文　娟（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四0二隊，湖南　長沙　410004）

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湖南省主要城市淺層地溫能資源初步調(diào)查評價

文娟（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四0二隊，湖南長沙410004）

本文利用調(diào)查、鉆探、取樣分析、熱響應(yīng)試驗等綜合方法，對湖南省主要城市淺層地溫能資源的分布特點和賦存條件進行了分析，評價了淺層地溫能資源容量及開發(fā)利用潛力，為湖南省淺層地溫能的合理開發(fā)利用和保護提供了依據(jù)。

淺層地溫能；巖土體熱物性特征；熱容量；換熱功率；潛力評價

淺層地溫能是一種分布廣泛、儲量巨大、清潔環(huán)保、可再生的新型能源，開發(fā)利用淺層地溫能對構(gòu)建“兩型社會”，緩解我國能源資源壓力，實現(xiàn)非化石能源目標具有非常重要的意義。

1　研究區(qū)概況

湖南省位于我國中南部，長江中游，地理座標為東經(jīng)108° 47′～114°15′，北緯24°39′～30°08′。本次研究區(qū)范圍包括除長沙市外的13個地級市市區(qū)規(guī)劃范圍，評價區(qū)（市區(qū)規(guī)劃）總面積16250km2。

省內(nèi)各城市不同巖層類型的恒溫帶深度大致在15～25m之間，多在20m左右，溫度約在19～21.4℃之間。區(qū)內(nèi)年平均氣溫16～18℃，年平均降雨量在1200～1700mm之間；地貌類型多樣，有半高山、低山、丘陵、崗地、盆地和平原；地層發(fā)育齊全，層序清楚，從中元古代至第四紀沉積均有分布；巖漿巖發(fā)育中等；境內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，大型斷裂構(gòu)造多以北東向、北西向為主，自晚第三紀以來，全省新構(gòu)造運動比較活躍。湖南省地下水類型可劃分為松散巖類孔隙水（常德、益陽、岳陽）、紅層裂隙孔隙水（長沙、株洲、湘潭、衡陽）、碳酸鹽巖巖溶水（張家界、吉首、懷化、婁底、邵陽、郴州、永州）、基巖裂隙水等四大類型。

2　巖土體熱物性特征

經(jīng)對11組熱響應(yīng)試驗、300組熱物性測試樣品室內(nèi)分析及30組水樣水質(zhì)分析，全省巖土體主要概化為以下五類，把全省不同地點的各取樣孔相同巖土體對應(yīng)的物性參數(shù)加權(quán)平均，得到省內(nèi)不同巖性的熱物性參數(shù)（表1）。

式中：QR為淺層地溫能熱容量，kJ/℃；QS為巖土體中的熱容量，kJ/℃；QW為巖土體所含水中的熱容量，kJ/℃；QA為巖土體中所含空氣中的熱容量，kJ/℃；ρS為巖土體密度，kg/m3；CS為巖土體骨架的比熱容，kJ/kg·℃；φ為巖土體的孔隙率（或裂隙率）；M為計算面積，m2；d1為包氣帶厚度，m；ρW為水密度，kg/m3；CW為水比熱容，kJ/kg·℃；ω為巖土體的含水量；ρA為空氣密度，kg/m3；CA為空氣比熱容，kJ/kg·℃。

（2）在飽水帶中，淺層地溫能熱容量按下式計算：

式中：QR為淺層地溫能熱容量，kJ/℃；QS為巖土體骨架的熱容量，kJ/℃；QW為巖土體所含水中的熱容量，kJ/℃。QW的計算公式如下：

式中：d2為潛水面至計算下限的巖土體厚度，m；QS為計算時厚度采用d2。

3.1.2參數(shù)確定與熱容量計算

數(shù)據(jù)的選取先確定各單層土體參數(shù)，再根據(jù)垂向土體結(jié)構(gòu)組合特征進行加權(quán)平均（見表2）。表1湖南省巖土樣物性及熱物性參數(shù)表

表2　儲存量參數(shù)取值表

含水率（%）密度（g/cm3）孔隙率（%）　比熱容（kJ/（kg·K））導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·k））松散層　11.18　2.06　23.96　0.89　1.50紅層砂礫巖　9.36　2.43　21.11　0.72　1.92碎屑巖　3.80　2.60　14.15　0.88　2.60碳酸鹽巖　3.77　2.70　0.74　0.92　2.01淺變質(zhì)巖　3.04　2.61　7.62　0.82　2.22巖漿巖　0.24　2.70　0.06　0.79　2.72區(qū)內(nèi)平均　5.23　2.52　11.27　0.84　2.16

3　研究區(qū)淺層地溫能資源量及開發(fā)利用潛力評價

淺層地溫能資源潛力評價包括：淺層地溫能熱容量、地下水地源熱泵系統(tǒng)換熱功率、地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率和淺層地溫能潛力分析。

3.1淺層地溫能熱容量

3.1.1評價方法

采用容積法計算淺層地溫能熱容量，分別計算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲藏的熱量，然后合并計算評價范圍內(nèi)地質(zhì)體的儲熱性能。

（1）在包氣帶中，淺層地溫能熱容量按下式計算：

經(jīng)計算，全省13個地級城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能總熱容量為6933.15×1012kJ/℃。

3.2淺層地溫能換熱功率

3.2.1地下水換熱功率

根據(jù)適宜性分區(qū)結(jié)果，本次只對岳陽、常德、益陽、株洲4個市的地下水地源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)進行換熱功率計算。

（1）評價方法及參數(shù)確定

式中：Qh為單井換熱功率，kW；常德市適宜區(qū)取5000m3/d，較適宜區(qū)取1000m3/d；岳陽市適宜區(qū)取2000m3/d，較適宜區(qū)取500m3/d；益陽市和株洲市較適宜區(qū)取500m3/d；qw為工作區(qū)單井涌水量，m3/d；ΔT為地下水利用溫差，℃；夏季為10℃，冬季為5℃。

式中：Qq為工作區(qū)地下水換熱功率，kW；Qh為單井換熱功率，kW；n為計算面積內(nèi)可鉆孔數(shù)量；τ為土地利用系數(shù)；土地利用系數(shù)=城鄉(xiāng)建設(shè)用地率×折減系數(shù)。城鄉(xiāng)建設(shè)用地率根據(jù)13個地級市2020年土地利用規(guī)劃取得，折減系數(shù)取0.8。

（2）計算結(jié)果

經(jīng)計算，湖南省岳陽、常德、益陽、株洲4個地級城市規(guī)劃區(qū)地下水冬季總換熱功率為98.41×104kW，夏季總換熱功率為196.81×104kW。

3.2.2地埋管換熱功率

本次對13個城市規(guī)劃區(qū)的地埋管地源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)進行換熱功率計算。

（1）評價方法及參數(shù)確定

在層狀均勻的土壤或巖石中，穩(wěn)定傳熱條件下U形地埋管的單孔換熱功率按下式計算：

得到單孔換熱量，然后乘以工作區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)、較適宜區(qū)可鉆孔數(shù)，計算工作區(qū)的淺層地溫能換熱功率；

式中：Dq為工作區(qū)淺層地溫能換熱功率，W；D為單孔換熱量，W；n為可鉆換熱孔數(shù)，孔；按照每5m布置一個鉆孔計算；τ為土地利用系數(shù)；計算同上，折減系數(shù)取0.3～0.4（建筑密集區(qū)取小值）。

（2）計算結(jié)果

經(jīng)計算，湖南省13個地級城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)地埋管冬季總換熱功率為1030.63×105kW，夏季總換熱功率為1545.95×105kW。

3.2.3總換熱功率

按照規(guī)范要求：在地下水和地埋管地源熱泵資源評價的非重疊范圍區(qū)域，按照地下水和地埋管各自的資源潛力進行計算；重疊區(qū)域內(nèi)，按照地埋管地源熱泵資源量的2/3，地下水地源熱泵資源量的1/3的權(quán)重進行計算。依據(jù)以上原則，湖南省13個地級城市規(guī)劃區(qū)地源熱泵系統(tǒng)冬季總換熱功率為1003.72×105kW，夏季總換熱功率為1389.02×105kW。

3.3淺層地溫能潛力評價

淺層地溫能資源潛力評價采用單位面積可利用量的供暖和制冷面積表示。

式中：Qzq為地埋管地源熱泵系統(tǒng)資源潛力，m2/km2；Qq為地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)、較適宜區(qū)換熱功率（kW）；M為地下水地源熱泵系統(tǒng)較適宜區(qū)各分區(qū)面積，km2；q為冬季供暖、夏季制冷負荷，W/m2；夏季制冷負荷為76W/m2，冬季供暖負荷為46W/m2；COP為地源熱泵機組供暖工況效能比；取4.3；EER為地源熱泵機組制冷工況效能比；取4.3，見表3。

4　結(jié)論

（1）基巖導(dǎo)熱系數(shù)在1.50～2.72W/（m·k）之間，熱物性較好，熱響應(yīng)效率高。

表3　湖南省淺層地溫能潛力評價

（2）湖南省13個地級城市淺層地溫能總熱容量為6933.15× 1012kJ/℃，相當(dāng)于每年節(jié)約標煤0.823億t；地源熱泵系統(tǒng)冬季總換熱功率為1003.72×105kW，夏季總換熱功率為1389.02× 105kW；地下水地源熱泵冬季供暖潛力一般為0.28～2.11× 105m2/km2，夏季制冷潛力一般為0.29～2.20×105m5/km2。

［1］中華人民共和國國家標準.《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T11615-2010）.

［2］張華民.重慶市淺層地溫能資源量調(diào)查評價.重慶交通大學(xué)，2012，4，20.

［3］丁萬順，鄭家森，等.淺層地溫能資源評價.中國大地出版社，2010，7.

文 娟（1985-），女，工程師，本科，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。

TU831

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2016-6-8