李寧波，冉偉彥，于 湲，楊俊偉

（1. 北京市地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2.中國地質調查局淺層地溫能推廣中心，北京 100195）

一種地熱能可再生資源量的新算法
——以北京為例

李寧波1，2，冉偉彥1，2，于 湲1，2，楊俊偉1，2

（1. 北京市地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2.中國地質調查局淺層地溫能推廣中心，北京 100195）

摘 要：北京地熱資源勘查始于20世紀50年代中期。70年代初期，針對以往對地熱資源的可再生性認識不足，不能真實反映地熱資源中蘊含的可循環(huán)利用的熱量，造成計算值偏小的情況。本文介紹了一種地熱可再生資源量的新算法，計算每個熱田的可再生資源量，從而重新估算北京市地熱能的資源潛力。通過計算，采用對井抽灌方式且地熱水100%回灌條件下抽灌井間距為300m時，10個地熱田范圍內地熱能可提供的供暖面積為3.01億m2；采用地熱梯級利用（和熱回收）結合其他輔助清潔能源調峰方式對建筑物進行供暖，全市熱田面積內可供暖面積為8.60億m2。對比傳統(tǒng)地熱可采資源量與本次研究采用的新算法，采用對井系統(tǒng)供暖可大大提高布井密度，使可供暖面積提高73倍。通過對地熱能可再生資源量進行計算，對于推進全國范圍內的地熱發(fā)展，具有良好的推動作用。

關鍵詞：地熱能；可再生資源量；地熱供暖

0　引言

能源是一個國家持續(xù)發(fā)展的基石。隨著中國經(jīng)濟發(fā)展步伐的加快，對能源的需求持續(xù)增加。作為一個資源匱乏，人口眾多的國家，能源消耗是一個沉重的負擔。新能源的發(fā)展已經(jīng)擺在了應對能源危機的首要位置。北京作為全國地熱利用的主要城市之一，起步早，勘探開發(fā)經(jīng)驗豐富，北京地熱資源勘查始于20世紀50年代中期。70年代初期，在著名地質學家李四光先生的倡導下，開始了平原區(qū)深部地熱資源的勘查。自20世紀90年代末，地熱直接利用發(fā)展迅速，地熱井數(shù)量以20～30眼/年的速度增長。近年來，為了減少空氣污染，政府大力推廣包括地熱在內的清潔能源應用，進一步推進了地熱開發(fā)利用。為積極應對全球氣候變化與資源環(huán)境約束的新挑戰(zhàn)，建設低碳城市成為首都未來發(fā)展的戰(zhàn)略方向，開發(fā)地熱資源是首都實現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一。

1　地熱供暖發(fā)展現(xiàn)狀

地熱用于供暖能夠充分發(fā)揮中低溫地熱資源的特點。國內建筑能耗在總能耗的比重由20世紀70年代末的10%增長到近幾年的30%。而采暖和空調在總建筑能耗中占55%。傳統(tǒng)的鍋爐供暖會造成二氧化碳的排放和能源浪費［1］。目前全國推廣建筑節(jié)能，倡導在建筑中應用可再生能源，包括地熱能的使用。北京市擁有10個地熱田，面積約2760 km2，它們多是以區(qū)域性構造斷裂為邊界。北京市地熱資源具有十分巨大的開發(fā)潛力，利用前景十分廣闊。地熱資源的開發(fā)利用對于調整我市能源供應結構、緩解能源供應壓力、保障能源供應安全、促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展起到了十分重要的作用。與此同時，2013年繼國務院印發(fā)了《大氣污染防治行動計劃》后，北京市隨后發(fā)布了《北京市2013-2017年清潔空氣行動計劃》，到2017年，全市空氣中的細顆粒物年均濃度比2012年下降25%以上，控制在60ug/m3左右。

據(jù)統(tǒng)計，2014年全國地熱供暖面積達到6032萬m2，比2009年增長99.7%，年平均增長率達15%，全國供暖面積中天津市為1900萬m2，位居第一，河北省為1380萬m2，位居第二［1］。2014年北京地熱供暖面積約200萬m2，開發(fā)利用主要集中在小湯山，采用地熱供暖的單位共有37個，所在地區(qū)均為巖溶裂隙型熱儲，其中采用對井循環(huán)供暖的單位有15個，基本達到100%回灌（少數(shù)為多用途井），目前均正常運行，供暖面積約103萬m2，分布在小湯山、延慶、城區(qū)等7個地熱田。

2　地熱能可再生資源量計算的探討

由于以往對地熱資源的可再生性認識不足，傳統(tǒng)計算方法中單純強調可開采量，不能真實反映地熱資源中蘊含的可循環(huán)利用的熱量，造成計算值偏小。

依據(jù)《北京市地熱資源2006-2020年可持續(xù)利用規(guī)劃》，全市各熱田計算面積2760 km2內，開采深度3500 m以內熱儲層中儲存的總熱量為500.772×1015kJ，相當于284.67億t標準煤的發(fā)熱量（標煤量按燃效60%的發(fā)熱量換算，下同）；儲存的地熱水量179.73億m3，其中蘊藏熱量3772.49×1012kJ，相當于2.15億t標準煤的發(fā)熱量。按儲存地熱水總量的0.45%計，每年可開采地熱水約8085萬m3，可從熱水中獲取熱量16.97×1012kJ，相當于96.49萬t標準煤的發(fā)熱量［2］。

本次研究中采用對井功率法計算每個熱田的可再生資源量，從而重新估算北京市地熱能的資源潛力。通過對地熱井熱影響范圍等參數(shù)進行統(tǒng)計分析，從而推算北京市10個地熱田的地熱能可再生資源量。

2.1 熱田每平方公里可供暖面積計算

（1）地熱井抽灌井間距的確定

經(jīng)過計算，本次研究對象的15對抽灌井間距最小值為33m，最大值為14370m，其中10對抽灌井的間距在100～600m范圍內，經(jīng)計算其平均值為297m（取整為300m），見表1。

（2）地熱井熱影響范圍的確定

由于采用對井抽灌井的地熱供暖項目僅僅是提取地熱能，幾乎不消耗地下熱水，而只是利用它傳熱，所以不用考慮井的壓力影響半徑，而只考慮回灌井的熱影響范圍，因而可以通過加大布井密度，實現(xiàn)地熱能的高效可持續(xù)利用。取抽灌井間距為300m，以36萬m2（600m×600m）為一個對井抽灌系統(tǒng)的熱影響范圍。每平方千米熱田范圍內可容納的地熱井抽灌系統(tǒng)約2.78個。

表1　研究對象的抽灌井間距與熱影響范圍統(tǒng)計表

2.2 采用對井功率法估算地熱可再生資源量

（1）地熱對井系統(tǒng)的熱功率計算

根據(jù)《地熱資源地質勘查規(guī)范》GB/T1165—2010，地熱流體可開采量所采出的熱產(chǎn)能，可按以下公式計算［3］。

Wt=4.187Q（t-t0）

式中：Wt—地熱井的熱功率，單位為千瓦（kW）；

Q—地熱流體的可開采量，單位為升每秒（L/S）；

t—為開采井地熱流體溫度，單位為攝氏度（℃）；

t0—為回灌井地熱流體溫度，單位為攝氏度（℃）。

經(jīng)統(tǒng)計，10個項目的平均溫差為23.9℃，平均小時流量70.6m3（表2），計算得出每個對井系統(tǒng)的熱功率為1.96MW。

（2）地熱能可供暖面積估算

由于每個對井系統(tǒng)的熱功率為1.96MW，則每平方千米的熱功率為5.45MW，熱負荷指標按50W/ m2計算，每平方千米的供暖面積約為10.90萬m2，則10個地熱田面積為2759.87 km2范圍內可供暖面積為3.01 億m2。

2.3 采用梯級利用結合調峰方式進行供暖的地熱能可再生資源量估算

若全部采用地熱梯級利用（熱回收）結合其他輔助清潔能源方式對建筑物進行供暖，將利用溫差提高一倍，則地熱井功率為3.92MW。

按每平方公里2.78個抽灌系統(tǒng)計算，每平方千米的熱功率為10.90MW。單位面積平均熱負荷指標按35 W/ m2計算（地熱供暖承擔的基本熱負荷占70%，其他輔助方式占30%），按北京執(zhí)行節(jié)能標準的新建公建和一類住宅混合建筑考慮，全市熱田面積2759.87km2可供暖最大潛力為8.60億m2。

表2　 地熱可再生資源量計算參數(shù)統(tǒng)計表

2.4 傳統(tǒng)地熱可采資源量計算方法與新算法的對比

根據(jù)《北京市地熱資源2006-2020年可持續(xù)利用規(guī)劃》，北京市地熱田內熱儲中儲存的總熱量為500.772×1018J，相當于284.67億t標準煤的發(fā)熱量（標煤量按燃效60%的發(fā)熱量換算，下同），儲存的地熱水量179.73億m3，其中蘊藏熱量3772.49×1015J，相當于2.15億t標準煤的發(fā)熱量。如果按照儲存地熱水總量的0.45%計算，每年可開采地熱水約8085萬m3，可從熱水中獲取熱量16.97×1015J，相當于96.49萬t標準煤的發(fā)熱量。如果按照實際開采量與水位下降的關系計算，每年水位下降1.5m，可開采地熱水3470萬m3；如果考慮增加50%的回灌量，每年水位下降1.5m，可開采地熱水5200萬m3。

根據(jù)《北京市地熱資源潛力調查評價成果報告》［4］，按地熱水年水位降幅為1m計算，采用類比法計算北京地熱水年可開采量為7039萬m3；采用擬穩(wěn)定流壓力傳導公式以地熱年可開采量為7775萬m3，可從熱水中獲取的熱量為13.09×1012kJ。

以地熱年可開采量為7775萬m3計算，小時流量2.7 萬m3，利用溫差20℃，則地熱井的熱功率約206MW，單位面積平均熱負荷指標取50W/ m2，可供暖面積約412萬m2。

現(xiàn)按地熱能可再生資源量的計算方法，估算北京市10個地熱田的可供暖面積為3.01億m2。對比傳統(tǒng)算法，數(shù)值相差約73倍。

3　結語

本次的新算法突出了地熱資源的可再生性，由于在本算法中缺少對15個項目的完整的階段回灌實驗與熱平衡試驗，尚存在一定的局限性，需要將來進一步研究加以完善。本算法僅提供了一種計算地熱能可再生資源量的思路，受目前條件局限，其中部分參數(shù)仍有待今后驗證和修改完善。通過對地熱能可再生資源量進行計算，對于推進全國范圍內的地熱發(fā)展具有良好的推動作用。

建議進一步開展對北京平原區(qū)地熱資源的調查評價工作，通過實地調研，獲取地熱供暖項目的實際運行數(shù)據(jù)，為全面評價地熱資源提供基礎數(shù)據(jù)。

參考文獻

［1］Zheng K Y， Dong Y， Chen Z H.et al.Speeding up Industrialized Development of Geothermal Resources in China - Country Update Report 2010-2014. Proceedings World Geothermal Congress 2015 Melbourne， Australia，2015.

［2］北京市國土資源局. 北京市地熱資源2006—2020年可持續(xù)利用規(guī)劃.2006年

［3］中華人民共和國國家技術監(jiān)督局. GB11615-89，中華人民共和國國家標準-地熱資源地質勘查規(guī)范. 北京：中國標準出版社，1990.

［4］張進平等. 北京市地質調查研究院.北京市地熱資源潛力調查評價成果報告，2007年.

中圖分類號：TK521+.2

文獻標識碼：A

文章編號：1007-1903 （2015） 02-0001-04

A New Algorithm of Geothermal Renewable Resources —Taking Beijing as an Example

LI Ningbo1，2， RAN Weiyan1，2， YU Yuan1，2， YANG Junwei1，2

（1. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau， Beijing 100195； 2.Shallow Geothermal Energy Promotion Center， China Geological Survey， Beijing 100195）

Abstract:Beijing geothermal resources exploration began in the mid of 1950s. The early 1970s， for the lack cognition to renewable characteristics of geothermal resources in the past， it cannot correctly refl ect the recycled heat contained from geothermal resources， resulting in the calculated value being smaller. The paper describes a new algorithm of geothermal renewable resources to calculate renewable resource of each geothermal fi eld，thereby re-estimates geothermal resource potential in Beijing. By calculation， using the way of couple well pumping and at 100% recharge irrigation conditions with the well spacing of 300 meters， it can provide heating area of 301 million square meters in ten geothermal fi elds. The use of geothermal cascade utilization （and heat recovery） combined with other clean energy peaking mode for heating， the heating area of ten geothermal fi elds can attain 860 million square meters. Compared with the traditional geothermal recoverable resources and new algorithms in this study， the use of the couple well system can greatly improve the well spacing density and enhance 73 times of heating area. Through the geothermal renewable resource calculation， it plays a good role in promoting the geothermal development across the country.

Keywords:Geothermal energy；Renewable resources；Geothermal heating