濰坊市淺層地熱能資源評估與開發(fā)利用方式分析

孫景林，董培沖，馮學武

(山東省濰坊市水文局，山東 濰坊 261061)

濰坊市淺層地熱能資源評估與開發(fā)利用方式分析

孫景林，董培沖，馮學武

(山東省濰坊市水文局，山東 濰坊 261061)

濰坊市位于山東半島西部，淺層地熱能資源豐富、開采條件便利。為綜合利用資源，改善環(huán)境，建設可持續(xù)發(fā)展社會，對濰坊市淺層地熱適宜區(qū)進行劃分，并對淺層地下水熱儲量進行分析計算，得出濰坊市淺層地下水熱泵適宜區(qū)總計372.14 km2，淺層地熱能儲量為23.911×1013KJ。同時，根據區(qū)內的淺層地熱特點及經濟社會發(fā)展規(guī)劃，提出持續(xù)開發(fā)利用合理保護建議，加強地下水水質保護，實現地下水資源可持續(xù)利用。

淺層地熱能；資源評估；開發(fā)利用；濰坊市

1 區(qū)域概況

濰坊市位于山東半島西部，南依泰沂臨朐山脈，北臨渤海萊州灣，東與青島、煙臺兩市相接，西與東營、淄博兩市為鄰，地扼山東內陸腹地通往半島地區(qū)的咽喉。地勢自南向北由高到低，是山東省重要的區(qū)域中心城市和沿海開放城市，氣候屬暖溫帶大陸性季風氣候，具大陸性半干旱氣候特征，四季分明。年平均氣溫12.3℃,區(qū)內低溫地熱資源豐富，地熱資源的合理開發(fā)利用，對改善能源結構，促進經濟持續(xù)發(fā)展具有重大意義。濰坊市所轄12個縣市區(qū)，總面積約15 859 km2。其中：高密市城區(qū)地下全部為泥質紅色碎屑巖，無地下水。昌樂縣城區(qū)在第四系地層中有少量粉細沙，基巖為玄武巖，單位涌水量很小。上述兩個縣市基本為淺層地下水熱泵非適宜區(qū)，故未參與地下水地熱能資源評估。該文在充分收集濰坊市淺層地熱資料的基礎上，結合濰坊市發(fā)展總體規(guī)劃，綜合分析研究發(fā)現濰坊市淺層地熱能資源豐富，潛力巨大，適宜應用地下水源熱泵技術。

2 適宜區(qū)劃分及熱儲量計算方法確定

2.1 地下水源熱泵適宜區(qū)的確定原則

進行地下水源地能評估之前首先應確定出地下水源熱泵的適宜區(qū)。根據濰坊的水文地質條件，我們確定適宜區(qū)的原則有以下四個條件：

(1)單井出水量不小于每小時20 m3；

(2)從靜水位至含水層下伏的隔水底板的厚度不小于5 m；

(3)含水層以中砂以上的砂層為主，或是富水性較好的第三系玄武巖；

(4)含水層有較好的可灌性。當靜水位較淺時可以采用加壓回灌，回灌壓力一般不大于1 kg/cm2，即可實現全回灌。我們評價可灌性的標準是水位最大升降比B≥2

(1)

式中：hm水位最大升幅(m)。當采用自流回灌時，hm即為靜水位埋深hj(米)，當采用加壓回灌時，hm=hj+hy,(hy為施加的最大壓力值，可按照10 m)。

(2)

(3)

(2)式為自流回灌可灌性標準。 (3)式為加壓回灌可灌性標準。

只要能滿足(2)或(3)式可灌性標準，回灌井與抽水井的井數之比可以滿足規(guī)范提出的回抽比不大于2:1的要求。

2.2 熱儲量計算方法

區(qū)域淺層地能評價要求計算評價地熱能的可開采量和熱能儲存量。

熱儲存量計算要求用熱儲法分別對包氣帶和飽水帶進行計算。我們認為計算包氣帶的熱儲量意義不大。(1)因為地下水源熱泵是直接從飽水帶取熱，而不是從包氣帶中取熱，如果因取熱造成地下水溫度發(fā)生了變化，包氣帶中的地溫很難隨之發(fā)生變化；(2)因為包氣帶是變溫帶，取用溫度難以確定；(3)包氣帶是太陽輻射及降雨向飽水帶補充傳遞熱量的必然途徑，如果在中途把包氣帶僅存留的熱量拿走了，必然會影響對飽水帶的熱量補充，故我們沒有計算包氣帶的熱儲量。

在飽水帶的含水層和相對隔水層中，熱儲量按下式計算：QR=QS+QW

(4)

式中：QR為地熱能儲存總量，KJ； QS為巖土體中的熱儲量，KJ；QW為巖土體所含水中的熱儲量，KJ。

QW=ρwCwφMd△T

(5)

QS=ρsCs(1-φ)Md△T

(6)

式中：ρw、ρs分別為水和巖土體密度，kg/m3； Cw、Cs分別為水和巖土體比熱容，KJ/kg·K℃； φ為巖土體孔隙率(裂隙率)； M為計算面積，m2；d為靜水位至200 m之內的含水層下限巖土體的厚度，m； △T為利用溫差，℃

2.2.1 關于ρw及ρc的取值

ρw=1 000 kg/m3；ρc應為巖土體的干容重，土層砂層一般為1 300～1 800，由于地下的巖土體是密實的，根據經驗土砂層ρc可取1 700 kg/m3；玄武巖ρc取2 400 kg/m3。

2.2.2 關于Cw及CS的取值

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Cw=4.18 KJ/kg·K℃； CS為巖土的比熱容，土砂顆粒CS取1.01 KJ/kg·K℃；玄武巖CS取0.79 KJ/kg·K℃。

2.2.3 關于φ的取值

我們認為公式中的φ值應取巖土層的飽和含水量，而不是孔隙率。飽和含水量既包括土體中的重力水和毛管水，也包括土粒表面的結核水和薄膜水，它略大于孔隙率，更大于給水度。

關于粘性土的φ值：第四系地層中的相對隔水層一般以砂質粘土和粘質砂土為主，也有一部分粘土和粉土，一般都沒有固結，屬于松散沉積。它的給水度很小，但飽和含水量很大。例如黃土，飽和含水量可達47%，淤泥達60%，一般粘性土可達30%～40%，我們認為平均可取35%。

關于砂類土的φ值：砂類土的顆粒越粗，給水度越大，越接近其飽和含水量，例如礫卵石給水度可達35%～40%。顆粒越細，給水度越小，越比其飽水含水量小得多。例如粉砂的給水度僅為0.1～0.15，而根據孔隙度的資料，密實的粉細砂孔隙度為0.3～0.358，密實的中粗砂為0.35～0.4，可見其飽和含水量還要更大些。

根據上述分析，在飽水帶中不論是含水層(砂類土)還是相對隔水層(粘性土)，φ值皆取0.35是比較適宜的。

關于玄武巖的φ值：濰坊地區(qū)的第三系玄武巖分布范圍較大，大部分有氣孔或成巖裂隙，如果風化較好，可成為含水層，其飽和含水量接近于給水度。表1是我們用坑測法在昌樂縣實測的給水度，其最大值為0.097，故玄武巖的φ值我們取用0.1。

2.2.4 關于△T的取值

我市的多年平均氣溫12.3℃，地下水的溫度一般為16.0℃～16.5℃，高于平均氣溫4℃，故我們取△T為4℃參與計算。

我們取用4℃的理由，(1)取用4℃之后，可以增加4℃的地溫梯度，有利于大地熱流的補給，同時也有利于太陽輻射的傳導并減少地熱向大氣的散失。從這個意義講，△T越大越好；(2)取用4℃之后，區(qū)域水溫不致于太低，對使用地源熱泵系統(tǒng)的小區(qū)的運行不會造成過大的影響。從這個意義講，△T越小越好。我們認為評價區(qū)域地能用熱儲法的取用溫差以當地的平均氣溫與水溫之差較為合理。

綜上所述，將(5)、(6)式中各項的取值代入后并加以整理可得：

第四系地層地下水熱能儲存量計算公式為：

(7)

第三系地層地下水地熱能儲存量計算公式為：

(8)

3 淺層地下水地能熱儲量計算

按上述(7)式和(8)式對各計算區(qū)的熱量進行計算。

各縣市城區(qū)淺層地下水熱泵適宜區(qū)總計372.14 km2，淺層地能儲熱量總計23.911×1013KJ。相當于816.41萬 t標準煤的總發(fā)熱量(表1)。

表1 各縣市城區(qū)淺層地下水地能熱儲量計算成果表

4 開發(fā)利用方式分析

根據濰坊市淺層地熱能資源的特點、能源消耗結構以及經濟技術等社會要素進行系統(tǒng)規(guī)劃，濰坊淺層地熱能的開發(fā)利用主要有兩個方面：

4.1 地熱空調

濰坊市淺層地熱能資源開發(fā)利用主要以冬季供暖和夏季供冷為主。開發(fā)利用適用范圍較廣，包括企事業(yè)單位辦公樓、學校、住宅、別墅、敬老院、商場、廠房、高檔賓館、度假村以及車站、體育場館等。在國家節(jié)能減排政策的指導下，許多新建工程項目紛紛采用地熱空調系統(tǒng)，應用規(guī)模得到快速的發(fā)展。

4.2 高科技生態(tài)農業(yè)

濰坊市冬暖式蔬菜大棚發(fā)展歷史已久，建立適度規(guī)模的現代化地熱溫室大棚，種植高檔蔬菜，可延長坐果期，提升產量，促進農業(yè)經濟發(fā)展。地熱資源由于其節(jié)能、環(huán)保、運行費用低等優(yōu)點，也是現代化高效科技農業(yè)的發(fā)展方向。

5 結語

(1)濰坊市的淺層地熱能資源豐富，分布廣泛，是一種很好的替代能源和清潔能源，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。希望政府有關部門加強對淺層地熱能開發(fā)利用的重視，并提供必要的政策和財政扶持。

(2)要搞好地源熱泵工程的總體規(guī)劃，在適宜區(qū)內盡量合理布局、均衡布局。防止一轟而上，盲目發(fā)展，過度開發(fā)，避免工程項目過于集中，相互影響。

(3)有關部門加強對地下水資源的管理，搞好技術服務，要做到100%回灌，防止地質問題的發(fā)生，同時要加強地下水水質保護，以實現地下水資源的可持續(xù)利用。

[1]王松濤，吳振，王華軍．基巖地區(qū)地埋管換熱器傳熱特性的測試研究[J]．河北工業(yè)大學學報.2012.41(6)：69-73．

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[4]周念滬．地熱資源開發(fā)利用實務全書[M]．北京：中國地質科學出版社.2005．

2017-02-27

孫景林(1964-)，男，山東青州人，工程師，主要從事水文水資源研究工作。

P314.1

B

1004-1184(2017)04-0071-02