邢臺(tái)市區(qū)淺層地?zé)豳Y源及潛力評(píng)估

袁宗強(qiáng)

摘要：從邢臺(tái)市區(qū)城市發(fā)展對(duì)淺層地溫的資源需求出發(fā)，結(jié)合該區(qū)淺層地?zé)崮苜x存情況進(jìn)行了淺層地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)，經(jīng)計(jì)算200 m以上淺層地?zé)醿?chǔ)存總量為597.60×1012 kJ。地埋管適宜區(qū)和較適宜區(qū)淺層地?zé)峥衫昧繛?141470.63 kW。地下水換熱系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)淺層地?zé)峥衫昧繛?25957.384 kW。并分析了淺層地?zé)崮軒淼慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值，提出了適宜邢臺(tái)市區(qū)的淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：淺層地?zé)?；熱?chǔ)；地下水換熱系統(tǒng)；邢臺(tái)市區(qū)

中圖分類號(hào)：P314

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2017）10016204

1 引言

淺層地?zé)崾侵傅乇硪韵乱欢ㄉ疃确秶ㄒ话銥楹銣貛е?00 m埋深）內(nèi)，溫度低于25℃，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開發(fā)利用價(jià)值的地球內(nèi)部的熱能資源。其熱能主要來自地球深部的熱傳導(dǎo)，由于埋藏淺（深度小于200 m）、溫度低（一般溫度低于25℃），所以也稱為“低溫地?zé)崮堋薄\層地?zé)崮艿臏囟纫话愀哂诋?dāng)?shù)仄骄鶜鉁?～5℃，溫度比較穩(wěn)定，分布廣泛，開發(fā)利用方便。淺層地?zé)崮艿睦?，主要是通過熱泵技術(shù)的熱交換方式，將賦存于地層中的低品位熱源轉(zhuǎn)化為可以利用的高品位熱源，既可以供熱，又可以制冷。

位于太行山山前傾斜平原區(qū)的邢臺(tái)市區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源是比較豐富的地區(qū)，具有一定的淺層地?zé)崮荛_發(fā)前景。近幾年來也已經(jīng)有少數(shù)單位開始使用淺層地?zé)崮苓M(jìn)行冬季取暖和夏季制冷。但是邢臺(tái)市區(qū)未進(jìn)行過專項(xiàng)的淺層地?zé)崮苜Y源調(diào)查工作，地溫的利用和推廣呈現(xiàn)出很大的盲目性。因此，需要對(duì)邢臺(tái)市區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)，為該區(qū)合理開發(fā)利用淺層地?zé)崮芴峁┗A(chǔ)科學(xué)依據(jù)。筆者通過收集資料和開展淺層地?zé)崮芾脳l件調(diào)查，選擇有代表性地段進(jìn)行原位熱傳導(dǎo)試驗(yàn)，以獲得地層綜合換熱能力，初步查明調(diào)查區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源數(shù)量、質(zhì)量以及分布規(guī)律，進(jìn)行開發(fā)利用區(qū)劃，為淺層地?zé)崮芸沙掷m(xù)開發(fā)及合理開發(fā)利用提供基礎(chǔ)資料和依據(jù)。

2 淺層地?zé)崮苜Y源賦存概述

淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用與其賦存條件息息相關(guān)，而資源賦存主要依附于氣候條件地質(zhì)條件和巖土熱物性等。

2.1 氣候概況

本區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，冬季寒冷少雪，盛行東北風(fēng)，夏季炎熱多雨，盛行東南風(fēng)。該區(qū)歷年平均氣溫13.5℃，極端最低氣溫-22.4℃（1958年1月16日），極端最高氣溫41.8℃（1961年6月12日）。多年平均降水量516.1 mm（1956～2006年），最低228.2 mm（1972年），最高1269.0 mm（1963年），日降水量最大為304.3 mm（1963年8月4日），降水量年際間變化大，且具10～11年的周期性特點(diǎn)。年內(nèi)則多集中于6～9月份，占全年的70%以上。最大年蒸發(fā)量2190.6 mm，最小年蒸發(fā)量1257.1 mm，平均年蒸發(fā)量1887.0 mm。區(qū)最大風(fēng)速18 m/s，最大季節(jié)性凍土深度41 cm，平均相對(duì)濕度為59.6%，年平均日照時(shí)數(shù)為2297 h，全年無霜期200 d?？傮w上該區(qū)四季分明，適宜開發(fā)利用淺層地?zé)崮堋?/p>

2.2 地質(zhì)概況

邢臺(tái)市從大的地貌單元上位于山西高原與華北平原的過度地帶上，區(qū)內(nèi)地勢(shì)是西高東低，地形起伏較大，形態(tài)復(fù)雜。自西向東依次為中低山、低山、低丘壟崗和山前傾斜平原等地貌景觀。

工作區(qū)位于太行山東麓山前沖洪積傾斜平原上（圖1），區(qū)內(nèi)地形較為平坦，起伏不大，總的地形西高東低，地面標(biāo)高在126～55 m之間，自然坡降2.75‰左右，該區(qū)地層由老至新有：下古生界奧陶系，上古生界石炭系、二疊系和新生界第四系。

邢臺(tái)市自西向東跨越兩個(gè)水文地質(zhì)區(qū)，以內(nèi)丘—邢臺(tái)—峰峰弧形斷裂為界，中西部為百泉泉域巖溶水、孔隙水水文地質(zhì)區(qū)，東部為孔隙水水文地質(zhì)區(qū)。地下水資源豐富，由于地下巖土的含水率高，對(duì)于地埋管的地源熱泵工程，可提升其熱交換率，非常有利于熱泵工程的應(yīng)用。

2.3 巖土體熱物性特征概況

巖土體熱物性特征包括巖土體的熱導(dǎo)率比熱容以及地溫場特征等，其反映了巖土體的蓄熱和導(dǎo)熱能力，是影響淺層地?zé)崮苜Y源賦存的重要影響因素。巖土體熱物性在實(shí)際工作中通常由巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)獲取。

由巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果可知，工區(qū)巖土熱導(dǎo)率為0.8501～1.574 W/mK ，比熱容為1.481～1.746 kJ/（kg·℃）（表1）。在地溫梯度方面，工區(qū)內(nèi)地溫梯度基本介于1.5℃/100m與2.0℃/100m之間。區(qū)內(nèi)的地溫梯度總體是西南和東部偏高，地溫梯度值等于或大于2.0℃/100m，西北與南部的南康莊-南陳村-柴家莊-后樓下一帶地溫梯度值小于或等于1.5℃/100m。工作區(qū)的恒溫層深度為35 m，恒溫層溫度15.5℃，多年平均地面溫度15.5～15.9℃。

在大地?zé)崃鞣矫?，根?jù)河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院編制的《邢臺(tái)市地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》中給出的平均熱流值作為研究大地?zé)崃髦导矗?0 mW/m2。

3 淺層地?zé)豳Y源儲(chǔ)量及換熱功率計(jì)算

研究區(qū)淺層地?zé)豳Y源儲(chǔ)量規(guī)模特指在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開發(fā)利用價(jià)值埋藏深度一般在距地表200 m以內(nèi)的地?zé)崮軆?chǔ)量。

3.1 淺層地?zé)醿?chǔ)存量計(jì)算

地?zé)崮軆?chǔ)存量采用體積法計(jì)算。通過對(duì)工作區(qū)范圍內(nèi)鉆孔的收集，盡量做到了鉆孔的均勻分布，本次共收集工作區(qū)范圍內(nèi)42個(gè)鉆孔。計(jì)算面積為適宜開發(fā)利用淺層地?zé)崮艿耐恋孛娣e。在計(jì)算中將調(diào)查區(qū)總面積200 km2按42個(gè)鉆孔平均分配，每個(gè)鉆孔分配面積為4.7619 km2，體積法相關(guān)參數(shù)依據(jù)表1，計(jì)算結(jié)果為包氣帶中地?zé)崮軆?chǔ)存量為46.99×1012kJ ；在200 m以淺含水層和相對(duì)隔水層中地?zé)崮軆?chǔ)存量為550.61×1012kJ；總計(jì)597.60×1012kJ。

3.2 換熱功率計(jì)算

研究中將可利用量，采暖期取熱量和制冷期排熱量分為地下水熱系統(tǒng)和地埋管換熱系統(tǒng)、適宜區(qū)和較適宜區(qū)分別計(jì)算。

3.2.1 地下水換熱系統(tǒng)

采用水量折算法計(jì)算可開采資源量，計(jì)算式為：

Qq=Qb×n×τ（1）

式（1）中：Qq為評(píng)價(jià)區(qū)淺層地?zé)崮軗Q熱功率（kw）；

Qb為單井淺層地?zé)崮軗Q熱功率（kw）；

n為計(jì)算面積內(nèi)可鉆孔數(shù)量；

τ為土地利用率。

具體計(jì)算步驟為，根據(jù)工作區(qū)地下水換熱方式適宜性（富水性）分區(qū)，確定各區(qū)域單井出水量，通過水量折算出單井可提取利用熱量（表2），根據(jù)單位面積可布抽灌對(duì)井?dāng)?shù)乘以布井區(qū)面積（適宜、較適宜區(qū)面積乘以土地利用系數(shù)）和單井換熱功率計(jì)算適宜、較適宜區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)換熱功率（表3）。

計(jì)算結(jié)果為，地下水換熱系統(tǒng)適宜區(qū)可利用面積為7.062 km2，可利用資源量為301331.585 kW；較適宜區(qū)可利用面積為23.397 km2，可利用資源量為224625.799 kW。地下水換熱系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)總可利用資源量為525957.384 kW。

按此開采強(qiáng)度，在工作區(qū)內(nèi)一個(gè)采暖、制冷節(jié)（120 d）可以從地下巖土體提取或排放的熱量為：525957.384×3600×24×120×0.52=283.56×1010kJ。

3.2.2 地埋管換熱系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場地源熱泵熱響應(yīng)試驗(yàn)，確定地層綜合傳熱系數(shù)，從而獲得地層綜合換熱能力，為邢臺(tái)市淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)工作提供地源熱泵設(shè)計(jì)、資源量計(jì)算等技術(shù)參數(shù)。先計(jì)算單孔換熱量，然后根據(jù)單孔換熱量和淺層地?zé)崮苡?jì)算面積，計(jì)算地埋管換熱量。

（1）單孔換熱量計(jì)算表達(dá)式為：

D=Kz/1000×ΔT×L （2）

式（2）中：D單孔換熱量，kW；

Kz綜合傳熱系數(shù)，W/（m·℃）；

ΔT溫差，℃，即為U型管內(nèi)循環(huán)液平均溫度與巖土體原始溫度之差；

L單U型地埋管換熱孔長度，m。

換熱孔的換熱量現(xiàn)場及熱物性測(cè)試結(jié)果見表4，由此計(jì)算單孔換熱量夏季為2.599 kW，冬季為1.879 kW。

（2）可開采資源量計(jì)算表達(dá)式為：

Dq= D×n×τ（3）

式（3）中：Dq單位面積淺層地?zé)崮芸砷_采量，kW；

D單孔換熱量，kW；

n可鉆換熱孔數(shù)；

τ土地利用系數(shù)。

本次計(jì)算換熱孔間距取5 m，均按網(wǎng)格狀布孔，則在1 km2范圍內(nèi)均勻布孔的鉆孔數(shù)為4萬個(gè)。土地利用系數(shù)為25%，則可鉆換熱孔數(shù)量為10000個(gè)。

計(jì)算結(jié)果為單位面積1 km2范圍內(nèi)夏季可開采資源量為25990 kW；冬季可開采資源量為18790 kW；夏冬兩季節(jié)可開采資源總量為44780 kW。適宜區(qū)可利用面積為32.391 km2，適宜區(qū)夏季可開采資源量為841842.09 kW，冬季可開采資源量為608626.89 kW；夏、冬兩季節(jié)可開采資源總量為：1450468.98 kW。較適宜區(qū)可利用面積為8.382 km2，較適宜區(qū)夏季可開采資源量為217848.18 kW，冬季可開采資源量為157497.78 kW，夏、冬兩季節(jié)可開采資源總量為：375345.96 kW。適宜區(qū)和較適宜區(qū)范圍內(nèi)夏季可開采資源量為1059690.27 kW，冬季可開采資源量為766124.67 kW。

按此開采強(qiáng)度，在工作區(qū)內(nèi)一個(gè)采暖季（120 d）可以從地下巖土體提取的熱量：766124.67×3600×24×120×0.52=413.04×1010kJ。一個(gè)制冷季（120 d）可以向地下巖土體排放的熱量為1059690.27×3600×24×120×0.52=571.32×1010kJ，總計(jì)984.36×1010kJ。

4 淺層地?zé)崮芾玫纳鐣?huì)價(jià)值

依據(jù)環(huán)保統(tǒng)計(jì)資料，冬采暖鍋爐每燃燒1 t標(biāo)煤，向大氣排放一氧化碳（CO）22.7 kg、二氧化碳（CO2、以碳基計(jì)算）440 kg、碳?xì)浠衔铮–NHM）0.45 kg、氮氧化物（NOX）3.62 kg、二氧化硫（SO2）16.72 kg、粉塵15.0 kg、灰渣260.0 kg。

依據(jù)前面計(jì)算所得，淺層地?zé)崮軆?chǔ)存量為597.60×1012kJ，采用地下水換熱系統(tǒng)可利用量為283.56×1010kJ。（其中適宜區(qū)為121.10×1010kJ、較適宜區(qū)為162.46×1010kJ）；采用地埋管換熱系統(tǒng)可利用量為984.36×1010kJ（其中適宜區(qū)為782×1010kJ、較適宜區(qū)為202.36×1010kJ）。若按可利用淺層地?zé)崮苡?jì)算，相當(dāng)于433165.30 t煤發(fā)熱量（其中適宜區(qū)308530.0 t煤發(fā)熱量，較適宜區(qū)124635.3 t煤發(fā)熱量）（按1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量為29271 kJ計(jì)算），可減少污染物排放，（污染物排放量見統(tǒng)計(jì)表5）對(duì)改善大氣質(zhì)量，減少產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體（主要?dú)怏wCO2），尤其是在冬季采暖季節(jié)是很有必要的。所以淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用對(duì)大氣環(huán)境保護(hù)是有利的。

5 開發(fā)利用

淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用受社會(huì)生產(chǎn)力、科學(xué)技術(shù)水平、水文地質(zhì)條件，以及政治經(jīng)濟(jì)等多方面因素的影響與制約，該區(qū)淺層地?zé)豳Y源的賦存條件受第四系地質(zhì)結(jié)構(gòu)巖性巖相、沉積環(huán)境、水文地質(zhì)特征、巖土熱物理性質(zhì)、淺層地溫場特征、環(huán)境地質(zhì)條件等多方面因素的控制，只有根據(jù)區(qū)內(nèi)淺層地?zé)崮苜Y源的特點(diǎn)，能源消耗結(jié)構(gòu)以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)等社會(huì)要素進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，才能最大限度地合理開發(fā)利用該資源。

地下水地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)利用原則上必須采取可靠的回灌措施，確保置換冷熱量后的水全部回灌到同一含水層中。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，應(yīng)對(duì)抽水量、回灌量、水質(zhì)、水溫進(jìn)行定期檢測(cè)，回灌水水質(zhì)至少應(yīng)與原采集地下水的水質(zhì)相當(dāng)，以保證回灌后不會(huì)引起區(qū)域性地下水水質(zhì)污染，杜絕水資源的浪費(fèi)，合理有效地利用地下水資源；其次為了預(yù)防井管堵塞，應(yīng)及時(shí)清除堵塞含水層和井管的雜質(zhì)，在進(jìn)行回灌以后，通過回?fù)P，排除回灌井水中的堵塞物，或抽水井與回灌井定期互換，以確保回灌質(zhì)量。

在地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)利用原則上，地埋管應(yīng)采用化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)大的、流動(dòng)阻力小的塑料管材；豎直地埋管換熱器埋管深度宜大于20 m，鉆孔孔徑不宜小于110 mm，間距應(yīng)滿足換熱需要，間距宜為3～6 m。水平連接管的深度應(yīng)在凍土層以下0.6 m，且距地面不宜小于1.5 m，水平環(huán)路坡度宜為0.002°；并需要加強(qiáng)對(duì)地埋管附近的地溫監(jiān)測(cè)工作。

6 建議及結(jié)語

為使這項(xiàng)新技術(shù)得到推廣，為使高效、節(jié)能、環(huán)保得到充分體現(xiàn)，提出以下建議。

（1）地下水源熱泵，要做到同層回灌，抽水回灌要做到密閉，以防止與外界接觸而使地下水質(zhì)發(fā)生變化。

（2）建議采用較先進(jìn)的成井工藝，切勿將不同的含水層連通。

（3）建議在工作區(qū)內(nèi)，分區(qū)做回灌試驗(yàn)和原位熱傳導(dǎo)試驗(yàn)，以便更準(zhǔn)確地了解區(qū)內(nèi)地下水回灌難易和巖土換熱指標(biāo)，更好地為規(guī)劃建設(shè)服務(wù)。

目前在邢臺(tái)市區(qū)淺層地?zé)豳Y源開采利用方面雖然尚存在一些問題但筆者相信在政府及相關(guān)部門的協(xié)調(diào)下，在不斷完善各項(xiàng)政策法規(guī)規(guī)程規(guī)范基礎(chǔ)上，隨著科技的進(jìn)步及創(chuàng)新，淺層地?zé)豳Y源這一清潔環(huán)保能源一定能為區(qū)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)發(fā)揮更大的作用。

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