乐陵市浅层地热能开发利用资源潜力评价

孟锦,尹承亮,薛成永,卢雨,徐博凯

摘要：通过对乐陵市浅层地热能赋存条件的研究，结合岩土样测试及现场热响应试验等数据的分析[1]，运用层次分析法对研究区进行了开发利用适宜性分区，同时进行了浅层地热能开发利用资源潜力评价及经济效益分析。结果表明：研究区内均为地埋管热泵适宜性好区；研究区内全部应用地埋管地源热泵系统，120m深度内浅层地热能开发，夏季可制冷面积2497.00×104m2，冬季可供暖1303.20×104m2。200m深度内浅层地热能开发，夏季可制冷面积3915.43×104m2，冬季可供暖2598.80×104m2。因此，研究区浅层地热能开发利用潜力大，可带来巨大的经济效益。

关键词：浅层地热能；适宜性分区；资源潜力；层次分析法；乐陵市

0  引言

浅层地热能属于可再生绿色能源，具有地质环境和地下水恢复速度快、对大气无污染等特性，能源利用率高，比传统方式节能50%-75%。真正实现了供暖（冷）建筑使用区域的零排放零污染。一套设备，冬季供暖，夏季制冷，并提供日常生活热水，可实现一机三用功能，节约总体投资，占地少等优势。因此，开展浅层地热能资源调查及适宜性区划研究具有重要的现实意义。

该文以地质勘查项目为依托，开展浅层地热能适宜性分区及资源潜力评价工作，为合理开发利用浅层地热能资源提供科学依据，对其他相近地区推广利用浅层地热能提供参考。

1  浅层地热能赋存条件

1.1浅层地质结构特征

研究区位于鲁西北平原（图1），属黄河泛滥冲击平原，形成了巨厚的第四系松散堆积层，200m以浅具多元结构，岩性为粉土、粉质粘土、细砂、粉砂。

表1  研究区位置图

1.2水文地质概况

研究区全部为第四系覆盖，第四系厚度大于200m。含水岩组为松散岩类孔隙含水岩组。其中：埋深在50～60m范围内的粉细砂、细砂层为浅层地下水含水岩组，单位涌水量小于500m3/d，枯水期水化学类型以Cl•HCO3•SO4-Ca•Na•Mg型水为主，丰水期则以Cl•SO4-Na• Mg型、Cl•SO4-Na型水为主，矿化度多数大于2g/L；埋深在60～190m范围内的粉细砂、细砂层为中深层地下水含水岩组，单位涌水量小于500m3/d（本次工作抽水试验取得数据），水化学类型为Cl•SO4-Na•Mg型水，矿化度较大；190m～220m以下为深层地下水含水岩组，超出浅层地热能利用深度，本次工作未作研究。

1.3岩土体热物性特征

共采集岩土样品240件测试岩土体热物性测试参数。测试结果如表1所示，本次研究区中主要岩性测试数据差异不大。

表1  主要岩性热物理参数

岩性	导热系数λ w/m ℃	热扩散系数a mm2/s	比热容C KJ/kg·K	样品数量
粉土	1.796	0.668	1.350	58
粉质粘土	1.733	0.748	1.164	86
粘土	1.760	0.747	1.200	94

1.4岩土体热响应特征

共完成现场热响应试验8组，测试孔揭露地层主要为第四系松散岩类。通过现场热响应试验，了解到不同地层岩土体初始平均温度、不同地层不同功率情况下岩土体综合热导率、地埋管每延米换热量等。测试加热功率设定为6kw。

本次热响应试验主要孔深100～120m，从试验测试结果（表2）看，第四系平均热导率1.73～2.21w/m·℃，通过试验测试获取的地层综合热导率值与孔深的相关性不明显，规律差。平均孔深换热量则与孔深呈负相关性。

表2  现场热响应对比试验成果表

试验 孔号	无工况	6kw功率		试验深度（m）	地埋管类型	备注
	地层初始平均温度（℃）	热导率（W/m·℃）	平均孔深换热量（W/m）
ZK1	16.93	2.13	59.98	100	双U
ZK2	16.04	1.73	49.99	120	双U
ZK3	16.02	1.8	49.96	120	双U
ZK4	16.1	1.75	50.01	120	双U
ZK5	16.98	2.21	60.61	100	双U
ZK6	16.86	2.2	59.99	100	双U
ZK7	15.52	1.91	49.98	120	双U
ZK8	16.97	2.01	59.97	100	双U

2  换热方式适宜性分区

浅层地热能的开发利用适宜性分区主要围绕地下水热泵系统和地埋管热泵系统进行。

2.1分区方法

层次分析法（AHP）是一种可以对一些复杂、模糊问题作出决策的权重分析方法[2-5]。

2.2分区结果

研究区不适宜地下水热泵系统，但为地埋管热泵系统适宜性好区。

3  资源潜力评价

浅层地热能资源潜力评价需要计算的数据有：浅层地热能热容量、地埋管地源热泵换热功率。

3.1热容量计算

3.1.1计算方法

采用体积法分别计算120m和200m以浅包气带和饱水带中的单位温差储藏的热量，然后合并计算评价区范围内岩土体和地下水中的储热性能。参考浅层地热能勘查评价规范的要求确定各计算参数。

3.1.2计算结果

120m深度内浅层地热能热容量为9.4×1012

kJ/℃。200m深度内浅层地热能热容量为15.616×1012kJ/℃。

表3  浅层地热能热容量计算

计算深度m	包气带热容量 1012（KJ/℃）	包水带热容量 1012（KJ/℃）	浅层地热能带热容量1012（KJ/℃）
120	0.297	9.103	9.4
200	0.297	15.319	15.616

3.2 浅层地热能换热功率计算

浅层地热能换热功率为在浅层岩土体、地下水中单位时间内的热交换量。

3.2.1计算方法

在浅层地热能赋存条件类似区域，先计算地埋管单孔换热功率，再计算全区地埋管换热功率。

土地利用系数=城市规划系数×0.35(折减系数) [6]，本次计算土地利用系数取0.2。

3.2.2计算结果

通过计算，在研究区考虑土地利用系数的情况下，120m以浅换热功率：174.79×104kw/65.16×104kw(夏季/冬季)。200m以浅换热功率：274.08×104kw/129.94×104kw(夏季/冬季)。

3.3 资源潜力评价

公用建筑和民用建筑负荷比例采用3：2，老建筑和节能建筑指标各按50%计，则夏季制冷负荷70w/m2，供暖负荷55w/m2，计算可供暖面积和可制冷面积，以及单位面积可利用量的供暖和制冷面积[7]。

表4  单位建筑面积冷热负荷指标  单位：w/m2

建筑负荷	公用建筑指标		民用建筑指标
	老建筑	节能建筑	老建筑	节能建筑
夏季制冷负荷	80	70	70	55
冬季供暖负荷	65	55	55	40

3.4计算结果

在研究区城市规划区范围内，120m深度内浅层地热能开发，夏季可制冷面积2497.00×104m2，冬季可供暖1303.20×104m2。夏季平均单位面积（km2）可制冷面积55.38×104m2；冬季平均单位面积（km2）可供暖面积28.90×104m2。200m深度内浅层地热能开发，夏季可制冷面积3915.43×104m2，冬季可供暖2598.80×104m2。夏季平均单位面积（km2）可制冷面积86.84×104m2；冬季平均单位面积（km2）可供暖面积57.64×104m2。

4  经济效益分析

浅层地热能作为一种非常规能源，通常采用折算常规能源（标准煤）的方法来计算其经济价值。

4.1计算公式

取原煤与标准煤的折算系数0.7143[8]，燃煤锅炉热效率按0.6计算[9]，计算出节省的标煤量。

     GB= Q×γ×103/（QP×ξ）

      GJ= GB×η

      V= GJ×P/10000

式中：GB—相当标煤量 (t)；GJ—节煤量 (t)；Q—浅层地热能开发利用的总能量（GJ）；γ—原煤折算标煤系数，0.7143；QP—原煤平均低位发热量，20908kJ/kg；ξ—燃煤锅炉热效率转化系数，0.6；η—浅层地热能开发利用效率，按35%计；V—相当热资源价值(万元)；p—燃煤价格(700元/t)

4.2 计算结果

自然条件下，研究区内考虑土地利用系数浅层地热能开发利用总能量为14842512GJ/a，节煤量29.58万t/a，折合标准煤84.51万t/a，热资源价值20705.72万元/a。

5  结论

（1）基于乐陵市的水文地质条件、热物性及岩性组合条件，研究区内均为地埋管热泵适宜性好区。

（2）研究区内利用浅层地热能系统，120m深度内浅层地热能开发，夏季可制冷面积2497.00×104m2，冬季可供暖1303.20×104m2。200m深度内浅层地热能开发，夏季可制冷面积3915.43×104m2，冬季可供暖2598.80×104m2。

（3）自然条件下，研究区内浅层地热能开发利用总能量为14842512GJ/a，节煤量29.58万t/a，折合标准煤84.51万t/a，热资源价值20705.72万元/a。

参考文献：

[1]  王树星，宋亮，梁云汉.淄博市周村浅层地温能开发利用资源潜力评价[J].山东国土资源，2018，34(12)：42-47.

[2]  金婧，席文娟，陈宇飞，等.基于AHP的浅层地热能适宜性分区评价[J].水资源与水工程学报，2012，23(3)：91-93.

[3]  刘建霞，原晓军，索立涛.基于层次分析法的鲁东地区浅层地热能适宜性评价[J].海洋地质前沿，2012，28(10)：65-70.

[4]  骆正清，杨善林.层次分析法中几种标度的比较[J].系统工程理论与实践，2004，24(9)：51-60.

[5]  孔维臻，郭明晶，陈萌，等，基于模糊AHP的浅层地热能适宜性分区评价方法研究[J].中国矿业，2013，22(2)107-113.

[6]  周爽.浅谈浅层地温能 [J].吉林农业，2011，262(12)：248.

[7]  周亚醒.鲁西地区浅层地温能地热地质条件与开发利用适宜性评价[J].山东国土资源，2015，31（8）：45-49.

[8]  GB/T2589-2008.综合能耗计算通则[S].

[9]  郑克棪.关于地热利用与节煤减排的计算方法[J].地热能，2008(2)：24.

Potential Evaluation of Development and Utilization of Shallow Geothermal Energy in Laoling County

Meng Jin , Yin Chengliang , Xue Chengyong , Xu Bokai , Lu Yu

(Shandong Yuqiang Geological Resources Exploration and Development Co., Ltd. Shandong Taian 271000，China)

Abstract: Through the research on the occurrence conditions of shallow geothermal energy in Leling City, combined with the analysis of the data of geotechnical sample test and field thermal response test [1], the study area was pided into development and utilization suitability by using the analytic hierarchy process. The resource potential evaluation and economic benefit analysis of shallow geothermal energy development and utilization are presented. The results show that the study area is well-suited for buried tube heat pumps; the ground source heat pump systems are all used in the study area, and shallow geothermal energy is developed within a depth of 120m. The area that can be cooled in summer is 2497.00×104m2 and can be heated in winter. 1303.20×104m2. Shallow geothermal energy development within a depth of 200m, with a cooling area of 3915.43×104m2 in summer and a heating area of 2598.80×104m2 in winter. Therefore, the development and utilization of shallow geothermal energy in the study area has great potential and can bring huge economic benefits.

Keywords:Shallow geothermal energy;Suitability zoning; Resource potential; Analytic hierarchy process; Laoling County