張 新

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550001)

淺層地溫能是指蘊藏在地表水或地表以下200 m深度范圍內(nèi)的巖土體中具有開發(fā)利用價值的的熱能(一般低于25℃)。淺層地溫能作為一種新型能源，具有儲量巨大、可再生和開發(fā)利用對環(huán)境影響小等特點，具有明顯的資源屬性；開發(fā)利用淺層地溫能成為當今應對全球氣候變化、發(fā)展低碳經(jīng)濟、促進節(jié)能減排戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。本文通過對貴安新區(qū)淺層地溫能賦存條件的研究，結(jié)合巖土樣測試等數(shù)據(jù)的分析，采用熱儲量體積法計算其資源容量，在利用地埋管式地源熱泵技術開發(fā)淺層地溫能的基礎上，對研究區(qū)進行了淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)，結(jié)果表明；綠地土地利用系數(shù)按60%考慮時，地埋管地源熱泵冬季供暖面積1.22×109m2，夏季制冷面積1.18×109m2。因此，研究區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用潛力大，可帶來巨大的經(jīng)濟效益。

1 研究區(qū)淺層地熱能賦存條件

1.1 地質(zhì)結(jié)構特征

研究區(qū)位于貴州省中部，屬于以巖溶地貌為主、高原臺地、山地、丘陵盆地等交錯分布的地區(qū)。

研究區(qū)碳酸鹽巖及夾碎屑巖的碳酸鹽巖層分布廣泛，占研究區(qū)總面積的99%，碎屑巖占1%。第四系主要分布于研究區(qū)的河流、巖溶洼地等地勢低洼地帶，平均厚度3.69 m。

1.2 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)主要為松散巖類孔隙水、基巖(碎屑巖)裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水三大類型。

1.2.1 碳酸鹽巖巖溶水

含水層組包括三疊系下統(tǒng)大冶組、安順組、三疊系中統(tǒng)貴陽組、花溪組、二疊系上統(tǒng)吳家坪組—長興組、中統(tǒng)茅口組-棲霞組、下石炭系上統(tǒng)黃龍組、下統(tǒng)擺佐組等，含水層以灰?guī)r、白云巖為主，地下水主要賦存、富集、運移于灰?guī)r溶洞-管道、溶蝕裂隙-溶洞中，動態(tài)變化大等特點，含水極不均勻，地面泉出露少。

1.2.2 基巖(碎屑巖)裂隙水

含水層組包括下三疊系中統(tǒng)邊陽組。含水層以鈣質(zhì)頁巖、泥巖、粉砂巖等碎屑巖為主。地下水主要賦存于碎屑巖構造裂隙和風化裂隙中，泉水出露點較多，但流量小，泉水流量一般在0.1～1 L/s之間，徑流途徑短，近源補給、分散排泄等特點，流量變化在短期內(nèi)不十分明顯。

1.2.3 松散巖類孔隙水

松散巖類孔隙水分布在河谷兩岸及大型巖溶洼地底部的沖積、洪積物及殘坡積層中，地下水賦存于第四系松散層的孔隙中，含水層由沖積、洪積及殘坡積粘土、亞砂土、砂、礫石層組成，一般為潛水，地下水天然露頭較少，動態(tài)變化大。

1.3 巖土體熱物性特征

1.3.1 室內(nèi)測試

本次共采集巖土樣品65件測試巖土樣進行熱物性參數(shù)室內(nèi)測試。根據(jù)熱物性參數(shù)測試成果及收集區(qū)域勘察資料顯示(表1，圖1)，砂巖、泥巖等碎屑巖類孔隙率約0.08，綜合導熱系數(shù)介于2.13～2.62 W/m·℃，比熱容介于0.563～0.733 KJ/kg℃，密度約為2.59 g/cm3；碳酸鹽巖類的孔隙率介于0.08～0.12之間，導熱系數(shù)介于2.37～3.05 W/m·℃，密度介于2.61～2.78 g/cm3，比熱容介于0.601～0.850 KJ/kg℃。

表1 工作區(qū)地層巖性熱物性測試成果

圖1 工作區(qū)巖性導熱系數(shù)對比直方圖

1.3.2 現(xiàn)場測試

1)恒溫帶特征

本次工作共布置地溫檢測孔9個，觀測周期均為10～20 d，其中，根據(jù)工作測量的溫度地溫值(圖2)，確定工作區(qū)內(nèi)恒溫帶深度為20～30 m間。

圖2 工作區(qū)巖性導熱系數(shù)對比直方圖

2)地溫空間變化特征

通過地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)成果分析，工作區(qū)地熱增溫率介于1.7～2.3℃/100m，在平面上，增溫率呈自南東向北西遞增趨勢。

3)地層熱響應特征

本次工作共布置16個熱響應試驗孔，孔徑均為φ150 mm。均使用雙U換熱器。試驗儀器采用華清地熱GH-12FT05型巖土熱物性測試儀。試驗模擬夏季制冷工況。試驗功率為3 kw和6 kw。

通過16組熱響應試驗，對工作區(qū)主要地層初始溫度、熱擴散系數(shù)、容積比熱容、綜合導熱系數(shù)等做了解。淺層地溫能熱響應試驗計算成果見表2。

表2 淺層地溫能熱響應試驗計算成果表

2 適宜性分區(qū)

2.1 適宜性分區(qū)原則

淺層地溫能的開發(fā)利用適宜性分區(qū)主要圍繞地下水源熱泵和地埋管地源熱泵的方式進行[6-7]。在地下水、地埋管適宜性分區(qū)的基礎上，按照適宜性優(yōu)先原則(即不同形式的適宜性分區(qū)兩兩相比，綜合取兩者中適宜較好者)，采用疊加法評價出淺層地溫能適宜性綜合分區(qū)。

2.2 分區(qū)方法

層次分析法(Analytical Hierar-chy Process，簡稱AHP方法)是美國運籌學家A.L.Saaty于1970年代提出的一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法[8-11]。它是一種將決策者對復雜系統(tǒng)的決策思維過程模型化、數(shù)量化的過程，應用這種方法，決策者通過將復雜的問題化解為若干層次和若干因素，通過對各因素之間進行比較和計算，得出不同的權重，為最佳方案的選擇提供依據(jù)(見圖3)。

圖3 貴安新區(qū)直管區(qū)地下水地源熱泵層次分析模型結(jié)構示意圖

2.3 分區(qū)結(jié)果

2.3.1 地下水源熱泵適宜性分區(qū)

按照地下水地源熱泵適宜性分區(qū)模型及劃分標準，將工作區(qū)劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)三個類別。地下水地源熱泵適宜區(qū)主要分布在清鎮(zhèn)職教城、貴安生態(tài)新城以及馬場科技新城沿馬場河沿線一帶三處核心職能聚集區(qū)，較適宜區(qū)主要分布在天河潭新城、馬場科技新城東側(cè)及高峰鎮(zhèn)大部分，不適宜區(qū)主要位于高峰山及貴陽花溪大學城(見表3)。

表3 貴安新區(qū)直管區(qū)地下水地源熱泵

2.3.2 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)

按照地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)模型及劃分標準，將工作區(qū)劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)三個類別，地埋管地源熱泵在貴安新區(qū)直管區(qū)普遍適用，適宜區(qū)主要分布在清鎮(zhèn)職教城、貴安生態(tài)新城、馬場科技新城、天河潭新城以及高峰鎮(zhèn)北部，較適宜區(qū)主要分布在貴陽花溪大學城、湖潮物流區(qū)，不適宜區(qū)主要分布在高峰山、馬場科技新城南側(cè)、高峰鎮(zhèn)西南側(cè)，黨武南側(cè)等地勢起伏較大區(qū)域(見表4和圖4)。

表4 貴安新區(qū)直管區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)成果表

圖4 貴安新區(qū)直管區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用適宜性區(qū)劃圖

3 資源潛力評價

3.1 計算方法

淺層地溫能熱容量是指蘊藏在地表以下一定深度內(nèi)巖土體、地下水和地表水中單位溫差的熱量。采用熱儲量體積法計算評價區(qū)淺層地溫能熱容量。首先以地層單元為單位，確定各地層潛水水位，再確定主要地層厚度和物性參數(shù)，分別計算淺層地溫能可開發(fā)范圍內(nèi)各單元地層的分項熱儲量(QS、QW、QA、)，然后以分項總和法求得評價區(qū)淺層地溫能熱容量總量。評價區(qū)分布的地層單元有11個，分別為：Q、T2gy、T2b、T2h、T2q、T1a、T1d+g、P3w+c、P2q+m、C2h+m、C1b。

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)淺層地溫能熱容量計算方法，分別計算各單元地層120 m、200 m深度內(nèi)包氣帶熱容量、飽水帶熱容量，進而按分層總和法計算出120 m、200 m深度內(nèi)的總熱容量。

在120 m深度范圍內(nèi)，包氣帶巖土體中固態(tài)物質(zhì)熱容量為1.83×1013KJ/℃、巖土體所含水中的熱容量為3.62×1012KJ/℃、巖土體所含空氣的熱容量為1.47×108KJ/℃，合計為2.19×1013KJ/℃；飽水帶巖土體中固態(tài)物質(zhì)熱容量為7.37×1013KJ/℃、巖土體所含水中的熱容量為2.04×1013KJ/℃，合計為9.41×1013KJ/℃。120 m深度內(nèi)淺層地溫能熱容量總計1.16×1014KJ/℃。

在200 m深度范圍內(nèi)，包氣帶巖土體中固態(tài)物質(zhì)熱容量為1.83×1013KJ/℃、巖土體所含水中的熱容量為3.62×1012KJ/℃、巖土體所含空氣的熱容量為1.47×108KJ/℃，合計為2.19×1013KJ/℃；飽水帶巖土體中固態(tài)物質(zhì)熱容量為1.34×1014KJ/℃、巖土體所含水中的熱容量為3.70×1013KJ/℃，合計為1.71×1014KJ/℃。200 m深度內(nèi)淺層地溫能熱容量總計1.93×1014KJ/℃。

3.3 地埋管地源熱泵潛力評價

根據(jù)貴安新區(qū)氣候條件及建筑結(jié)構特征，空調(diào)負荷采用：供暖期50 w/m2、制冷期70 w/m2。按綠地土地利用系數(shù)60%計算出工作區(qū)地埋管淺層地溫能潛力為為：冬季可供暖面積1.22×109m2，夏季可制冷面積1.18×109m2。

4 結(jié)語

(1)區(qū)內(nèi)主要地層的綜合熱導率在2.17～3.21 W，綜合熱擴散系數(shù)0.94～1.32×106m2/s，總熱阻0.09～0.28 m·℃/W。地埋管地源熱泵較適宜區(qū)面積共123.38 km2，占研究區(qū)面積的26.0%。適宜區(qū)面積共246.47 km2，占研究區(qū)面積的52.0%，研究區(qū)范圍內(nèi)可以大力開發(fā)利用淺層地溫能資源。

(2)研究區(qū)內(nèi)利用地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用淺層地溫能，按綠地土地利用系數(shù)60%計算出工作區(qū)地埋管淺層地溫能潛力為為：冬季可供暖面積1.22×109m2，夏季可制冷面積1.18×109m2。

(3)研究區(qū)內(nèi)淺層地溫能開發(fā)利用總能量為能量為7.60×108GJ/a，減排節(jié)約的環(huán)境治理費為598 017.3萬元/a。折合成標準煤15 143 064.53 t。