延安市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用潛力評價(jià)

李小等，張鵬偉，楊炳超，盧 娜

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局烏魯木齊自然資源綜合調(diào)查中心，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

淺層地?zé)崮苁侵柑N(yùn)藏在地表以下一定深度范圍(多指200 m以內(nèi))巖土體、地下水和地表水中具有開采價(jià)值的熱能[1]。地?zé)崮茏鳛橐环N分布廣泛的清潔環(huán)保型可再生能源，在我國建筑物供暖和制冷上得到越來越多的應(yīng)用和研究[2]。楊衛(wèi)波等通過構(gòu)建地埋管傳熱模型，分析了各項(xiàng)熱特性參數(shù)[3]。劉曉茹從巖土體全年熱平衡的角度，分析了地埋管地源熱泵系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的可行性[4]。潘俊和宋佳蓉對地埋管地源熱泵系統(tǒng)在本溪地區(qū)的適宜性進(jìn)行了評價(jià)[5]。李碩和駱祖江(2020)基于南通市的地質(zhì)情況和現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，研究了南通市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的可行性[6]。

延安市地處黃土高原河谷地區(qū)，周邊為黃土梁峁，城市所在溝谷地勢狹窄，極易遭受到大氣與水體污染，因此生態(tài)文明城市建設(shè)任重道遠(yuǎn)。市區(qū)內(nèi)淺層地?zé)崮苎芯抗ぷ髌鸩捷^晚，開發(fā)利用程度低，目前全市僅有1處地埋管地源熱泵工程，主要用于冬季供暖。因有專家質(zhì)疑地源熱泵在冷熱負(fù)荷不平衡的情況下長期運(yùn)行，將會使土壤溫度逐漸上升或下降，導(dǎo)致地埋管換熱器換熱環(huán)境惡化，換熱效率下降，從而影響熱泵機(jī)組的效率和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，使得該工程并未投入實(shí)際使用[7]。為了加強(qiáng)延安市生態(tài)城市建設(shè)，達(dá)到低碳城市的目標(biāo)，筆者在針對區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件、地層熱物性及地?zé)崮荛_發(fā)利用模式進(jìn)行了系統(tǒng)性分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算評價(jià)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用潛力，為該地區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用提供了一定的理論數(shù)據(jù)支撐。

1 自然地理

延安市地處鄂爾多斯地塊中東部的黃土高原地區(qū)，屬半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候。區(qū)內(nèi)主要地層巖性為中-新生代地層。第四系黃土分布廣泛，幾乎遍布全區(qū)，其余時(shí)代地層多沿河谷兩側(cè)零星出露。水系屬黃河流域，主要河流有延河和洛河。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫10.6℃，平均年降水量563.3 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 110.1 mm。

2 開發(fā)利用條件

2.1 地質(zhì)條件

延安市地層結(jié)構(gòu)按地貌可分為黃土丘陵區(qū)、黃土殘塬區(qū)、黃土中山區(qū)、基巖中低山區(qū)，結(jié)構(gòu)上的差異從根本上控制著淺層地?zé)崮艿馁x存條件[8]。地形破碎，沒有連續(xù)、統(tǒng)一的區(qū)域地下水流場，地下水順地勢向附近溝谷排泄，形成各自相互獨(dú)立的局部水流系統(tǒng)。同時(shí)滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡等環(huán)境地質(zhì)問題也影響著淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用[9]。

2.2 巖土體的熱物性

2.2.1 巖土概化及參數(shù)取值

地層巖土體熱物性參數(shù)主要有導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容[10]。利用巖土體常規(guī)測試和熱物性測試成果，對物理性質(zhì)和熱物性質(zhì)相近的地層進(jìn)行了概化處理[11]，其中將黃土、素填土概化為粉土類，圓礫概化為砂礫石類，砂巖、泥質(zhì)砂巖概化為砂巖類，泥巖、頁巖、泥質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖概化為泥巖類。熱物性參數(shù)取值見表1。

表1 巖性概化及熱物性參數(shù)取值表

2.2.2 巖土體熱物性分區(qū)

參照相關(guān)現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)成果資料，采用類比法取值巖土體熱物性參數(shù)[12]。見表2。

表2 各孔熱物性參數(shù)取值表

3 適宜性評價(jià)

淺層地?zé)崮苜x存分布、可利用規(guī)模和開采方法主要受地層巖性、厚度、含水層結(jié)構(gòu)、富水性、水位埋深、補(bǔ)給徑流條件等因素制約[13]。分析區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件等是適宜性區(qū)劃的前提基礎(chǔ)。適宜性評價(jià)的主要任務(wù)是全面分析地質(zhì)的各類影響因素，對研究區(qū)進(jìn)行開發(fā)適宜性分區(qū)[14]，進(jìn)而評價(jià)區(qū)域淺層地?zé)豳Y源開發(fā)利用潛力，最終為政府統(tǒng)一規(guī)劃、提高能源利用效率、保障能源安全的宏觀決策提供基礎(chǔ)依據(jù)。評價(jià)原則是以地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，水文地質(zhì)條件為依托，熱泵應(yīng)用技術(shù)做媒介，經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境保護(hù)并重，平面劃分與垂向控制結(jié)合[15]。

3.1 地下水地源熱泵適宜性評價(jià)

考慮到含水層巖性、分布、埋深、厚度、富水性、滲透性，地下水溫、水質(zhì)、水文動態(tài)變化、水源地保護(hù)和地質(zhì)災(zāi)害等因素[16]，各區(qū)縣均為地下水地源熱泵不適宜區(qū)，見表3。

表3 地下水換熱方式適宜性分區(qū)

3.2 地埋管地源熱泵適宜性評價(jià)

根據(jù)地層巖性特征，結(jié)合目前地埋管地源熱泵系統(tǒng)在基巖地區(qū)應(yīng)用的實(shí)際情況，考慮巖土體特性、巖土可鉆性、地下水的分布與滲流、地下空間利用情況等主要因素[17]，參考指標(biāo)具體見表4，區(qū)縣適宜性評價(jià)結(jié)果見表5。

表4 地埋管換熱適宜性分區(qū)

表5 延安市各區(qū)縣規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵適宜性評價(jià)結(jié)果表

4 資源潛力計(jì)算

4.1 總熱容量

采用熱儲法計(jì)算地埋管地源熱泵較適宜區(qū)淺層地?zé)崮軣崛萘?，通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算包氣帶和含水層中地?zé)崮軆Υ鏌崃縖18]，公式為(1)至(7)。

4.1.1 包氣帶

在包氣帶中，其淺層地?zé)崮苜Y源量按下式計(jì)算：

QR=QS+QW+QA

(1)

其中：QS=ρSCS(1-φ)Md1

(2)

QW=ρWCWωMd1

(3)

QA=ρACA(φ-ω)Md1

(4)

式中：QR為包氣帶淺層地?zé)崮軣崛萘?，kJ/℃；QS為包氣帶巖土體中的熱容量，kJ/℃；QW為包氣帶所含水中的熱容量，kJ/℃；QA為包氣帶所含空氣中的熱容量，kJ/℃；ρS為巖土體密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；ρA為空氣密度，kg/m3；CS為巖土體比熱容，kJ/kg·℃；CW為水比熱容，kJ/kg·℃；CA為空氣比熱容，kJ/kg·℃。φ為巖土體的孔隙率(或裂隙率)；ω為巖土體的含水率；M為計(jì)算面積，m2；d1為包氣帶計(jì)算厚度，m；

4.1.2 含水層

在淺層含水層和相對隔水層中，淺層地?zé)崮軆Υ媪堪聪率接?jì)算：

QR=QS+QW

(5)

其中：QS=ρSCS(1-φ)Md2

(6)

QW=ρWCWφMd2

(7)

式中：QR為含水層淺層地?zé)崮軣崛萘浚琸J；QS為含水層中巖土體中的熱容量，kJ；ρS為巖土體密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；QW為含水層中水的熱容量，kJ；CW為水比熱容，kJ/kg·℃；φ為巖土體的孔隙率(或裂隙率)；M為計(jì)算面積，m2；d2為含水層計(jì)算厚度，m。

考慮到地表以淺3m受氣候、開發(fā)措施等影響[19]，得出3～200 m的淺層地?zé)崮軣崛萘亢嫌?jì)為1.20×1014kJ/℃，見表6。

表6 延安市各區(qū)縣規(guī)劃區(qū)200 m以淺熱容量計(jì)算表

4.2 淺層地?zé)崮軗Q熱功率計(jì)算

4.2.1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率計(jì)算方法

根據(jù)U形地埋管換熱器傳導(dǎo)系數(shù)計(jì)算[20]，公式(8)至(10)。

Qd=D×n

(8)

D=ks×L×|t1-t4|×10-3

(9)

n=(m×τ)/mi

(10)

式中：Qd為評價(jià)區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率，kW；D為單孔換熱功率，kW；n為計(jì)算面積內(nèi)換熱孔數(shù)；ks為地埋管換熱器綜合傳熱系數(shù)，(W/m·℃)；L為地埋管換熱器長度，(m);t1為地埋管內(nèi)流體的平均溫度，(℃)；t4為溫度影響半徑之外巖土體的溫度，(℃)；m為各分區(qū)計(jì)算面積(m2)；τ為土地利用系數(shù)；mi為單個(gè)換熱孔所占面積(m2)。

4.2.2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率參數(shù)選取

根據(jù)有關(guān)資料和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[7]， mi值為25 m2。L長度取200 m。ks值，河谷階地和黃土粱峁區(qū)參數(shù)分別采用YAG4孔和YAG2孔數(shù)據(jù)。地埋管折減系數(shù)取0.3，地埋管利用溫差(|t1-t4|)冬季為15.84℃，夏季為14.16℃，τ值計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 延安市各區(qū)縣規(guī)劃區(qū)土地利用系數(shù)表

4.2.3 地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率計(jì)算

采用MapGIS空間分析功能[21]，計(jì)算出各區(qū)塊的可利用面積、可鉆孔數(shù)、單孔換熱功率等，最終得出延安市各區(qū)縣規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵較適宜區(qū)總面積為265.98 km2，總換熱功率為1.04×107kw(冬季)/9.27×106kw(夏季)，見表8。

表8 200 m以淺地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率計(jì)算成果表

4.2.4 可供暖面積計(jì)算

在適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合淺層地?zé)崮艿目衫昧浚?jì)算評價(jià)單位面積可利用量的供暖和制冷面積。經(jīng)調(diào)研和中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所要求計(jì)算[22-24]，得出延安市建筑物冬、夏季綜合冷熱負(fù)荷值分別為74.5 w/m2和103.5 w/m2。

根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)換熱功率的計(jì)算成果以及延安市冬季供暖和夏季制冷指標(biāo)，進(jìn)一步計(jì)算出較適宜區(qū)可供暖面積和可制冷面積，公式見(11)。

(11)

式中：m為地埋管地源熱泵系統(tǒng)可供暖/可制冷面積，m2；Qq為地埋管地源熱泵系統(tǒng)較適宜區(qū)換熱功率，kw；q為調(diào)查評價(jià)區(qū)冬季供暖、夏季制冷熱指標(biāo)， W/m2。

表9結(jié)果表明，延安市各區(qū)縣規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵較適宜區(qū)冬季可供暖面積1.39×108m2，夏季可制冷面積為8.95×107m2。

表9 200 m以淺地埋管地源熱泵系統(tǒng)可供暖面積計(jì)算成果表

5 結(jié)語

(1)延安市各區(qū)縣淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用條件較適宜，大部分區(qū)域較適宜于地埋管地源熱泵建設(shè)；全區(qū)不適宜采用地下水地源熱泵方式。

(2) 淺層地?zé)崮芸偀崛萘繛?.20×1014kJ/℃，冬季可供暖面積為1.39×108m2，夏季可制冷面積為8.95×107m2。地?zé)豳Y源量較大，具有一定的開發(fā)利用潛力。