贵阳市土壤源浅层地温能适宜性分区及资源量评价

宋小庆,段启杉

（1.贵州地质工程勘察设计研究院,贵阳 550008；2.贵州省地质矿产勘查开发局 111地质大队,贵阳 550008）

贵阳市土壤源浅层地温能适宜性分区及资源量评价

宋小庆1,2,段启杉1,2

（1.贵州地质工程勘察设计研究院,贵阳 550008；2.贵州省地质矿产勘查开发局 111地质大队,贵阳 550008）

浅层地温能作为清洁、可再生的新型能源,对解决能源短缺、温室气体排放等问题有很大帮助。在分析贵阳市土壤源浅层地温能赋存条件、现场热响应试验的基础上,获得了区内热物性参数、地层的热效应试验特征。利用层次分析法对土壤源浅层地温能进行了适宜性分区,并以此为基础计算了贵阳市浅层地温能的总换热功率和开发利用潜力。贵阳市土壤源浅层地温能如能充分的开发利用,则冬季可供暖面积1.95×108m2,夏季可制冷面积1.95×108m2,推广和利用浅层地温能对贵阳市经济的快速发展具有重要意义。

浅层地温能；赋存条件；适宜性分区；资源量评价；贵阳市土壤源

2015,32（12）：14－17

1 研究背景

浅层地温能是指地表以下一定深度范围内（一般为恒温带至200 m埋深）,温度低于25℃,在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地热能[1］。浅层地温能根据利用方式的不同,可分为土壤源和水源2种,其中土壤源是以岩土体作为热源和热汇,利用埋设于地下的换热器与岩土体进行冷热交换,从而实现建筑冷、热负荷需求[2－3］。作为一种绿色清洁的可再生能源,浅层地温能有着储量巨大、分布广、开发利用成本低等优点,对其进行全面高效的开发,对于解决当前能源短缺、温室气体排放等问题具有很大帮助[4］。

贵阳市是贵州省政治、经济、文化、科教、交通中心和西南地区重要的交通通信枢纽、工业基地及商贸旅游服务中心,被誉为“高原明珠”,其城市发展定位为宜居、经济生态、友好自然的国际生态文明城市。但随着贵阳市经济的快速增长,其对能源的需求将保持较快的增长态势,与此同时,节能减排、生态环境保护等任务也日益加重。浅层地温能作为节能、环保、可再生的新型能源,将对贵阳市的生态城市建设发挥重要作用。本文以贵阳市浅层地温能调查评价项目为基础,对贵阳市土壤源浅层地温能的赋存特征进行了介绍,并在适宜性分区的基础上,开展贵阳市浅层地温能资源量的计算及潜力评价。

2 研究区概况

2.1 气候

贵阳市处于低纬度高海拔的黔中山原区,为冷暖气流的交汇地带,属副热带温和湿润的气候。多年平均气温为15.3℃,最热月（7月份）平均气温24℃,最冷月（1月份）平均气温5℃,极端最高气温39.5℃,极端最低气温－9.5℃。贵阳地区供暖期为每年12月份至次年2月份,制冷期为每年7－9月份。

2.2 水文地质条件

贵阳市碳酸盐岩及夹碎屑岩的碳酸盐岩岩层分布广泛,占城建区总面积的90.03%,碎屑岩占9.97%。第四系分布面积小同,且厚度薄,平均厚度为4.27 m。

特殊的地质造就了贵阳地区独特的水文地质条件,区内地下水类型以碳酸盐岩岩溶水为主,地下水位埋深多小于30 m。广泛分布的碳酸盐岩区域岩溶强烈发育,岩层富水性呈现不均一性,其含水性主要受裂隙及岩溶发育控制,不同的含水岩组富水性有比较明显的差异,而同一含水岩组因其所处得地质构造及地貌部位不同,其富水性也存在着差异,地下水分布极不均匀[5］。特殊的水文地质条件使得贵阳市在利用地下水地源热泵的同时,产生一系列的水文地质、环境地质问题。因此,贵阳地区地下水开发浅层地温能的方式已逐渐被遗弃,取而代之的是地埋管式的利用方式。

3 土壤源浅层地温能赋存条件

3.1 岩土体热物性特征

贵阳市第四系分布面积小,平均厚度不足5 m,区内浅层地温能主要赋存在基岩岩体中。区内不同岩性地层的物性特征差异较大,由于地质构造、地层结构复杂,岩土体热物性在平面上没有渐变变化规律。

通过取样测试得出区内岩土体的热物性参数,测试岩土样120件,测试方法为瞬态热线法,试验设备为西安夏溪电子科技有限公司生产的TC3000热线法导热系数仪,仪器测量范围为0.005～20 W/（m·℃）,测量精度为±3%,分辨率为0.005 W/（m·℃）。统计得出贵阳市分布的砂岩、泥岩等碎屑岩类的导热系数为2.3～2.8 W/（m·℃）；碳酸盐岩类的导热系数为2.3～3.0 W/（m·℃）。所有地层中寒武系娄山关群白云岩导热系数最高,平均值达4.895 W/（m·℃）。3.2 浅层地温场特征

贵阳市的恒温带深度在25～35 m之间,恒温带温度15.0～16.0℃（图1）。区内地热增温率介于（1.7～2.3）℃/100 m,在平面上,增温率呈自南东向北西递增趋势。

图1 贵阳市浅层地温场特征曲线Fig.1 Characteristic curves of shallow geothermal field in Guiyang

3.3 地层热响应特征

采用天津地热勘查开发设计院生产的PTPT111热响应测试仪,开展9个孔的现场热响应试验,该仪器压力等级为1.0 MPa,流量0.05～5.0 m3/h,温度范围4～95℃,温差范围3～60℃,最大电功率8 000 W。试验均使用双U换热器,回填料采用《浅层地热能勘查评价规范》（DZT0225—2009）中热导率较高的石英砂、膨润土混合物（石英砂含量90%、膨润土含量10%）,试验模拟夏季制冷工况为小功率4 000 W,大功率6 000 W。

通过9组热响应试验数据分析（表1）,贵阳市岩土体的热导率介于2.166～3.212 W/（m·℃）,热扩散系数介于0.936×10－6～1.322×10－6m2/s,总热阻介于0.091～0.279（m·℃）/W。

4 土壤源浅层地温能适宜性分区

作为浅层地温能开发利用的首要工作,适宜性分区对资源量的评价和指导浅层地温能开发起着至关重要的作用。本文运用层次分析法（APH）,在综合考虑专家建议指标[6］和其他检验指标[7］的情况下,对贵阳市土壤源浅层地温能的适宜性进行了评价（图2）。结果表明,土壤源浅层地温能适宜区面积为327.9 km2,占城市建设面积的91.03%,为岩土体热物性参数大,单孔换热功率高,地形、环境地质条件好的区域；不适宜区面积为32.3 km2,占城市建设面积的8.97%,为岩土体热物性参数较小,单孔换热率低,地形、环境地质条件差的区域（表2）。

5 资源量评价

在适宜性分区的基础上,开展贵阳市浅层地温能资源量的计算。

5.1 换热功率

根据现场热响应试验取得的热导率、换热器传热系数等基础数据,计算单孔换热功率。在浅层地温能条件相同或相近区域,根据单孔换热功率和土壤源浅层地温能适宜面积,计算总换热功率。

表1 贵阳市浅层地温能热响应试验统计Table 1 Results of thermal response test of shallow geothermal energy in Guiyang

图2 贵阳市土壤源浅层地温能适宜性分区Fig.2 Map of suitability classification of shallow geothermal energy from soils in Guiyang

表2 贵阳市浅层地温能适宜性分区统计Table 2 Results of suitability classification of the shallow geothermal energy in Guiyang

利用现场热响应试验取得传热系数ks,计算单孔换热功率,即

式中：ks为地埋管换热器传热系数（W/（m·℃））；L为推算换热器长度（取120 m）；夏季取14℃,冬季取10℃。区域换热功率计算[8］公式为式中：Qh为换热功率（kW）；D为单孔换热功率（W）；n为计算面积内换热孔数,以换热器间距5 m计算。

土壤源浅层地温能的宜建面积为49.09 km2。由此计算出贵阳市土壤源浅层地温能的夏季换热功率为1.37×107kW,冬季换热功率为9.72× 106kW。

5.2 潜力评价

根据贵阳市气候条件及建筑结构特征,空调负荷采用：供暖期50 W/m2、制冷期70 W/m2。由此得出,贵阳市土壤源浅层地温能如能全部开发,则冬季可供暖面积为1.95×108m2,夏季可制冷面积为1.95×108m2。这完全满足贵阳市2011—2020年城市总体规划的人口居住总建筑面积（1.156×108m2）的供暖及制冷需求。

6 结 语

受水文地质、环境地质条件的影响,贵阳市主要以土壤源热泵方式开发利用浅层地温能。贵阳市土壤源浅层地温能主要赋存于基岩岩体中,其岩土体的热导率为2.166～3.212 W/（m·℃）,热扩散系数为0.936×10－6～1.322×10－6m2/s,总热阻为

0.091～0.279（m·℃）/W。通过层次分析法,评价出土壤源浅层地温能适宜区面积为327.9 km2,不适宜区为32.3 km2。在此基础上,利用现场热效应试验数据,计算出夏季换热功率为1.37×107kW,冬季换热功率为9.72×106kW,冬、夏季的可供空调面积均约为1.95×108m2。

[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.（HAN Zai-sheng,RAN Wei-yan,TONG Hong-bing,et al.Exploration and Evaluation of Shallow Geothermal Energy[J］.Geology in China,2007,34（6）：1115－1121.（in Chinese））

[2]范 蕊,张改景,龙惟定.浅层土壤蓄热能资源量计算分析[J］.哈尔滨工业大学学报,2012,44（4）：111－115.（FAN Rui,ZHANG Gai-jing,LONG Wei-ding.Resource Estimate on Shallow Soil Thermal Storage for Ground Source Heat Pump[J］.Journal of Harbin Institute of Technology,2012,44（4）：111－115.（in Chinese））

[3]周 游.南方地区浅层地源热泵利用研究[D］.长沙：湖南大学,2008.（ZHOU You.Utilization of Shallow Ground Source Heat Pump in the South China[D］.Changsha：Hunan University,2008.（in Chinese））

[4]唐永香,李嫄嫄,俞衲安,等.天津滨海新区浅层地热资源评价及开发利用对策分析[J］.地质找矿论丛,2014,29（4）：622－627.（TANG Yong-xiang,LI Yuanyuan,YU Reng-an,et al.Resource Assessment and Exploitation Countermeasures of the Shallow Geothermal Energy in Tianjin Binhai New Area[J］.Contributions to Geology and Mineral Resources Research,2014,29（4）：622－627.（in Chinese））

[5]段启杉,孟凡涛,宋小庆,等.贵阳市浅层地温能开发利用现状及发展前景[J］.地下水,2013,35（1）：44－58.（DUAN Qi-shan,MENG Fan-tao,SONG Xiao-qing,et al.Shallow Geothermal Energy Development and Utilization Situation and Development Prospects in Guiyang[J］.Ground Water,2013,35（1）：44－58.（in Chinese））

[6]赵 军,戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用[M］.北京：中国建筑出版社,2007.（ZHAO Jun,DAI Chuanshan.Application of Geothermal Pump Technology and Architectural Energy Saving[M］.Beijing：China Architecture＆Building Press,2007.（in Chinese））

[7]张国斌.河北省地热资源分布特征、开发利用现状、存在问题与建议[J］.中国煤田地质,2006,18（增）：25－27.（ZHANG Guo-bin.Geothermal Resource Distribution and Existing Problems in Exploitation and Utilization[J］.Coal Geology of China,2006,18（Sup.）：25－27.（in Chinese））

[8]张甫仁,彭清元,朱方圆,等.重庆市主城区浅层地温能资源量评价研究[J］.中国地质,2013,40（3）：974－980.（ZHANG Fu-ren,PENG Qing-yuan,ZHU Fangyuan,et al.The Evaluation of Shallow Geothermal Energy Resources in Chongqing[J］.Geology in China,2013,40（3）：974－980.（in Chinese））

（编辑：姜小兰）

Suitability Classification and Resource Evaluation of Shallow Geothermal Energy from Soils in Guiyang

SONG Xiao-qing1,2,DUAN Qi-shan1,2
（1.Guizhou Geological Engineering Investigation Design and Research Institute,Guiyang 550008,China；2.The 111th Geological Team,Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Guizhou Province,Guiyang 550008,China）

Shallow geothermal energy（SGE）,as a new kind of clean and renewable energy,can be used to solve energy shortage,emission of greenhouse gas,etc.On the basis of in-situ thermal conductivity test,the reserve condition of SGE in Guiyang was analyzed,and thermal parameters of the region in association with test data of stratum thermal effects were obtained.According to analytic hierarchy process（AHP）,suitability classification was carried out for SGE from soil.Furthermore,we calculated the total heat power and the potential of development and utilization of SGE in Guiyang.Results show that,on the supposition of full utilization of SGE from soil in Guiyang,in the winter, we can supply heating for area of 1.95×108m2；while in the summer,we can cool the identical area.In light of this,it is very significant to promote the utilization of SGE in Guiyang.

shallow geothermal energy；reserve condition；suitability classification；resource evaluation；geothermal energy from soils in Guiyang

P641.3

A

1001－5485（2015）12－0014－04

10.11988/ckyyb.20150316

2015－04－17；

2015－05－29

中国地质调查局地质调查项目（1212011120163）

宋小庆（1986－）,男,贵州龙里人,工程师,硕士,主要从事水文地质、环境地质、地热地质工作,（电话）13688511929（电子信箱）376109559＠qq.com。