蘇北平原區(qū)淺層地溫能可開采資源量評價方法

彭逸平，龐炳乾，李 貴，史云杰

(江蘇省地質工程有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引言

近年來，地源熱泵技術得到了大規(guī)模應用，而淺層地溫能也被作為一種可再生的資源而被重視，對淺層地溫能資源可開采量的評價也逐漸展開。眾多學者、專家對淺層地溫能的有效開發(fā)和可持續(xù)利用展開了多方面的研究:有學者就淺層地溫能的評價方法及評價的重要性展開了研究，總結了淺層地溫能儲存量及可開采量的評價方法(韓再生等，2007);有的學者則就淺層地溫能的開發(fā)利用對地質環(huán)境的影響程度進行監(jiān)測、研究、分析，認為巖土體溫度場的變化與深度存在關系，地溫變化與系統(tǒng)的換熱功率也相關(高新宇等，2009);有的學者對開展淺層地溫能評價的重要性及緊迫性進行了探討，并對淺層地溫能開發(fā)利用中的關鍵問題展開研究(衛(wèi)萬順等，2009);等等?，F(xiàn)有的研究均是從評價的理論方法(許苗娟等，2009;王貴玲等，2011)及其開發(fā)利用的影響出發(fā)，而對不同地質情況下淺層地溫能的真正可利用量及其分布特點的探討則較少。筆者結合典型的工程實例，從不同地質特點區(qū)域對淺層地溫能資源可開采量的影響角度出發(fā)，分析蘇北平原區(qū)淺層地溫能的可開采資源量，并重點探討可開采資源量的不同評價方法的適宜性。

長江下游平原區(qū)多由沖積而成，包括蘇南、蘇北平原區(qū)，杭嘉湖平原區(qū)等均具有相似的地質結構，常具有較多的松散沉積物堆積，形成由黏性土、砂性土、砂、砂礫層組成的巖土層，常賦存有潛水和承壓水，地下水豐富，平原區(qū)的這些特點對淺層地溫能的賦存極為有利。就淺層地溫能資源開發(fā)而言，在平原區(qū)使用地源熱泵技術具有成本低、易施工、效果好等優(yōu)點;另外，蘇北平原區(qū)是我國夏熱、冬冷氣候的典型地區(qū)，具有全年冷熱負荷量差別較小、巖土體蓄熱、取熱易于平衡等特點。因此，在長江中下游平原區(qū)大規(guī)模推廣地源熱泵技術具有明顯優(yōu)勢。

為了更加科學合理地開采淺層地溫能資源，優(yōu)化地源熱泵技術的工程應用，保證淺層地溫能資源的可持續(xù)利用，對可開采資源量進行調查評價顯得十分重要。以位于蘇北平原中心位置的某縣中心城區(qū)為例，展開淺層地溫能可開采資源量的評價，以探討平原區(qū)地下水式和地埋管式地源熱泵2種不同開采方式下，淺層地溫能的可開采資源量的評價方法，以便更科學、合理地評價資源，為開發(fā)利用淺層地溫能資源提供規(guī)劃、設計及施工依據。

1 淺層地溫能可開采資源量評價方法

目前，對于淺層地溫能可開采資源量的評價主要從地下水式及地埋管式地源熱泵2個方面展開，針對不同的評價內容分別有不同的評價方法。地下水地源熱泵系統(tǒng)的開采資源量評價方法主要有水熱均衡法及地下水水量折算法;地埋管地源熱泵系統(tǒng)的評價方法主要有換熱量現(xiàn)場測試法及熱傳導法(圖1)。

圖1 淺層地溫能可開采資源量評價框架圖

1.1 地下水地源熱泵可開采資源量評價方法

1.1.1 水熱均衡法 水熱均衡法主要是根據質量守恒及能量守恒來計算評價區(qū)的水、熱平衡情況，以了解地下水的水量及熱儲量變化情況。根據《淺層地熱能勘查評價規(guī)范》(DZ/T 0225—2009)，水、熱均衡法包括:

水均衡

式(1)中，qin為補給量，m3/d;包氣帶中主要包括降水入滲量、灌溉入滲量等，地下水主要包括降水入滲量、灌溉入滲量、渠系入滲量、河流入滲量、側向補給量、越流補給量等;qout為排泄量，m3/d，包氣帶中主要包括植物蒸騰量、土面蒸發(fā)量、下滲補給地下水的量等;地下水則主要包括潛水蒸發(fā)量、人工開采量、側向排泄量、泉排泄量、河流排泄量、越流排泄量等;Δq為儲存量的變化量，m3/d。

熱均衡

式(2)中，Din為熱收入量，kW;在包氣帶中主要包括太陽照射熱量、大地熱流量、地表水向巖土體散發(fā)的熱量、側向傳導流入的熱量等;在地下水中則主要有太陽照射熱量、大地熱流量、側向傳導流入的熱量等;恒溫帶下，熱收入項沒有太陽照射熱量;Dout為熱支出量，kW;在包氣帶中主要包括向大氣散發(fā)的熱量、向地表水散發(fā)的熱量、側向傳導流出的熱量等;在地下水中則主要包括向大氣散發(fā)的熱量、水排泄帶走的熱量、側向傳導流出的熱量等;ΔD為熱儲存量的變化量，kW。

1.1.2 地下水量折算法 對于地下水地源熱泵適宜區(qū)淺層地溫能可開采資源量的計算，較為常用的是地下水量折算法，其表達式如下。

式(3)中，D可為評價區(qū)淺層地溫能可開采量(熱換功率)，kW;Dh為單井淺層地溫能可開采量(換熱功率)，kW;n為可鉆抽水井數(shù);τ為土地利用系數(shù)。

式(4)中，Dh為單井淺層地溫能可開采量(換熱功率)，kW;qw為單井出水量，m3/d;Δt為地下水利用溫差，℃;cw為水的比熱容，kJ/(kg·℃)。

水熱均衡法偏重于對淺層地溫能資源可利用量的保證程度進行評價，此方法需要對地下水、熱的長期動態(tài)監(jiān)測數(shù)據作為支撐;而地下水量折算法則能快速準確地反映地下水地源熱泵利用淺層地溫能的資源量，因此較為常用。

1.2 地埋管地源熱泵可開采資源量評價方法

1.2.1 換熱量現(xiàn)場測試法 對于已經取得綜合傳熱系數(shù)的情況，使用換熱量現(xiàn)場測試法來對地埋管地源熱泵淺層地溫能可開采資源量進行評價較為方便，其表達式如下:

式(5)中，Dq為評價區(qū)淺層地溫能可開采資源量(熱換功率)，kW;D為單孔換熱量，kW;n為可鉆換熱孔數(shù);τ為土地利用系數(shù)，居民點、公共用地和其他用地面積占全部土地面積的比例。開展地埋管熱泵工程時，還要考慮建筑布局、建筑負荷需求、建筑占地面積、資源承載力等因素。

式(6)中，λz為綜合傳熱系數(shù)，W/(m·℃);進行換熱量現(xiàn)場測試，計量地埋管換熱器的進出水溫度、流量，在熱交換達到穩(wěn)定的條件下，計算得到鉆孔每延米在溫度變化1℃(循環(huán)液平均溫度與巖土體原始溫度比)時的換熱量即為巖土體的綜合傳熱系數(shù);Δt為溫差，即為U型管內循環(huán)液平均溫度與巖土體原始溫度之差，℃;L為U型管地埋管換熱孔長度，m。

1.2.2 熱傳導法 對于已經取得巖土體熱導率等參數(shù)時，使用熱傳導法來計算地溫能可利用量則較為方便。沒有實測的熱導率值時，可利用前人測定值進行計算，獲取計算區(qū)的平均熱導率λ值，W/(m·K)。在傳熱及換熱達到穩(wěn)定后，采用U形管進行熱交換的單孔地溫能可按下式近似計算:

式(7)中，λ1為地埋管材料的熱導率，W/(m·K)，塑料管為0.42 W/(m·K);λ2為鉆孔中回填料的熱導率，W/(m·K);λ3為鉆孔周圍巖土體的平均熱導率，W/(m·K);L為鉆孔有效換熱長度，m;r1為地埋管束等效半徑，m，單U為管內徑1.41倍，雙U為管內徑2倍;r2為地埋管束的等效外徑，m，等效半徑r1+管材壁厚;r3為鉆孔平均半徑，m;r4為換熱溫度影響半徑，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初始溫度。

得到單孔地溫能后用式(8)可以得出資源量評價區(qū)域的總可利用量。

換熱孔一般按網格布置，布孔間距根據經驗確定。

2 評價參數(shù)的獲取及評價結果

以蘇北某縣中心城區(qū)為例，進行淺層地溫能資源量不同評價方法的對比，以得出最優(yōu)的評價方法。該縣中心城區(qū)的相關地質勘查資料表明，100 m以淺的土層為全新世松散沉積物組成，為細—粗相間的沉積物，含水層總厚度在20 m左右，巖性為粉土及細、中砂為主。通過30 km2范圍內的10個現(xiàn)場熱響應測試資料及室內測試資料、工程案例，整理該地區(qū)的巖土基本熱物性參數(shù)，并進行計算(圖2)。

圖2 蘇北某縣中心城區(qū)現(xiàn)場巖土熱物性測試典型曲線圖

2.1 評價參數(shù)的獲取

通過分析評價區(qū)的取樣測試結果，結合現(xiàn)場實測、研究成果及文獻經驗來確定淺層地溫能資源量計算的基本參數(shù)值，如:巖土體的比熱容、天然密度、天然含水率及孔隙率等。對于巖土體的密度、比熱容及孔隙率，由筆者對評價區(qū)內的10個現(xiàn)場熱響應測試孔各地層的不同熱物性參數(shù)進行加權平均，再對每個孔的加權平均值取算術平均值來獲得(表1)。

表1 蘇北某縣中心城區(qū)淺層地溫能資源量計算基本參數(shù)值

對于地下水資源量的評價按1 km×1 km為單位區(qū)域進行初始參數(shù)提取，對于巖土體資源的評價則按5 m×5 m為單位區(qū)域進行初始參數(shù)提取，先計算出單位面積區(qū)域的參數(shù)值及資源量。

2.2 地下水地源熱泵可開采資源量評價

地下水地源熱泵適宜區(qū)可利用資源量計算有水熱均衡法與水量折算法，而水熱均衡法需要對地下水、熱的長期動態(tài)監(jiān)測數(shù)據作為支撐，所需相關的監(jiān)測周期較長;地下水量折算法則相對易于實現(xiàn)，原理簡單，可信度較高。因此，推薦選用地下水量折算法進行地下水式地源熱泵可開采資源量的評價計算。

土地利用系數(shù)為某一適宜區(qū)中居住用地、公共用地和其他用地面積占全部土地面積的比例。蘇北某縣中心城區(qū)淺層地溫能評價區(qū)域內草地、園地、居民點及工礦用地和未利用土地面積等占土地面積的34.16%，而開展地下水地源熱泵工程時，還要考慮建筑布局、建筑負荷需求、建筑占地面積、資源承載力、地下水連通性及城區(qū)近遠期規(guī)劃等因素的影響，取土地利用系數(shù)為10.25%(34.16% ×0.3=10.25%)。

采用公式(3)計算單井換熱功率，然后計算單位面積可鉆井數(shù)，結合土地利用系數(shù)計算單位面積可利用量，最后采用公式(4)計算區(qū)域可開采利用量(表3)。

表2 地下水量折算法計算參數(shù)

表3 蘇北某縣中心城區(qū)地下水地源熱泵可利用量

2.3 地埋管地源熱泵可開采資源量評價

地埋管適宜區(qū)地源熱泵可開采資源量的評價方法有現(xiàn)場測試法及熱傳導法來分別計算。巖土體的熱物性參數(shù)匯總在表中(表4)。

表4 蘇北某縣中心城區(qū)巖土體計算參數(shù)

續(xù)表4

2.3.1 換熱量現(xiàn)場測試法評價結果 結合獲取的評價區(qū)巖土體的基本熱物性參數(shù)，以及式(5)、式(6)的計算方法，可得到換熱量現(xiàn)場測試法的評價結果(表5)。

表5 評價區(qū)地埋管現(xiàn)場測試法地源熱泵可利用量

2.3.2 熱傳導法評價結果 首先，利用熱傳導公式計算單孔換熱功率。其次根據井間距確定單位面積可鉆孔數(shù)，結合土地利用系數(shù)及地溫能提取系數(shù)，即在用孔間距計算理想的單位面積可布井數(shù)的基礎上乘以土地利用系數(shù)和地溫能提取系數(shù)(參照地溫能提取系數(shù))，計算單位面積可利用量。最后，計算區(qū)域淺層地溫能可利用總量。根據已知的蘇北某縣地質情況，在地埋管地源熱泵利用方式下，規(guī)劃區(qū)域內淺層地溫能的可利用量(表6)。

表6 評價區(qū)地埋管熱傳導法地源熱泵可利用量

2.3.3 評價結果分析 根據上述計算結果，并結合蘇北地區(qū)的實際工程案例，對不同評價方法計算的結果進行分析。

蘇北地區(qū)的典型地下水地源熱泵中央空調系統(tǒng)工程項目:某洗浴中心，空調面積3 000 m2，空調冷負荷300 kW，熱負荷240 kW，熱水溫度50℃;抽水井深 160 m，含水層埋深 80～120 m，出水量480 m3/d，共2口抽水井，抽水水溫17.5℃;此項目建成以來運行良好，根據實際運行工況折算，其單井承擔換熱負荷量夏季約180 kW，冬季約為94 kW，與可開采量理論計算換熱量相比，完全可以滿足本項目的實際換熱需求。因此，地下水量折算法在平原區(qū)資源量評價中具有很好的精度。

蘇北平原地區(qū)的典型地埋管地源熱泵中央空調系統(tǒng)工程項目:某酒店，空調面積16 000 m2，需全年供應55℃生活熱水，空調冷負荷1 900 kW，共400口100 dn32×3地埋管井，井深100 m，初始地溫為18.0℃，平均單井承擔換熱量為5 kW，此實際值與換熱量現(xiàn)場測試法評價結果最為接近。因此，換熱量現(xiàn)場測試法在平原區(qū)資源量評價中與工程實際具有較高的吻合度，可信度較高。

3 結論

通過對評價區(qū)域淺層地溫能的理論概算和工程案例對比，得出以下3點結論。

(1)對于地下水地源熱泵可開采資源量的評價方法，地下水量折算法具有很好的精度及可操作性，易于實現(xiàn)評價。

(2)對于地埋管地源熱泵可開采資源量的評價方法，換熱量現(xiàn)場測試法具有很好的精度及可信性，其原始數(shù)據來源可靠，涉及參數(shù)較少，精度較高，具有很高的借鑒意義;而熱傳導法則由于涉及參數(shù)較多，其不確定因素較多，增 大了計算的誤差，在平原區(qū)資源評價中應當慎重選用。

(3)根據換熱量現(xiàn)場測試法冬夏季單井換熱量的差異可以看出，在實際工程設計階段，實際管井數(shù)量應當根據夏季、冬季不同的實際換熱能力來確定，并且實際換熱能力隨著利用溫差的不同而不同，因此，不應籠統(tǒng)按照井深每單位延米換熱量全年恒定來估算，這樣會造成較大誤差，對于冬夏熱平衡策略中的輔助熱源的容量選取有較大影響。

以上從具體地質特征與淺層地溫能開采利用方式相結合的角度出發(fā)，論證了在平原區(qū)淺層地溫能可開采資源量評價時，不同的開采方式下，需要選用不同的評價方法才能取得較為精確的評價結果，這為平原區(qū)特別是蘇北平原地區(qū)的淺層地溫能資源量評價提供了新思路。

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