基于指標(biāo)法和層次分析法的淺層地?zé)崮苜Y源勘查及評(píng)價(jià)

摘要：以山東省聊城市東昌府區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用示范工程為例，系統(tǒng)研究示范工程選址、換熱方式選型的思路和工作方法。相關(guān)結(jié)論不僅為換熱孔的設(shè)計(jì)和施工提供了依據(jù)，也為開展淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用項(xiàng)目提供了參考。

關(guān)鍵詞：淺層地?zé)崮埽还こ踢x址；換熱方式選型

中圖分類號(hào)：P314 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）07-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.040

Exploration and Evaluation of Shallow Geothermal Energy Resources Based on Indicator Method and Analytic Hierarchy Process

SHANG Feilong1，2， BI Lei1，2， KONG Fandu1，2， MA Yadi1，2， ZHENG Zhuangzhuangn1，2

（1. No.1 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau;

2. Low Carbon Energy and Carbon Neutrality Engineering Research Center， Qingdao 266500， China）

Abstract： Taking the demonstration project of shallow geothermal energy development and utilization in Dongchangfu District， Liaocheng City， Shandong Province as an example， this paper systematically studies the ideas and working methods of site selection and heat exchange mode selection for the demonstration project. The relevant conclusions not only provide a basis for the design and construction of heat exchange holes， but also provide reference for the development and utilization of shallow geothermal energy projects.

Keywords： shallow geothermal energy; project site selection; selection of heat exchange methods

淺層地?zé)崮苁翘N(yùn)藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能，主要采用地源熱泵技術(shù)將蘊(yùn)藏在淺層地下的低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱，既可以用于供熱又可以用于制冷，是一種清潔、節(jié)能、可持續(xù)利用的綠色能源，利用前景廣闊[1]。開發(fā)淺層地?zé)崮軐?duì)建設(shè)生態(tài)山東具有重要的意義，是構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)、保障能源安全、改善現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的重要措施[2]。

為推進(jìn)山東省淺層地溫能資源開發(fā)利用產(chǎn)業(yè)的科學(xué)化、規(guī)范化發(fā)展，為省內(nèi)地?zé)豳Y源可持續(xù)利用提供技術(shù)支撐，山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)在聊城市東昌府區(qū)開展了淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用示范工程建設(shè)項(xiàng)目。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

東昌府區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用示范工程建設(shè)項(xiàng)目位于魯西北平原，區(qū)內(nèi)多屬黃河沖積平原，由于區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)以下降為主，沉積了巨厚的松散堆積物，屬于黃河三角洲松散物沉積區(qū)[3]。根據(jù)區(qū)域資料，工作區(qū)第四系厚度為140～180 m?？偟内厔?shì)是中東部聊考斷裂附近厚度較小，斷裂東西兩側(cè)逐漸變厚，為河流沖積堆積形成，巖性以細(xì)砂、粉砂、粉土及黏土為主。

工作區(qū)地下含水巖組以松散巖類孔隙含水巖組為主，地下水總體自東南向西北徑流。工程場(chǎng)地屬?gòu)?qiáng)富水地段，100 m以淺的地層均為第四系松散層，含水層有3～7層，單層厚度為0.5～8.0 m，主要分布于中部和下部，總厚度為12.2～21.3 m。含水層厚度自西向東逐漸增厚。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，場(chǎng)地內(nèi)單井涌水量為1 000～3 000 m3/d，水位埋深一般在6 m左右。水化學(xué)類型主要為碳酸鹽巖型，礦化度為1～3 g/L，地下水流向?yàn)樽晕飨驏|。工作區(qū)西北部和東部的回灌率小于50%，北部、南部部分地段的回灌率大于80%，其余大部地區(qū)的回灌率為50%～80%。中深層地下水的回灌率一般為50%左右。

區(qū)內(nèi)平均地溫梯度為2.6 ℃/100 m，100 m深度平均地溫為17 ℃。巖土體平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.857 W/（m·℃），平均熱擴(kuò)散系數(shù)為0.069 m2/d，平均比熱容為1.189 m2/d，平均孔深換熱量均值為54.44 W/m。

2 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用示范工程選址及選型

2.1 工作區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)

分別采用指標(biāo)法和層次分析法對(duì)兩種換熱方式進(jìn)行淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)。

2.1.1 指標(biāo)法

地下水換熱方式的影響指標(biāo)主要包括單位用水量、回灌率、地下水位年下降量及特殊地區(qū)。地埋管換熱方式的影響指標(biāo)主要包括松散巖土體厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、含水層總厚度等。地下水換熱方式適宜性分區(qū)如表1所示，地埋管換熱適宜性分區(qū)如表2所示。

2.1.2 層次分析法

運(yùn)用層次分析法分析地下水換熱方式的4個(gè)屬性指標(biāo)和10個(gè)要素指標(biāo)。其中，4個(gè)屬性指標(biāo)包括水動(dòng)力場(chǎng)、水溫場(chǎng)、水文地質(zhì)條件、水化學(xué)特征及地質(zhì)環(huán)境，10個(gè)要素指標(biāo)包括回灌能力、含水層厚度、富水性、地下水位埋深、地下水質(zhì)、地下水位下降速率、地下水溫度、地溫梯度、地面沉降程度及水源地保護(hù)區(qū)。運(yùn)用層次分析法分析地埋管換熱方式的3個(gè)屬性指標(biāo)和9個(gè)要素指標(biāo)。其中，3個(gè)屬性指標(biāo)包括地層屬性、地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、地質(zhì)環(huán)境，9個(gè)要素指標(biāo)包括滲透系數(shù)、松散層厚度、含水層厚度、地下水位埋深、咸淡水界面埋深、地層巖性、地面沉降程度、熱導(dǎo)率及水源地保護(hù)。

東昌府區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用示范區(qū)在不同換熱方式下，淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)存在差異。區(qū)西北部和東部為地下水地源熱泵適宜性差區(qū)，其余大部分地區(qū)為適宜性中等和好區(qū)。適宜性好區(qū)的淺層地溫能資源豐富，具有換熱能力好、富水性好等優(yōu)勢(shì)，非常適合建設(shè)地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

2.2 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用示范工程選址、換熱方式選型結(jié)果

東昌府區(qū)婦幼保健院嘉明分院建設(shè)工程位于地埋管換熱方式適宜性好區(qū)，位于地下水換熱方式不適宜性區(qū)，且工作區(qū)內(nèi)采用地埋管換熱方式的工程運(yùn)行效果優(yōu)于采用地下水換熱方式的工程。因此，東昌府區(qū)婦幼保健院嘉明分院建設(shè)工程可作為本項(xiàng)目的示范工程，換熱方式選擇地埋管換熱方式。根據(jù)工作區(qū)調(diào)查結(jié)果并結(jié)合場(chǎng)地條件，示范工程地埋管換熱孔單孔深度為100 m，井間距為4 m。

3 淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)

3.1 工程場(chǎng)地淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)

工程場(chǎng)地淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)以工程場(chǎng)地勘查為基礎(chǔ)，進(jìn)行場(chǎng)地淺層地?zé)崛萘吭u(píng)價(jià)和場(chǎng)地淺層地?zé)崮軡摿υu(píng)價(jià)，從而判斷工程場(chǎng)地是否滿足工程供暖（制冷）需要。

3.2 場(chǎng)地淺層地?zé)崛萘吭u(píng)價(jià)

根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況，運(yùn)用體積法計(jì)算淺層地溫容量，首先計(jì)算包氣帶和飽水帶中單位溫差儲(chǔ)藏的熱量，然后對(duì)評(píng)價(jià)范圍內(nèi)地質(zhì)體的儲(chǔ)熱量合并計(jì)算，計(jì)算公式為

QR=ρCV（1）

式中：QR為淺層地溫能熱容量，kJ/℃；ρ為儲(chǔ)熱介質(zhì)的密度，kg/m3；C為儲(chǔ)熱介質(zhì)的比熱容，

kJ/（kg·℃）；V為儲(chǔ)熱介質(zhì)的體積，m3。計(jì)算過程中應(yīng)考慮巖土體骨架、水和空氣的熱容量。

場(chǎng)地淺層地?zé)崮芸衫妹娣e為12 940 m2，地下水位平均為6 m，根據(jù)場(chǎng)地勘查獲得的巖土體熱物性參數(shù)，可以計(jì)算出場(chǎng)地100 m以淺的淺層地溫能熱容量為2.78×109 kJ/℃。

3.3 淺層地?zé)崮苜Y源潛力評(píng)價(jià)

3.3.1 淺層地?zé)崮軗Q熱功率

評(píng)價(jià)區(qū)換熱功率的計(jì)算公式為

Qh=D×n×10-3（2）

n=M/d（3）

式中：Qh為換熱功率，kW；D為單孔換熱功率，W；n為計(jì)算面積內(nèi)換熱孔數(shù)；M為場(chǎng)地淺層地?zé)崮芸衫妹娣e，m2；d為換熱孔間距，m。

3.3.2 淺層地?zé)崮苜Y源潛力評(píng)價(jià)

與區(qū)域淺層地?zé)崮苜Y源潛力評(píng)價(jià)不同，場(chǎng)地淺層地溫能資源潛力評(píng)價(jià)采用場(chǎng)地可利用量的供暖和制冷面積表示，其計(jì)算公式為

S=Qh/q（4）

式中：S為供暖（制冷）面積，m2；q為建筑物單位熱（冷）負(fù)荷，W/m2。

根據(jù)建筑用途、人員密度等相關(guān)技術(shù)參數(shù)，采用建筑面積負(fù)荷指標(biāo)選取經(jīng)驗(yàn)值，即建筑物單位面積冷負(fù)荷為101.6 W/m2，單位面積熱負(fù)荷為102.9 W/m2，計(jì)算出場(chǎng)地淺層地?zé)崮苜Y源可供暖面積為29 214 m2，可制冷面積為53 707 m2，均大于建筑物擬服務(wù)面積，滿足工程供暖（制冷）需要。

4 結(jié)論

采用指標(biāo)法及層次分析法進(jìn)行適宜性分區(qū)對(duì)比評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論。在地下水地源換熱方面，東昌府區(qū)西北部和東部為適宜性差區(qū)，其余地區(qū)為適宜性中等和好區(qū)。在地埋管換熱方面，東昌府區(qū)大部分地區(qū)為適宜性好區(qū)，更適宜采用地埋管換熱方式。

參考文獻(xiàn)

1 孔凡杜，王玉虎，柳曉松，等.地下水地源熱泵單井回灌率計(jì)算方法探討[J].西部資源，2021（2）：121-123.

2 王光凱，雷耀東，白 云，等.龍口市淺層地溫能賦存條件及開發(fā)適宜性分區(qū)[J].山東國(guó)土資源，2020（12）：32-39.

3 喻 超，王英鵬，王增輝，等.山東省聊城市“聊茌東”都市區(qū)地球化學(xué)背景值研究[J].山東國(guó)土資源，2021（12）：56-64.