邢台市区浅层地热资源及潜力评估

摘要：从邢台市区城市发展对浅层地温的资源需求出发，结合该区浅层地热能赋存情况进行了浅层地热资源评价，经计算200 m以上浅层地热储存总量为597.60×1012 kJ。地埋管适宜区和较适宜区浅层地热可利用量为1141470.63 kW。地下水换热系统适宜区和较适宜区浅层地热可利用量为525957.384 kW。并分析了浅层地热能带来的经济和社会价值，提出了适宜邢台市区的浅层地热能开发利用的对策。

关键词：浅层地热；热储；地下水换热系统；邢台市区

中图分类号：P314

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10016204

1 引言

浅层地热是指地表以下一定深度范围（一般为恒温带至200 m埋深）内，温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。其热能主要来自地球深部的热传导，由于埋藏浅（深度小于200 m）、温度低（一般温度低于25℃），所以也称为“低温地热能”。浅层地热能的温度一般高于当地平均气温3～5℃，温度比较稳定，分布广泛，开发利用方便。浅层地热能的利用，主要是通过热泵技术的热交换方式，将赋存于地层中的低品位热源转化为可以利用的高品位热源，既可以供热，又可以制冷。

位于太行山山前倾斜平原区的邢台市区浅层地热能资源是比较丰富的地区，具有一定的浅层地热能开发前景。近几年来也已经有少数单位开始使用浅层地热能进行冬季取暖和夏季制冷。但是邢台市区未进行过专项的浅层地热能资源调查工作，地温的利用和推广呈现出很大的盲目性。因此，需要对邢台市区浅层地热能资源进行调查评价，为该区合理开发利用浅层地热能提供基础科学依据。笔者通过收集资料和开展浅层地热能利用条件调查，选择有代表性地段进行原位热传导试验，以获得地层综合换热能力，初步查明调查区浅层地热能资源数量、质量以及分布规律，进行开发利用区划，为浅层地热能可持续开发及合理开发利用提供基础资料和依据。

2 浅层地热能资源赋存概述

浅层地热能的开发利用与其赋存条件息息相关，而资源赋存主要依附于气候条件地质条件和岩土热物性等。

2.1 气候概况

本区属暖温带大陆性季风气候区，四季分明，冬季寒冷少雪，盛行东北风，夏季炎热多雨，盛行东南风。该区历年平均气温13.5℃，极端最低气温-22.4℃（1958年1月16日），极端最高气温41.8℃（1961年6月12日）。多年平均降水量516.1 mm（1956～2006年），最低228.2 mm（1972年），最高1269.0 mm（1963年），日降水量最大为304.3 mm（1963年8月4日），降水量年际间变化大，且具10～11年的周期性特点。年内则多集中于6～9月份，占全年的70%以上。最大年蒸发量2190.6 mm，最小年蒸发量1257.1 mm，平均年蒸发量1887.0 mm。区最大风速18 m/s，最大季节性冻土深度41 cm，平均相对湿度为59.6%，年平均日照时数为2297 h，全年无霜期200 d。总体上该区四季分明，适宜开发利用浅层地热能。

2.2 地质概况

邢台市从大的地貌单元上位于山西高原与华北平原的过度地带上，区内地势是西高东低，地形起伏较大，形态复杂。自西向东依次为中低山、低山、低丘垄岗和山前倾斜平原等地貌景观。

工作区位于太行山东麓山前冲洪积倾斜平原上（图1），区内地形较为平坦，起伏不大，总的地形西高东低，地面标高在126～55 m之间，自然坡降2.75‰左右，该区地层由老至新有：下古生界奧陶系，上古生界石炭系、二叠系和新生界第四系。

邢台市自西向东跨越两个水文地质区，以内丘—邢台—峰峰弧形断裂为界，中西部为百泉泉域岩溶水、孔隙水水文地质区，东部为孔隙水水文地质区。地下水资源丰富，由于地下岩土的含水率高，对于地埋管的地源热泵工程，可提升其热交换率，非常有利于热泵工程的应用。

2.3 岩土体热物性特征概况

岩土体热物性特征包括岩土体的热导率比热容以及地温场特征等，其反映了岩土体的蓄热和导热能力，是影响浅层地热能资源赋存的重要影响因素。岩土体热物性在实际工作中通常由岩土热响应试验获取。

由岩土热响应试验结果可知，工区岩土热导率为0.8501～1.574 W/mK ，比热容为1.481～1.746 kJ/（kg·℃）（表1）。在地温梯度方面，工区内地温梯度基本介于1.5℃/100m与2.0℃/100m之间。区内的地温梯度总体是西南和东部偏高，地温梯度值等于或大于2.0℃/100m，西北与南部的南康庄-南陈村-柴家庄-后楼下一带地温梯度值小于或等于1.5℃/100m。工作区的恒温层深度为35 m，恒温层温度15.5℃，多年平均地面温度15.5～15.9℃。

在大地热流方面，根据河北省环境地质勘查院编制的《邢台市地热资源调查评价报告》中给出的平均热流值作为研究大地热流值即：50 mW/m2。

3 浅层地热资源储量及换热功率计算

研究区浅层地热资源储量规模特指在当前技术经济条件下具备开发利用价值埋藏深度一般在距地表200 m以内的地热能储量。

3.1 浅层地热储存量计算

地热能储存量采用体积法计算。通过对工作区范围内钻孔的收集，尽量做到了钻孔的均匀分布，本次共收集工作区范围内42个钻孔。計算面积为适宜开发利用浅层地热能的土地面积。在计算中将调查区总面积200 km2按42个钻孔平均分配，每个钻孔分配面积为4.7619 km2，体积法相关参数依据表1，计算结果为包气带中地热能储存量为46.99×1012kJ ；在200 m以浅含水层和相对隔水层中地热能储存量为550.61×1012kJ；总计597.60×1012kJ。

3.2 换热功率计算

研究中将可利用量，采暖期取热量和制冷期排热量分为地下水热系统和地埋管换热系统、适宜区和较适宜区分别计算。

3.2.1 地下水换热系统

采用水量折算法计算可开采资源量，计算式为：

Qq=Qb×n×τ（1）

式（1）中：Qq为评价区浅层地热能换热功率（kw）；

Qb为单井浅层地热能换热功率（kw）；

n为计算面积内可钻孔数量；

τ为土地利用率。

具体计算步骤为，根据工作区地下水换热方式适宜性（富水性）分区，确定各区域单井出水量，通过水量折算出单井可提取利用热量（表2），根据单位面积可布抽灌对井数乘以布井区面积（适宜、较适宜区面积乘以土地利用系数）和单井换热功率计算适宜、较适宜区地下水地源热泵系统换热功率（表3）。

计算结果为，地下水换热系统适宜区可利用面积为7.062 km2，可利用资源量为301331.585 kW；较适宜区可利用面积为23.397 km2，可利用资源量为224625.799 kW。地下水换热系统适宜区和较适宜区总可利用资源量为525957.384 kW。

按此开采强度，在工作区内一个采暖、制冷节（120 d）可以从地下岩土体提取或排放的热量为：525957.384×3600×24×120×0.52=283.56×1010kJ。

3.2.2 地埋管换热系统

根据现场地源热泵热响应试验，确定地层综合传热系数，从而获得地层综合换热能力，为邢台市浅层地热能调查评价工作提供地源热泵设计、资源量计算等技术参数。先计算单孔换热量，然后根据单孔换热量和浅层地热能计算面积，计算地埋管换热量。

（1）单孔换热量计算表达式为：

D=Kz/1000×ΔT×L （2）

式（2）中：D单孔换热量，kW；

Kz综合传热系数，W/（m·℃）；

ΔT温差，℃，即为U型管内循环液平均温度与岩土体原始温度之差；

L单U型地埋管换热孔长度，m。

换热孔的换热量现场及热物性测试结果见表4，由此计算单孔换热量夏季为2.599 kW，冬季为1.879 kW。

（2）可开采资源量计算表达式为：

Dq= D×n×τ（3）

式（3）中：Dq单位面积浅层地热能可开采量，kW；

D单孔换热量，kW；

n可钻换热孔数；

τ土地利用系数。

本次计算换热孔间距取5 m，均按网格状布孔，则在1 km2范围内均匀布孔的钻孔数为4万个。土地利用系数为25%，则可钻换热孔数量为10000个。

计算结果为单位面积1 km2范围内夏季可开采资源量为25990 kW；冬季可开采资源量为18790 kW；夏冬两季节可开采资源总量为44780 kW。适宜区可利用面积为32.391 km2，适宜区夏季可开采资源量为841842.09 kW，冬季可开采资源量为608626.89 kW；夏、冬两季节可开采资源总量为：1450468.98 kW。较适宜区可利用面积为8.382 km2，较适宜区夏季可开采资源量为217848.18 kW，冬季可开采资源量为157497.78 kW，夏、冬两季节可开采资源总量为：375345.96 kW。适宜区和较适宜区范围内夏季可开采资源量为1059690.27 kW，冬季可开采资源量为766124.67 kW。

按此开采强度，在工作区内一个采暖季（120 d）可以从地下岩土体提取的热量：766124.67×3600×24×120×0.52=413.04×1010kJ。一個制冷季（120 d）可以向地下岩土体排放的热量为1059690.27×3600×24×120×0.52=571.32×1010kJ，总计984.36×1010kJ。

4 浅层地热能利用的社会价值

依据环保统计资料，冬采暖锅炉每燃烧1 t标煤，向大气排放一氧化碳（CO）22.7 kg、二氧化碳（CO2、以碳基计算）440 kg、碳氢化合物（CNHM）0.45 kg、氮氧化物（NOX）3.62 kg、二氧化硫（SO2）16.72 kg、粉尘15.0 kg、灰渣260.0 kg。

依据前面计算所得，浅层地热能储存量为597.60×1012kJ，采用地下水换热系统可利用量为283.56×1010kJ。（其中适宜区为121.10×1010kJ、较适宜区为162.46×1010kJ）；采用地埋管换热系统可利用量为984.36×1010kJ（其中适宜区为782×1010kJ、较适宜区为202.36×1010kJ）。若按可利用浅层地热能计算，相当于433165.30 t煤发热量（其中适宜区308530.0 t煤发热量，较适宜区124635.3 t煤发热量）（按1 kg标准煤发热量为29271 kJ计算），可减少污染物排放，（污染物排放量见统计表5）对改善大气质量，减少产生温室效应气体（主要气体CO2），尤其是在冬季采暖季节是很有必要的。所以浅层地热能的开发利用对大气环境保护是有利的。

5 开发利用

浅层地热能的开发利用受社会生产力、科学技术水平、水文地质条件，以及政治经济等多方面因素的影响与制约，该区浅层地热资源的赋存条件受第四系地质结构岩性岩相、沉积环境、水文地质特征、岩土热物理性质、浅层地温场特征、环境地质条件等多方面因素的控制，只有根据区内浅层地热能资源的特点，能源消耗结构以及经济技术等社会要素进行系统规划，才能最大限度地合理开发利用该资源。

地下水地源热泵系统的开发利用原则上必须采取可靠的回灌措施，确保置换冷热量后的水全部回灌到同一含水层中。系统投入运行后，应对抽水量、回灌量、水质、水温进行定期检测，回灌水水质至少应与原采集地下水的水质相当，以保证回灌后不会引起区域性地下水水质污染，杜绝水资源的浪费，合理有效地利用地下水资源；其次为了预防井管堵塞，应及时清除堵塞含水层和井管的杂质，在进行回灌以后，通过回扬，排除回灌井水中的堵塞物，或抽水井与回灌井定期互换，以确保回灌质量。

在地埋管地源热泵系统的开发利用原则上，地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大的、流动阻力小的塑料管材；竖直地埋管换热器埋管深度宜大于20 m，钻孔孔径不宜小于110 mm，间距应满足换热需要，间距宜为3～6 m。水平连接管的深度应在冻土层以下0.6 m，且距地面不宜小于1.5 m，水平环路坡度宜为0.002°；并需要加强对地埋管附近的地温监测工作。

6 建议及结语

为使这项新技术得到推广，为使高效、节能、环保得到充分体现，提出以下建议。

（1）地下水源热泵，要做到同层回灌，抽水回灌要做到密闭，以防止与外界接触而使地下水质发生变化。

（2）建议采用较先进的成井工艺，切勿将不同的含水层连通。

（3）建议在工作区内，分区做回灌试验和原位热传导试验，以便更准确地了解区内地下水回灌难易和岩土换热指标，更好地为规划建设服务。

目前在邢台市区浅层地热资源开采利用方面虽然尚存在一些问题但笔者相信在政府及相关部门的协调下，在不断完善各项政策法规规程规范基础上，随着科技的进步及创新，浅层地热资源这一清洁环保能源一定能为区内的经济发展和环境保护发挥更大的作用。

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