基于指标法和层次分析法的浅层地热能资源勘查及评价

摘要：以山东省聊城市东昌府区浅层地热能开发利用示范工程为例，系统研究示范工程选址、换热方式选型的思路和工作方法。相关结论不仅为换热孔的设计和施工提供了依据，也为开展浅层地热能开发利用项目提供了参考。

关键词：浅层地热能；工程选址；换热方式选型

中图分类号：P314 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）07-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.040

Exploration and Evaluation of Shallow Geothermal Energy Resources Based on Indicator Method and Analytic Hierarchy Process

SHANG Feilong1，2， BI Lei1，2， KONG Fandu1，2， MA Yadi1，2， ZHENG Zhuangzhuangn1，2

（1. No.1 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geology Bureau;

2. Low Carbon Energy and Carbon Neutrality Engineering Research Center， Qingdao 266500， China）

Abstract： Taking the demonstration project of shallow geothermal energy development and utilization in Dongchangfu District， Liaocheng City， Shandong Province as an example， this paper systematically studies the ideas and working methods of site selection and heat exchange mode selection for the demonstration project. The relevant conclusions not only provide a basis for the design and construction of heat exchange holes， but also provide reference for the development and utilization of shallow geothermal energy projects.

Keywords： shallow geothermal energy; project site selection; selection of heat exchange methods

浅层地热能是蕴藏在地表以下一定深度范围内具有开发利用价值的热能，主要采用地源热泵技术将蕴藏在浅层地下的低品位热能转化为高品位热，既可以用于供热又可以用于制冷，是一种清洁、节能、可持续利用的绿色能源，利用前景广阔[1]。开发浅层地热能对建设生态山东具有重要的意义，是构建资源节约型和环境友好型社会、保障能源安全、改善现有能源结构、实现节能减排战略目标的重要措施[2]。

为推进山东省浅层地温能资源开发利用产业的科学化、规范化发展，为省内地热资源可持续利用提供技术支撑，山东省煤田地质局第一勘探队在聊城市东昌府区开展了浅层地热能开发利用示范工程建设项目。

1 地质环境概况

东昌府区浅层地温能开发利用示范工程建设项目位于鲁西北平原，区内多属黄河冲积平原，由于区域地壳运动以下降为主，沉积了巨厚的松散堆积物，属于黄河三角洲松散物沉积区[3]。根据区域资料，工作区第四系厚度为140～180 m。总的趋势是中东部聊考断裂附近厚度较小，断裂东西两侧逐渐变厚，为河流冲积堆积形成，岩性以细砂、粉砂、粉土及黏土为主。

工作区地下含水岩组以松散岩类孔隙含水岩组为主，地下水总体自东南向西北径流。工程场地属强富水地段，100 m以浅的地层均为第四系松散层，含水层有3～7层，单层厚度为0.5～8.0 m，主要分布于中部和下部，总厚度为12.2～21.3 m。含水层厚度自西向东逐渐增厚。根据区域水文地质资料，场地内单井涌水量为1 000～3 000 m3/d，水位埋深一般在6 m左右。水化学类型主要为碳酸盐岩型，矿化度为1～3 g/L，地下水流向为自西向东。工作区西北部和东部的回灌率小于50%，北部、南部部分地段的回灌率大于80%，其余大部地区的回灌率为50%～80%。中深层地下水的回灌率一般为50%左右。

区内平均地温梯度为2.6 ℃/100 m，100 m深度平均地温为17 ℃。岩土体平均导热系数为1.857 W/（m·℃），平均热扩散系数为0.069 m2/d，平均比热容为1.189 m2/d，平均孔深换热量均值为54.44 W/m。

2 浅层地热能开发利用示范工程选址及选型

2.1 工作区浅层地热能开发利用适宜性分区

分别采用指标法和层次分析法对两种换热方式进行浅层地热能开发利用适宜性分区。

2.1.1 指标法

地下水换热方式的影响指标主要包括单位用水量、回灌率、地下水位年下降量及特殊地区。地埋管换热方式的影响指标主要包括松散岩土体厚度、导热系数、含水层总厚度等。地下水换热方式适宜性分区如表1所示，地埋管换热适宜性分区如表2所示。

2.1.2 层次分析法

运用层次分析法分析地下水换热方式的4个属性指标和10个要素指标。其中，4个属性指标包括水动力场、水温场、水文地质条件、水化学特征及地质环境，10个要素指标包括回灌能力、含水层厚度、富水性、地下水位埋深、地下水质、地下水位下降速率、地下水温度、地温梯度、地面沉降程度及水源地保护区。运用层次分析法分析地埋管换热方式的3个属性指标和9个要素指标。其中，3个属性指标包括地层属性、地质与水文地质条件、地质环境，9个要素指标包括渗透系数、松散层厚度、含水层厚度、地下水位埋深、咸淡水界面埋深、地层岩性、地面沉降程度、热导率及水源地保护。

东昌府区浅层地温能开发利用示范区在不同换热方式下，浅层地热能开发利用适宜性分区存在差异。区西北部和东部为地下水地源热泵适宜性差区，其余大部分地区为适宜性中等和好区。适宜性好区的浅层地温能资源丰富，具有换热能力好、富水性好等优势，非常适合建设地埋管地源热泵系统。

2.2 浅层地热能开发利用示范工程选址、换热方式选型结果

东昌府区妇幼保健院嘉明分院建设工程位于地埋管换热方式适宜性好区，位于地下水换热方式不适宜性区，且工作区内采用地埋管换热方式的工程运行效果优于采用地下水换热方式的工程。因此，东昌府区妇幼保健院嘉明分院建设工程可作为本项目的示范工程，换热方式选择地埋管换热方式。根据工作区调查结果并结合场地条件，示范工程地埋管换热孔单孔深度为100 m，井间距为4 m。

3 浅层地热能资源评价

3.1 工程场地浅层地热能资源评价

工程场地浅层地热能资源评价以工程场地勘查为基础，进行场地浅层地热容量评价和场地浅层地热能潜力评价，从而判断工程场地是否满足工程供暖（制冷）需要。

3.2 场地浅层地热容量评价

根据场地的实际情况，运用体积法计算浅层地温容量，首先计算包气带和饱水带中单位温差储藏的热量，然后对评价范围内地质体的储热量合并计算，计算公式为

QR=ρCV（1）

式中：QR为浅层地温能热容量，kJ/℃；ρ为储热介质的密度，kg/m3；C为储热介质的比热容，

kJ/（kg·℃）；V为储热介质的体积，m3。计算过程中应考虑岩土体骨架、水和空气的热容量。

场地浅层地热能可利用面积为12 940 m2，地下水位平均为6 m，根据场地勘查获得的岩土体热物性参数，可以计算出场地100 m以浅的浅层地温能热容量为2.78×109 kJ/℃。

3.3 浅层地热能资源潜力评价

3.3.1 浅层地热能换热功率

评价区换热功率的计算公式为

Qh=D×n×10-3（2）

n=M/d（3）

式中：Qh为换热功率，kW；D为单孔换热功率，W；n为计算面积内换热孔数；M为场地浅层地热能可利用面积，m2；d为换热孔间距，m。

3.3.2 浅层地热能资源潜力评价

与区域浅层地热能资源潜力评价不同，场地浅层地温能资源潜力评价采用场地可利用量的供暖和制冷面积表示，其计算公式为

S=Qh/q（4）

式中：S为供暖（制冷）面积，m2；q为建筑物单位热（冷）负荷，W/m2。

根据建筑用途、人员密度等相关技术参数，采用建筑面积负荷指标选取经验值，即建筑物单位面积冷负荷为101.6 W/m2，单位面积热负荷为102.9 W/m2，计算出场地浅层地热能资源可供暖面积为29 214 m2，可制冷面积为53 707 m2，均大于建筑物拟服务面积，满足工程供暖（制冷）需要。

4 结论

采用指标法及层次分析法进行适宜性分区对比评价，得出以下结论。在地下水地源换热方面，东昌府区西北部和东部为适宜性差区，其余地区为适宜性中等和好区。在地埋管换热方面，东昌府区大部分地区为适宜性好区，更适宜采用地埋管换热方式。

参考文献

1 孔凡杜，王玉虎，柳晓松，等.地下水地源热泵单井回灌率计算方法探讨[J].西部资源，2021（2）：121-123.

2 王光凯，雷耀东，白 云，等.龙口市浅层地温能赋存条件及开发适宜性分区[J].山东国土资源，2020（12）：32-39.

3 喻 超，王英鹏，王增辉，等.山东省聊城市“聊茌东”都市区地球化学背景值研究[J].山东国土资源，2021（12）：56-64.