郑州市区浅层地热能调查与评价研究

韩玉龙，罗国杰

(华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046)

0 引言

此前，我国解决城镇居民供暖及制冷、生活热水供应常用的方式主要有两种：第一种是市政供暖，第二种是空调制冷供暖。随着新能源技术的开发利用，浅层地热能作为一种可循环再生的新型能源，经水源热泵技术提取后可实现供暖制冷，正成为一种新的供暖制冷方式。目前我国浅层地热能开发利用稳步上升[1-5]，截至2017年底，国内利用浅层地热能年均折合标准煤2000万吨，供暖制冷面积共计5.5亿m2，主要集中于北京、天津、上海等人口密集的城区，其中京津冀地区开发利用规模最大，约占全国的20%[5]。

本研究定量分析了郑州市区浅层地热能的资源量与开发利用潜力，并利用层次分析法进行科学合理区划，以期促进浅层地热能在郑州市区的供热(冷)得到有效应用，缓解郑州市区的资源与环境压力。

1 研究区概况

1.1 地质概况

研究区主要位于冲洪积平原区，区域200 m以内深度范围的水文地质情况见图1。新近系岩性为黏土或泥岩、中砂、中粗砂、细砂互层，局部夹卵砾石；第四系为厚层黏土、粉质黏土、粉土、粗、中、细砂层，西南山前和邙山一带为粉质黏土；西部台塬区堆积有马兰黄土，为风成黄土，第四系厚度大于100 m。隐伏断裂发育，断裂展布方向以NW向、近EW向为主。近EW向断裂主要由中牟断层、中牟北断层、上街断层、须水断层；NW向断层主要有老鸦陈断层、花园口断层、古荥断层等[6]。

图1 郑州市水文地质图(200 m 以内深度范围)

1.2 水文概况

根据研究区浅层地下水的储含条件、水力性质及水力特征：松散岩类孔隙水、赋存于第四系及新近系多种成因的松散沉积物中的地下水，是研究区主要含水类型。本次研究将200 m以内浅层地下水含水层作为主要目的层，研究区水文地质剖面见图2。该含水层组底板埋深一般为45～55 m，局部埋深大于60 m，为潜水或微承压水类型，厚度为25～45 m，其下部为一组粉质黏土或粉土弱透水层[7]。富水性极强区位于市区沿黄河东北部一带，单位涌水量>7200 m3/d；富水性强区位于市区花园口—祭城—圃田一带的黄河冲积平原，单位涌水量为2400～7200 m3/d；富水性中等区分布在京广铁路两侧的黄河冲积平原和墟前冲积平原以及上街区北部，单位涌水量为1200～2400 m3/d；富水性弱区主要分布于三李和西北部邙山黄土墟区，单位涌水量为240～1200 m3/d；富水性极弱区分布于上街区陇海铁路南部，单位涌水量小于240 m3/d[8]。

图2 郑州市水文地质剖面图

2 浅层地热能资源评价

浅层地热能资源量评价主要从浅层热容量和可换热功率两方面进行。从浅层热容量的结果可定量研究区200 m深度以内浅层地热能的可利用量，从可换热功率的结果可定量出研究区200 m深度以内浅层地热能的可开采量。

2.1 计算方法及参数选取

2.1.1 浅层热容量

2.1.1.1 计算方法

浅层热容量主要包括包气带与饱水带，本次研究使用体积法分别计算单位温差储热量，再合并结果，得出研究区200 m深度以内总的热容量[9]。

1)包气带层

QR=QS+QW+QA

(1)

式中：QR为浅层地热容量，kJ/℃；QS为岩土体中的热容量，kJ/℃；QW为岩土体中水的热容量，kJ/℃；QA为岩土体中空气的热容量，kJ/℃。其中：

QS=ρS·CS(1-φ)M·d1

(2)

式中：ρS为岩土体密度，kg/m3；CS为岩土体比热容，kJ/kg·℃；φ为岩土体的孔隙率；M为计算区面积；d1为包气带厚度，m；其中：

QW=ρw·Cw·ω·M·d1

(3)

式中：ρw为水密度，kg/m3；Cw为水比热容，kJ/kg·℃；ω为岩土体含水量；其中：

QA=ρA·CA(φ-ω)M·d1

(4)

式中：ρA为空气的密度，kg/m3；CA空气的比热容，kJ/kg·℃。

2)饱水带层

QR=QS+QW

(5)

式中：QR为浅层地热容量，kJ/℃；QS为岩土体中的热容量，kJ/℃；QW为岩土体中所含水的热容量，kJ/℃。其中：

QW=ρw·CW·ω·M·d2

(6)

式中：d2为计算下限到含水层顶板岩土体厚度，m。

2.1.1.2 浅层热容量计算参数的选取

1)计算面积M：为研究区的计算分区面积，本次研究将郑州市区浅层地热能分Ⅶ个区。

2)计算下限到含水层顶板岩土体厚度d2：根据研究区地质条件，浅层地下水含水层底板埋深最大为200 m，故本次研究计算下限取200 m，其减去包气带厚度即为d2[10]。其他主要计算参数见表1。

表1 主要计算参数选取统计

2.1.2 可换热功率

2.1.2.1 计算方法

1)根据不同计算分区的富水性确定各地下水循环利用量；

2)根据提取温差，按照式(7)、式(8)分别计算研究区地下水地源热泵夏季、冬季功率[11]。

具体计算公式：

(7)

Qh=qW·ΔT·ρW·CW×1.16×10-5

(8)

2.1.2.2 主要计算参数的选取

以郑州市区地下水地源热泵适宜和较适宜区为前提，考虑分区涌水量、土地利用率等条件的差异性，在此基础上确定各区参数(表2)。

1)地下水利用温差：根据已运行良好的水源热泵系统取水井抽水试验可知，夏季取8°C；冬季取5°C；

2)最佳井距d：根据研究区已运行良好的水源热泵，地下水地源热泵抽灌比一般为1∶2[12]。

表2 郑州市区主要计算参数选取统计

2.2 结果分析

2.2.1 浅层热容量计算结果

根据上述计算方法，并结合表1的各参数值，计算得郑州市区浅层地热能的地热容量总为493.85×1012kJ/℃，其中储存于包气带热容量40.09×1012kJ/℃，饱水带热容量为453.76×1012kJ/℃。若研究区当地浅层地热能始终保持完全开发利用，且夏冬季的换热间歇时，恢复地层间温度导致的地热消耗不考虑，换热温差取5℃时，1 t标准煤的热量为2.92×107kJ，研究区每年可开发利用的地热能共计4.94×1015kJ，约等于燃烧16 831.12万吨标准煤所获得的能量。综上所述，郑州市浅层地热能蕴藏量丰富[13]。

2.2.2 可换热功率计算结果

根据前述计算方法与参数，在考虑分区当地土地利用系数的情况下，可得出研究区夏季总换热功率为421.69×104kW，冬季总换热功率为169.34×104kW，合计为591.03×104kW，可折合标准煤为98万吨。计算结果见表3。

表3 换热功率计算成果

2.3 浅层地热能资源潜力评价

2.3.1 评价方法

先计算得出单位面积上可提取的浅层地热能资源量，在计算出计算分区的资源量，累加求得研究区内总的资源量[14]。

计算采用公式(9)和(10)：

Q年=M'×(Q夏+Q冬)

(9)

Q夏(冬)=Qh夏(冬)×N×t

(10)

式中：Q年为计算区浅层地热能可开采资源量，kJ/a；M′为计算区面积，km2；Q夏(冬)单位面积上夏(冬)季资源量，kJ/km2；Qh夏(冬)为地下水地源热泵夏(冬)级换热功率，kW；N为单位面积可布抽、灌井对数；n为单位面积可布换热孔数；t为热泵系统运行时间，d。

2.3.2 主要计算参数的选取

1)计算面积M′=分区面积×折减系数×土地利用系数；折减系数取0.6～0.9。

2)运行时间t：根据实际情况取120 d[15]。

2.3.3 计算结果

根据前述方法，计算得出研究区浅层地热能单位面积上夏季资源量为2.39×107kJ/km2、冬季资源量为1.5×107kJ/km2，研究区浅层地热能可开采资源总量为65.76×107kJ/a，折合标准煤年21.46万吨，可制冷总面积年520.38×104m2，可供暖总面积年487.85×104m2[16]。综上所述，郑州市浅层地热能开发利用潜力较大，地热能储藏量完备，可在现有技术成熟的条件下大力开展浅层地热能的使用。计算结果见表4。

表4 地下水地源热泵潜力计算成果

3 水源热泵系统建设水资源管理区划

3.1 评价体系的构建

3.1.1 评价指标的选取

影响水源热泵系统运行的因素有很多，根据研究区浅层地下水的水文特点，并以科学性、可操作性、完整性的评价原则为基础，本次研究选取供水、回灌以及水化条件来构建评价指标体系。结合收集的资料情况，所选取的3个评价指标又分别包括不同的要素[17]。

供水条件B1：本次研究选取富水性(C1)、开采潜力(C2)及补给模数(C3)。

回灌条件B2：本次研究选取含水层岩性(C4)和埋深(C5)构成回灌条件的要素组成。

水化学条件B3：本次研究选取硬度(C6)、矿化度(C7)和腐蚀性(C8)[18]。

3.1.2 评价体系的构建

层次分析法是把影响评估决策的相关评估指标分解成决策—基准—方案的层次递进关系，并在此层次结构上进行定性元素的定量化分析的一种方法[19]。

本次研究将评价体系分为三层，目标层是对水源热泵系统应用适宜性的总体评价，属性层是水源热泵系统适宜性的影响条件，要素层是描述属性层各指标性质的最基本要素，总体层次结构图见图3。

图3 地下水地源热泵适应性评价层次结构图

3.1.3 权重系数的确定

在评价体系的层次结构基础上，各指标相互对比，构造判断矩阵，用1～9级标度法量化，并确保判断矩阵通过一致性检验。判断矩阵和权重见表5至表9。

表5 目标层与属性层判断矩阵

表6 属性层与要素指标层制约因子判断矩阵Ⅰ

表7 属性层与要素指标层制约因子判断矩阵Ⅱ

表8 属性层与要素指标层制约因子判断矩阵Ⅲ

表9 要素层中各要素占总目标的最终权重

由表9的各要素最终权重系数可看出，本次评价对总体结果影响较大的要素依次为富水性(权重为0.349)、岩性(权重为0.260)、开采潜力(权重为0.124)、埋深(权重为0.130)。这4个基本要素是含水层涌水和回灌能力的综合反映。由此可见，含水层的供水和回灌条件是决定研究区是否适合水源热泵最重要的两个指标[4]。

3.2 数据处理

3.2.1 数据的矢量化

矢量化过程即对各要素指标层编制分区图，包括对底图的配准并矢量化，最终将所有图件归纳到统一坐标下分析处理，采用ArcGIS软件实现[20]。

数据的标准化：评价所用数据的种类各不相同，导致量纲也不同，无法直接相互进行比较使用。为使数据具有可比性并方便计算使用，需要进行标准化赋值[21]。

本次标准化处理以水源热泵系统的建设适宜性为前提，对各要素在1～9之间打分，将所有数据赋值为介于1～9之间的无量纲数值。各要素的具体赋值见表10。

表10 各要素赋值

3.2.2 评价结果

将研究区按200 m×200 m的网格比例进行剖分，将8项评价要素的属性赋值链接到每个网格点上。采用综合指数法，将每个网格点的分值与其相对应的权重值相乘，然后求和，得出每个点上的总分值。根据分值的分布情况，制定水源热泵各个适宜区的分数范围值，并划分适宜区。

根据本次评价计算结果的分值分布情况，将分值0～5划分为水源热泵不适宜区，该区主要位于郑州市黄河保护区和水源地保护区，分区面积为32.6 km2，占比为5.08%；将分值5～6.25划为水源热泵较适宜区，该区主要位于郑州市区西南部和西北部的黄土台塬，分区面积为191.01 km2，占比为29.76%；将分值6.25～9划为水源热泵适宜区，该区主要位于黄河岸边，市区中东部一带，分区面积为418.24 km2，占比为65.16%。最终分区结果见图4。

总体来说，郑州市水源热泵开发适宜区范围较大，且地下浅层地热能储备量丰富，可作为新型能源供给夏季制冷和冬季供暖，以求节约煤炭等不可再生资源。

图4 郑州市区地下水地源热泵系统适宜性分区

4 结论

1)运用体积法算出郑州市区200 m 深度范围内浅层地热容量为493.85×1012kJ/℃，约等于燃烧16 854.38万吨标准煤所获得的能量，郑州市的浅层地热能蕴含量丰富。

2)按照地下水利用温差，夏季利用温差取8°C，最佳井距50 m，采用1抽2灌方式，确定郑州市区总换热功率合计591.03×104kW，折合为标准煤为98万吨。

3)按照供暖负荷50 W/m2、制冷负荷75 W/m2折算可供暖与可制冷总面积，得出郑州市区浅层地热能可制冷总面积为520.38×104m2/a，可供暖总面积为487.85×104m2/a，每年相当于标准煤21.46万吨。

4)采用层次分析法进行了郑州市区地下水地源热泵系统的适宜性分区，分析得出：研究区水源热泵不适宜区占比为5.08%，水源热泵较适宜区占比为29.76%，水源热泵适宜区占比为65.16%。