鄭州市地下水源熱泵適宜區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源量評價(jià)

田良河，閆震鵬，劉新號

（河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001）

鄭州市地下水源熱泵適宜區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源量評價(jià)

田良河，閆震鵬，劉新號

（河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001）

采用數(shù)值模擬法確定了鄭州市地下水源熱泵適宜區(qū)最佳井間距，評價(jià)了鄭州市地下水源熱泵適宜區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源。

鄭州市；水源熱泵；適宜區(qū)；淺層地?zé)崮苜Y源；評價(jià)

鄭州市淺層地?zé)崮艿馁x存層主要為第四系及新近系上部松散堆積物，其地下水換熱系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)面積為739.63km2。地區(qū)含水層厚度大，水量較豐富，易開采，為地下水換熱系統(tǒng)應(yīng)用提供了有利條件。

1 評價(jià)區(qū)域與方法

（1）評價(jià)區(qū)域和深度

淺層地?zé)崮軆Υ尜Y源量計(jì)算深度為恒溫帶至200m以淺松散沉積物底界，計(jì)算面積為鄭州市適宜淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的面積。

（2）評價(jià)方法

采用熱儲法計(jì)算淺層地?zé)崮軆Υ尜Y源量，用地下水量折算法計(jì)算可利用資源量。

熱儲法是計(jì)算淺層地?zé)崮軆Υ媪康闹饕椒ā?/p>

①包氣帶熱儲量計(jì)算：

式中：QR淺層地?zé)崮軆Υ婵偭浚╧J）；

QS巖土體中的熱儲量；

QW巖土體所含水中的熱儲量；

QA巖土體中所含空氣中的熱儲量。

Qs按下式計(jì)算：

式中：ρS巖土體密度（kg/m3）；

CS巖土體比熱容（kJ/kg·℃）；

φ 巖土體的孔隙率（或裂隙率）；

M 計(jì)算評價(jià)區(qū)域面積（m2）；

d 包氣帶厚度（m）；

ΔT 利用溫差（℃）。

Qw按下式計(jì)算：

式中：ρW水密度(kg/m3)；

Cw 水比熱容(kJ/kg·℃)；

ω 巖土體含水量。

QA按下式計(jì)算：

式中：ρA空氣的密度（kg/m3）；

CA空氣的比熱容（kJ/kg·℃）。

②飽水帶中熱儲量按下式計(jì)算：

式中：QR淺層地?zé)崮軆Υ婵偭浚╧J）；

QS巖土體中的熱儲存量（kJ）；

QW巖土體所含水中的熱儲存量（kJ）。

QS的計(jì)算公式同（2）式；QW按下式計(jì)算：

式中：d 地下水面至計(jì)算下限的巖土體厚度（m），包括需要計(jì)算的含水層和相對隔水層。

（3）換熱功率與可利用資源量

在地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜區(qū)內(nèi)，根據(jù)地下水循環(huán)利用量計(jì)算換熱功率。其計(jì)算方法為：①根據(jù)計(jì)算區(qū)不同水文地質(zhì)單元的富水性確定各區(qū)域的單井出水量；②根據(jù)各個(gè)水文地質(zhì)單元的單井出水量，利用數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)、調(diào)查訪問法等確定最佳井間距；③根據(jù)最佳井間距確定單位面積上的可布井?dāng)?shù)，并根據(jù)提取溫差計(jì)算單位面積可提取利用的熱流量；④利用單位面積上的可提取地?zé)崃砍艘韵鄳?yīng)面積并累加，得到整個(gè)區(qū)域內(nèi)利用地下水源熱泵系統(tǒng)所能提取的淺層地?zé)崮芸衫觅Y源量。

具體計(jì)算公式如下：

式中：qw評價(jià)區(qū)單井出水量（m3/d）；

Qh單井換熱功率（kW）；

△T地下水利用溫差（℃）。

式中：Q可 單位面積上淺層地?zé)崮芸砷_采量（kJ）；

N 單位面積可布井?dāng)?shù)；

t 熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間（d）。

2 參數(shù)確定

本文資源量計(jì)算所涉及到的參數(shù)采用如下方法取得。

2.1 儲存量計(jì)算參數(shù)的確定

（1）評價(jià)區(qū)面積（M）：為適宜淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的面積，包括水源熱泵適宜區(qū)和地埋管適宜區(qū)；

（2）利用溫差（ΔT）：根據(jù)實(shí)際工程調(diào)研成果，綜合確定為5℃；

（3）水的密度（ρw）與比熱容（Cw）、空氣的密度（ρA）與比熱容（CA）：均按常量選取；

（4）包氣帶厚度（d1）：以本次調(diào)查成果為主，結(jié)合收集資料綜合確定；

（5）地下水面至計(jì)算下限的巖土體厚度（d2）：根據(jù)已有資料綜合研究，確定200m以淺松散土體底界作為儲存量計(jì)算下限，其土體總厚度減去包氣帶厚度即為d2；

（6）巖土體密度（ρS）、比熱容（CS）、孔隙率（φ）、含水量（ω）：首先根據(jù)試驗(yàn)成果（表1），結(jié)合《淺層地?zé)崮芸辈樵u價(jià)規(guī)范》確定各單層土體參數(shù)，再根據(jù)垂向土體結(jié)構(gòu)組合特征進(jìn)行加權(quán)平均，確定計(jì)算深度的平均參數(shù)；

在鄭州市某區(qū)選取了不同深度的不同土樣進(jìn)行測試，測試內(nèi)容為土樣的熱物理參數(shù)，主要包括巖土體的比熱容、密度、含水量、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)等，由南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院完成。其具體測試結(jié)果見表1。最終確定儲存量各計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 土樣熱物理參數(shù)測試成果表

表2 儲存量計(jì)算參數(shù)取值表

ρSkg/m32000 CSJ/kg·℃ 1570 φ—0.4包氣帶d1m 17 ω—0.25 ρAkg/m31.29 CAJ/kg·℃ 1003飽水帶ρSkg/m31930 CSJ/kg·℃ 1250 d2m 183 φ—0.3 ρS—巖土體密度（kg/m3）；CS—巖土體比熱容（J/kg·℃）； φ—巖土體的孔隙率；d1—包氣帶厚度（m）； ω—巖土體的含水量；ρA—空氣的密度（kg/m3）；CA—空氣的比熱容（J/kg·℃）； d2—地下水面至計(jì)算下限的巖土體厚度（m）

2.2 可利用資源量計(jì)算參數(shù)確定

（1）單井出水量（qw）：根據(jù)不同水文地質(zhì)單元富水性選??；

（2）地下水利用溫差（ΔT）：根據(jù)實(shí)地調(diào)查地下水源熱泵應(yīng)用情況綜合確定，夏季利用溫差取7℃；冬季利用溫差取5℃；

（3）水的密度（ρW）與比熱容（Cw）取常量；

（4）評價(jià)區(qū)面積（M）：為地下水源熱泵適宜區(qū)面積；

（5）最佳井距（d）：指1抽2灌布井方式的最佳井間距。最佳井間距確定標(biāo)準(zhǔn)：水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期內(nèi)，抽水井溫度變化不超過利用溫差的20%，即系統(tǒng)的效率損失不超過20%。本次采用數(shù)值模擬法確定。

（6）單位面積可布井對（N）：按1抽2灌方式，根據(jù)最佳井間距計(jì)算單位面積內(nèi)可布設(shè)井對數(shù)量；

（7）系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間（t）：根據(jù)研究區(qū)實(shí)際工程運(yùn)行情況，制冷期和采暖期各取120d。

2.3 數(shù)值模擬法確定最佳井間距過程

鄭州市的水文地質(zhì)單元主要分為黃河沖積平原和塬前沖積平原，因此，選取這兩個(gè)水文地質(zhì)單元的典型剖面，構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模擬模型，利用HST3D軟件模擬確定這兩個(gè)水文地質(zhì)單元上1抽2灌系統(tǒng)的最佳井間距。

（1）黃河沖積平原

黃河沖積平原的巖性一般為粉砂到粗砂、局部夾礫石，含水層主要由多層粉砂、細(xì)砂層構(gòu)成，含水層之間由粉土及粉質(zhì)粘土隔開。單井出水量一般為1000～3000m3/d。該水文地質(zhì)單元內(nèi)的典型鉆孔結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 典型水文地質(zhì)剖面巖性分層

根據(jù)上述地層結(jié)構(gòu)，構(gòu)建1抽2灌系統(tǒng)的模擬模型。參照單井出水量，模擬中抽灌量取2000m3/d，采用等溫差回灌，提取溫差夏季為7℃，冬季為5℃。模擬周期為3年。各巖性的水文地質(zhì)參數(shù)及熱物理參數(shù)取值參照經(jīng)驗(yàn)值。分別模擬了井間距為20m，40m，60m，80m，100m，120m共6種情況。模擬結(jié)果如圖1所示。

由圖中可以看出，當(dāng)井間距為60m時(shí)，整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)抽水井的溫度變化很小，已趨于平緩。圖2給出了整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)抽水井溫度與初始溫度的最大溫差，從圖中可以看出，當(dāng)抽水井與回灌井間的距離為50m時(shí)，兩者之間的最大溫差不超過1℃。因此，對于給定的抽灌量和提取溫差條件下，黃河沖積平原上1抽2灌系統(tǒng)的最佳井間距為50m。

（2）塬前沖積平原

塬前沖積平原的主要巖性為細(xì)砂、中細(xì)砂及粘土，含水層由多層砂層組成，單井出水量一般為1000～3000m3/d。該水文地質(zhì)單元內(nèi)的典型鉆孔結(jié)構(gòu)如表4所示。

誠信是企業(yè)的立身之本，也是市場對企業(yè)的基本要求。工程造價(jià)咨詢企業(yè)要規(guī)范現(xiàn)代化管理，建立企業(yè)內(nèi)部信用評價(jià)制度，只有建立誠信經(jīng)營的職業(yè)道德自律機(jī)制，在執(zhí)業(yè)中防范不正當(dāng)、不道德的服務(wù)行為，才能維護(hù)企業(yè)形象，提高企業(yè)競爭力。

圖1

圖2

表4 典型水文地質(zhì)剖面巖性分層

根據(jù)上述地層結(jié)構(gòu)，構(gòu)建1抽2灌系統(tǒng)的模擬模型。參照單井出水量，模擬中抽灌量取1200m3/d，采用等溫差回灌，提取溫差夏季為7℃，冬季為5℃。模擬周期為3年。各巖性的水文地質(zhì)參數(shù)及熱物理參數(shù)取值參照經(jīng)驗(yàn)值。分別模擬了井間距為20m，40m，60m，80m，100m，120m共6種情況。模擬結(jié)果如圖3所示。由圖中可以看出，當(dāng)井間距為60m時(shí)，整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)抽水井的溫度變化已經(jīng)很小，趨于平緩。圖4給出了整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)抽水井溫度與初始溫度的最大溫差，從圖中可以看出，當(dāng)抽水井與回灌井間的距離為50m時(shí)，兩者之間的最大溫差不超過1℃。因此，對于給定的抽灌量和提取溫差條件下，塬前沖積平原上1抽2灌系統(tǒng)的最佳井間距為50m。

綜合考慮，確定計(jì)算區(qū)最佳井間距為50m左右。

最終確定地下水源熱泵適宜區(qū)可利用量計(jì)算參數(shù)見表5。

表5 地下水源熱泵適宜區(qū)可利用量計(jì)算參數(shù)取值表

3 淺層地?zé)崮苜Y源量評價(jià)

根據(jù)前述計(jì)算方法與參數(shù)，對鄭州市淺層地?zé)崮苜Y源量進(jìn)行計(jì)算。

3.1 儲存資源量

計(jì)算結(jié)果：包氣帶儲量256.2 1012kJ，飽水帶儲量3251 1012kJ；總儲量為3507 1012kJ。

3.2 可利用資源量

計(jì)算結(jié)果：適宜區(qū)和較適宜區(qū)總的可利用資源量為406.1 1012kJ/a，折合標(biāo)煤1385.72萬噸/年；如按平均冬季供暖負(fù)荷50w/m2、平均夏季制冷負(fù)荷75w/ m2折算，則每年冬季可供暖總面積為3.264 108m2，夏季可制冷總面積為3.045 108m2。

表6 地下水地源熱泵水質(zhì)要求

3.3 水源熱泵用地下水水質(zhì)評價(jià)

（1）評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

水源熱泵用地下水水質(zhì)參考標(biāo)準(zhǔn)見表6。

各種水質(zhì)指標(biāo)對地下水源熱泵運(yùn)行效果和使用壽命的影響如下。

①含沙量和渾濁度：有些水源含有泥沙、有機(jī)物與膠體懸浮物，使水變得渾濁。水源含沙量高對機(jī)組和管閥會造成磨損，嚴(yán)重時(shí)會造成管道堵塞。而且，含沙量和渾濁度高的水用于地下回灌會造成含水層堵塞。

②結(jié)垢趨勢：可以分析水的硬度，即水中Ca2+、Mg2+總量。硬度大，易生垢。

③礦化度：地下水礦化度的高低，直接影響土壤的含鹽量。適用于地下水源熱泵的地下水一般為淡水和弱咸水。

④酸堿度：水的pH值小于7時(shí)，呈酸性，反之呈堿性。地下水中pH值過高或者過低都會造成機(jī)組的腐蝕，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的使用壽命。地下水源熱泵的水源pH值一般應(yīng)為6.5～8.5。

⑤水中Cl-、CO2、SO42-含量：Cl-在很大程度上促進(jìn)碳的腐蝕；CO2溶解在水中，加速氧化及對高強(qiáng)度低合金鋼的腐蝕；SO42-主要對水泥起腐蝕作用。

（2）水質(zhì)適宜性評價(jià)

鄭州市22個(gè)水樣中，硬度全部超標(biāo)，Cl-、SO2-4和游離CO2局部超標(biāo)。

總體來看，地下水除硬度和個(gè)別元素局部超標(biāo)，基本滿足水源熱泵水質(zhì)需要。

4 淺層地?zé)崮芫C合評價(jià)

鄭州市2020年規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)，適宜淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的地區(qū)總面積面積為1029km2，淺層地?zé)崮芸偟膬Υ媪繛?507 1012kJ/a。

地下水源熱泵適宜區(qū)和較適宜區(qū)總面積739.63km2，地下水源熱泵形式可利用的淺層地?zé)崮苜Y源量406.1 1012kJ/a，折合標(biāo)煤1385.72萬t/a，地下水質(zhì)基本滿足水源熱泵水質(zhì)需要；實(shí)際應(yīng)用后可減排二氧化碳3404.71萬t/a。

5 結(jié)語

鄭州市第四系松散砂層中賦存豐富的淺層地?zé)崮埽子陂_采，較易回灌，對地下水換熱系統(tǒng)適宜性較好。該區(qū)淺層地?zé)崮艿暮侠黹_發(fā)利用，可產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。因此，應(yīng)加大淺層地?zé)崮苓@種清潔能源的宣傳與開發(fā)力度，提高清潔能源使用率，為節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)環(huán)保型低碳經(jīng)濟(jì)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

[1] 韓再生，冉偉彥，佟紅兵等.淺層地?zé)崮芸辈樵u價(jià)[J].中國地質(zhì)，2007，34（6）：1115～1121.

[2] 趙靜，閆震鵬，邵景力等.河南淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用環(huán)境影響研究[J].中國礦業(yè)，2009，18（5）：45～47.

The Shallow Geothermal Energy Resource Evaluation on the Suitable Area of Groundwater Source Heat Pump in Zhengzhou City

TIAN Lianghe YAN Zhenpeng LIU Xinhao
(Henan Geological Survey, Zhengzhou, 450001)

By numerical simulation, we determine the best distance between wells of the groundwater source heat pump in Zhengzhou City, and evaluate the shallow geothermal energy resource in the suitable areas. It can provide important basis for urban development and utilization of shallow geothermal energy in Zhengzhou City.

Zhengzhou City;Water source heat pump;Suitable area;Shallow geothermal energy;Evaluation

TK521

A

1007-1903(2011)03-0012-05