昌樂縣淺層地溫能開發(fā)利用資源潛力評價研究

牛 妍 張承斌 尹俊凱

（山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊，山東 泰安 271000）

淺層地溫能是指從地表至地下200 m 深度范圍內(nèi)，儲存于水體、土體、巖石中的溫度低于25 ℃，采用熱泵技術(shù)可提取用于建筑物供熱或制冷等的地?zé)崮?。因其廣泛分布、儲量豐富、埋藏較淺、易于開發(fā)，且具有循環(huán)可再生、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，可替代化石能源，減少污染物排放。

2016 年開始，我國全面推進(jìn)“北方地區(qū)冬季清潔取暖”，清潔取暖政策接連出臺，淺層地溫能的開發(fā)利用也得到了各級政府部門的重視。因此，開展淺層地溫能開發(fā)利用適宜性區(qū)劃及資源潛力評價有重要的現(xiàn)實意義[1]。

1 淺層地溫能賦存條件

1.1 淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)內(nèi)既有松散堆積，又有丘陵、殘丘，200 m 以淺巖土體結(jié)構(gòu)大致以巖土二元結(jié)構(gòu)為主。

1.1.1 上部土體結(jié)構(gòu)

研究區(qū)上部主要為第四系松散巖類，厚5～60 m，由南向北逐漸變厚，主要為大站組，局部分布有黑土湖組和沂河組。巖性主要為褐黃色粉土、粘土，底部含少量碎石及土黃色姜狀鈣質(zhì)結(jié)核。

1.1.2 下部巖體結(jié)構(gòu)

研究區(qū)內(nèi)下部巖體結(jié)構(gòu)主要以新生代和古生代地層為主，隱伏于第四系之下。巖性以臨朐群（NL）火山噴發(fā)沉積的灰黑色致密塊狀、杏仁狀、氣孔狀玄武巖和古生界九龍群（∈3-O1J）灰?guī)r為主。

1.2 含水巖組劃分

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)特征，可將區(qū)內(nèi)淺層地下水分為以下三種類型：第四系松散巖類孔隙含水巖組、噴出巖類孔洞裂隙含水巖組和碳酸巖類裂隙含水巖組[2]。

松散巖類孔隙含水巖組主要分布于昌樂縣北部地區(qū)，含水層包括第四系砂礫石、粉細(xì)砂及粉土等，厚度5 m 左右，單位涌水量小于100 m3/（d·m）；噴出巖類孔洞裂隙含水巖組主要分布在研究區(qū)南部，含水層主要為新近系臨朐群牛山組（N1n）的氣孔狀玄武巖，厚度70 m 左右，單位涌水量一般小于120 m3/（d·m）；碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組主要分布于研究區(qū)東部，五圖斷裂以北，含水層巖性為奧陶系馬家溝群和寒武系九龍群炒米店組的質(zhì)純灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r等，研究區(qū)內(nèi)單井涌水量一般500 m3/d 左右。

1.3 巖土體熱物性特征

本次共采集187 件巖土樣品并測試其熱物性參數(shù)，實驗室數(shù)據(jù)匯總見表1。由表1 可以看出，各類巖性熱物理性質(zhì)相差不大，粉土、粘土等第四系松散巖類比熱容相對較大，而石灰?guī)r的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)明顯高于其他巖性。

表1 主要巖性熱物理參數(shù)一覽表

2 換熱方式適宜性分區(qū)

工作區(qū)內(nèi)第四系巖性以粘土、粉土為主，且基巖埋藏較淺，區(qū)域地下水富水性較差，而且松散層和玄武巖地層不利于地下水回灌。綜合研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，不宜進(jìn)行地下水換熱系統(tǒng)的開發(fā)利用。本文主要闡述地埋管換熱系統(tǒng)的適宜性分區(qū)。

2.1 分區(qū)方法

層次分析法，簡稱AHP，是一種解決多目標(biāo)復(fù)雜問題的定性與定量相結(jié)合的決策分析方法[3]。

2.1.1 評價體系

地埋管熱泵系統(tǒng)評價體系層次結(jié)構(gòu)模型由三層構(gòu)成，從頂層至底層分別由目標(biāo)層、屬性層和要素指標(biāo)層3 級層次結(jié)構(gòu)組成[4]。地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)評價模型如圖1。

圖1 地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)評價模型

2.1.2 因子權(quán)重確定

依據(jù)評價體系的層次結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用專家打分方法，通過各因素之間的兩兩比較確定合適的標(biāo)度，構(gòu)造判斷矩陣。使用CR 值檢驗判斷矩陣的一致性，如果沒有通過一致性檢驗，則需修改判斷矩陣，直至達(dá)到可以接受的一致性，最后確定各因子權(quán)重見表2。

表2 地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)指標(biāo)權(quán)重排序表

2.1.3 綜合評分

（1）網(wǎng)格剖分

對評價區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格大小500 m×500 m。

（2）要素分值

通過Mapgis 制圖軟件制作各因素指標(biāo)的分區(qū)圖件，包括：導(dǎo)熱系數(shù)分區(qū)圖、含水層厚度分區(qū)圖等。再應(yīng)用專家打分法，確定單因素地埋管換熱系統(tǒng)適宜性等級（1～9）。

（3）網(wǎng)格賦值

將剖分網(wǎng)格與各因素指標(biāo)分區(qū)圖疊加，并對網(wǎng)格中心點(diǎn)進(jìn)行賦值，進(jìn)而采用綜合指數(shù)法公式計算每個網(wǎng)格的分值，最終根據(jù)網(wǎng)格得分繪制綜合指數(shù)分區(qū)圖。

（4）適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合專家意見并考慮實際情況，將總得分7～9分的區(qū)域劃分為適宜性好區(qū)，5～7 分劃分為適宜性中等區(qū)，小于5 分的區(qū)域劃為適宜性差區(qū)。

2.2 分區(qū)結(jié)果

結(jié)合研究區(qū)淺層地溫能水文地質(zhì)條件、地質(zhì)條件及熱物性、地層屬性，將整個研究區(qū)劃分為地埋管換熱適宜性中等區(qū)，如圖2，區(qū)域面積55 km2。

圖2 研究區(qū)地源熱泵適宜性分區(qū)

3 資源潛力評價

3.1 熱容量計算

3.1.1 計算方法

采用體積法計算淺層地溫能熱容量，分別計算120 m 以淺包氣帶和飽水帶中的熱容量，然后求和得到研究區(qū)內(nèi)120 m 以淺的熱容量。

工作區(qū)內(nèi)均屬適宜性中等區(qū)，面積55 km2。為體現(xiàn)淺層地溫能熱容量計算參數(shù)在空間分布上的均一性和差異性，便于參數(shù)的選取，本次根據(jù)巖土體巖性等影響計算參數(shù)的因素，將工作區(qū)在平面上分為3 個區(qū)，見表3。

表3 計算分區(qū)表

3.1.2 計算結(jié)果

研究區(qū)120 m 深度內(nèi)，包氣帶熱容量為1.65×1012kJ/℃，飽水帶熱容量15.04×1012kJ/℃，合計淺層地溫能容量為16.69×1012kJ/℃。

3.2 淺層地溫能換熱功率計算

淺層地?zé)崮軗Q熱功率為在淺層巖土體、地下水中單位時間內(nèi)的熱交換量。

3.2.1 計算方法

研究區(qū)內(nèi)為地埋管換熱適宜性中等區(qū)，首先算出各區(qū)單孔換熱功率，再計算單位面積的地埋管熱泵源系統(tǒng)換熱功率，最后可布孔區(qū)域的地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率。換熱功率計算分區(qū)見表3。

3.2.2 換熱功率計算

經(jīng)計算，研究區(qū)內(nèi)120 m 以淺地埋管單孔換熱功率夏季平均2 085.96 W，冬季3 199.02 W。區(qū)內(nèi)地埋管換熱功率共計85.66×104kW/125.41×104kW（夏季/冬季）。

3.3 資源潛力評價

3.3.1 冷熱負(fù)荷的確定

按照節(jié)能建筑和老建筑為1:1，公用建筑和民用建筑3:2 計，確定夏季制冷負(fù)荷70 W/m2，冬季供暖負(fù)荷55 W/m2。

3.3.2 潛力評價

研究區(qū)內(nèi)可埋設(shè)地埋管面積全部按照5 m×5 m網(wǎng)格埋設(shè)地埋管計算其地埋管熱泵資源潛力，120 m深度內(nèi)夏季可制冷面積1 223.68 萬m2，單位面積夏季制冷22.16 萬m2；冬季供暖面積2 280.12 萬m2，單位面積冬季供暖43.27 萬m2。

4 經(jīng)濟(jì)社會效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

淺層地溫能是一種非常規(guī)能源，本文采用類比常規(guī)能源（燃煤）的方法對研究區(qū)淺層地溫能的經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)行了折算。經(jīng)計算，研究區(qū)120 m 深度內(nèi)淺層地溫能可開發(fā)利用總能量（Q）為7.53×106GJ/a，折合標(biāo)準(zhǔn)煤42.89 萬t/a。按照淺層地溫能開發(fā)利用效率35%計算，節(jié)煤量15.01 萬t/a，熱資源價值 7 505.54 萬元 /a。

4.2 環(huán)境效益分析

淺層地溫能開發(fā)利用帶來的環(huán)境效益巨大，本文參照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615-2010）計算，研究區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用每年可減少向大氣排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、懸浮質(zhì)粉塵等37.78 萬t，相當(dāng)于每年節(jié)省治理費(fèi)用4 234.63 萬元，見表4。

表4 淺層地溫能開發(fā)利用環(huán)境效益估算表

5 結(jié)論及建議

（1）基于昌樂縣研究區(qū)的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、地層屬性和熱物性等條件，對昌樂縣城市規(guī)劃區(qū)進(jìn)行了淺層地溫能適宜性分區(qū)。結(jié)果表明，全區(qū)均為適宜性中等區(qū)。

（2）對昌樂縣研究區(qū)進(jìn)行了淺層地溫能資源潛力評價，結(jié)果顯示研究區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用潛力大，可帶來巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益。

（3）昌樂縣城南街道范圍內(nèi)可以大力推廣地埋管地源熱泵技術(shù)，昌樂經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)可鼓勵淺層地溫能的開發(fā)利用，老城區(qū)及朱劉街道為一般開發(fā)區(qū)，對已有建筑進(jìn)行節(jié)能改造及新建建筑時可適當(dāng)開發(fā)利用淺層地溫能資源。