湖南省主要城市浅层地温能资源初步调查评价

文　娟（湖南省地质矿产勘查开发局四0二队，湖南　长沙　410004）



湖南省主要城市浅层地温能资源初步调查评价

文娟（湖南省地质矿产勘查开发局四0二队，湖南长沙410004）

本文利用调查、钻探、取样分析、热响应试验等综合方法，对湖南省主要城市浅层地温能资源的分布特点和赋存条件进行了分析，评价了浅层地温能资源容量及开发利用潜力，为湖南省浅层地温能的合理开发利用和保护提供了依据。

浅层地温能；岩土体热物性特征；热容量；换热功率；潜力评价

浅层地温能是一种分布广泛、储量巨大、清洁环保、可再生的新型能源，开发利用浅层地温能对构建“两型社会”，缓解我国能源资源压力，实现非化石能源目标具有非常重要的意义。

1　研究区概况

湖南省位于我国中南部，长江中游，地理座标为东经108° 47′～114°15′，北纬24°39′～30°08′。本次研究区范围包括除长沙市外的13个地级市市区规划范围，评价区（市区规划）总面积16250km2。

省内各城市不同岩层类型的恒温带深度大致在15～25m之间，多在20m左右，温度约在19～21.4℃之间。区内年平均气温16～18℃，年平均降雨量在1200～1700mm之间；地貌类型多样，有半高山、低山、丘陵、岗地、盆地和平原；地层发育齐全，层序清楚，从中元古代至第四纪沉积均有分布；岩浆岩发育中等；境内构造复杂，大型断裂构造多以北东向、北西向为主，自晚第三纪以来，全省新构造运动比较活跃。湖南省地下水类型可划分为松散岩类孔隙水（常德、益阳、岳阳）、红层裂隙孔隙水（长沙、株洲、湘潭、衡阳）、碳酸盐岩岩溶水（张家界、吉首、怀化、娄底、邵阳、郴州、永州）、基岩裂隙水等四大类型。

2　岩土体热物性特征

经对11组热响应试验、300组热物性测试样品室内分析及30组水样水质分析，全省岩土体主要概化为以下五类，把全省不同地点的各取样孔相同岩土体对应的物性参数加权平均，得到省内不同岩性的热物性参数（表1）。

式中：QR为浅层地温能热容量，kJ/℃；QS为岩土体中的热容量，kJ/℃；QW为岩土体所含水中的热容量，kJ/℃；QA为岩土体中所含空气中的热容量，kJ/℃；ρS为岩土体密度，kg/m3；CS为岩土体骨架的比热容，kJ/kg·℃；φ为岩土体的孔隙率（或裂隙率）；M为计算面积，m2；d1为包气带厚度，m；ρW为水密度，kg/m3；CW为水比热容，kJ/kg·℃；ω为岩土体的含水量；ρA为空气密度，kg/m3；CA为空气比热容，kJ/kg·℃。

（2）在饱水带中，浅层地温能热容量按下式计算：

式中：QR为浅层地温能热容量，kJ/℃；QS为岩土体骨架的热容量，kJ/℃；QW为岩土体所含水中的热容量，kJ/℃。QW的计算公式如下：

式中：d2为潜水面至计算下限的岩土体厚度，m；QS为计算时厚度采用d2。

3.1.2参数确定与热容量计算

数据的选取先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（见表2）。表1湖南省岩土样物性及热物性参数表

表2　储存量参数取值表

含水率（%）密度（g/cm3）孔隙率（%）　比热容（kJ/（kg·K））导热系数（W/（m·k））松散层　11.18　2.06　23.96　0.89　1.50红层砂砾岩　9.36　2.43　21.11　0.72　1.92碎屑岩　3.80　2.60　14.15　0.88　2.60碳酸盐岩　3.77　2.70　0.74　0.92　2.01浅变质岩　3.04　2.61　7.62　0.82　2.22岩浆岩　0.24　2.70　0.06　0.79　2.72区内平均　5.23　2.52　11.27　0.84　2.16

3　研究区浅层地温能资源量及开发利用潜力评价

浅层地温能资源潜力评价包括：浅层地温能热容量、地下水地源热泵系统换热功率、地埋管地源热泵系统换热功率和浅层地温能潜力分析。

3.1浅层地温能热容量

3.1.1评价方法

采用容积法计算浅层地温能热容量，分别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地质体的储热性能。

（1）在包气带中，浅层地温能热容量按下式计算：

经计算，全省13个地级城市规划区浅层地温能总热容量为6933.15×1012kJ/℃。

3.2浅层地温能换热功率

3.2.1地下水换热功率

根据适宜性分区结果，本次只对岳阳、常德、益阳、株洲4个市的地下水地源热泵适宜区、较适宜区进行换热功率计算。

（1）评价方法及参数确定

式中：Qh为单井换热功率，kW；常德市适宜区取5000m3/d，较适宜区取1000m3/d；岳阳市适宜区取2000m3/d，较适宜区取500m3/d；益阳市和株洲市较适宜区取500m3/d；qw为工作区单井涌水量，m3/d；ΔT为地下水利用温差，℃；夏季为10℃，冬季为5℃。

式中：Qq为工作区地下水换热功率，kW；Qh为单井换热功率，kW；n为计算面积内可钻孔数量；τ为土地利用系数；土地利用系数=城乡建设用地率×折减系数。城乡建设用地率根据13个地级市2020年土地利用规划取得，折减系数取0.8。

（2）计算结果

经计算，湖南省岳阳、常德、益阳、株洲4个地级城市规划区地下水冬季总换热功率为98.41×104kW，夏季总换热功率为196.81×104kW。

3.2.2地埋管换热功率

本次对13个城市规划区的地埋管地源热泵适宜区、较适宜区进行换热功率计算。

（1）评价方法及参数确定

在层状均匀的土壤或岩石中，稳定传热条件下U形地埋管的单孔换热功率按下式计算：

得到单孔换热量，然后乘以工作区地埋管地源热泵系统适宜区、较适宜区可钻孔数，计算工作区的浅层地温能换热功率；

式中：Dq为工作区浅层地温能换热功率，W；D为单孔换热量，W；n为可钻换热孔数，孔；按照每5m布置一个钻孔计算；τ为土地利用系数；计算同上，折减系数取0.3～0.4（建筑密集区取小值）。

（2）计算结果

经计算，湖南省13个地级城市规划区内地埋管冬季总换热功率为1030.63×105kW，夏季总换热功率为1545.95×105kW。

3.2.3总换热功率

按照规范要求：在地下水和地埋管地源热泵资源评价的非重叠范围区域，按照地下水和地埋管各自的资源潜力进行计算；重叠区域内，按照地埋管地源热泵资源量的2/3，地下水地源热泵资源量的1/3的权重进行计算。依据以上原则，湖南省13个地级城市规划区地源热泵系统冬季总换热功率为1003.72×105kW，夏季总换热功率为1389.02×105kW。

3.3浅层地温能潜力评价

浅层地温能资源潜力评价采用单位面积可利用量的供暖和制冷面积表示。

式中：Qzq为地埋管地源热泵系统资源潜力，m2/km2；Qq为地下水地源热泵系统适宜区、较适宜区换热功率（kW）；M为地下水地源热泵系统较适宜区各分区面积，km2；q为冬季供暖、夏季制冷负荷，W/m2；夏季制冷负荷为76W/m2，冬季供暖负荷为46W/m2；COP为地源热泵机组供暖工况效能比；取4.3；EER为地源热泵机组制冷工况效能比；取4.3，见表3。

4　结论

（1）基岩导热系数在1.50～2.72W/（m·k）之间，热物性较好，热响应效率高。

表3　湖南省浅层地温能潜力评价

（2）湖南省13个地级城市浅层地温能总热容量为6933.15× 1012kJ/℃，相当于每年节约标煤0.823亿t；地源热泵系统冬季总换热功率为1003.72×105kW，夏季总换热功率为1389.02× 105kW；地下水地源热泵冬季供暖潜力一般为0.28～2.11× 105m2/km2，夏季制冷潜力一般为0.29～2.20×105m5/km2。

［1］中华人民共和国国家标准.《地热资源地质勘查规范》（GB/T11615-2010）.

［2］张华民.重庆市浅层地温能资源量调查评价.重庆交通大学，2012，4，20.

［3］丁万顺，郑家森，等.浅层地温能资源评价.中国大地出版社，2010，7.

文 娟（1985-），女，工程师，本科，主要从事水工环地质工作。

TU831

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2095-2066（2016）19-0083-02

2016-6-8