焦作市浅层地热能评价及开发利用潜力探析

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(河南省地矿局环境一院，河南 郑州 450045)

目前焦作市浅层地热能资源的开发利用处于起步阶段，尚未对进行过系统开发利用。焦作市浅层地热能资源调查评价可以为焦作市浅层地热能合理开发利用提供地质依据，对焦作市浅层地热能的利用及推广具有十分重要的意义。

1 浅层地热能赋存条件

1.1 地理位置

焦作市浅层地热能调查评价工作区包括中站区、解放区、山阳区、马村区、高新区五个规划区。其范围北到影视路，南到沙河南岸，东到马村区东部的待王工业聚集区，西到中站区东侧的新规划区。工作区面积为240 km2。

焦作市位于河南省的西北部，北依太行山与山西省接壤，南与郑州市、洛阳市隔黄河相望，东临新乡市，东西狭长。地理位置优越，新焦铁路、太焦铁路、侯月铁路及郑焦高速、焦晋高速、焦济高速公路及省道公路穿过本区，是晋煤南运的通道。

1.2 浅层地热能赋存条件

1.2.1 评价区岩土体的热物性

评价区为太行山前冲洪积扇和山前倾斜平原，松散堆积物厚度由北向南逐渐加深，由西向东逐渐加深，在断层附近厚度不一。主要岩土体岩性以粗砂、中砂、细砂、粉砂、粉质粘土、粘土为主，另有砾石零星分布。

根据测试结果显示，岩土体的热物性参数与其含水量呈正相关关系，和密度呈负相关关系，导热系数则有随岩性颗粒变粗而增加的趋势。

1.2.2 水文地质条件

根据浅层地热能的定义，结合工作区地下水含水介质及孔隙类型、埋藏特征的实际状况，本次工作界定：焦作市浅层地热能资源是指埋藏于地表以下200 m以浅的松散岩类孔隙地下水资源及岩土体。

据其水力性质、埋藏深度及开采现状等，在垂向上划分为埋深40～60 m以浅的浅层孔隙含水层和埋深60～200 m之间的中深层孔隙含水层。

1.2.3 浅层地温场特征

工作区200 m以浅没有地温异常区。

2 浅层地热能适宜性评价与区划

2.1 浅层地热能利用现状

工作区内对浅层地热能的利用主要是地下水水源热泵系统，开发利用较晚，总体水平较低。目前没有使用地埋管换热系统的工程。

从利用现状来看，由于在利用阶段没有规划指导，在开发利用方式和开发技术上存在一定的问题。缺乏规划与指导造成区域上对浅层地热能的利用方式不当以及利用系统不匹配成功率低的不良后果。

2.2 浅层地热能适宜性评价与区划

2.2.1 地下水换热系统适宜性分区

地下水换热方式适宜性分区综合考虑单位涌水量、回灌条件(单位回灌量/单位涌水量)、地下水位年下降量以及水特殊地区来构建评价指标体系(表1)。

表1 地下水换热方式适宜性分区指标

工作区地下水源热泵分为较适宜区和不适宜区。

(1)较适宜区(Ⅰ区)。主要分布在工作区中北部地区，自西向东呈条带状，包括嘉禾屯、王褚以及马村区的大部分地区，面积82.05 km2，本区内可进行小型地下水换热系统的开发利用。静水位埋深大于5 m，200 m深度以内，松散岩类孔隙水有效含水层累计厚度>30 m，含水层岩性颗粒等级在中砂以上。

(2)不适宜区(Ⅱ)。在本区内不允许进行地下水换热系统的开发利用。分布在较适宜区外的地区，面积157.04 km2。静水位埋深小于5 m，含水层颗粒细，径流不好的区域，分布在龙源湖以南李万附近的区域；工作区西北部第四系厚度小，含水层疏干区；工作区内的地下水源保护区、塌陷区、南水北调中线主干渠水源保护区内。

2.2.2 地埋管换热系统适宜性分区

地埋管热泵系统适宜性评价分别选择第四系厚度、卵石层总厚度以及含水层总厚度来构建评价指标体系(见表2)。

表2 (竖直)地理管换热适宜性分区指标 m

将各方面因素进行综合分析后，工作区地埋管换热系统适宜性分区共分为适宜区、较适宜区和不适宜区。

(1)适宜区(Ⅰ区)。工作区南部的李万一带，面积53.08 km2，其第四系厚度大于200 m，含水层厚度大于30 m，卵石层厚度小于5 m，且在现状条件下，该地区没有进行大规模的开发建设，在规划设计时可考虑利用绿地或建筑基础进行地埋管换热系统的建设，进行大面积供暖制冷。

(2)较适宜区(Ⅱ区)。工作区中部的地区，面积106.40 km2，其第四系厚度大于100 m，含水层厚度大于30 m，卵石层厚度5～10 m，目前该区已经进行了不同程度的开发建设，受建设场地的制约，不适宜进行大规模的地埋管换热系统开发，但在场地允许的地区，可以进行小规模开发利用。

(3)不适宜区(Ⅲ区)。工作区西北部，森林公园以北王封一带，面积25.61 km2，其第四系厚度小于70 m，含水层厚度小于10 m，在这个区域内不能进行地埋管换热系统的开发，为不适宜区。

3 浅层地热能资源量评价

区域浅层地热能评价的内容包括浅层地热容量、计算换热功率，采暖期取热量和制冷期排热量及其保证程度评价。

3.1 浅层地热容量计算评价

采用体积法计算浅层地热容量，分别计算包气带和饱水带中的单位温差储藏的热量。

1)包气带地热容量计算。在包气带中，浅层地热容量为包气带中岩土体的热容量、岩土体所含水中的热容量和岩土体所含空气中的热容量的和。通过计算工作区总的包气带浅层地热容量为2.672×1012KJ/℃。

2)饱水带地热容量计算。在饱水带中，浅层地热容量为岩土体骨架的热容量和岩土体中所含水的热容量之和。经计算饱水带浅层地热容量为4.895×1013KJ/℃。

包气带与饱水带地热能岩土体地热容量总和即为浅层地热能岩土体地热容量。经计算，工作区浅层地热容量为5.16×1013KJ/℃。

3.2 换热功率的计算与评价

地下水热泵系统采用地下水量折算法计算，地埋管热泵系统采用换热量现场测试法计算。

1)地下水换热系统换热功率的计算。地下水量折算法计算公式:

Qh=qwΔTρwCw×1.16×10-5

参数选取：取单井出水量为50 m3/h；确定工作区1 km2范围内可布置抽水井25眼；冬、夏取地下水可利用温差平均为10℃；根据焦作市规划及其他地区类似项目取值，确定工作区地下水换热系统土地利用系数为0.25；本次参与计算评价地下水换热系统换热功率的面积为系统开发利用分区中的较适宜区，面积82.05 km2。

按制冷季运行90 d，采暖季运行120 d计算，换热系统实际运行取利用率为65%。在一个完整运行年内地下水换热系统可从地下岩土体提取和排放的热量共为：

286 447.7×3 600×24×210×0.65=3.38×1012KJ

折合标准煤11.55×107kg。

2)地埋管换热系统换热功率的计算。根据现场热响应试验取得的热导率或地埋管换热器传热系数等基础数据，计算单孔换热功率。在浅层地热能条件相同或相近的区域，根据单孔换热功率和浅层地热能计算面积，计算地埋管换热功率。计算公式为：

表3 地埋管换热系统开采资源计算表 kw

根据地下水换热系统及地埋管换热系统的计算，计算结果见表3。工作区一个完整运行年内换热系统可从地下岩土体提取和排放的热量共为7.97×1013KJ，折合标准煤2.71×109Kg。

3)环境效益分析。在对大气环境效应进行评价的时候，计算单位燃料产生的污染物，即计算出燃烧每吨煤或者油产生的污染物数量。

根据上述焦作市浅层地热能折合的标准煤的数量，计算结果见表4。

表4 环境效益分析表

4 结语

初步查明了焦作市浅层地热能的赋存条件和分布规律，评价了浅层地热能资源量，进行了浅层地热能开发利用适宜区划分。为促进浅层地热能资源的合理开发利用，做好浅层地热能开发利用工作，在地热能开发过程中，要重视地源热泵换热系统，使用前要进行勘查评价，根据评价结果选择合适换热方式，减少资源浪费，实现资源的可持续发展。同时应加强相关技术研究及监测，建立浅层地热能数据库。加强浅层地热能开发利用的管理与资源的保护，建立浅层地热能开发利用工程的数据库及信息系统。

[1]陶友良，等.河南省焦作地区地下水资源评价报告.河南省地矿局水文地质一队.焦作矿务局.1984.12.

[2]翁金桃，陶友良，等. 焦作地区岩溶发育特征及含水层划分.河南省地矿局水文地质一队.地质矿产部岩溶地质研究所.1989.12.

[3]朱军涛 马沛森，等.焦作市中深层地下水资源及其开发利用现状调查评价报告.河南省地矿局水文一队.2007.12.