孫文廣，冷旭勇，王飛，趙長(zhǎng)福

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南　250014)

鄆城縣淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)

孫文廣，冷旭勇，王飛，趙長(zhǎng)福

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南250014)

淺層地?zé)崮苁堑責(zé)豳Y源的組成部分，分布廣，利用價(jià)值大，既可緩解能源緊張矛盾，又有利于保護(hù)環(huán)境。該文分析了鄆城縣淺層地?zé)崮軛l件，對(duì)地埋管換熱方式有關(guān)熱物性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)鄆城縣淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行了計(jì)算評(píng)價(jià)，并進(jìn)行了效益分析。

淺層地?zé)崮?；地埋管換熱；效益分析；鄆城縣

引文格式：孫文廣，冷旭勇，王飛，等.鄆城縣淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)[J].山東國(guó)土資源，2015,31(1):36-39.SUN Wenguang, LENG Xuyong, WANG Fei,etc.Exploration Evaluation of Shallow Geothermal Energy in Yuncheng County[J].Shandong Land and Resources,2015，31(1)：36-39.

0　引言

淺層地?zé)崮苁堑責(zé)豳Y源的組成部分，是蘊(yùn)藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的熱能[1]。一般指通過(guò)換熱技術(shù)利用的蘊(yùn)藏在地表以下200m以?xún)?nèi)，溫度低于25℃的熱能。其能量主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射與地球梯度增溫。淺層地?zé)崮芊植紡V，儲(chǔ)量大，再生迅速，利用價(jià)值大。既可以滿足供暖需求，緩解能源緊張矛盾，改善人民生活，同時(shí)也直接降低了污染物排放量，有利于保護(hù)環(huán)境，帶來(lái)較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

近年來(lái)，在全國(guó)可再生能源建筑應(yīng)用政策的推動(dòng)下，許多地區(qū)已經(jīng)陸續(xù)開(kāi)始建設(shè)淺層地?zé)崮苜Y源利用系統(tǒng)，并取得較好的應(yīng)用效果[2]。目前國(guó)內(nèi)淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)主要通過(guò)地下水換熱和地埋管換熱2種方式，地下水換熱方式雖然初期投資稍低，但是較高的運(yùn)行成本及其對(duì)地下水資源的粗放式利用，使其近年來(lái)應(yīng)用率呈下降趨勢(shì)，而地埋管換熱方式應(yīng)用越來(lái)越廣泛，該文主要就地埋管換熱方式對(duì)鄆城縣淺層地?zé)崮苓M(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

1　淺層地?zé)崮芾脳l件分析

鄆城縣地處黃河下游沖積平原，地形平坦，微向東北傾斜，地面坡降在1∶5000～1∶1萬(wàn)，海拔在38.5～47.5m之間。區(qū)內(nèi)廣泛分布著巨厚第四紀(jì)堆積物，厚度200m左右；區(qū)內(nèi)含水層巖性主要以粉細(xì)砂、細(xì)砂及中粗砂為主，未發(fā)現(xiàn)卵石層。

區(qū)內(nèi)廣泛分布有第四紀(jì)松散巖類(lèi)孔隙潛水和淺層承壓水，水位較淺，地下水資源豐富，大部分地區(qū)含水層厚度大于30m，只有東南部及趙樓西小部分地區(qū)厚度小于30m。根據(jù)淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范(DZ/T 0225-2009)中地埋管換熱方式適宜性分區(qū)指標(biāo)[1]，鄆城縣具備良好的水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件(表1)，為淺層地?zé)崮艿芈窆軗Q熱方式可持續(xù)利用提供了基礎(chǔ)。

表1　地埋管換熱方式適宜性分區(qū)指標(biāo)

2　淺層地?zé)崮軈?shù)測(cè)試

2.1測(cè)試原理

測(cè)試設(shè)備采用北京華清榮昊新能源開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)的HQ-H2淺層地?zé)崮芾?、熱響?yīng)試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)是根據(jù)相似理論[3-4]設(shè)計(jì)和搭建的一套地埋管換熱器綜合微縮試驗(yàn)臺(tái)[5]，其功能強(qiáng)大、測(cè)試精確度高以及移動(dòng)性好，能夠模擬冬、夏兩季地源熱泵地埋管換熱器運(yùn)行工況。

測(cè)試原理[6-7]如下：將測(cè)試裝置的水路循環(huán)部分與所要測(cè)試的地埋管換熱孔內(nèi)的HDPE管路相連接，形成閉式環(huán)路，通過(guò)儀器內(nèi)的微型循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)環(huán)路內(nèi)的載冷劑不斷循環(huán)，同時(shí)測(cè)試裝置內(nèi)的設(shè)備不斷加熱或降溫環(huán)路中的載冷劑。該閉式環(huán)路內(nèi)的載冷劑不斷循環(huán)，熱泵裝置所產(chǎn)生或需要吸收的熱量就不斷通過(guò)地埋管換熱孔內(nèi)的HDPE管釋放到巖土或從巖土中吸收熱量。在閉式環(huán)路內(nèi)的載冷劑循環(huán)的過(guò)程中，測(cè)試車(chē)將各種測(cè)試工況下進(jìn)、回測(cè)試車(chē)的載冷劑溫度、巖土溫度，以及流量和實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的熱量或所吸收的熱量進(jìn)行采集并記錄在相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理儀器中，后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.2測(cè)試步驟

首先鉆鑿2個(gè)換熱測(cè)試孔，孔深120m，孔徑150mm，分別編號(hào)D1，D2孔。鉆鑿?fù)瓿珊笙氯險(xiǎn)型HDPE管并回填，回填采用原漿。測(cè)試孔安裝完成2天后進(jìn)行巖土換熱能力測(cè)試，測(cè)試首先對(duì)D1孔進(jìn)行巖土體平均初始溫度測(cè)試，之后進(jìn)行D1孔的穩(wěn)定熱流測(cè)試和穩(wěn)定工況(夏季工況)測(cè)試，最后進(jìn)行D2孔的穩(wěn)定工況(冬季工況)測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中共作3次水壓試驗(yàn)。

2.3測(cè)試數(shù)據(jù)分析

2.3.1巖土平均初始溫度測(cè)試

巖土平均初始溫度測(cè)試歷時(shí)13h，在該時(shí)間段內(nèi)，測(cè)試車(chē)未向地埋管提供冷、熱量的情況下使地埋管內(nèi)水形成循環(huán)，測(cè)得的循環(huán)水溫度即為巖土的平均初始溫度。經(jīng)測(cè)定，巖土平均初始溫度為17.9℃。

圖1　地層初始溫度隨時(shí)間變化曲線

2.3.2穩(wěn)定熱流測(cè)試

穩(wěn)定熱流測(cè)試循環(huán)水中連續(xù)輸入穩(wěn)定功率熱量，測(cè)定地埋管換熱器進(jìn)出水溫度的響應(yīng)情況，進(jìn)而計(jì)算巖土體的熱物性參數(shù)。測(cè)試流量設(shè)定為1.5m3/h，加熱功率為6kW，歷時(shí)48h。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析采用Hart和Couvillion建立的線源模型[5-9]，利用恒熱流模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算巖土體導(dǎo)熱系數(shù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖及測(cè)試參數(shù)表見(jiàn)圖2、表2。計(jì)算巖土體導(dǎo)熱系數(shù)為2.75W/m·K。

圖2　穩(wěn)定熱流測(cè)試地埋管換熱器進(jìn)出水平均溫度變化曲線及對(duì)數(shù)擬合曲線

設(shè)定加熱功率/kW平均加熱功率/kW單位換熱量/(W/m)加熱功率波動(dòng)/kW流量/(m3/h)數(shù)據(jù)記錄周期/min65.99086.810.31.53

2.3.3穩(wěn)定工況(夏季工況)測(cè)試

夏季工況運(yùn)行時(shí)，地埋管換熱孔吸熱，測(cè)試設(shè)定初始參數(shù)為地埋管換熱孔進(jìn)水溫度35℃，流量為1.5m3/h，測(cè)試歷時(shí)48h，測(cè)試結(jié)論如下：

由測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出，在測(cè)試裝置開(kāi)始運(yùn)行至40min，地埋管換熱器進(jìn)水溫度穩(wěn)定到設(shè)定運(yùn)行工況點(diǎn)35℃左右，故穩(wěn)定工況(夏季工況)的測(cè)試數(shù)據(jù)從40min后為有效數(shù)據(jù)。在此時(shí)間段內(nèi)，地埋管換熱孔的進(jìn)水溫度均值35.1℃，出水溫度均值31.5℃，進(jìn)出水溫差3.6℃，進(jìn)水溫度與設(shè)定值偏差0.1℃，在有效時(shí)間內(nèi)，進(jìn)水溫度與設(shè)定值偏離均小于0.3℃，測(cè)試數(shù)據(jù)有效。

隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，地埋管換熱器換熱量、瞬時(shí)流量逐漸趨于穩(wěn)定。流量均值為1.5m3/h，換熱器換熱量均值7.62kW，換熱孔深120m，因此每延米地埋管換熱器換熱量為63.46W/m。

2.3.4穩(wěn)定工況(冬季工況)測(cè)試

冬季工況運(yùn)行時(shí)，地埋管換熱器放熱，測(cè)試設(shè)定初始參數(shù)為地埋管換熱孔進(jìn)水溫度5℃，流量為1.5m3/h，測(cè)試歷時(shí)48h，測(cè)試結(jié)論如下：

由測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出，在測(cè)試裝置開(kāi)始運(yùn)行至60min，地埋管換熱器進(jìn)水溫度由初始溫度穩(wěn)定到設(shè)定運(yùn)行工況點(diǎn)5℃左右，故穩(wěn)定工況(冬季工況)測(cè)試的測(cè)試數(shù)據(jù)從60min后為有效數(shù)據(jù)。在此時(shí)間段內(nèi)，地埋管換熱孔的進(jìn)水溫度均值5.0℃，出水溫度均值7.3℃，進(jìn)出水溫差2.3℃，進(jìn)水溫度與設(shè)定值偏差0℃，在有效時(shí)間內(nèi)，進(jìn)水溫度與設(shè)定值偏離均小于0.3℃，測(cè)試數(shù)據(jù)有效。

隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，地埋管換熱孔換熱量、流量逐漸趨于穩(wěn)定。流量均值為1.5m3/h，換熱孔換熱量均值7.21kW，換熱孔深120m，因此每延米地埋管換熱孔換熱量為60.10W/m。

2.3.5測(cè)試結(jié)論

(1)地層初始溫度。測(cè)得地層初始溫度為17.9℃。

(2)穩(wěn)定熱流測(cè)試。設(shè)定地埋管換熱孔加熱功率6kW，流量1.5m3/h。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，巖土體導(dǎo)熱系數(shù)為2.75W/m·K。

(3)穩(wěn)定工況(夏季工況)測(cè)試。設(shè)定地埋管換熱孔進(jìn)水溫度35℃，流量1.5m3/h。該工況下，地埋管換熱孔實(shí)際進(jìn)/出水溫度：35.1℃/31.5℃，換熱量7.62kW，折合每延米換熱量63.46W/m。

(4)穩(wěn)定工況(冬季工況)測(cè)試。設(shè)定地埋管換熱孔進(jìn)水溫度5℃，流量1.5m3/h。在該工況下，地埋管換熱孔實(shí)際進(jìn)/出水溫度：5.0/7.3℃，換熱量7.21kW，折合每延米換熱量60.10W/m。

3　鄆城縣淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)

3.1淺層地?zé)崛萘坑?jì)算

根據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/Z 0225-2009)，采用體積法計(jì)算淺層地?zé)崛萘?，分別計(jì)算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲(chǔ)藏的熱量，計(jì)算下限取試驗(yàn)鉆孔深度120m，然后合并計(jì)算調(diào)查區(qū)范圍內(nèi)的地質(zhì)體的儲(chǔ)熱性能。

經(jīng)計(jì)算，鄆城縣范圍內(nèi)淺層地?zé)崛萘繛?.22×1014kJ/℃，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2122.18×104t[8]。

3.2地埋管換熱功率計(jì)算

根據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/Z 0225-2009)，采用換熱量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Qh為工作區(qū)換熱功率,kW；D為單孔換熱功率,w；n為計(jì)算面積內(nèi)換熱孔數(shù)量；Kz為綜合熱傳導(dǎo)系數(shù),w/m·k；△T溫差，U形管內(nèi)循環(huán)液平均溫度與巖土體原始溫度之差 ，℃；L為U型地埋管換熱器長(zhǎng)度,m；M為工作區(qū)面積，m2；τ為土地利用系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，地埋管換熱功率，冬季為7.85×106kW，可開(kāi)采資源量約0.81×1014kJ(按120天計(jì))，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤2.77×106t；夏季為8.01×106kW，可開(kāi)采資源量約0.83×1014kJ(按120天計(jì))，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤2.83×106t。

4　效益分析

在國(guó)家大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、推廣可持續(xù)發(fā)展模式的背景下，淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用不僅能優(yōu)化能源供給結(jié)構(gòu)，還能產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。在目前資源緊缺的狀況下，淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用使經(jīng)濟(jì)效益得到充分體現(xiàn)。依據(jù)當(dāng)?shù)販\層地?zé)崮苜Y源的特點(diǎn)、能源消耗結(jié)構(gòu)以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)等社會(huì)要素進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，才能最大限度地合理開(kāi)發(fā)利用該資源[10]。根據(jù)鄆城縣地埋管換熱方式換熱功率計(jì)算結(jié)果分析，可開(kāi)采資源量轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)效益是非常可觀的。調(diào)查區(qū)內(nèi)可開(kāi)采資源量1.64×1014kJ(冬、夏季共240天計(jì))，折合標(biāo)準(zhǔn)煤5.60×106t，可轉(zhuǎn)化經(jīng)濟(jì)效益38.85多億元。

參考《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T11615-2010)，進(jìn)行節(jié)能和減排效果分析。按地埋管換熱方式換熱功率計(jì)算，每年能節(jié)省5.60×106t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO2排放量1.34×107t、減少SO2排放量0.95×105t、減少NOx排放量3.36×104t、減少懸浮質(zhì)粉塵排放量4.48×104t、減少煤灰渣排放量5.60×103t。可見(jiàn)，淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用，可減輕對(duì)自然環(huán)境的污染壓力，有利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

5　結(jié)語(yǔ)

(1)鄆城縣具備良好的水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件，為淺層地?zé)崮艿芈窆軗Q熱方式可持續(xù)利用提供了基礎(chǔ)。

(2)經(jīng)測(cè)定：巖土平均初始溫度為17.9℃；巖土體導(dǎo)熱系數(shù)為2.75W/m·K；夏季工況換熱量7.62kW，折合每延米換熱量63.46W/m；冬季工況換熱量7.21kW，折合每延米換熱量60.10W/m。

(3)經(jīng)計(jì)算，鄆城縣范圍內(nèi)淺層地?zé)崛萘繛?.22×1014kJ/℃，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2122.18萬(wàn)t，具有較好的經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排效果，淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用，有利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

[1]DZ/T 0225-2009，淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范[S].

[2]劉樹(shù)亮，許靜波，衣偉虹，等.濰坊市淺層地?zé)崮苜Y源調(diào)查及開(kāi)發(fā)利用研究[J].山東國(guó)土資源,2013，29(10-11):67-69.

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[10]楊紅亮，鄭康彬，鄭克棪，等.中國(guó)淺層地?zé)崮芤?guī)?；_(kāi)發(fā)與利用[A]//中國(guó)地?zé)崮艹删团c展望——中國(guó)地?zé)岚l(fā)展研討會(huì)論文集[C].北京：地質(zhì)出版社，2010,97-115.

Exploration Evaluation of Shallow Geothermal Energy in Yuncheng County

SUN Wenguang, LENG Xuyong, WANG Fei, ZHAO Changfu

(No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Jinan 250014, China)

Shallow geothermal energy is one part of geothermal resources. It distributes widely and has great utilization value. It can not only relieve the contradictions of energy shortage, but also protect environment. In this paper, the condition of shallow geothermal energy in Yuncheng county has been analyzed, relative thermophysical properties of pipe heat exchanger ways have been tested, calculation and evaluation of shallow geothermal resources have been carried out, and benefit analysis has been carried out as well.

Shallow geothermal energy; pipe heat exchanger ways; benefit analysis; Yuncheng county

2014-02-15；

2014-03-05；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

孫文廣(1973—)，男，山東文登人，高級(jí)工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作； E-mail：sddkswg@126.com

P641.8

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