黃益巧, 周正飛, 陳勤富, 樓明君

(1.浙江省核工業(yè)二六九大隊(duì)，浙江 金華 321017； 2.浙江省第三地質(zhì)大隊(duì)，浙江 金華 321001)

0 引言

隨著金華市打造成浙江省第四大都市區(qū)進(jìn)程的推進(jìn)，能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型顯得尤為重要，特別是新能源的開(kāi)發(fā)利用迫在眉睫[1]。淺層地溫能是一種可再生的新型環(huán)保能源，利用前景廣闊。淺層地溫能指蘊(yùn)藏在一定深度范圍內(nèi)的地下巖土體、地下水中具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的熱能。開(kāi)發(fā)利用淺層地溫能對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)能減排、建立資源節(jié)約與環(huán)保型社會(huì)具有不可忽視的作用[1-4]。

由于淺層地溫能的開(kāi)發(fā)利用受工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地層熱物性、淺層地溫場(chǎng)等諸多要素的影響，地溫能資源量的分布和可開(kāi)發(fā)利用程度差異性較大[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，金華市淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用的工程實(shí)例數(shù)量遠(yuǎn)少于杭嘉湖和寧波等地[5]。通過(guò)有效地評(píng)價(jià)金華市區(qū)淺層地溫能資源量，對(duì)提高金華市區(qū)淺層地溫能的利用效率以及合理開(kāi)發(fā)利用淺層地溫能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

研究區(qū)地處金衢盆地中東段，面積1 105.73 km2。地形上呈現(xiàn)“兩山夾一川”，中部為紅色丘陵盆地，北部為龍門(mén)山脈支脈的金華山，南部屬仙霞嶺山脈的金華南山。本次研究工作重點(diǎn)區(qū)為金華市城區(qū)、金西經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、金義都市新區(qū)，面積598.58 km2，一般研究區(qū)為盆地邊界與重點(diǎn)研究區(qū)以外構(gòu)成的區(qū)域，面積507.15 km2。研究區(qū)地埋管勘查孔分布情況見(jiàn)圖1。

1.2 地層巖性

研究區(qū)內(nèi)主要揭露地層為第四系地層及白堊系地層。第四系地層厚度以6～8 m為主，古河道一帶厚度可達(dá)14 m。在山麓溝谷及丘陵區(qū)巖性以砂礫石、黏性土為主；在河谷平原及江河兩岸常組成高漫灘、一級(jí)階地呈帶狀分布，巖性主要為粉質(zhì)黏土、中細(xì)砂、砂礫石、卵石。白堊系地層為衢江群中戴組(K2z)、金華組(K2j)、衢縣組(K2q)組成的一套紫紅色河湖相陸源碎屑沉積巖，地層巖性以粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、鈣泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖為主，碎屑顆粒由盆地兩側(cè)邊緣向盆地中心逐漸變細(xì)。

圖1 研究區(qū)地埋管勘查孔分布圖

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)主要分布第四系孔隙潛水和白堊系紅層水兩大類(lèi)。第四系孔隙潛水單井涌水量多為100～1 000 m3/d，其中衢江、金華江兩岸的河漫灘及一級(jí)階地單井涌水量>1 000 m3/d；白堊系紅層水受巖性控制，其中位于盆地中心區(qū)域單井涌水量多為500～1 000 m3/d，其余區(qū)域涌水量一般<500 m3/d。

2 巖土體熱物性特征

2.1 室內(nèi)熱物性測(cè)試

巖土體的傳熱性能取決于巖土體的熱導(dǎo)率、比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)，其中熱導(dǎo)率是評(píng)價(jià)淺層地溫能的重要指標(biāo)。對(duì)18個(gè)鉆孔的151個(gè)樣品進(jìn)行室內(nèi)熱參數(shù)測(cè)試，通過(guò)厚度加權(quán)平均法分別計(jì)算出單孔熱物性和巖層的熱物性[6]，熱導(dǎo)率值為2.05～2.90 W/(m·℃)，容積比熱容值為1579～2 845 kJ/(m3·℃)，熱擴(kuò)散系數(shù)值為0.75×10-6～1.87×10-6m2/s。

2.2 原位熱響應(yīng)試驗(yàn)

由于巖土體的巖性、地質(zhì)構(gòu)造、含水率及水力坡度等因素都會(huì)影響其導(dǎo)熱性能，因此原位熱響應(yīng)試驗(yàn)是獲取地下巖土體熱導(dǎo)率的有效技術(shù)手段[7]。本次試驗(yàn)采用恒熱流法，埋管類(lèi)型為單U孔15個(gè)和雙U孔3個(gè)，管材采用管徑為De32×3的PE管，共完成原位熱響應(yīng)試驗(yàn)31 次。由表1結(jié)果可知原位熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果大于室內(nèi)熱物性測(cè)試結(jié)果，同時(shí)更符合巖土體實(shí)際的熱物性。

表1 室內(nèi)熱物性測(cè)試與原位熱響應(yīng)試驗(yàn)熱物性結(jié)果表

3 淺層地溫能資源量評(píng)價(jià)

根據(jù)淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)條件，淺層地溫能資源量評(píng)價(jià)分別為80、100和120 m以淺的淺層地溫能資源量。同時(shí)將研究區(qū)分成三個(gè)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，其中覆蓋層含有砂礫石、卵石層的富水性區(qū)域面積為313.27 km2，覆蓋層為粉質(zhì)黏土的區(qū)域面積為194.27 km2，基巖裸露區(qū)面積為598.19 km2。

3.1 淺層地溫能熱容量

3.1.1 計(jì)算公式

在淺層含水層和相對(duì)隔水層中，淺層地溫能熱容量按下列公式計(jì)算[9]。

QR=QS+QW

(1)

QS=ρsCS(1-φ)Md

(2)

QW=ρwCWφMd

(3)

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為巖土體中所含水的熱容量，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；M為計(jì)算面積，m2；d為計(jì)算巖土體厚度，m；ρw為水密度，kg/m3；CW為水比熱容，kJ/(kg·℃)。

3.1.2 計(jì)算參數(shù)的選取

將地層巖性進(jìn)行概化處理，將砂卵石層劃為一類(lèi)，將黏土層劃為一類(lèi)，基巖包括泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖等沉積巖劃為一類(lèi)。根據(jù)概化后不同地層的巖土體物理參數(shù)及熱物性參數(shù)，計(jì)算各巖土體的容重、含水率、比熱容等參數(shù)，然后按照巖土體的巖性，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行全孔段加權(quán)平均得到各鉆孔巖土體的深度加權(quán)平均參數(shù)。開(kāi)發(fā)利用溫差選擇1 ℃，其他各計(jì)算參數(shù)選取見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算參數(shù)一覽表

3.1.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)以上方法可計(jì)算出研究區(qū)開(kāi)發(fā)利用深度分別為80、100和120 m，利用溫差為1 ℃時(shí)的淺層地溫能熱容量分別為1.87×1014、2.35×1014和2.82×1014kJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為6.38×109、8.02×109和9.62×109 kg；重點(diǎn)研究區(qū)淺層地溫能熱容量分別為1.01×1014、1.27×1014和1.52×1014kJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為3.44×109、4.33×109和5.20×109kg。由此可知，研究區(qū)淺層地溫能熱容量賦存條件良好，對(duì)比不同深度的熱容量發(fā)現(xiàn)，各個(gè)深度的熱容量增長(zhǎng)趨勢(shì)一致性良好。

3.2 淺層地溫能可利用資源量

3.2.1 單孔換熱功率計(jì)算

根據(jù)本次現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)實(shí)際情況和取得的熱導(dǎo)率計(jì)算單孔換熱功率，計(jì)算公式見(jiàn)式(4)[9]。

(4)

式中：D為單孔換熱功率，W；λ1為地埋管材料的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；λ2為換熱孔中回填料的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；λ3為換熱孔周?chē)鷰r土體的平均熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；L為地埋管換熱器長(zhǎng)度，m；r1為地埋管束的等效半徑，m；r2為地埋管束的等效外徑，m；r3為換熱孔平均半徑，m；r4為換熱溫度影響半徑，m，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)觀測(cè)孔求取或根據(jù)數(shù)值模擬軟件計(jì)算求得；t1為地埋管內(nèi)流體的平均溫度，℃；t4為影響半徑之外巖土體的溫度，℃。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，各地埋管勘查孔80 m、100 m、120 m三個(gè)不同深度單孔換熱功率結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 地埋管勘查孔不同深度換熱功率計(jì)算結(jié)果表

3.2.2 可利用資源量計(jì)算

結(jié)合研究區(qū)的城市建設(shè)和人口分布，針對(duì)重點(diǎn)研究區(qū)，本次可利用資源量計(jì)算采用熱導(dǎo)率計(jì)算法，計(jì)算公式見(jiàn)式(5)[9]。

Qh=D×n×τ×10-3

(5)

式中：Qh為換熱功率，kW；n為計(jì)算面積內(nèi)換熱孔數(shù)(換熱孔間距取5 m)；τ為土地利用系數(shù)，取0.03672。

結(jié)合淺層地溫能條件相同或相近的情況，利用Mapgis軟件空間分析功能分別獲取研究區(qū)80 m、100 m、120 m以淺1 km×1 km網(wǎng)格換熱功率，從而得出重點(diǎn)調(diào)查區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率。經(jīng)計(jì)算可知，重點(diǎn)研究區(qū)80、100和120 m以淺夏季換熱功率分別為4.12×106、4.98×106和5.74×106kW，冬季換熱功率分別為3.60×106、4.67×106和5.80×106kW。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行份額取0.50時(shí)，一個(gè)制冷季(120 d)和供暖季(80 d)，可計(jì)算得單位溫差的淺層地溫能的可利用資源量分別為3.38×1013、4.20×1013和4.98×1013kJ。

4 結(jié)論

本文分析了研究區(qū)的淺層地溫能地質(zhì)環(huán)境條件，結(jié)合試驗(yàn)獲得巖土體熱物性參數(shù)，計(jì)算了金華市區(qū)的熱容量和重點(diǎn)地區(qū)的可利用資源量，評(píng)價(jià)了金華市區(qū)的淺層地溫能資源量。

(1)研究區(qū)80 m以淺單位溫差的淺層地溫能熱容量總量為1.87×1014kJ，其中重點(diǎn)研究區(qū)熱容量為1.01×1014kJ，可利用資源量為3.38×1013kJ。

(2)研究區(qū)100 m以淺單位溫差的淺層地溫能熱容量總量為2.35×1014kJ，其中重點(diǎn)研究區(qū)熱容量為1.27×1014kJ，可利用資源量為4.20×1013kJ。

(3)研究區(qū)120 m以淺單位溫差的淺層地溫能熱容量總量為2.82×1014kJ，其中重點(diǎn)研究區(qū)熱容量為1.52×1014kJ，可利用資源量為4.98×1013kJ。

(4)本次研究成果表明金華市區(qū)開(kāi)發(fā)利用淺層地溫能潛力巨大，可為金華市區(qū)淺層地溫能的開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。