一種地?zé)崮芸稍偕Y源量的新算法
——以北京為例

李寧波，冉偉彥，于 湲，楊俊偉

（1. 北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2.中國地質(zhì)調(diào)查局淺層地溫能推廣中心，北京 100195）

一種地?zé)崮芸稍偕Y源量的新算法
——以北京為例

李寧波1，2，冉偉彥1，2，于 湲1，2，楊俊偉1，2

（1. 北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2.中國地質(zhì)調(diào)查局淺層地溫能推廣中心，北京 100195）

摘 要：北京地?zé)豳Y源勘查始于20世紀50年代中期。70年代初期，針對以往對地?zé)豳Y源的可再生性認識不足，不能真實反映地?zé)豳Y源中蘊含的可循環(huán)利用的熱量，造成計算值偏小的情況。本文介紹了一種地?zé)峥稍偕Y源量的新算法，計算每個熱田的可再生資源量，從而重新估算北京市地?zé)崮艿馁Y源潛力。通過計算，采用對井抽灌方式且地?zé)崴?00%回灌條件下抽灌井間距為300m時，10個地?zé)崽锓秶鷥?nèi)地?zé)崮芸商峁┑墓┡娣e為3.01億m2；采用地?zé)崽菁壚茫ê蜔峄厥眨┙Y(jié)合其他輔助清潔能源調(diào)峰方式對建筑物進行供暖，全市熱田面積內(nèi)可供暖面積為8.60億m2。對比傳統(tǒng)地?zé)峥刹少Y源量與本次研究采用的新算法，采用對井系統(tǒng)供暖可大大提高布井密度，使可供暖面積提高73倍。通過對地?zé)崮芸稍偕Y源量進行計算，對于推進全國范圍內(nèi)的地?zé)岚l(fā)展，具有良好的推動作用。

關(guān)鍵詞：地?zé)崮?；可再生資源量；地?zé)峁┡?/p>

0　引言

能源是一個國家持續(xù)發(fā)展的基石。隨著中國經(jīng)濟發(fā)展步伐的加快，對能源的需求持續(xù)增加。作為一個資源匱乏，人口眾多的國家，能源消耗是一個沉重的負擔(dān)。新能源的發(fā)展已經(jīng)擺在了應(yīng)對能源危機的首要位置。北京作為全國地?zé)崂玫闹饕鞘兄?，起步早，勘探開發(fā)經(jīng)驗豐富，北京地?zé)豳Y源勘查始于20世紀50年代中期。70年代初期，在著名地質(zhì)學(xué)家李四光先生的倡導(dǎo)下，開始了平原區(qū)深部地?zé)豳Y源的勘查。自20世紀90年代末，地?zé)嶂苯永冒l(fā)展迅速，地?zé)峋當(dāng)?shù)量以20～30眼/年的速度增長。近年來，為了減少空氣污染，政府大力推廣包括地?zé)嵩趦?nèi)的清潔能源應(yīng)用，進一步推進了地?zé)衢_發(fā)利用。為積極應(yīng)對全球氣候變化與資源環(huán)境約束的新挑戰(zhàn)，建設(shè)低碳城市成為首都未來發(fā)展的戰(zhàn)略方向，開發(fā)地?zé)豳Y源是首都實現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一。

1　地?zé)峁┡l(fā)展現(xiàn)狀

地?zé)嵊糜诠┡軌虺浞职l(fā)揮中低溫地?zé)豳Y源的特點。國內(nèi)建筑能耗在總能耗的比重由20世紀70年代末的10%增長到近幾年的30%。而采暖和空調(diào)在總建筑能耗中占55%。傳統(tǒng)的鍋爐供暖會造成二氧化碳的排放和能源浪費［1］。目前全國推廣建筑節(jié)能，倡導(dǎo)在建筑中應(yīng)用可再生能源，包括地?zé)崮艿氖褂?。北京市擁?0個地?zé)崽?，面積約2760 km2，它們多是以區(qū)域性構(gòu)造斷裂為邊界。北京市地?zé)豳Y源具有十分巨大的開發(fā)潛力，利用前景十分廣闊。地?zé)豳Y源的開發(fā)利用對于調(diào)整我市能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)、緩解能源供應(yīng)壓力、保障能源供應(yīng)安全、促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展起到了十分重要的作用。與此同時，2013年繼國務(wù)院印發(fā)了《大氣污染防治行動計劃》后，北京市隨后發(fā)布了《北京市2013-2017年清潔空氣行動計劃》，到2017年，全市空氣中的細顆粒物年均濃度比2012年下降25%以上，控制在60ug/m3左右。

據(jù)統(tǒng)計，2014年全國地?zé)峁┡娣e達到6032萬m2，比2009年增長99.7%，年平均增長率達15%，全國供暖面積中天津市為1900萬m2，位居第一，河北省為1380萬m2，位居第二［1］。2014年北京地?zé)峁┡娣e約200萬m2，開發(fā)利用主要集中在小湯山，采用地?zé)峁┡膯挝还灿?7個，所在地區(qū)均為巖溶裂隙型熱儲，其中采用對井循環(huán)供暖的單位有15個，基本達到100%回灌（少數(shù)為多用途井），目前均正常運行，供暖面積約103萬m2，分布在小湯山、延慶、城區(qū)等7個地?zé)崽铩?/p>

2　地?zé)崮芸稍偕Y源量計算的探討

由于以往對地?zé)豳Y源的可再生性認識不足，傳統(tǒng)計算方法中單純強調(diào)可開采量，不能真實反映地?zé)豳Y源中蘊含的可循環(huán)利用的熱量，造成計算值偏小。

依據(jù)《北京市地?zé)豳Y源2006-2020年可持續(xù)利用規(guī)劃》，全市各熱田計算面積2760 km2內(nèi)，開采深度3500 m以內(nèi)熱儲層中儲存的總熱量為500.772×1015kJ，相當(dāng)于284.67億t標(biāo)準煤的發(fā)熱量（標(biāo)煤量按燃效60%的發(fā)熱量換算，下同）；儲存的地?zé)崴?79.73億m3，其中蘊藏?zé)崃?772.49×1012kJ，相當(dāng)于2.15億t標(biāo)準煤的發(fā)熱量。按儲存地?zé)崴偭康?.45%計，每年可開采地?zé)崴s8085萬m3，可從熱水中獲取熱量16.97×1012kJ，相當(dāng)于96.49萬t標(biāo)準煤的發(fā)熱量［2］。

本次研究中采用對井功率法計算每個熱田的可再生資源量，從而重新估算北京市地?zé)崮艿馁Y源潛力。通過對地?zé)峋疅嵊绊懛秶葏?shù)進行統(tǒng)計分析，從而推算北京市10個地?zé)崽锏牡責(zé)崮芸稍偕Y源量。

2.1 熱田每平方公里可供暖面積計算

（1）地?zé)峋楣嗑g距的確定

經(jīng)過計算，本次研究對象的15對抽灌井間距最小值為33m，最大值為14370m，其中10對抽灌井的間距在100～600m范圍內(nèi)，經(jīng)計算其平均值為297m（取整為300m），見表1。

（2）地?zé)峋疅嵊绊懛秶拇_定

由于采用對井抽灌井的地?zé)峁┡椖績H僅是提取地?zé)崮?，幾乎不消耗地下熱水，而只是利用它傳熱，所以不用考慮井的壓力影響半徑，而只考慮回灌井的熱影響范圍，因而可以通過加大布井密度，實現(xiàn)地?zé)崮艿母咝Э沙掷m(xù)利用。取抽灌井間距為300m，以36萬m2（600m×600m）為一個對井抽灌系統(tǒng)的熱影響范圍。每平方千米熱田范圍內(nèi)可容納的地?zé)峋楣嘞到y(tǒng)約2.78個。

表1　研究對象的抽灌井間距與熱影響范圍統(tǒng)計表

2.2 采用對井功率法估算地?zé)峥稍偕Y源量

（1）地?zé)釋到y(tǒng)的熱功率計算

根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》GB/T1165—2010，地?zé)崃黧w可開采量所采出的熱產(chǎn)能，可按以下公式計算［3］。

Wt=4.187Q（t-t0）

式中：Wt—地?zé)峋臒峁β?，單位為千瓦（kW）；

Q—地?zé)崃黧w的可開采量，單位為升每秒（L/S）；

t—為開采井地?zé)崃黧w溫度，單位為攝氏度（℃）；

t0—為回灌井地?zé)崃黧w溫度，單位為攝氏度（℃）。

經(jīng)統(tǒng)計，10個項目的平均溫差為23.9℃，平均小時流量70.6m3（表2），計算得出每個對井系統(tǒng)的熱功率為1.96MW。

（2）地?zé)崮芸晒┡娣e估算

由于每個對井系統(tǒng)的熱功率為1.96MW，則每平方千米的熱功率為5.45MW，熱負荷指標(biāo)按50W/ m2計算，每平方千米的供暖面積約為10.90萬m2，則10個地?zé)崽锩娣e為2759.87 km2范圍內(nèi)可供暖面積為3.01 億m2。

2.3 采用梯級利用結(jié)合調(diào)峰方式進行供暖的地?zé)崮芸稍偕Y源量估算

若全部采用地?zé)崽菁壚茫峄厥眨┙Y(jié)合其他輔助清潔能源方式對建筑物進行供暖，將利用溫差提高一倍，則地?zé)峋β蕿?.92MW。

按每平方公里2.78個抽灌系統(tǒng)計算，每平方千米的熱功率為10.90MW。單位面積平均熱負荷指標(biāo)按35 W/ m2計算（地?zé)峁┡袚?dān)的基本熱負荷占70%，其他輔助方式占30%），按北京執(zhí)行節(jié)能標(biāo)準的新建公建和一類住宅混合建筑考慮，全市熱田面積2759.87km2可供暖最大潛力為8.60億m2。

表2　 地?zé)峥稍偕Y源量計算參數(shù)統(tǒng)計表

2.4 傳統(tǒng)地?zé)峥刹少Y源量計算方法與新算法的對比

根據(jù)《北京市地?zé)豳Y源2006-2020年可持續(xù)利用規(guī)劃》，北京市地?zé)崽飪?nèi)熱儲中儲存的總熱量為500.772×1018J，相當(dāng)于284.67億t標(biāo)準煤的發(fā)熱量（標(biāo)煤量按燃效60%的發(fā)熱量換算，下同），儲存的地?zé)崴?79.73億m3，其中蘊藏?zé)崃?772.49×1015J，相當(dāng)于2.15億t標(biāo)準煤的發(fā)熱量。如果按照儲存地?zé)崴偭康?.45%計算，每年可開采地?zé)崴s8085萬m3，可從熱水中獲取熱量16.97×1015J，相當(dāng)于96.49萬t標(biāo)準煤的發(fā)熱量。如果按照實際開采量與水位下降的關(guān)系計算，每年水位下降1.5m，可開采地?zé)崴?470萬m3；如果考慮增加50%的回灌量，每年水位下降1.5m，可開采地?zé)崴?200萬m3。

根據(jù)《北京市地?zé)豳Y源潛力調(diào)查評價成果報告》［4］，按地?zé)崴晁唤捣鶠?m計算，采用類比法計算北京地?zé)崴昕砷_采量為7039萬m3；采用擬穩(wěn)定流壓力傳導(dǎo)公式以地?zé)崮昕砷_采量為7775萬m3，可從熱水中獲取的熱量為13.09×1012kJ。

以地?zé)崮昕砷_采量為7775萬m3計算，小時流量2.7 萬m3，利用溫差20℃，則地?zé)峋臒峁β始s206MW，單位面積平均熱負荷指標(biāo)取50W/ m2，可供暖面積約412萬m2。

現(xiàn)按地?zé)崮芸稍偕Y源量的計算方法，估算北京市10個地?zé)崽锏目晒┡娣e為3.01億m2。對比傳統(tǒng)算法，數(shù)值相差約73倍。

3　結(jié)語

本次的新算法突出了地?zé)豳Y源的可再生性，由于在本算法中缺少對15個項目的完整的階段回灌實驗與熱平衡試驗，尚存在一定的局限性，需要將來進一步研究加以完善。本算法僅提供了一種計算地?zé)崮芸稍偕Y源量的思路，受目前條件局限，其中部分參數(shù)仍有待今后驗證和修改完善。通過對地?zé)崮芸稍偕Y源量進行計算，對于推進全國范圍內(nèi)的地?zé)岚l(fā)展具有良好的推動作用。

建議進一步開展對北京平原區(qū)地?zé)豳Y源的調(diào)查評價工作，通過實地調(diào)研，獲取地?zé)峁┡椖康膶嶋H運行數(shù)據(jù)，為全面評價地?zé)豳Y源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻

［1］Zheng K Y， Dong Y， Chen Z H.et al.Speeding up Industrialized Development of Geothermal Resources in China - Country Update Report 2010-2014. Proceedings World Geothermal Congress 2015 Melbourne， Australia，2015.

［2］北京市國土資源局. 北京市地?zé)豳Y源2006—2020年可持續(xù)利用規(guī)劃.2006年

［3］中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局. GB11615-89，中華人民共和國國家標(biāo)準-地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范. 北京：中國標(biāo)準出版社，1990.

［4］張進平等. 北京市地質(zhì)調(diào)查研究院.北京市地?zé)豳Y源潛力調(diào)查評價成果報告，2007年.

中圖分類號：TK521+.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1007-1903 （2015） 02-0001-04

A New Algorithm of Geothermal Renewable Resources —Taking Beijing as an Example

LI Ningbo1，2， RAN Weiyan1，2， YU Yuan1，2， YANG Junwei1，2

（1. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau， Beijing 100195； 2.Shallow Geothermal Energy Promotion Center， China Geological Survey， Beijing 100195）

Abstract:Beijing geothermal resources exploration began in the mid of 1950s. The early 1970s， for the lack cognition to renewable characteristics of geothermal resources in the past， it cannot correctly refl ect the recycled heat contained from geothermal resources， resulting in the calculated value being smaller. The paper describes a new algorithm of geothermal renewable resources to calculate renewable resource of each geothermal fi eld，thereby re-estimates geothermal resource potential in Beijing. By calculation， using the way of couple well pumping and at 100% recharge irrigation conditions with the well spacing of 300 meters， it can provide heating area of 301 million square meters in ten geothermal fi elds. The use of geothermal cascade utilization （and heat recovery） combined with other clean energy peaking mode for heating， the heating area of ten geothermal fi elds can attain 860 million square meters. Compared with the traditional geothermal recoverable resources and new algorithms in this study， the use of the couple well system can greatly improve the well spacing density and enhance 73 times of heating area. Through the geothermal renewable resource calculation， it plays a good role in promoting the geothermal development across the country.

Keywords:Geothermal energy；Renewable resources；Geothermal heating