郑州市地下水源热泵适宜区浅层地热能资源量评价

田良河，闫震鹏，刘新号

（河南省地质调查院，郑州 450001）

郑州市地下水源热泵适宜区浅层地热能资源量评价

田良河，闫震鹏，刘新号

（河南省地质调查院，郑州 450001）

采用数值模拟法确定了郑州市地下水源热泵适宜区最佳井间距，评价了郑州市地下水源热泵适宜区浅层地热能资源。

郑州市；水源热泵；适宜区；浅层地热能资源；评价

郑州市浅层地热能的赋存层主要为第四系及新近系上部松散堆积物，其地下水换热系统适宜区和较适宜区面积为739.63km2。地区含水层厚度大，水量较丰富，易开采，为地下水换热系统应用提供了有利条件。

1 评价区域与方法

（1）评价区域和深度

浅层地热能储存资源量计算深度为恒温带至200m以浅松散沉积物底界，计算面积为郑州市适宜浅层地热能开发利用的面积。

（2）评价方法

采用热储法计算浅层地热能储存资源量，用地下水量折算法计算可利用资源量。

热储法是计算浅层地热能储存量的主要方法。

①包气带热储量计算：

式中：QR浅层地热能储存总量（kJ）；

QS岩土体中的热储量；

QW岩土体所含水中的热储量；

QA岩土体中所含空气中的热储量。

Qs按下式计算：

式中：ρS岩土体密度（kg/m3）；

CS岩土体比热容（kJ/kg·℃）；

φ 岩土体的孔隙率（或裂隙率）；

M 计算评价区域面积（m2）；

d 包气带厚度（m）；

ΔT 利用温差（℃）。

Qw按下式计算：

式中：ρW水密度(kg/m3)；

Cw 水比热容(kJ/kg·℃)；

ω 岩土体含水量。

QA按下式计算：

式中：ρA空气的密度（kg/m3）；

CA空气的比热容（kJ/kg·℃）。

②饱水带中热储量按下式计算：

式中：QR浅层地热能储存总量（kJ）；

QS岩土体中的热储存量（kJ）；

QW岩土体所含水中的热储存量（kJ）。

QS的计算公式同（2）式；QW按下式计算：

式中：d 地下水面至计算下限的岩土体厚度（m），包括需要计算的含水层和相对隔水层。

（3）换热功率与可利用资源量

在地下水源热泵系统应用适宜区内，根据地下水循环利用量计算换热功率。其计算方法为：①根据计算区不同水文地质单元的富水性确定各区域的单井出水量；②根据各个水文地质单元的单井出水量，利用数值模拟、现场试验、调查访问法等确定最佳井间距；③根据最佳井间距确定单位面积上的可布井数，并根据提取温差计算单位面积可提取利用的热流量；④利用单位面积上的可提取地热量乘以相应面积并累加，得到整个区域内利用地下水源热泵系统所能提取的浅层地热能可利用资源量。

具体计算公式如下：

式中：qw评价区单井出水量（m3/d）；

Qh单井换热功率（kW）；

△T地下水利用温差（℃）。

式中：Q可 单位面积上浅层地热能可开采量（kJ）；

N 单位面积可布井数；

t 热泵系统运行时间（d）。

2 参数确定

本文资源量计算所涉及到的参数采用如下方法取得。

2.1 储存量计算参数的确定

（1）评价区面积（M）：为适宜浅层地热能开发利用的面积，包括水源热泵适宜区和地埋管适宜区；

（2）利用温差（ΔT）：根据实际工程调研成果，综合确定为5℃；

（3）水的密度（ρw）与比热容（Cw）、空气的密度（ρA）与比热容（CA）：均按常量选取；

（4）包气带厚度（d1）：以本次调查成果为主，结合收集资料综合确定；

（5）地下水面至计算下限的岩土体厚度（d2）：根据已有资料综合研究，确定200m以浅松散土体底界作为储存量计算下限，其土体总厚度减去包气带厚度即为d2；

（6）岩土体密度（ρS）、比热容（CS）、孔隙率（φ）、含水量（ω）：首先根据试验成果（表1），结合《浅层地热能勘查评价规范》确定各单层土体参数，再根据垂向土体结构组合特征进行加权平均，确定计算深度的平均参数；

在郑州市某区选取了不同深度的不同土样进行测试，测试内容为土样的热物理参数，主要包括岩土体的比热容、密度、含水量、导热系数、导温系数等，由南京大学地球科学与工程学院完成。其具体测试结果见表1。最终确定储存量各计算参数见表2。

表1 土样热物理参数测试成果表

表2 储存量计算参数取值表

ρSkg/m32000 CSJ/kg·℃ 1570 φ—0.4包气带d1m 17 ω—0.25 ρAkg/m31.29 CAJ/kg·℃ 1003饱水带ρSkg/m31930 CSJ/kg·℃ 1250 d2m 183 φ—0.3 ρS—岩土体密度（kg/m3）；CS—岩土体比热容（J/kg·℃）； φ—岩土体的孔隙率；d1—包气带厚度（m）； ω—岩土体的含水量；ρA—空气的密度（kg/m3）；CA—空气的比热容（J/kg·℃）； d2—地下水面至计算下限的岩土体厚度（m）

2.2 可利用资源量计算参数确定

（1）单井出水量（qw）：根据不同水文地质单元富水性选取；

（2）地下水利用温差（ΔT）：根据实地调查地下水源热泵应用情况综合确定，夏季利用温差取7℃；冬季利用温差取5℃；

（3）水的密度（ρW）与比热容（Cw）取常量；

（4）评价区面积（M）：为地下水源热泵适宜区面积；

（5）最佳井距（d）：指1抽2灌布井方式的最佳井间距。最佳井间距确定标准：水源热泵系统运行期内，抽水井温度变化不超过利用温差的20%，即系统的效率损失不超过20%。本次采用数值模拟法确定。

（6）单位面积可布井对（N）：按1抽2灌方式，根据最佳井间距计算单位面积内可布设井对数量；

（7）系统运行时间（t）：根据研究区实际工程运行情况，制冷期和采暖期各取120d。

2.3 数值模拟法确定最佳井间距过程

郑州市的水文地质单元主要分为黄河冲积平原和塬前冲积平原，因此，选取这两个水文地质单元的典型剖面，构建水文地质概念模型和数学模拟模型，利用HST3D软件模拟确定这两个水文地质单元上1抽2灌系统的最佳井间距。

（1）黄河冲积平原

黄河冲积平原的岩性一般为粉砂到粗砂、局部夹砾石，含水层主要由多层粉砂、细砂层构成，含水层之间由粉土及粉质粘土隔开。单井出水量一般为1000～3000m3/d。该水文地质单元内的典型钻孔结构如表3所示。

表3 典型水文地质剖面岩性分层

根据上述地层结构，构建1抽2灌系统的模拟模型。参照单井出水量，模拟中抽灌量取2000m3/d，采用等温差回灌，提取温差夏季为7℃，冬季为5℃。模拟周期为3年。各岩性的水文地质参数及热物理参数取值参照经验值。分别模拟了井间距为20m，40m，60m，80m，100m，120m共6种情况。模拟结果如图1所示。

由图中可以看出，当井间距为60m时，整个运行周期内抽水井的温度变化很小，已趋于平缓。图2给出了整个运行周期内抽水井温度与初始温度的最大温差，从图中可以看出，当抽水井与回灌井间的距离为50m时，两者之间的最大温差不超过1℃。因此，对于给定的抽灌量和提取温差条件下，黄河冲积平原上1抽2灌系统的最佳井间距为50m。

（2）塬前冲积平原

塬前冲积平原的主要岩性为细砂、中细砂及粘土，含水层由多层砂层组成，单井出水量一般为1000～3000m3/d。该水文地质单元内的典型钻孔结构如表4所示。

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图1

图2

表4 典型水文地质剖面岩性分层

根据上述地层结构，构建1抽2灌系统的模拟模型。参照单井出水量，模拟中抽灌量取1200m3/d，采用等温差回灌，提取温差夏季为7℃，冬季为5℃。模拟周期为3年。各岩性的水文地质参数及热物理参数取值参照经验值。分别模拟了井间距为20m，40m，60m，80m，100m，120m共6种情况。模拟结果如图3所示。由图中可以看出，当井间距为60m时，整个运行周期内抽水井的温度变化已经很小，趋于平缓。图4给出了整个运行周期内抽水井温度与初始温度的最大温差，从图中可以看出，当抽水井与回灌井间的距离为50m时，两者之间的最大温差不超过1℃。因此，对于给定的抽灌量和提取温差条件下，塬前冲积平原上1抽2灌系统的最佳井间距为50m。

综合考虑，确定计算区最佳井间距为50m左右。

最终确定地下水源热泵适宜区可利用量计算参数见表5。

表5 地下水源热泵适宜区可利用量计算参数取值表

3 浅层地热能资源量评价

根据前述计算方法与参数，对郑州市浅层地热能资源量进行计算。

3.1 储存资源量

计算结果：包气带储量256.2 1012kJ，饱水带储量3251 1012kJ；总储量为3507 1012kJ。

3.2 可利用资源量

计算结果：适宜区和较适宜区总的可利用资源量为406.1 1012kJ/a，折合标煤1385.72万吨/年；如按平均冬季供暖负荷50w/m2、平均夏季制冷负荷75w/ m2折算，则每年冬季可供暖总面积为3.264 108m2，夏季可制冷总面积为3.045 108m2。

表6 地下水地源热泵水质要求

3.3 水源热泵用地下水水质评价

（1）评价标准

水源热泵用地下水水质参考标准见表6。

各种水质指标对地下水源热泵运行效果和使用寿命的影响如下。

①含沙量和浑浊度：有些水源含有泥沙、有机物与胶体悬浮物，使水变得浑浊。水源含沙量高对机组和管阀会造成磨损，严重时会造成管道堵塞。而且，含沙量和浑浊度高的水用于地下回灌会造成含水层堵塞。

②结垢趋势：可以分析水的硬度，即水中Ca2+、Mg2+总量。硬度大，易生垢。

③矿化度：地下水矿化度的高低，直接影响土壤的含盐量。适用于地下水源热泵的地下水一般为淡水和弱咸水。

④酸碱度：水的pH值小于7时，呈酸性，反之呈碱性。地下水中pH值过高或者过低都会造成机组的腐蚀，严重影响到系统的使用寿命。地下水源热泵的水源pH值一般应为6.5～8.5。

⑤水中Cl-、CO2、SO42-含量：Cl-在很大程度上促进碳的腐蚀；CO2溶解在水中，加速氧化及对高强度低合金钢的腐蚀；SO42-主要对水泥起腐蚀作用。

（2）水质适宜性评价

郑州市22个水样中，硬度全部超标，Cl-、SO2-4和游离CO2局部超标。

总体来看，地下水除硬度和个别元素局部超标，基本满足水源热泵水质需要。

4 浅层地热能综合评价

郑州市2020年规划区范围内，适宜浅层地热能开发利用的地区总面积面积为1029km2，浅层地热能总的储存量为3507 1012kJ/a。

地下水源热泵适宜区和较适宜区总面积739.63km2，地下水源热泵形式可利用的浅层地热能资源量406.1 1012kJ/a，折合标煤1385.72万t/a，地下水质基本满足水源热泵水质需要；实际应用后可减排二氧化碳3404.71万t/a。

5 结语

郑州市第四系松散砂层中赋存丰富的浅层地热能，易于开采，较易回灌，对地下水换热系统适宜性较好。该区浅层地热能的合理开发利用，可产生巨大的社会经济效益。因此，应加大浅层地热能这种清洁能源的宣传与开发力度，提高清洁能源使用率，为节能减排，实现环保型低碳经济做出应有的贡献。

[1] 韩再生，冉伟彦，佟红兵等.浅层地热能勘查评价[J].中国地质，2007，34（6）：1115～1121.

[2] 赵静，闫震鹏，邵景力等.河南浅层地热能开发利用环境影响研究[J].中国矿业，2009，18（5）：45～47.

The Shallow Geothermal Energy Resource Evaluation on the Suitable Area of Groundwater Source Heat Pump in Zhengzhou City

TIAN Lianghe YAN Zhenpeng LIU Xinhao
(Henan Geological Survey, Zhengzhou, 450001)

By numerical simulation, we determine the best distance between wells of the groundwater source heat pump in Zhengzhou City, and evaluate the shallow geothermal energy resource in the suitable areas. It can provide important basis for urban development and utilization of shallow geothermal energy in Zhengzhou City.

Zhengzhou City;Water source heat pump;Suitable area;Shallow geothermal energy;Evaluation

TK521

A

1007-1903(2011)03-0012-05