貴陽市土壤源淺層地溫能適宜性分區(qū)及資源量評價

宋小慶,段啟杉

（1.貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院,貴陽 550008；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 111地質(zhì)大隊,貴陽 550008）

貴陽市土壤源淺層地溫能適宜性分區(qū)及資源量評價

宋小慶1,2,段啟杉1,2

（1.貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院,貴陽 550008；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 111地質(zhì)大隊,貴陽 550008）

淺層地溫能作為清潔、可再生的新型能源,對解決能源短缺、溫室氣體排放等問題有很大幫助。在分析貴陽市土壤源淺層地溫能賦存條件、現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗的基礎(chǔ)上,獲得了區(qū)內(nèi)熱物性參數(shù)、地層的熱效應(yīng)試驗特征。利用層次分析法對土壤源淺層地溫能進行了適宜性分區(qū),并以此為基礎(chǔ)計算了貴陽市淺層地溫能的總換熱功率和開發(fā)利用潛力。貴陽市土壤源淺層地溫能如能充分的開發(fā)利用,則冬季可供暖面積1.95×108m2,夏季可制冷面積1.95×108m2,推廣和利用淺層地溫能對貴陽市經(jīng)濟的快速發(fā)展具有重要意義。

淺層地溫能；賦存條件；適宜性分區(qū)；資源量評價；貴陽市土壤源

2015,32（12）：14－17

1 研究背景

淺層地溫能是指地表以下一定深度范圍內(nèi)（一般為恒溫帶至200 m埋深）,溫度低于25℃,在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟條件下具備開發(fā)利用價值的地?zé)崮躘1］。淺層地溫能根據(jù)利用方式的不同,可分為土壤源和水源2種,其中土壤源是以巖土體作為熱源和熱匯,利用埋設(shè)于地下的換熱器與巖土體進行冷熱交換,從而實現(xiàn)建筑冷、熱負(fù)荷需求[2－3］。作為一種綠色清潔的可再生能源,淺層地溫能有著儲量巨大、分布廣、開發(fā)利用成本低等優(yōu)點,對其進行全面高效的開發(fā),對于解決當(dāng)前能源短缺、溫室氣體排放等問題具有很大幫助[4］。

貴陽市是貴州省政治、經(jīng)濟、文化、科教、交通中心和西南地區(qū)重要的交通通信樞紐、工業(yè)基地及商貿(mào)旅游服務(wù)中心,被譽為“高原明珠”,其城市發(fā)展定位為宜居、經(jīng)濟生態(tài)、友好自然的國際生態(tài)文明城市。但隨著貴陽市經(jīng)濟的快速增長,其對能源的需求將保持較快的增長態(tài)勢,與此同時,節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)境保護等任務(wù)也日益加重。淺層地溫能作為節(jié)能、環(huán)保、可再生的新型能源,將對貴陽市的生態(tài)城市建設(shè)發(fā)揮重要作用。本文以貴陽市淺層地溫能調(diào)查評價項目為基礎(chǔ),對貴陽市土壤源淺層地溫能的賦存特征進行了介紹,并在適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上,開展貴陽市淺層地溫能資源量的計算及潛力評價。

2 研究區(qū)概況

2.1 氣候

貴陽市處于低緯度高海拔的黔中山原區(qū),為冷暖氣流的交匯地帶,屬副熱帶溫和濕潤的氣候。多年平均氣溫為15.3℃,最熱月（7月份）平均氣溫24℃,最冷月（1月份）平均氣溫5℃,極端最高氣溫39.5℃,極端最低氣溫－9.5℃。貴陽地區(qū)供暖期為每年12月份至次年2月份,制冷期為每年7－9月份。

2.2 水文地質(zhì)條件

貴陽市碳酸鹽巖及夾碎屑巖的碳酸鹽巖巖層分布廣泛,占城建區(qū)總面積的90.03%,碎屑巖占9.97%。第四系分布面積小同,且厚度薄,平均厚度為4.27 m。

特殊的地質(zhì)造就了貴陽地區(qū)獨特的水文地質(zhì)條件,區(qū)內(nèi)地下水類型以碳酸鹽巖巖溶水為主,地下水位埋深多小于30 m。廣泛分布的碳酸鹽巖區(qū)域巖溶強烈發(fā)育,巖層富水性呈現(xiàn)不均一性,其含水性主要受裂隙及巖溶發(fā)育控制,不同的含水巖組富水性有比較明顯的差異,而同一含水巖組因其所處得地質(zhì)構(gòu)造及地貌部位不同,其富水性也存在著差異,地下水分布極不均勻[5］。特殊的水文地質(zhì)條件使得貴陽市在利用地下水地源熱泵的同時,產(chǎn)生一系列的水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)問題。因此,貴陽地區(qū)地下水開發(fā)淺層地溫能的方式已逐漸被遺棄,取而代之的是地埋管式的利用方式。

3 土壤源淺層地溫能賦存條件

3.1 巖土體熱物性特征

貴陽市第四系分布面積小,平均厚度不足5 m,區(qū)內(nèi)淺層地溫能主要賦存在基巖巖體中。區(qū)內(nèi)不同巖性地層的物性特征差異較大,由于地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,巖土體熱物性在平面上沒有漸變變化規(guī)律。

通過取樣測試得出區(qū)內(nèi)巖土體的熱物性參數(shù),測試巖土樣120件,測試方法為瞬態(tài)熱線法,試驗設(shè)備為西安夏溪電子科技有限公司生產(chǎn)的TC3000熱線法導(dǎo)熱系數(shù)儀,儀器測量范圍為0.005～20 W/（m·℃）,測量精度為±3%,分辨率為0.005 W/（m·℃）。統(tǒng)計得出貴陽市分布的砂巖、泥巖等碎屑巖類的導(dǎo)熱系數(shù)為2.3～2.8 W/（m·℃）；碳酸鹽巖類的導(dǎo)熱系數(shù)為2.3～3.0 W/（m·℃）。所有地層中寒武系婁山關(guān)群白云巖導(dǎo)熱系數(shù)最高,平均值達4.895 W/（m·℃）。3.2 淺層地溫場特征

貴陽市的恒溫帶深度在25～35 m之間,恒溫帶溫度15.0～16.0℃（圖1）。區(qū)內(nèi)地?zé)嵩鰷芈式橛冢?.7～2.3）℃/100 m,在平面上,增溫率呈自南東向北西遞增趨勢。

圖1 貴陽市淺層地溫場特征曲線Fig.1 Characteristic curves of shallow geothermal field in Guiyang

3.3 地層熱響應(yīng)特征

采用天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院生產(chǎn)的PTPT111熱響應(yīng)測試儀,開展9個孔的現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗,該儀器壓力等級為1.0 MPa,流量0.05～5.0 m3/h,溫度范圍4～95℃,溫差范圍3～60℃,最大電功率8 000 W。試驗均使用雙U換熱器,回填料采用《淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范》（DZT0225—2009）中熱導(dǎo)率較高的石英砂、膨潤土混合物（石英砂含量90%、膨潤土含量10%）,試驗?zāi)M夏季制冷工況為小功率4 000 W,大功率6 000 W。

通過9組熱響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)分析（表1）,貴陽市巖土體的熱導(dǎo)率介于2.166～3.212 W/（m·℃）,熱擴散系數(shù)介于0.936×10－6～1.322×10－6m2/s,總熱阻介于0.091～0.279（m·℃）/W。

4 土壤源淺層地溫能適宜性分區(qū)

作為淺層地溫能開發(fā)利用的首要工作,適宜性分區(qū)對資源量的評價和指導(dǎo)淺層地溫能開發(fā)起著至關(guān)重要的作用。本文運用層次分析法（APH）,在綜合考慮專家建議指標(biāo)[6］和其他檢驗指標(biāo)[7］的情況下,對貴陽市土壤源淺層地溫能的適宜性進行了評價（圖2）。結(jié)果表明,土壤源淺層地溫能適宜區(qū)面積為327.9 km2,占城市建設(shè)面積的91.03%,為巖土體熱物性參數(shù)大,單孔換熱功率高,地形、環(huán)境地質(zhì)條件好的區(qū)域；不適宜區(qū)面積為32.3 km2,占城市建設(shè)面積的8.97%,為巖土體熱物性參數(shù)較小,單孔換熱率低,地形、環(huán)境地質(zhì)條件差的區(qū)域（表2）。

5 資源量評價

在適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上,開展貴陽市淺層地溫能資源量的計算。

5.1 換熱功率

根據(jù)現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗取得的熱導(dǎo)率、換熱器傳熱系數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),計算單孔換熱功率。在淺層地溫能條件相同或相近區(qū)域,根據(jù)單孔換熱功率和土壤源淺層地溫能適宜面積,計算總換熱功率。

表1 貴陽市淺層地溫能熱響應(yīng)試驗統(tǒng)計Table 1 Results of thermal response test of shallow geothermal energy in Guiyang

圖2 貴陽市土壤源淺層地溫能適宜性分區(qū)Fig.2 Map of suitability classification of shallow geothermal energy from soils in Guiyang

表2 貴陽市淺層地溫能適宜性分區(qū)統(tǒng)計Table 2 Results of suitability classification of the shallow geothermal energy in Guiyang

利用現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗取得傳熱系數(shù)ks,計算單孔換熱功率,即

式中：ks為地埋管換熱器傳熱系數(shù)（W/（m·℃））；L為推算換熱器長度（取120 m）；夏季取14℃,冬季取10℃。區(qū)域換熱功率計算[8］公式為式中：Qh為換熱功率（kW）；D為單孔換熱功率（W）；n為計算面積內(nèi)換熱孔數(shù),以換熱器間距5 m計算。

土壤源淺層地溫能的宜建面積為49.09 km2。由此計算出貴陽市土壤源淺層地溫能的夏季換熱功率為1.37×107kW,冬季換熱功率為9.72× 106kW。

5.2 潛力評價

根據(jù)貴陽市氣候條件及建筑結(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。由此得出,貴陽市土壤源淺層地溫能如能全部開發(fā),則冬季可供暖面積為1.95×108m2,夏季可制冷面積為1.95×108m2。這完全滿足貴陽市2011—2020年城市總體規(guī)劃的人口居住總建筑面積（1.156×108m2）的供暖及制冷需求。

6 結(jié) 語

受水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件的影響,貴陽市主要以土壤源熱泵方式開發(fā)利用淺層地溫能。貴陽市土壤源淺層地溫能主要賦存于基巖巖體中,其巖土體的熱導(dǎo)率為2.166～3.212 W/（m·℃）,熱擴散系數(shù)為0.936×10－6～1.322×10－6m2/s,總熱阻為

0.091～0.279（m·℃）/W。通過層次分析法,評價出土壤源淺層地溫能適宜區(qū)面積為327.9 km2,不適宜區(qū)為32.3 km2。在此基礎(chǔ)上,利用現(xiàn)場熱效應(yīng)試驗數(shù)據(jù),計算出夏季換熱功率為1.37×107kW,冬季換熱功率為9.72×106kW,冬、夏季的可供空調(diào)面積均約為1.95×108m2。

[1]韓再生,冉偉彥,佟紅兵,等.淺層地?zé)崮芸辈樵u價[J］.中國地質(zhì),2007,34（6）：1115－1121.（HAN Zai-sheng,RAN Wei-yan,TONG Hong-bing,et al.Exploration and Evaluation of Shallow Geothermal Energy[J］.Geology in China,2007,34（6）：1115－1121.（in Chinese））

[2]范 蕊,張改景,龍惟定.淺層土壤蓄熱能資源量計算分析[J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012,44（4）：111－115.（FAN Rui,ZHANG Gai-jing,LONG Wei-ding.Resource Estimate on Shallow Soil Thermal Storage for Ground Source Heat Pump[J］.Journal of Harbin Institute of Technology,2012,44（4）：111－115.（in Chinese））

[3]周 游.南方地區(qū)淺層地源熱泵利用研究[D］.長沙：湖南大學(xué),2008.（ZHOU You.Utilization of Shallow Ground Source Heat Pump in the South China[D］.Changsha：Hunan University,2008.（in Chinese））

[4]唐永香,李嫄嫄,俞衲安,等.天津濱海新區(qū)淺層地?zé)豳Y源評價及開發(fā)利用對策分析[J］.地質(zhì)找礦論叢,2014,29（4）：622－627.（TANG Yong-xiang,LI Yuanyuan,YU Reng-an,et al.Resource Assessment and Exploitation Countermeasures of the Shallow Geothermal Energy in Tianjin Binhai New Area[J］.Contributions to Geology and Mineral Resources Research,2014,29（4）：622－627.（in Chinese））

[5]段啟杉,孟凡濤,宋小慶,等.貴陽市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J］.地下水,2013,35（1）：44－58.（DUAN Qi-shan,MENG Fan-tao,SONG Xiao-qing,et al.Shallow Geothermal Energy Development and Utilization Situation and Development Prospects in Guiyang[J］.Ground Water,2013,35（1）：44－58.（in Chinese））

[6]趙 軍,戴傳山.地源熱泵技術(shù)與建筑節(jié)能應(yīng)用[M］.北京：中國建筑出版社,2007.（ZHAO Jun,DAI Chuanshan.Application of Geothermal Pump Technology and Architectural Energy Saving[M］.Beijing：China Architecture＆Building Press,2007.（in Chinese））

[7]張國斌.河北省地?zé)豳Y源分布特征、開發(fā)利用現(xiàn)狀、存在問題與建議[J］.中國煤田地質(zhì),2006,18（增）：25－27.（ZHANG Guo-bin.Geothermal Resource Distribution and Existing Problems in Exploitation and Utilization[J］.Coal Geology of China,2006,18（Sup.）：25－27.（in Chinese））

[8]張甫仁,彭清元,朱方圓,等.重慶市主城區(qū)淺層地溫能資源量評價研究[J］.中國地質(zhì),2013,40（3）：974－980.（ZHANG Fu-ren,PENG Qing-yuan,ZHU Fangyuan,et al.The Evaluation of Shallow Geothermal Energy Resources in Chongqing[J］.Geology in China,2013,40（3）：974－980.（in Chinese））

（編輯：姜小蘭）

Suitability Classification and Resource Evaluation of Shallow Geothermal Energy from Soils in Guiyang

SONG Xiao-qing1,2,DUAN Qi-shan1,2
（1.Guizhou Geological Engineering Investigation Design and Research Institute,Guiyang 550008,China；2.The 111th Geological Team,Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Guizhou Province,Guiyang 550008,China）

Shallow geothermal energy（SGE）,as a new kind of clean and renewable energy,can be used to solve energy shortage,emission of greenhouse gas,etc.On the basis of in-situ thermal conductivity test,the reserve condition of SGE in Guiyang was analyzed,and thermal parameters of the region in association with test data of stratum thermal effects were obtained.According to analytic hierarchy process（AHP）,suitability classification was carried out for SGE from soil.Furthermore,we calculated the total heat power and the potential of development and utilization of SGE in Guiyang.Results show that,on the supposition of full utilization of SGE from soil in Guiyang,in the winter, we can supply heating for area of 1.95×108m2；while in the summer,we can cool the identical area.In light of this,it is very significant to promote the utilization of SGE in Guiyang.

shallow geothermal energy；reserve condition；suitability classification；resource evaluation；geothermal energy from soils in Guiyang

P641.3

A

1001－5485（2015）12－0014－04

10.11988/ckyyb.20150316

2015－04－17；

2015－05－29

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目（1212011120163）

宋小慶（1986－）,男,貴州龍里人,工程師,碩士,主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)工作,（電話）13688511929（電子信箱）376109559＠qq.com。