一种地热能可再生资源量的新算法——以北京为例

李宁波，冉伟彦，于 湲，杨俊伟

（1. 北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195；2.中国地质调查局浅层地温能推广中心，北京 100195）

一种地热能可再生资源量的新算法
——以北京为例

李宁波1，2，冉伟彦1，2，于 湲1，2，杨俊伟1，2

（1. 北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195；2.中国地质调查局浅层地温能推广中心，北京 100195）

摘 要：北京地热资源勘查始于20世纪50年代中期。70年代初期，针对以往对地热资源的可再生性认识不足，不能真实反映地热资源中蕴含的可循环利用的热量，造成计算值偏小的情况。本文介绍了一种地热可再生资源量的新算法，计算每个热田的可再生资源量，从而重新估算北京市地热能的资源潜力。通过计算，采用对井抽灌方式且地热水100%回灌条件下抽灌井间距为300m时，10个地热田范围内地热能可提供的供暖面积为3.01亿m2；采用地热梯级利用（和热回收）结合其他辅助清洁能源调峰方式对建筑物进行供暖，全市热田面积内可供暖面积为8.60亿m2。对比传统地热可采资源量与本次研究采用的新算法，采用对井系统供暖可大大提高布井密度，使可供暖面积提高73倍。通过对地热能可再生资源量进行计算，对于推进全国范围内的地热发展，具有良好的推动作用。

关键词：地热能；可再生资源量；地热供暖

0　引言

能源是一个国家持续发展的基石。随着中国经济发展步伐的加快，对能源的需求持续增加。作为一个资源匮乏，人口众多的国家，能源消耗是一个沉重的负担。新能源的发展已经摆在了应对能源危机的首要位置。北京作为全国地热利用的主要城市之一，起步早，勘探开发经验丰富，北京地热资源勘查始于20世纪50年代中期。70年代初期，在著名地质学家李四光先生的倡导下，开始了平原区深部地热资源的勘查。自20世纪90年代末，地热直接利用发展迅速，地热井数量以20～30眼/年的速度增长。近年来，为了减少空气污染，政府大力推广包括地热在内的清洁能源应用，进一步推进了地热开发利用。为积极应对全球气候变化与资源环境约束的新挑战，建设低碳城市成为首都未来发展的战略方向，开发地热资源是首都实现节能减排的重要措施之一。

1　地热供暖发展现状

地热用于供暖能够充分发挥中低温地热资源的特点。国内建筑能耗在总能耗的比重由20世纪70年代末的10%增长到近几年的30%。而采暖和空调在总建筑能耗中占55%。传统的锅炉供暖会造成二氧化碳的排放和能源浪费［1］。目前全国推广建筑节能，倡导在建筑中应用可再生能源，包括地热能的使用。北京市拥有10个地热田，面积约2760 km2，它们多是以区域性构造断裂为边界。北京市地热资源具有十分巨大的开发潜力，利用前景十分广阔。地热资源的开发利用对于调整我市能源供应结构、缓解能源供应压力、保障能源供应安全、促进地区经济发展起到了十分重要的作用。与此同时，2013年继国务院印发了《大气污染防治行动计划》后，北京市随后发布了《北京市2013-2017年清洁空气行动计划》，到2017年，全市空气中的细颗粒物年均浓度比2012年下降25%以上，控制在60ug/m3左右。

据统计，2014年全国地热供暖面积达到6032万m2，比2009年增长99.7%，年平均增长率达15%，全国供暖面积中天津市为1900万m2，位居第一，河北省为1380万m2，位居第二［1］。2014年北京地热供暖面积约200万m2，开发利用主要集中在小汤山，采用地热供暖的单位共有37个，所在地区均为岩溶裂隙型热储，其中采用对井循环供暖的单位有15个，基本达到100%回灌（少数为多用途井），目前均正常运行，供暖面积约103万m2，分布在小汤山、延庆、城区等7个地热田。

2　地热能可再生资源量计算的探讨

由于以往对地热资源的可再生性认识不足，传统计算方法中单纯强调可开采量，不能真实反映地热资源中蕴含的可循环利用的热量，造成计算值偏小。

依据《北京市地热资源2006-2020年可持续利用规划》，全市各热田计算面积2760 km2内，开采深度3500 m以内热储层中储存的总热量为500.772×1015kJ，相当于284.67亿t标准煤的发热量（标煤量按燃效60%的发热量换算，下同）；储存的地热水量179.73亿m3，其中蕴藏热量3772.49×1012kJ，相当于2.15亿t标准煤的发热量。按储存地热水总量的0.45%计，每年可开采地热水约8085万m3，可从热水中获取热量16.97×1012kJ，相当于96.49万t标准煤的发热量［2］。

本次研究中采用对井功率法计算每个热田的可再生资源量，从而重新估算北京市地热能的资源潜力。通过对地热井热影响范围等参数进行统计分析，从而推算北京市10个地热田的地热能可再生资源量。

2.1 热田每平方公里可供暖面积计算

（1）地热井抽灌井间距的确定

经过计算，本次研究对象的15对抽灌井间距最小值为33m，最大值为14370m，其中10对抽灌井的间距在100～600m范围内，经计算其平均值为297m（取整为300m），见表1。

（2）地热井热影响范围的确定

由于采用对井抽灌井的地热供暖项目仅仅是提取地热能，几乎不消耗地下热水，而只是利用它传热，所以不用考虑井的压力影响半径，而只考虑回灌井的热影响范围，因而可以通过加大布井密度，实现地热能的高效可持续利用。取抽灌井间距为300m，以36万m2（600m×600m）为一个对井抽灌系统的热影响范围。每平方千米热田范围内可容纳的地热井抽灌系统约2.78个。

表1　研究对象的抽灌井间距与热影响范围统计表

2.2 采用对井功率法估算地热可再生资源量

（1）地热对井系统的热功率计算

根据《地热资源地质勘查规范》GB/T1165—2010，地热流体可开采量所采出的热产能，可按以下公式计算［3］。

Wt=4.187Q（t-t0）

式中：Wt—地热井的热功率，单位为千瓦（kW）；

Q—地热流体的可开采量，单位为升每秒（L/S）；

t—为开采井地热流体温度，单位为摄氏度（℃）；

t0—为回灌井地热流体温度，单位为摄氏度（℃）。

经统计，10个项目的平均温差为23.9℃，平均小时流量70.6m3（表2），计算得出每个对井系统的热功率为1.96MW。

（2）地热能可供暖面积估算

由于每个对井系统的热功率为1.96MW，则每平方千米的热功率为5.45MW，热负荷指标按50W/ m2计算，每平方千米的供暖面积约为10.90万m2，则10个地热田面积为2759.87 km2范围内可供暖面积为3.01 亿m2。

2.3 采用梯级利用结合调峰方式进行供暖的地热能可再生资源量估算

若全部采用地热梯级利用（热回收）结合其他辅助清洁能源方式对建筑物进行供暖，将利用温差提高一倍，则地热井功率为3.92MW。

按每平方公里2.78个抽灌系统计算，每平方千米的热功率为10.90MW。单位面积平均热负荷指标按35 W/ m2计算（地热供暖承担的基本热负荷占70%，其他辅助方式占30%），按北京执行节能标准的新建公建和一类住宅混合建筑考虑，全市热田面积2759.87km2可供暖最大潜力为8.60亿m2。

表2　 地热可再生资源量计算参数统计表

2.4 传统地热可采资源量计算方法与新算法的对比

根据《北京市地热资源2006-2020年可持续利用规划》，北京市地热田内热储中储存的总热量为500.772×1018J，相当于284.67亿t标准煤的发热量（标煤量按燃效60%的发热量换算，下同），储存的地热水量179.73亿m3，其中蕴藏热量3772.49×1015J，相当于2.15亿t标准煤的发热量。如果按照储存地热水总量的0.45%计算，每年可开采地热水约8085万m3，可从热水中获取热量16.97×1015J，相当于96.49万t标准煤的发热量。如果按照实际开采量与水位下降的关系计算，每年水位下降1.5m，可开采地热水3470万m3；如果考虑增加50%的回灌量，每年水位下降1.5m，可开采地热水5200万m3。

根据《北京市地热资源潜力调查评价成果报告》［4］，按地热水年水位降幅为1m计算，采用类比法计算北京地热水年可开采量为7039万m3；采用拟稳定流压力传导公式以地热年可开采量为7775万m3，可从热水中获取的热量为13.09×1012kJ。

以地热年可开采量为7775万m3计算，小时流量2.7 万m3，利用温差20℃，则地热井的热功率约206MW，单位面积平均热负荷指标取50W/ m2，可供暖面积约412万m2。

现按地热能可再生资源量的计算方法，估算北京市10个地热田的可供暖面积为3.01亿m2。对比传统算法，数值相差约73倍。

3　结语

本次的新算法突出了地热资源的可再生性，由于在本算法中缺少对15个项目的完整的阶段回灌实验与热平衡试验，尚存在一定的局限性，需要将来进一步研究加以完善。本算法仅提供了一种计算地热能可再生资源量的思路，受目前条件局限，其中部分参数仍有待今后验证和修改完善。通过对地热能可再生资源量进行计算，对于推进全国范围内的地热发展具有良好的推动作用。

建议进一步开展对北京平原区地热资源的调查评价工作，通过实地调研，获取地热供暖项目的实际运行数据，为全面评价地热资源提供基础数据。

参考文献

［1］Zheng K Y， Dong Y， Chen Z H.et al.Speeding up Industrialized Development of Geothermal Resources in China - Country Update Report 2010-2014. Proceedings World Geothermal Congress 2015 Melbourne， Australia，2015.

［2］北京市国土资源局. 北京市地热资源2006—2020年可持续利用规划.2006年

［3］中华人民共和国国家技术监督局. GB11615-89，中华人民共和国国家标准-地热资源地质勘查规范. 北京：中国标准出版社，1990.

［4］张进平等. 北京市地质调查研究院.北京市地热资源潜力调查评价成果报告，2007年.

中图分类号：TK521+.2

文献标识码：A

文章编号：1007-1903 （2015） 02-0001-04

A New Algorithm of Geothermal Renewable Resources —Taking Beijing as an Example

LI Ningbo1，2， RAN Weiyan1，2， YU Yuan1，2， YANG Junwei1，2

（1. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau， Beijing 100195； 2.Shallow Geothermal Energy Promotion Center， China Geological Survey， Beijing 100195）

Abstract:Beijing geothermal resources exploration began in the mid of 1950s. The early 1970s， for the lack cognition to renewable characteristics of geothermal resources in the past， it cannot correctly refl ect the recycled heat contained from geothermal resources， resulting in the calculated value being smaller. The paper describes a new algorithm of geothermal renewable resources to calculate renewable resource of each geothermal fi eld，thereby re-estimates geothermal resource potential in Beijing. By calculation， using the way of couple well pumping and at 100% recharge irrigation conditions with the well spacing of 300 meters， it can provide heating area of 301 million square meters in ten geothermal fi elds. The use of geothermal cascade utilization （and heat recovery） combined with other clean energy peaking mode for heating， the heating area of ten geothermal fi elds can attain 860 million square meters. Compared with the traditional geothermal recoverable resources and new algorithms in this study， the use of the couple well system can greatly improve the well spacing density and enhance 73 times of heating area. Through the geothermal renewable resource calculation， it plays a good role in promoting the geothermal development across the country.

Keywords:Geothermal energy；Renewable resources；Geothermal heating