mg 型、HCO3?SO4型,礦化度較高,一般1000mg/L～3000mg/L。地下水回灌量在55%～65%之間,是可小規(guī)模利用地下水換熱方式的地區(qū)。如要選擇地下水換熱方式,抽回灌井比例宜為1∶3。

Ⅱ區(qū)分布在南部的衛(wèi)家莊—史店—復興村一帶,包括小韓、驛橋、上馬、秦村,該區(qū)以粉細砂、中粗砂為主,50 m以下主要以粉土、粉質粘土為主,只在50 m～70m地層夾有卵礫石,厚度在5 m以下,地下水埋深較淺,含水層厚度大于30 m,周圍土體平均導熱系數(shù)在1.3～1.8之間,是豎直地埋管換熱器的適宜地區(qū),單孔換熱功率在48 W/m～52 W/m。

該區(qū)地下水含量一般,水質一般,單井涌水量在320 m3/(d?m)～400 m3/(d?m)之間,單井回灌量在55%～70%之間,抽回灌井比例宜在 1∶2～ 1∶3之間。

Ⅲ區(qū)是指汾河、澮河現(xiàn)代河谷及兩側的沖洪積高階區(qū),由東北向西南緩傾斜,地形坡度小于10°。該區(qū)第四系含水層厚度為150 m,以粉土、粉質粘土為主,60 m～90 m夾有卵礫石,含水層厚度大于30 m,周圍土體平均導熱系數(shù)在1.2～1.5之間,是豎直地埋管換熱器較適宜地區(qū),單孔換熱功率在47 W/m～52 W/m。

該區(qū)地下水含量一般,水質一般,單井涌水量在320 m3/(d?m)～400 m3/(d?m)之間,單井回灌量在55%～70%之間,抽回灌井比例宜在 1∶2～ 1∶3之間。

4 環(huán)境評價

4.1 淺層地熱能開發(fā)對環(huán)境的影響

地源熱泵是一種先進的技術,它高效、節(jié)能、環(huán)保、有利于可持續(xù)發(fā)展,具有顯著的環(huán)保效益。目前,地源熱泵的驅動能源是電,電能是清潔能源。因此,在地源熱泵應用場合無污染。

本項目采用的可再生能源系統(tǒng)不會對環(huán)境產生有害影響。采用地埋管采暖制冷時,北方地埋管冬季的溫度最低-3℃左右,夏季最高可達到34℃左右,溫度的波動幅度要小于室外氣溫的波動幅度,并且冬季吸熱、夏季排熱,維持地下溫度場的相對平衡。土壤源熱泵技術發(fā)展至今,還未發(fā)現(xiàn)因地埋管的吸熱和放熱破壞地下溫度場,造成不利影響的相關報道。

4.2 防止淺層地熱能利用產生不利環(huán)境影響的措施

在應用地表水源熱泵時,出于生物學的原因,常要求地表水源熱泵的排水溫度不低于2℃。并要注意吸熱量和放熱量的平衡,以免造成對水生物的影響。地下水源熱泵必須有可靠的回灌措施,保證水能100%的回灌到同一含水層中。

使用土壤源熱泵技術,要嚴格遵循《中華人民共和國可再生能源法》《中華人民共和國節(jié)約能源法》及相關法律法規(guī)與GB 50366-2005地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范及相關規(guī)范的要求。要注意同一地域資源的開采數(shù)量,切忌過度開采。在地埋管地源熱泵系統(tǒng)方案設計前,應對工程場區(qū)內巖土體地質條件進行勘察。要注意地埋管工程不得不造成建筑物基礎的影響,并對地埋管工程進行熱平衡分析計算,防止出現(xiàn)過冷或過熱的現(xiàn)象。

5 侯馬市淺層地熱能研究結論與建議

5.1 侯馬市淺層地熱能研究結論

侯馬市位于山西省南部、汾河與澮河交匯處,地處亞溫帶,有冬季供熱夏季供冷的需求,且供熱與供冷天數(shù)相當,適合有蓄熱及蓄冷特點的土壤源熱泵系統(tǒng),適合地源熱泵系統(tǒng)。

結合侯馬的地質性況,建議在局部區(qū)域進行地下水源的淺層地熱能利用,在大部分區(qū)域進行地埋管項目的開發(fā)和利用。

地下水源熱泵系統(tǒng):可采資源量冬季為0.22×107kW;夏季0.23×106kW。按此開采強度,一個采暖季(120 d)可以從巖土體中取出總熱量:1.7×1013kJ,其中Ⅰ區(qū)為1.17×1012kJ,Ⅱ區(qū)為7.92×1012kJ,Ⅲ區(qū)為7.92×1012kJ。按此開采強度,一個制冷季(60 d)可以從巖土體中排放總熱量:3.158×1013kJ,其中Ⅰ區(qū)為2.18×1012kJ,Ⅱ區(qū)為1.47×1013kJ,Ⅲ區(qū)為1.47×1013kJ。

地埋管地源熱泵系統(tǒng):淺層地熱能經初步估算,Ⅰ區(qū)夏季可開采資源量0.12×107kW;冬季可開采資源量0.16×107kJ。Ⅱ區(qū)夏季可開采資源量0.18×107kW,冬季可開采資源量0.23×107kW;Ⅲ區(qū)夏季可開采資源量 0.18×107kJ;冬季可開采資源量0.23×107kW。按此開采強度,一個采暖季(120 d)可以從巖土體中取出總熱量:Ⅰ區(qū)為4.15×1012kJ;Ⅱ區(qū)為 5.96×1012kJ;Ⅲ區(qū)為5.96×1012kJ。一個制冷季(60 d)可以從巖土體中排放總熱量:Ⅰ區(qū)為3.1×1012kJ,Ⅱ區(qū)為 4.7×1012kJ,Ⅲ區(qū)為 4.7×1012kJ。

5.2 侯馬市淺層地熱能建設

1)建議出臺相關政策,設立專門機構負責推廣應用,初級階段可提供免費的相關信息服務。

2)要搞好淺層地熱能開發(fā)利用的總體規(guī)劃,在適宜區(qū)內盡量合理、均衡布局。防止一哄而上,盲目發(fā)展,過度開發(fā),避免工程項目過于集中,相互影響。要因地制宜,采用淺層地熱能換熱形式。

3)建議確定采用淺層地熱能的范圍。如在開發(fā)條件適宜地區(qū),鼓勵新建或改建的較大項目采用淺層地熱能等。

4)要搞好機井設計,嚴格成井工藝,不允許用農業(yè)井的經驗打空調井。要對打空調井的打井隊伍加強技術培訓,實行市場準入制度,加強管理,保證工程質量。

5)對已建工程要加強后期觀測研究工作,定期進行水量、水質和水溫檢測,總結經驗,不斷改進。

6)建議有關部門加強對水資源的管理,搞好技術服務,決不允許只抽不灌、多抽少灌或將尾水偷偷排掉,否則地下水資源枯竭了,熱泵工程也就報廢了。