汉中市浅层地热能开发利用适宜性及潜力研究

朱红玉，刘建强，杜少少

(陕西省地质调查中心，陕西 西安 710016)

浅层地热能是蕴藏在地表以下200 m以浅岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能[1]，具有分布广、成本低、易开采、无污染、直接利用等特点。在合理开采的情况下，浅层地热能是一种取之不尽、用之不竭的自然资源[2]。通常用于夏季制冷、冬季供暖、工农业加温、水产养殖及医疗和洗浴等。浅层地热能的合理开发利用，在能源结构调整、强化雾霾治理、应对气候变化等方面有非常重要的意义。

汉中市位于陕西省西南部，是汉王朝的发祥地，长江第一大支流汉江的源头，秦巴山片区三大中心城市之一。近年来，汉中市政府为优化能源结构，治理雾霾污染，改善生态环境，大力推广使用地热能，浅层地热开发与省内其它地区相比程度较高。汉中市浅层地热能开发最早始于2007年，截至2015年底，已建和在建各类利用工程共33处，主要分布在汉江一级阶地，总建设面积132.66×104m2，开发利用方式为地下水地源热泵。但是由于对区域浅层地热能分布、赋存等规律的研究程度欠缺，对可行性、适宜性等缺乏科学评价，导致部分地源热泵工程存在运行效率低下甚至报废的尴尬现状。

本文基于陕西省地质调查院组织实施的省公益性地质专项基金项目“陕西省大中型城市浅层地热能调查评价”，通过调查评价和试验分析，查明汉中市浅层地热能赋存条件，分别对地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统开发利用的适宜性和供暖/制冷潜力进行评价，计算浅层地热能热容量，讨论浅层地热能开发的环境效益和经济效益。

1 研究区概况

汉中市位于陕西省西南部，汉中盆地中部。研究区范围为现状汉中城市建成区及周边用地，具体包括聚集主要人口的老城区、汉江以南的大河坎以及阳安线以北的鑫源(汉中经济开发区)，面积约150 km2。工作区属亚热带气候区，由于周围山地对低层大气运行的屏障作用和盆地的聚热效应，形成温暖湿润、四季分明、夏秋多雨、冬春偏旱的气候特点。年均气温14.3℃，多年平均降水量为884.4 mm，年内降水量分配不均，多集中7、8、9三个月。多年平均蒸发量为1 051.2 mm，多年平均标准冻土深度为1.6 m(1971～2000年)。

区内200 m以浅地层以第四系堆积为主，其成因类型单一，仅为冲积、冲湖积两种类型。早元古代侵入岩在盆地基底广泛分布，但地表未见出露。

2 研究方法

2.1 野外试验

在研究区内施工了5眼工程地质勘探孔，用于岩土样测试、地温测量、现场热响应试验，全孔取芯编录。岩土样测试样品共采集93件，由中国有色金属工业西安勘察设计研究院实验室进行测试。地温监测以新施工的地埋管地源热泵勘探孔为主(2眼)，同时利用以往观测孔(2眼)，监测深度80～150 m，深度间隔为10 m，同时测量地表温度。采用中国地质调查局认证的FTPT11型地层热物性现场热响应测试仪在3处工程地质勘探孔(HG1、HG3、Z3)中开展了现场热响应试验工作，主要进行了无功循环、加热恒热流试验，恒温制冷循环试验，其中，在HG3孔进行了单、双U加热恒热流试验。加热恒热流试验大负荷采用6 000 W，小负荷采用4 000 W。

本次施工2眼水文地质钻孔，抽水、回灌试验相配合。抽水试验采用单孔稳定流抽水，每孔做3个水位降深。回灌试验采用定流量自然回灌方式。试验过程中水位的观测精确到cm。此外，对研究区内地下水进行了水文地质调查并采集水样10组，由陕西工程勘察研究水土检测中心测定。

2.2 浅层地热能热容量计算方法

浅层地热能热容量采用热储法计算评价，分别计算包气带和饱水带中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。

2.3 地源热泵适宜性分区方法

浅层地热能开发利用适宜性分区采用层次分析法确定影响因子权重，然后用综合指数法获得综合评价指标。层次分析法建模按如下4个步骤进行：1)建立递阶层次结构模型，分为目标层、属性层和基础要素指标层；2)构造各层次的判断矩阵，分别比较同一层次各要素之间的相对重要性，采用Santy的1—9标度法给出各要素的分值，构造比较矩阵；3)层次单排序及一致性检验；4)层次总排序及一致性检验。最后求出要素层中各个要素在目标层中所占权重。综合指数法利用层次分析法计算的权重和影响因子指标数值进行累乘，然后相加。

2.4 浅层地热能换热功率计算方法

1)地下水地源热泵系统换热功率采用地下水量折算法计算，如下所示：

Qq=Qh×n×τ水

(1)

Qh=qw×△T×ρw×Cw×1.16×10-5

(2)

式中：Qq为评价区浅层地热能可开采量(kW)，Qh为单井浅层地热能可开采量(kW)，n为可钻抽水井数，τ水为土地利用系数，qw为单井可利用循环水量(m3/d)，△T为地下水利用温差(℃)，Cw为水的比热容(KJ/kg·℃)，ρw为水的密度(kg/m3)。

2)地埋管地源热泵系统换热功率根据U形地埋管换热器传导系数计算，公式为：

Qd=D×n

(3)

D=ks×L×|t1-t2|×10-3

(4)

n=(m×τ)/mi

(5)

式中：Qd为评价区地埋管地源热泵系统换热功率(kW)，D为单孔换热功率(kW)，n为计算面积内换热孔数，ks为地埋管换热器综合传热系数(W/m·℃)，L为地埋管换热器长度(m)，t1为地埋管内流体的平均温度(℃)，t2为温度影响半径之外岩土体的温度(℃)，m为各分区计算面积(m2)，τ为土地利用系数，mi为单个换热孔所占面积(m2)。

2.5 浅层地热能潜力评价方法

根据地源热泵系统换热功率及汉中市冬季供暖和夏季制冷指标，进一步计算出汉中市地下水地源热泵适宜与较适宜区冬季可供暖面积和夏季可制冷面积，进而得到地源热泵系统资源潜力。

(6)

(7)

式中：m为地下水/地埋管地源热泵系统可供暖/可制冷面积(m2)，Qq为地下水/地埋管地源热泵系统适宜区、较适宜区换热功率(kW)，q为调查评价区冬季供暖、夏季制冷热指标(W/m2)，Qzq为地下水/地埋管地源热泵系统资源潜力(m2/km2)，m为地下水/地埋管地源热泵系统可供暖/可制冷面积(m2)，M为计算区面积(km2)。

3 分析及结论

3.1 浅层地热能赋存条件分析

1)汉中市200 m以浅地层主要为第四系全新统和更新统，岩性主要为粉质粘土、粉土、中粗砂、砂砾卵石等，导热系数1.85～2.45 W/m·℃，比热容1.04～1.23 kJ/kg·℃。

2)汉中市200 m以浅地下水按水动力条件划分为潜水和承压水。随地貌单元的变化，自北而南潜水位埋深由深变浅，含水层颗粒由细变粗，厚度由厚变薄，渗透性和富水性由弱增强。含水介质为砂砾卵石夹中细、中粗砂，富水性极强～中等，矿化度0.280～0.711 g/L；承压水含水介质为中粗砂及砂砾卵石，富水性强～弱，矿化度0.247～0.481 g/L。区内地下水水质基本符合水源热泵系统用水水质要求，均为非腐蚀性水。大部分为锅垢多，部分为锅垢少的地下水。

3.2 地温场特征

区内观测孔在一定埋深以浅地温随气温升降而变化，季节性影响较大。D7孔、Z3孔、HG3孔在20 m埋深以浅，地温随气温波动明显(图1)，在20 m埋深以下，地温相对稳定，基本不随季节变化，但随着深度的增加地温略有小幅升高；HG1孔在10 m埋深以浅地温随气温的变化而变化，10 m埋深以下，不同季节地温随深度变化趋势一致。汉中市恒温带埋深约为20 m，即4个地温监测点中恒温带最深值，恒温带温度为13.3℃～18.5℃。地温垂向变化具有差异性，恒温层以浅地温变化主要受太阳辐射影响较大，随近地表气温变化而变化，地温增温带受地球内部热源影响，随深度的增加温度逐渐升高。

据本次调查，区内20 m埋深处的地温整体呈南高北低的状态，汉江二级阶地20 m埋深处地温为15.5℃～16.0℃，汉江漫滩及一级阶地前缘20 m埋深处的地温为17.2℃～18.5℃。

图1 地温变化曲线图

孔号地层平均温度/℃综合传热系数/W/m·℃夏季每延米换热量/W/m冬季每延米换热量/W/m备注HG117．514．0654．3743．82单UHG318．024．5260．6148．85单U17．805．4673．1658．97双UZ317．804．2957．4646．31单U

3.3 地层热响应特征

本次分别采用不同的地埋管深度、试验工况及单U、双U换热器，共设计了3组热响应试验，通过现场测试，取得地埋管换热器传热系数等基础数据，计算标准工况下冬、夏季单孔每延米换热量，基本查明了研究区地层热响应特征，结果见表1、表2。

由表2可知，小功率(4 000 W)时，双U地埋管换热器传热系数比单U地埋管大11.0%；大功率(6 000 W)时，双U地埋管比单U地埋管大28.6%。在同样功率的加热恒热流试验中，双U地埋管的传热系数大于单U地埋管。由此可见，双U地埋管换热器传热性能优于单U地埋管换热器。

3.4 浅层地热能热容量计算

根据浅层地热能的利用特点，通过建立汉中市浅层地热能数学模型，分别计算地下水、地埋管地源热泵适宜区及较适宜区浅层地热能热容量。为保证计算精度，本次对岩土体的含水率、天然密度、干燥重度等物理指标及导温系数、导热系数、比热容等热物理指标进行了深度加权计算，充分考虑了包气带和饱水带中不同岩性和不同厚度的地层对整个钻孔物理指标和热物性指标的影响，确保参数选择的准确性。根据热物性特征，对区内岩性进行概化后取值，结果如表3所示。

表2 汉中市HG3孔不同功率地埋管换热器传热系数对比表

表3 工作区岩性概化及热物性参数建议取值表

考虑到地表以浅3 m受气候、开发措施等影响，本次对3～200 m以浅各区块浅层地热能热容量进行计算，得出岩土体骨架中的热容量3.35×1013kJ/℃，岩土体所含水中的热容量为3.70×1013kJ/℃，岩土体所含空气中的热容量9.57×107kJ/℃，汉中市200 m以浅的浅层地热能热容量为7.04×1013kJ/℃。

3.5 浅层地热能开发利用适宜性分区

3.5.1 地下水地源热泵适宜性分区

影响地下水地源热泵系统的因素众多，相互作用复杂，共同制约着热泵系统的效率，进行地下水地源热泵适宜性分区评价必须“因地制宜”地筛选评价指标[3]。本次采用层次分析法建立汉中市地下水地源热泵适宜性评价体系，层次分析法是一种定性与定量分析相结合的多因素决策分析方法，是分析多目标多准则复杂系统的有力工具[4]。汉中市评价体系结构模型由三层构成，从顶层至底层分别为系统目标层、中间属性指标层和基础要素指标层。目标层为汉中市地下水地源热泵适宜性，中间属性指标层为地下水赋存条件，地下水动力条件、地下水水化学条件3部分，基础要素指标层为地下水埋深、地层岩性、含水层结构、有效含水层厚度、含水层单井出水能力、含水层单井回灌能力、地层渗透系数、地下水腐蚀性和地下水结垢程度9个要素指标。由层次分析法得到各要素权重(表4)，单井出水能力和单井回灌能力直接影响地下水地源热泵的适宜性，单井出水能力和单井回灌能力越大将越有助于地下水地源热泵系统开发利用。

评价结果表明，除未评价区(地表水体)外，汉中市全区均适宜或较适宜采用地下水地源热泵系统开发利用浅层地热能(图2)。适宜区分布于汉江及濂水河漫滩、一级阶地及九女村一带的二级阶地，含水层岩性为砾、卵石及含砾、卵石的中粗砂，为双层结构潜水和承压水，富水性为强～极强，大部分地区含水层厚度大于120 m，适宜地下水抽灌，占评价区面积的81.9%；地下水地源热泵较适宜区分布于汉江一级阶地后缘和二级阶地，含水岩层由砾、卵石及砂组成。该地段地下水的抽灌条件相对较好，富水性中等，有效含水层厚度为90～120 m，占评价区面积的14.9%；区内无不适宜区。

表4 地下水地源热泵适宜性各因子权重表

图2 地下水地源热泵开发利用适宜性分区图

3.5.2 地埋管地源热泵适宜性分区

地埋管地源热泵适宜性的影响因素主要有地质与水文地质条件、地层热物性特征和施工条件。地质与水文地质条件影响岩土体的热物性，而岩土的热物性对地埋管换热性能有着重要影响。同时，地层岩性及颗粒大小影响着钻进工艺，决定地埋管地源热泵工程建设初期的成井费用和初投资等。汉中市地埋管地源热泵适宜性评价体系结构模型由三层构成，从顶层至底层分别为系统目标层、中间属性指标层和基础要素指标层。系统总目标为地埋管地源热泵适宜性，中间属性指标层为地质与水文地质条件、地层热物性特征、施工条件，基础要素指标层为地层岩性、含水层厚度、地下水渗流速度、导热系数、深度加权平均比热容和卵石层厚度6个要素指标。各要素权重如表5所示，其中卵石层厚度是地埋管地源热泵适宜性分区影响最大的指标因子。

表5 地埋管地源热泵适宜性各因子权重表

评价结果表明，汉中市大部分地区均属于地埋管地源热泵适宜或较适宜区(图3)。适宜区分布于汉江及濂水河漫滩、汉江北岸一级阶地及二级阶地前缘，含水层岩性为砾、卵石及含砾、卵石的中粗砂，该区域导热系数高，单孔换热功率大，很适合地埋管地源热泵工程建设，占评价区面积的81.6%；较适宜区分布于评价区内汉江南岸一级阶地及北岸二级阶地后缘，该区导热系数较高，单孔换热功率较大，施工较容易，占评价区面积的15.1%；不适宜区位于汉江北岸一级阶地三里店村的花岗岩浅埋区，区内钻孔揭露第四系厚度为34.5 m，下部为花岗岩，据激电测深解释，该区内第四系厚度为30～50 m，不适宜建设地埋管地源热泵工程，占评价区面积0.2%。

3.6 浅层地热能地源热泵系统换热功率

3.6.1 地下水地源热泵换热功率及潜力

利用单井循环水量、可利用温差及土地利用系数等参数确定地下水地源热泵换热功率。考虑到水资源量和温度场的平衡，依据以灌定采方针，考虑采灌比，以各区块的最大回灌量确定地下水循环利用量；抽水井间距为100 m，并以此来计算可布抽水井数量n；地下水利用温差冬季为5℃，夏季为10℃。换热功率计算成果见表6，汉中市地下水地源热泵适宜、较适宜区总面积为145.22 km2，地下水地源热泵系统总换热功率为1.79×106kW(冬季)/3.58×106kW(夏季)。利用地下水地源热泵系统开发利用浅层地热能时，冬季供暖平均潜力为1.48×105m2/km2，夏季制冷平均潜力为2.13×105m2/km2。

图3 地埋管地源热泵开发利用适宜性分区图

3.6.2 地埋管地源热泵换热功率及潜力

利用岩土热物性和现场热响应试验数据计算地埋管地源热泵系统适宜区和较适宜区的换热功率。评价区内大部分地区地埋管地源热泵换热器长度取200 m，汉江北岸一级阶地雷家巷村及张码头村—汉江制药厂—梁山镇—中所镇沿线以南地区第四系厚度小于200 m，下部均为花岗岩，该区地埋管地源热泵换热器长度按第四系厚度计算。冬、夏两季地埋管内流体平均温度分别取6和32℃，换热功率估算结果如表7所示。冬、夏两季换热功率分别为1.04×107kW、1.26×107kW。利用地埋管地源热泵系统开发利用浅层地热能时，冬季供暖平均潜力为9.64×105m2/km2，夏季制冷平均潜力为1.17×106m2/km2。

3.7 效益分析

浅层地热能是一种非常规能源，在计算其经济价值时通常采用类比常规能源(燃煤)的方法进行折算，并按浅层地热能开发利用效率为35%计算节约量。参照《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615-2010)[5]，计算汉中市浅层地热能开发利用减少的排放量及减排后节省的环境治理费等环境效益，见表8。

表6 地下水地源热泵系统换热功率及潜力计算表

表7 地埋管地源热泵系统换热功率及潜力计算表

表8 浅层地热能开发利用环境效益表

4 结语

(1)汉中市浅层地热能利用系统在推广与应用中存在着一些共性问题亟待解决，建议出台鼓励政策，普及宣传浅层地热能，引导产业发展，在新建开发区供暖方式首选浅层地热能。

(2)目前汉中市地下水地源热泵工程主要分布在汉江北岸舒家营以东七里镇以西约11 km2的范围内，共28处，工程集中，可能引起水源热泵系统能效比降低、性能下降、热短路等一系列问题。建议该区在进行浅层地热能开发利用时，控制水源热泵工程密度，或采用地埋管地源热泵形式。

(3)建立浅层地热能利用工程动态监测站，进行浅层地热能开发利用对地下水、地面形变、地温场等变化情况的长期监测，评价其对地质环境的影响。

[1]中华人民共和国国土资源部.浅层地热能勘察评价规范 DZ/T 0225—2009[S]. 北京:中国标准出版社.2009.

[2]卫万顺, 李宁波, 冉伟彦, 等. 浅层地热能开发利用若干问题的思考[J].资源导刊.2009.5:19-20.

[3]龙西亭，袁瑞强，皮建高,等. 长沙浅层地热能资源调查与评价[J].自然资源学报.2016.1(31): 163-176:1815-1825.

[4]王贵玲, 刘云, 蔺文静, 等. 地下水源热泵应用适宜性评价指标体系研究[J].城市地质.2011.6(3): 6-11.

[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 地热资源地质勘查规范 GBT11615—2010[S]. 北京:中国标准出版社.2010.