贵州省开阳县规划开发区浅层地热能开发利用前景分析

江 峰，李 强，吉勤克补子，王若帆，焦 恒

（贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州遵义563000）

浅层地温能是一种新型的优质环保能源，具有可再生、储量大、清洁环保和可用性强等特点，它能够有效缓解能源供应压力。研究表明，浅层地温能与传统锅炉（电、燃料）供热系统相比，地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量[1]；地源热泵相对于传统供暖、空调方式，其运行费用节约185%～54%[2]。此外，浅层地温能相关研究成果越来愈丰富。王贵玲等[3]对我国主要城市的浅层地温能利用潜力进行了评价；韩再生和冉伟彦[3]对城市地区的浅层地温能评价方法进行了探讨，并指出浅层地温能资源评价是地源热泵工程设计的基础，也是城市地区浅层地温能利用规划、管理的依据。

贵州省开阳县规划开发区乃至整个开阳县均未对浅层地温能进行开发利用，其浅层地温能开发利用条件及潜力未知。基于此，本文在充分收集区域已有地质、水文地质、地热地质勘查成果等基础上，通过开展1∶5 万水文地质补充调查，查明了开阳县规划开发区200m 以浅第四系区域水文地质条件和岩土层岩性结构；通过取样测试、热响应试验以及抽水、回灌试验等工作，取得了开阳县规划开发区相关浅层地温能基础热物性参数，分别进行了地埋管换热方式和地下水换热方式换热功率的计算；进而开展了区域浅层地温能开发利用条件评价工作，基本查明县城浅层地热能资源禀赋特征，并对县城周边浅层地热能资源量及开发利用潜力进行初步评价，为开阳县规划开发区浅层地温能的开发利用提供基础支撑。

1 工作区概况

贵州省开阳县规划开发区位于开阳县城南东缘5km，开发区总面积约2.57km2，出露地层仅有寒武系芙蓉统至第三统娄山关组（∈3-4O1l）和寒武系第三统石冷水组（∈3sh），岩性均为白云岩、细晶白云岩。开发区构造相对单一，区内主要构造为一条北东东向翁昭断层（图1）。

2 岩样采集及热响应试验

根据前期详细的地质勘察结果，开阳县城规划发展区的浅层地热能资源估算区内主要发育分布有寒武系娄山关组和石冷水组两套碳酸盐岩地层，其中∈3-4O1l地层面积为2.08km2，∈3sh地层面积为0.49km2。

本次工作控制性采集区内娄山关组和石冷水组岩土样各10 件，并送至重庆市岩土工程检测中心进行了实验室物性参数检测，检测内容为岩土体导热系数（W/m·℃）、热扩散系数（10-6m2/s）和质量比热容（kJ/kg·℃），主要检测结果平均值见表1。

本次工作共布置3 个热响应试验孔（全孔同径Ø150mm），均使用双U 换热器，回填料均采用原浆回填。试验仪器采用天津地热研究院生产的PTPT111热响应测试仪。通过对以上3孔开展现场热响应试验及线热源理论公式计算得出，各勘查孔热物性测试成果见表2。

3 地热容量计算

浅层地热容量是指蕴藏在地表以下一定深度范围内岩土体、地下水和空气中单位温差储藏的热量，反映了地质体的综合储热性能。根据《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T0225-2009），浅层地热容量的计算方法为体积法，即分别计算包气带与饱水带中浅层地热容量，以二者之和作为计算深度的浅层地热容量。具体计算方法如下所述。

表1 实验室岩土体热物性检测成果表

表2 现场热响应试验成果统计表

3.1 包气带中浅层地热容量计算

式中：QR——浅层地热容量；

QS——岩土体中的热容量；

QW——岩土体所含水中的热容量

QA——岩土体所含空气中的热容量；

ρS——岩土体密度；

CS——岩土体骨架的比热容；

φ——岩土体的孔隙率（或裂隙率）；

M——计算面积；

d1——包气带厚度；

ρW——水密度，取值1000kg/m3；

CW——水比热容，取4.18kJ/kg·℃；

ω——岩土体的含水率，%；

ρA——空气密度，取1.29kg/m3；

CA——空气比热容，取1.003kJ/kg·℃。

其中，岩土体孔隙率、含水率、密度及比热容按勘查区各地层不同地带芯样实验室检测加权平均值确定（包气带岩土体密度按块体干密度取值，饱水带密度按块体饱和密度取值），包气带厚度d1根据区域地下水潜水位确定，取值为12m。

3.2 饱水带中浅层地热容量计算

式中：QR——浅层地热容量；

QS——岩土体骨架的热容量；

QW——岩土体所含水中的热容量；

d2——潜水面至计算下限的岩土体厚度。

上述参数同包气带地热容量计算式涉及参数取值相同。根据浅层地热容量计算方法，对区域地层的包气带及饱水带热容量进行估算，进而运用汇总法计算区域浅层地热总热容量，计算结果详见表3。

表3 开浅层地热容量计算结果

4 换热功率计算

4.1 地下水换热功率

地下水换热功率是指通过地源热泵系统单位时间内从一定地下水循环利用量中交换出的热量，反映了地下水的综合换热能力。根据《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T0225-2009），采用如下公式计算：

式中：Qh——换热功率，kW；

qW——地下水循环利用量，m3/d；

ΔT——地下水利用温差，℃；

ρW——水密度，取1000 kg/m3；

CW——水比热容，取4.18kJ/kg·℃。

地下水循环利用量即为地下水开采换热、尾水回灌后，可有效循环利用的水资源量。地下水循环利用量按允许开采量（夏季取平水期X0.75、冬季取枯水期X0.95）的1.65 倍进行取值。经计算，夏季地下水循环利用量为14.59L/s（1261.24m3/d），冬季地下水循环利用量为17.03L/s（1471.91m3/d），区域地下水温在16℃左右，根据《实用供热空调设计手册》（第二版）中地下水利用温差取值范围（ΔT=5℃～11℃），结合区内冷期长、采暖为主，制冷次之的实际情况，地下水利用温差夏季取10℃、冬季取7℃。

4.2 地埋管换热功率

本次地埋管换热功率的计算采用单孔换热功率汇总法，即通过现场热响应试验求取计算地层的单孔换热功率，再根据计算地层有效开发利用面积（适宜区及较适宜区）推算换热孔数，最后将各计算分区不同地层单孔换热功率与换热孔数的乘积累加汇总得到区域换热功率。具体计算方法如下：

式中：Qh——区域换热功率；

D——单孔换热功率；

n——计算面积内换热孔数；

Q——单位延米换热量；

L——计算深度，取200m。

根据地埋管地源热泵建设一般孔距要求（5m×5m），单孔占地面积为25m2，经计算，计算面积内换热孔数为102800 个，而单位延米换热量在现场热响应试验报告中已计算得出。

计算结果显示，开阳县规划开发区面积为2.57km2，按5m×5m孔距可布置换热钻孔102800个，孔深为200m 时，夏季换热功率为1361270.8kW，冬季换热功率为1245945.2kW。

4.3 区域换热功率

根据地下水及地埋管换热功率累加计算区域总换热功率，具体结果见表4，开阳县城规划开发区200m以浅夏季总换热功率为1.36×106kW，冬季总换热功率为1.25×106kW。

5 开发利用评价

表4 区域总换热功率计算结果表

5.1 开发利用潜力评价

根据对开阳县城规划开发区浅层地热能资源计算结果，根据有关规定，夏季单位面积需求的制冷功率约50W，而冬季单位面积需求的采暖功率约90W，据此进一步对规划区地下水地源热泵和地埋管地源热泵可供面积进行估算（表5）。计算结果显示，开阳县城规划开发区夏季可供制冷面积约28.74km2，冬季可供采暖面积约13.83km2。而开阳县城规划开发区总面积约2.57km2，计算结果表明，浅层地热能资源的可供面积足以满足规划开发区的制冷和采暖需求。

表5 两种地源热泵可供面积估算表

5.2 开发利用条件评价

开阳县城规划发展区地形起伏较小，岩溶发育深度不大，且区域地下水位埋深小，地下水换热适宜机井开采取水。规划发展区所处的地下水系统的含水介质以裂隙溶洞及溶洞溶隙等为主，换热后的尾水回灌条件极佳，极有利于地下水的循环利用，地下水换热浅层地热能开发利用条件良好。

对于地埋管换热浅层地热能开发利用可从以下几个方面进行评价：

首先，区域岩土体热物性条件：热物性是影响地埋管换热性能的主要因素，开发区区岩土体导热系数4.37～4.67W/m·℃，容积比热容为（4.14～4.46）×106J/m3·℃，延米换热量65.08～71.01W/m，地温恢复时间约8h，总体热物性参数较大、地温恢复较快，地埋管换热的热物性条件良好。

其次，地质条件和岩石可钻性：开发区主要分布地层为∈3-4O1l和∈3sh，占开发区比重在99%以上，其热物性参数总体较大，地埋管换热条件较好。另外，开发区整体地形起伏变化小、岩溶发育不深、地下水位埋深较浅，运用地埋管换热的地质条件较好；开发区主要分布的是碳酸盐岩地层，坚硬程度上总体属较硬岩和较软岩，大部分属完整和较完整，岩石可钻性总体较好，地埋管换热的钻进条件较好。

最后，交通状况方面，区内高速公路通达，县道穿过开发区。因此，区内实施地埋管地源热泵工程技术难度小、成本费用低、不易引发滑坡等地质灾害，地埋管换热浅层地热能开发条件好。

总体上，开阳县规划开发区浅层地温能开发利用潜力较大，且其开发利用条件较好，非常适于进行浅层地温能资源的开发利用。

6 结论

（1）规划开发区娄山关组地层夏季单位延米换热量为65.08W/m，冬季单位延米换热量为60.63W/m；石冷水组地层夏季单位延米换热量为71.01W/m，冬季单位延米换热量为60.48W/m；

（2）规划开发区200m 以浅夏季总换热功率为1.36×106kW，冬季总换热功率为1.25×106kW；

（3）规划开发区夏季可供制冷面积约28744963.47m2，冬季可供采暖面积约13827478.27m2，规划开发区总面积约2.57km2，区域浅层地热能资源的可供面积足以满足规划开发区的制冷和采暖需求；

（4）规划开发区浅层地温能开发利用潜力较大，且其开发利用条件较好，非常适于进行浅层地温能资源的开发利用。