昌乐县浅层地温能开发利用资源潜力评价研究

牛 妍 张承斌 尹俊凯

（山东省煤田地质局第三勘探队，山东 泰安 271000）

浅层地温能是指从地表至地下200 m 深度范围内，储存于水体、土体、岩石中的温度低于25 ℃，采用热泵技术可提取用于建筑物供热或制冷等的地热能。因其广泛分布、储量丰富、埋藏较浅、易于开发，且具有循环可再生、清洁环保等特点，可替代化石能源，减少污染物排放。

2016 年开始，我国全面推进“北方地区冬季清洁取暖”，清洁取暖政策接连出台，浅层地温能的开发利用也得到了各级政府部门的重视。因此，开展浅层地温能开发利用适宜性区划及资源潜力评价有重要的现实意义[1]。

1 浅层地温能赋存条件

1.1 浅层地质结构特征

研究区内既有松散堆积，又有丘陵、残丘，200 m 以浅岩土体结构大致以岩土二元结构为主。

1.1.1 上部土体结构

研究区上部主要为第四系松散岩类，厚5～60 m，由南向北逐渐变厚，主要为大站组，局部分布有黑土湖组和沂河组。岩性主要为褐黄色粉土、粘土，底部含少量碎石及土黄色姜状钙质结核。

1.1.2 下部岩体结构

研究区内下部岩体结构主要以新生代和古生代地层为主，隐伏于第四系之下。岩性以临朐群（NL）火山喷发沉积的灰黑色致密块状、杏仁状、气孔状玄武岩和古生界九龙群（∈3-O1J）灰岩为主。

1.2 含水岩组划分

根据研究区水文地质特征，可将区内浅层地下水分为以下三种类型：第四系松散岩类孔隙含水岩组、喷出岩类孔洞裂隙含水岩组和碳酸岩类裂隙含水岩组[2]。

松散岩类孔隙含水岩组主要分布于昌乐县北部地区，含水层包括第四系砂砾石、粉细砂及粉土等，厚度5 m 左右，单位涌水量小于100 m3/（d·m）；喷出岩类孔洞裂隙含水岩组主要分布在研究区南部，含水层主要为新近系临朐群牛山组（N1n）的气孔状玄武岩，厚度70 m 左右，单位涌水量一般小于120 m3/（d·m）；碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组主要分布于研究区东部，五图断裂以北，含水层岩性为奥陶系马家沟群和寒武系九龙群炒米店组的质纯灰岩和白云质灰岩等，研究区内单井涌水量一般500 m3/d 左右。

1.3 岩土体热物性特征

本次共采集187 件岩土样品并测试其热物性参数，实验室数据汇总见表1。由表1 可以看出，各类岩性热物理性质相差不大，粉土、粘土等第四系松散岩类比热容相对较大，而石灰岩的导热系数和导温系数明显高于其他岩性。

表1 主要岩性热物理参数一览表

2 换热方式适宜性分区

工作区内第四系岩性以粘土、粉土为主，且基岩埋藏较浅，区域地下水富水性较差，而且松散层和玄武岩地层不利于地下水回灌。综合研究区的水文地质条件，不宜进行地下水换热系统的开发利用。本文主要阐述地埋管换热系统的适宜性分区。

2.1 分区方法

层次分析法，简称AHP，是一种解决多目标复杂问题的定性与定量相结合的决策分析方法[3]。

2.1.1 评价体系

地埋管热泵系统评价体系层次结构模型由三层构成，从顶层至底层分别由目标层、属性层和要素指标层3 级层次结构组成[4]。地埋管换热系统适宜性分区评价模型如图1。

图1 地埋管换热系统适宜性分区评价模型

2.1.2 因子权重确定

依据评价体系的层次结构模型，应用专家打分方法，通过各因素之间的两两比较确定合适的标度，构造判断矩阵。使用CR 值检验判断矩阵的一致性，如果没有通过一致性检验，则需修改判断矩阵，直至达到可以接受的一致性，最后确定各因子权重见表2。

表2 地埋管换热系统适宜性分区指标权重排序表

2.1.3 综合评分

（1）网格剖分

对评价区进行网格剖分，网格大小500 m×500 m。

（2）要素分值

通过Mapgis 制图软件制作各因素指标的分区图件，包括：导热系数分区图、含水层厚度分区图等。再应用专家打分法，确定单因素地埋管换热系统适宜性等级（1～9）。

（3）网格赋值

将剖分网格与各因素指标分区图叠加，并对网格中心点进行赋值，进而采用综合指数法公式计算每个网格的分值，最终根据网格得分绘制综合指数分区图。

（4）适宜性分区标准

结合专家意见并考虑实际情况，将总得分7～9分的区域划分为适宜性好区，5～7 分划分为适宜性中等区，小于5 分的区域划为适宜性差区。

2.2 分区结果

结合研究区浅层地温能水文地质条件、地质条件及热物性、地层属性，将整个研究区划分为地埋管换热适宜性中等区，如图2，区域面积55 km2。

图2 研究区地源热泵适宜性分区

3 资源潜力评价

3.1 热容量计算

3.1.1 计算方法

采用体积法计算浅层地温能热容量，分别计算120 m 以浅包气带和饱水带中的热容量，然后求和得到研究区内120 m 以浅的热容量。

工作区内均属适宜性中等区，面积55 km2。为体现浅层地温能热容量计算参数在空间分布上的均一性和差异性，便于参数的选取，本次根据岩土体岩性等影响计算参数的因素，将工作区在平面上分为3 个区，见表3。

表3 计算分区表

3.1.2 计算结果

研究区120 m 深度内，包气带热容量为1.65×1012kJ/℃，饱水带热容量15.04×1012kJ/℃，合计浅层地温能容量为16.69×1012kJ/℃。

3.2 浅层地温能换热功率计算

浅层地热能换热功率为在浅层岩土体、地下水中单位时间内的热交换量。

3.2.1 计算方法

研究区内为地埋管换热适宜性中等区，首先算出各区单孔换热功率，再计算单位面积的地埋管热泵源系统换热功率，最后可布孔区域的地埋管地源热泵系统换热功率。换热功率计算分区见表3。

3.2.2 换热功率计算

经计算，研究区内120 m 以浅地埋管单孔换热功率夏季平均2 085.96 W，冬季3 199.02 W。区内地埋管换热功率共计85.66×104kW/125.41×104kW（夏季/冬季）。

3.3 资源潜力评价

3.3.1 冷热负荷的确定

按照节能建筑和老建筑为1:1，公用建筑和民用建筑3:2 计，确定夏季制冷负荷70 W/m2，冬季供暖负荷55 W/m2。

3.3.2 潜力评价

研究区内可埋设地埋管面积全部按照5 m×5 m网格埋设地埋管计算其地埋管热泵资源潜力，120 m深度内夏季可制冷面积1 223.68 万m2，单位面积夏季制冷22.16 万m2；冬季供暖面积2 280.12 万m2，单位面积冬季供暖43.27 万m2。

4 经济社会效益分析

4.1 经济效益分析

浅层地温能是一种非常规能源，本文采用类比常规能源（燃煤）的方法对研究区浅层地温能的经济价值进行了折算。经计算，研究区120 m 深度内浅层地温能可开发利用总能量（Q）为7.53×106GJ/a，折合标准煤42.89 万t/a。按照浅层地温能开发利用效率35%计算，节煤量15.01 万t/a，热资源价值 7 505.54 万元 /a。

4.2 环境效益分析

浅层地温能开发利用带来的环境效益巨大，本文参照《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615-2010）计算，研究区浅层地温能开发利用每年可减少向大气排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、悬浮质粉尘等37.78 万t，相当于每年节省治理费用4 234.63 万元，见表4。

表4 浅层地温能开发利用环境效益估算表

5 结论及建议

（1）基于昌乐县研究区的地质及水文地质条件、地层属性和热物性等条件，对昌乐县城市规划区进行了浅层地温能适宜性分区。结果表明，全区均为适宜性中等区。

（2）对昌乐县研究区进行了浅层地温能资源潜力评价，结果显示研究区浅层地温能开发利用潜力大，可带来巨大的经济社会效益。

（3）昌乐县城南街道范围内可以大力推广地埋管地源热泵技术，昌乐经济开发区可鼓励浅层地温能的开发利用，老城区及朱刘街道为一般开发区，对已有建筑进行节能改造及新建建筑时可适当开发利用浅层地温能资源。