贵安新区浅层地温能资源开发利用适宜性分区及潜力评价

张 新

(贵州有色地质工程勘察公司，贵州 贵阳 550001)

浅层地温能是指蕴藏在地表水或地表以下200 m深度范围内的岩土体中具有开发利用价值的的热能(一般低于25℃)。浅层地温能作为一种新型能源，具有储量巨大、可再生和开发利用对环境影响小等特点，具有明显的资源属性；开发利用浅层地温能成为当今应对全球气候变化、发展低碳经济、促进节能减排战略目标的实现。本文通过对贵安新区浅层地温能赋存条件的研究，结合岩土样测试等数据的分析，采用热储量体积法计算其资源容量，在利用地埋管式地源热泵技术开发浅层地温能的基础上，对研究区进行了浅层地温能开发利用适宜性分区，结果表明；绿地土地利用系数按60%考虑时，地埋管地源热泵冬季供暖面积1.22×109m2，夏季制冷面积1.18×109m2。因此，研究区浅层地温能开发利用潜力大，可带来巨大的经济效益。

1 研究区浅层地热能赋存条件

1.1 地质结构特征

研究区位于贵州省中部，属于以岩溶地貌为主、高原台地、山地、丘陵盆地等交错分布的地区。

研究区碳酸盐岩及夹碎屑岩的碳酸盐岩层分布广泛，占研究区总面积的99%，碎屑岩占1%。第四系主要分布于研究区的河流、岩溶洼地等地势低洼地带，平均厚度3.69 m。

1.2 水文地质概况

研究区主要为松散岩类孔隙水、基岩(碎屑岩)裂隙水、碳酸盐岩岩溶水三大类型。

1.2.1 碳酸盐岩岩溶水

含水层组包括三叠系下统大冶组、安顺组、三叠系中统贵阳组、花溪组、二叠系上统吴家坪组—长兴组、中统茅口组-栖霞组、下石炭系上统黄龙组、下统摆佐组等，含水层以灰岩、白云岩为主，地下水主要赋存、富集、运移于灰岩溶洞-管道、溶蚀裂隙-溶洞中，动态变化大等特点，含水极不均匀，地面泉出露少。

1.2.2 基岩(碎屑岩)裂隙水

含水层组包括下三叠系中统边阳组。含水层以钙质页岩、泥岩、粉砂岩等碎屑岩为主。地下水主要赋存于碎屑岩构造裂隙和风化裂隙中，泉水出露点较多，但流量小，泉水流量一般在0.1～1 L/s之间，径流途径短，近源补给、分散排泄等特点，流量变化在短期内不十分明显。

1.2.3 松散岩类孔隙水

松散岩类孔隙水分布在河谷两岸及大型岩溶洼地底部的冲积、洪积物及残坡积层中，地下水赋存于第四系松散层的孔隙中，含水层由冲积、洪积及残坡积粘土、亚砂土、砂、砾石层组成，一般为潜水，地下水天然露头较少，动态变化大。

1.3 岩土体热物性特征

1.3.1 室内测试

本次共采集岩土样品65件测试岩土样进行热物性参数室内测试。根据热物性参数测试成果及收集区域勘察资料显示(表1，图1)，砂岩、泥岩等碎屑岩类孔隙率约0.08，综合导热系数介于2.13～2.62 W/m·℃，比热容介于0.563～0.733 KJ/kg℃，密度约为2.59 g/cm3；碳酸盐岩类的孔隙率介于0.08～0.12之间，导热系数介于2.37～3.05 W/m·℃，密度介于2.61～2.78 g/cm3，比热容介于0.601～0.850 KJ/kg℃。

表1 工作区地层岩性热物性测试成果

图1 工作区岩性导热系数对比直方图

1.3.2 现场测试

1)恒温带特征

本次工作共布置地温检测孔9个，观测周期均为10～20 d，其中，根据工作测量的温度地温值(图2)，确定工作区内恒温带深度为20～30 m间。

图2 工作区岩性导热系数对比直方图

2)地温空间变化特征

通过地温监测数据成果分析，工作区地热增温率介于1.7～2.3℃/100m，在平面上，增温率呈自南东向北西递增趋势。

3)地层热响应特征

本次工作共布置16个热响应试验孔，孔径均为φ150 mm。均使用双U换热器。试验仪器采用华清地热GH-12FT05型岩土热物性测试仪。试验模拟夏季制冷工况。试验功率为3 kw和6 kw。

通过16组热响应试验，对工作区主要地层初始温度、热扩散系数、容积比热容、综合导热系数等做了解。浅层地温能热响应试验计算成果见表2。

表2 浅层地温能热响应试验计算成果表

2 适宜性分区

2.1 适宜性分区原则

浅层地温能的开发利用适宜性分区主要围绕地下水源热泵和地埋管地源热泵的方式进行[6-7]。在地下水、地埋管适宜性分区的基础上，按照适宜性优先原则(即不同形式的适宜性分区两两相比，综合取两者中适宜较好者)，采用叠加法评价出浅层地温能适宜性综合分区。

2.2 分区方法

层次分析法(Analytical Hierar-chy Process，简称AHP方法)是美国运筹学家A.L.Saaty于1970年代提出的一种定性与定量相结合的决策分析方法[8-11]。它是一种将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程，应用这种方法，决策者通过将复杂的问题化解为若干层次和若干因素，通过对各因素之间进行比较和计算，得出不同的权重，为最佳方案的选择提供依据(见图3)。

图3 贵安新区直管区地下水地源热泵层次分析模型结构示意图

2.3 分区结果

2.3.1 地下水源热泵适宜性分区

按照地下水地源热泵适宜性分区模型及划分标准，将工作区划分为适宜区、较适宜区、不适宜区三个类别。地下水地源热泵适宜区主要分布在清镇职教城、贵安生态新城以及马场科技新城沿马场河沿线一带三处核心职能聚集区，较适宜区主要分布在天河潭新城、马场科技新城东侧及高峰镇大部分，不适宜区主要位于高峰山及贵阳花溪大学城(见表3)。

表3 贵安新区直管区地下水地源热泵

2.3.2 地埋管地源热泵适宜性分区

按照地埋管地源热泵适宜性分区模型及划分标准，将工作区划分为适宜区、较适宜区、不适宜区三个类别，地埋管地源热泵在贵安新区直管区普遍适用，适宜区主要分布在清镇职教城、贵安生态新城、马场科技新城、天河潭新城以及高峰镇北部，较适宜区主要分布在贵阳花溪大学城、湖潮物流区，不适宜区主要分布在高峰山、马场科技新城南侧、高峰镇西南侧，党武南侧等地势起伏较大区域(见表4和图4)。

表4 贵安新区直管区地埋管地源热泵适宜性分区成果表

图4 贵安新区直管区浅层地温能开发利用适宜性区划图

3 资源潜力评价

3.1 计算方法

浅层地温能热容量是指蕴藏在地表以下一定深度内岩土体、地下水和地表水中单位温差的热量。采用热储量体积法计算评价区浅层地温能热容量。首先以地层单元为单位，确定各地层潜水水位，再确定主要地层厚度和物性参数，分别计算浅层地温能可开发范围内各单元地层的分项热储量(QS、QW、QA、)，然后以分项总和法求得评价区浅层地温能热容量总量。评价区分布的地层单元有11个，分别为：Q、T2gy、T2b、T2h、T2q、T1a、T1d+g、P3w+c、P2q+m、C2h+m、C1b。

3.2 计算结果

根据浅层地温能热容量计算方法，分别计算各单元地层120 m、200 m深度内包气带热容量、饱水带热容量，进而按分层总和法计算出120 m、200 m深度内的总热容量。

在120 m深度范围内，包气带岩土体中固态物质热容量为1.83×1013KJ/℃、岩土体所含水中的热容量为3.62×1012KJ/℃、岩土体所含空气的热容量为1.47×108KJ/℃，合计为2.19×1013KJ/℃；饱水带岩土体中固态物质热容量为7.37×1013KJ/℃、岩土体所含水中的热容量为2.04×1013KJ/℃，合计为9.41×1013KJ/℃。120 m深度内浅层地温能热容量总计1.16×1014KJ/℃。

在200 m深度范围内，包气带岩土体中固态物质热容量为1.83×1013KJ/℃、岩土体所含水中的热容量为3.62×1012KJ/℃、岩土体所含空气的热容量为1.47×108KJ/℃，合计为2.19×1013KJ/℃；饱水带岩土体中固态物质热容量为1.34×1014KJ/℃、岩土体所含水中的热容量为3.70×1013KJ/℃，合计为1.71×1014KJ/℃。200 m深度内浅层地温能热容量总计1.93×1014KJ/℃。

3.3 地埋管地源热泵潜力评价

根据贵安新区气候条件及建筑结构特征，空调负荷采用：供暖期50 w/m2、制冷期70 w/m2。按绿地土地利用系数60%计算出工作区地埋管浅层地温能潜力为为：冬季可供暖面积1.22×109m2，夏季可制冷面积1.18×109m2。

4 结语

(1)区内主要地层的综合热导率在2.17～3.21 W，综合热扩散系数0.94～1.32×106m2/s，总热阻0.09～0.28 m·℃/W。地埋管地源热泵较适宜区面积共123.38 km2，占研究区面积的26.0%。适宜区面积共246.47 km2，占研究区面积的52.0%，研究区范围内可以大力开发利用浅层地温能资源。

(2)研究区内利用地埋管地源热泵系统开发利用浅层地温能，按绿地土地利用系数60%计算出工作区地埋管浅层地温能潜力为为：冬季可供暖面积1.22×109m2，夏季可制冷面积1.18×109m2。

(3)研究区内浅层地温能开发利用总能量为能量为7.60×108GJ/a，减排节约的环境治理费为598 017.3万元/a。折合成标准煤15 143 064.53 t。