河北省衡水市区浅层地热能特征及应用前景分析

苏永强,刘忠凯

(河北省地矿局第三水文工程地质大队,河北衡水 053000)

河北省衡水市区浅层地热能特征及应用前景分析

苏永强,刘忠凯

(河北省地矿局第三水文工程地质大队,河北衡水 053000)

随着城市规模的不断扩大，对能源的需求越来越大，同时对环境保护的要求也越来越高。浅层地热能作为一种可循环利用且节能环保的能源逐渐受到人们的重视。本文通过对衡水市区地质、水文地质条件特点的分析，对衡水市区浅层地热能资源进行了评价和计算，结果表明衡水市浅层地热能资源丰富，适宜地埋管换热系统的开发利用，且开发潜力巨大，前景广阔。

浅层地热能；地埋管换热系统；应用前景

1 引言

随着经济快速增长，能源形式日趋严峻，节能减排呼声日益高涨。其中建筑物供热和制冷的能耗占到社会总能耗的25%～30%。传统的供暖方式和空气源空调制冷，都是单向排放热量到大气环境中，这是造成局部环境恶化的重要因素。作为重要的新型能源，浅层地热能的利用和开发已经成为实现可持续发展的一个重要途径。

衡水市城市浅层地热能资源的开发利用处于起步阶段，地源热泵对地质条件适宜性尚未进行过系统评价，对适用何种地下换热装置尚未取得可靠科学的设计依据。通过对衡水市城市浅层地热能特征的评价分析，可以科学指导浅层地热能的合理开发利用，对衡水市浅层地热能的推广具有重要意义。

2 浅层地热能开发利用条件

2.1 地理气候特征

衡水市区位于衡水市中部，河北平原东部，地势平坦，海拔高程在20 m左右（图1）。衡水市气候属大陆性半干旱季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春秋短促。多年平均气温13℃，最高气温42.7℃（1968年6月11日），最低气温-23℃（1985年12月7日）。2001～2005年全区平均年降水量471.7 mm[1-2]。衡水市近些年经济发展迅速，对能源的需求日益增加，为浅层地热能资源的开发利用提供了条件。

2.2 地质、水文地质条件

衡水市区第四系为河流相沉积，由浅黄、灰黄、棕红色粘土、亚粘土、亚砂土和砂层组成，结构松散，与下伏明化镇地层呈假整合接触，在区内广泛分布，其底界埋深420～600 m，是一套松散多层结构的泥质、砂质沉积物，自上而下地层划分为全新统（Q4），上更新统（Q3），中更新统（Q2），下更新统（Q1）。

本区属河北平原水文地质区，滏阳河冲洪积水文地质亚区，含水岩组为松散岩类孔隙水。垂向上根据地下水赋存条件和动力特征，以地层形成的时代为基础，以水文地质条件为要素，将第四系沉积层分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个含水组，分别相当于地层划分中的Q4、Q3、Q2、Q1。

第Ⅰ含水组：相当于全新统地层（Q4），系河流冲积和沼泽洼地沉积形成的一套砂泥质松散物，含水层多由粉砂、粉细砂组成。单井单位涌水量一般小于10 m3/h·m。水化学类型多为Cl·SO4-Na·Mg型，矿化度3～13.8 g/L，为咸水。

第Ⅱ含水组：相当于上更新统地层(Q3)，系一套河流冲洪积为主的泥砂质松散沉积物，含水层多由粉细砂组成，单井单位涌水量为5～15 m3/h·m，水化学类型多为Cl·SO4-Na·Mg型、Cl·SO4·HCO3-Na·Mg型，第Ⅱ含水组下部矿化度一般小于1 g/L，在第Ⅱ含水组上部，有咸水分布。

图1 衡水市区交通位置图Fig.1 Location of Hengshui City

第Ⅲ含水组：相当于中更新统地层（Q2），系一套河流冲积、冲洪积为主的泥砂质松散沉积物，以中粗砂为主，单井单位涌水量为10～25 m3/h·m，水化学类型多为Cl·SO4-Na、HCO3·Cl·SO4-Na型，矿化度一般小于1 g/L。

第Ⅳ含水组：相当于下更新统地层（Q1），系一套河湖相砂泥质沉积物，以细砂为主，单井单位涌水量为5～10 m3/h·m，水化学类型多为HCO3·Cl·SO4-Na型，矿化度小于1 g/L。

含水层岩性平面分布特征为,市区西南部含水层岩性以中砂、中细砂为主，东北部含水层岩性以细砂、粉细砂为主，其富水性由西北往东南逐渐减小（图2）。

2.3 地温场特征

根据前人研究资料，整个华北地区大地热流值为51.5 Mw/m3,华北平原为62.8 Mw/m3[3],衡水市区试验计算值为43.85 Mw/m3[4]。

根据实测数据，衡水市区土壤恒温层深度范围为25～45 m，恒温带温度在16.4℃，地温梯度为2.0～3.2℃/100 m，东低西高。地温场分布特征为100 m深度地温在16.6～17.4℃之间，200 m深度地温在18～20.5℃之间[1]。平面分布特征同地温梯度一致，表现为东部较低，西部较高的特点。浅层地热能的利用深度一般不大于200 m，衡水市地温分布特征非常适宜浅层地热能的开发利用，可以充分发挥其冬夏两季双向利用的优势（图3）。

3 浅层地热能适宜性分区

进行浅层地热能适宜性分区是正确选择开发利用方式，进一步进行工程勘查评价的前提和基础。

3.1 适宜性分区原则和依据

进行浅层地热能适宜性分区的原则为：以地质、水文地质条件为基础，热泵应用类型为条件，同时与地质环境保护相结合[5-6]。分区的主要依据为《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T 0225-2009）规定的技术指标，按照地下水换热系统和地埋管换热系统的适宜性分区进行评价。

3.2 适宜性分区

3.2.1 地下水换热系统

图2 衡水市区水文地质剖面图Fig.2 Section of the Hydrogeology in Hengshui City

图3 衡水市区地温梯度、100 m、200 m地温等值线图Fig.3 Map of geothermal gradient and 100 m、200 m geothermal isoline in Hengshui City

衡水市区深层地下水可利用组段大部分在咸水底板以下至250 m左右(第二含水组和第三含水组上段)，单位涌水量大部分地区小于300 m3/d·m[7]，根据抽水回灌试验，最大单位回灌量与单位涌水量百分比为5.6%[1]，根据地下水换热方式适宜性分区标准，评价为地下水式换热系统不适宜区。

3.2.2 地埋管换热系统

衡水市区第四系厚度在450～470 m之间，200 m以内浅地层主要岩性为中细砂、细砂、粉细砂和亚粘土。根据地埋管式换热方式适宜性分区标准，区内第四系厚度大于100 m，无卵石层分布区，200 m以内浅含水层厚度大于30 m[8-10]，三项指标同时符合适宜区的条件，因此市区全部为地埋管式换热系统适宜区。

4 浅层地热能资源量评价

4.1 评价方法

浅层地热能资源量评价包括热容量和换热功率计算。热容量采用体积法计算，应计算包气带和饱水带中的单位温差储藏的热量，然后合并计算评价范围内的储热性能。计算时应分别计算岩土体骨架、岩土体中所含水和岩土体中所含空气中的热容量。地埋管换热功率计算采用单位热流量法计算。根据现场热响应试验数据计算单位面积换热功率，然后根据单位面积换热功率和地埋管适宜面积，计算地埋管换热功率。

4.2 参数确定

计算参数主要为岩土体物性参数和评价范围参数。

（1）热容量计算评价范围：为衡水市规划区面积80 km2，地埋管换热功率计算评价范围为2020年市区规划公共设施用地的面积（包括学校用地、行政办公用地、商业金融用地、医疗卫生用地、教育科研用地），工业用地面积、居民地用地面积去除道路面积和建筑面积[11]。共计12.18 km2。

（2）计算深度：热容量计算评价深度为恒温带（25 m）至200 m，地埋管换热功率计算评价深度为恒温带（25 m）至100 m。

（3）岩土体孔隙率、天然含水率等参数通过取样、土样分析测试取得。

（4）岩土体比热容选取经验数据。

（5）单位面积换热功率：根据现场热响应试验，夏季取值295 W/m2，冬季取值214.2 W/m2[4]。

4.3 计算结果

（1）计算分区

衡水市区浅层地下水位在25 m以上，位于包气带以下，根据含水层主要岩性及厚度的不同，分为5个小区进行计算（图4）。每个小区的含水层厚度、面积、密度、比热、孔隙度等参数不尽相同。

（2）计算结果

经计算，市区浅层地热能单位温度容量为0.526×1014KJ，相当于标准煤179.5万 t（表1）；地埋管式换热系统换热功率：夏季为359.31×104Kw，冬季为260.90×104Kw,可供暖制冷面积约3 600万m2。由此可见，衡水市区浅层地热能资源储量十分巨大。

图4 衡水市区浅层地热能计算模型图Fig.4 Zoning calculation map of the shallow geothermal resources in Hengshui City

表1 衡水市区浅层地热资源量计算表Table 1 Calculating table of the shallow gepthermal resources in Hengshui City

5 浅层地热能开发利用现状与应用前景

5.1 开发利用现状

目前衡水市区有浅层地热能工程6处，服务面积47 000 m2，以商场、酒店、机关办公楼等供暖制冷两用的公共建筑为主。全部为地下水式换热系统，地下水利用深度大部分为250 m左右，井间距在30～50 m[1]。

根据地下水换热系统适宜性评价，市区范围内单位涌水量小于300 m3/d·m，最大单位回灌量与单位涌水量百分比仅为5.6%，为地下水式换热系统不适宜区。在目前使用的工程中即存在着地下水不能完全回灌的现象，不能回灌的水量只能排入污水道。有的工程已被停止使用，造成资源的浪费[11]。

与地埋管换热系统工程初期投资相比，地下水式换热系统工程虽然从施工还是造价都显得比较容易接受，但由于未考虑是否能长期完全回灌，也没有进行先期浅层地热能水文地质调查工作，尤其是抽水回灌试验工作，因此说，衡水市目前浅层地热能的开发利用处于一种盲目发展的阶段。

5.2 应用前景

衡水市地处平原区，矿产资源缺乏，但浅层地热能资源分布广泛，储量丰富。利用好这一宝贵资源，对衡水市节能减排，实现跨越性发展将起到重大的推进作用。

5.2.1 地理气候条件适宜

浅层地热能的利用最佳方式是冬季提取地下热能用于供暖，夏季向地下储存热量用于制冷，这样可保持地下热能平衡，对地质环境的影响最小。衡水市区属暖温带大陆性半干旱季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，从气候条件上有冬季供暖、夏季制冷的需求，地温分布特征也适宜浅层地热能的开发利用，充分发挥其冬季取热、夏季储热，双向利用的优势。在其他只能单向利用的地区，长期利用浅层地热能，则可能破坏地温场的平衡，从而大大降低其利用效率。

另外，衡水市区水文地质研究程度较高，在不同时期开展过不同精度的针对不同目的的水工环地质工作，这些地质工作为浅层地热能的研究和开发利用奠定了基础。

5.2.2 开发利用潜力巨大

衡水市区浅层地热能资源量巨大，根据评价和计算结果表明，衡水市区浅层地热能单位温度容量为0.526×1014KJ，相当于标准煤179.5万t。地埋管式换热系统换热功率：夏季为359.31万Kw，冬季为260.90万Kw,可供暖制冷面积约3 600万m2，约为衡水市2005年竣工房屋建筑面积的10倍以上。而目前衡水市区浅层地热能服务面积仅4.7万m2[1]，不足可利用面积的0.2%，因此，衡水市区浅层地热能开发利用潜力巨大。

5.2.3 节能环保效益明显

浅层地热能的开发利用具有明显的节能减排的效益，传统燃煤供暖时通过燃烧矿物燃料产生1 500℃～1 800℃的高温、高品位热能，而建筑供热最终需要的是20℃～25℃的低品位热能，而且通过若干个传热环节为建筑供热，造成大量的可用能的损失。而浅层地热能是通过电能驱动热泵从浅层地层中吸收低品位的能量，大大降低了供热燃料的消耗，从而起到节约能源的效果。

衡水市区按可利用面积3 600万m2计算，与传统燃煤供暖相比，每年可节约用煤86万t，减少二氧化碳排放量22.3万t，二氧化硫0.17万t，氮氧化物0.06万t，粉尘0.09万t。由此可见，浅层地热能的开发利用的环境效益十分明显。

5.2.4 成功经验丰富效果显著

根据北京市30多个典型工程进行统计分析，地源热泵工程期初投资相对较高，但运行成本大大降低，与传统锅炉供暖和空调制冷项目相比较，使用浅层地热能冬季采暖能耗可节能30%以上，夏季可节能10%以上。衡水市区通过适宜性评价，适宜地埋管换热系统的利用，但尚未有一家地埋管换热系统工程，北京市现有投入商业运行的地埋管热泵工程有64个，服务面积超过200万m2[6]。因此，衡水市可以根据本地浅层地热能的利用条件，借鉴北京等发达城市的成功经验，探索适合自己的开发利用模式，充分发挥浅层地热能资源的优势。

6 结论

随着衡水市城市规模的不断扩大，对能源的需求也日益增加。浅层地热能作为一种可循环利用并且节能环保的能源越来越受到人们的重视。衡水市浅层地热能资源丰富，适宜地埋管换热系统的应用，其开发利用潜力巨大，同时衡水市地理条件适宜，有巨大的供暖和制冷需求，适宜浅层地热能的开发利用，充分发挥其双向利用优势。在政府部门的政策支持下，借鉴发达地区成功经验，衡水市浅层地热能开发利用前景十分广阔。

[1]刘忠凯，李郡，张永树.衡水市浅层地热能调查评价报告[R].河北省地矿局第三水文工程地质大队.2009.

[2]寇秋焕，张素娥，龙高峡.衡水市地热资源调查评价报告[R].河北省地矿局第三水文工程地质大队.2003.

[3]阎敦实，于英太.京津冀油区地热资源评价与利用[M].武汉.中国地质大学出版社.2000.

[4]齐承英，王华军，王恩宇等.原位热传导实验及土壤热特性分析项目研究报告[R].河北省地矿局第三水文工程地质大队.2008.

[5]张德忠，苏永强.河北平原浅层地热能开发利用前景分析[M].地温资源与地源热泵技术应用论文集（第二集）.北京.地质出版社.2008.48-54.

[6]王立发，董殿伟.北京市浅层地温能资源评价及开发利用前景分析[M].地温资源与地源热泵技术应用论文集（第三集）.北京.地质出版社.2009.9-17.

[7]河北省地矿局第一水文地质工程地质大队.黄淮海平原（河北部分）水文地质综合评价地下水资源评价专题报告[R].1985.

[8]田光辉，曾梅香，赵苏民等.天津滨海新区应用地源热泵系统可行性分析及建议[M].地温资源与地源热泵技术应用论文集（第三集）.北京.地质出版社.2009.125-130.

[9]刘立才，王金生，张霓，等.北京城市规划区水源热泵系统应用适宜性分区[J].水文地质工程地质.2006，6.15-17.

[10]王亚斌，张海涛.天津市水源热泵系统水文地质条件适宜性评价方法研究[A].地温资源与地源热泵技术应用论文集[C].2007.72-79.

[11]李郡，苏永强，冯来全,等.河北省浅层地热能调查评价与开发区划报告[R].河北省地矿局第三水文工程地质大队.2008.

Analysis on the Shallow Geothermal Energy Characteristics and Application Prospect in Hengshui City,Hebei Province

SU Yong-qiang,LIU Zhong-kai
(The Third Hydrogeology and Engineering Geology Group,Hebei Geology and Mineral Exploration Bureau,Hebei Hengshui 053000,China)

With the development of city size,the energy demand is increasing,and also the environmental protection requirements.The shallow geothermal energy,as a kind of recyclable and environmental friendly energy,is paid more attention to gradually.Based on the analysis of the geological and hydrogeological condition characteristics,and the evaluation of the shallow geothermal resources in Hengshui city,this paper shows that Hengshui city is rich in shallow geothermal resources,which is suitable for the development of pipe heat exchanger system with great potential for exploitation and broad prospects.

shallow geothermal energy;pipe heat exchanger system;Hengshui

P314.1

A

1672－4135(2011）01－0040-07

2010-07-26

河北省地矿局项目：衡水市城市浅层地热能调查评价（冀地审［2009］26号）

苏永强(1979-)，男，工程师，2001年毕业于石家庄经济学院水文地质与工程地质专业，主要从事水文地质、地热地质、环境地质等方面工作，E-mail：785143157@qq.com。