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中國省會城市淺層地熱能開發利用條件及潛力評價

發布時間:2018-08-14 14:52:39    信息來源:

 

引言

淺層地熱能作為地熱能重要的組成部分,一般賦存于地球表層至 200 m埋深中土壤、巖石和地下水中(DZ/T 0225-2009)。截至 2016 年,全國利用淺層地熱能的應用建筑面積已達 4.78 億m2。2014 年全國已完成包括北京、天津在內的 31 個省會級城市淺層地熱能勘查評價工作(冉偉彥等,2014),并于2015 年完成 336 個地級以上城市的調查評價工作。藺文靜等(2013)對 287 個地級以上城市淺層地熱能資源量進行了第一輪評估,王貴玲等(2017)對中國地熱資源(包括淺層地熱能資源)的潛力進行新一輪評價,最新結果顯示,336 個地級以上城市淺層地熱能資源每年可開采量折合標準煤 7 億 t,資源豐富、潛力巨大。

第四系地質特征、淺層地溫場特征、巖土熱物性特征等參數,是影響地源熱泵開發利用的重要參數,也是進行資源潛力評價的關鍵因子(趙云章等,2010;Luo et al.,2016;秦祥熙等,2017)。前人的研究更關注資源量評價結果,對淺層地熱能賦存條件的分析不夠全面,本文利用資料收集、統計分析的方法,對全國省會城市規劃區范圍內的淺層地熱能資源賦存的關鍵因素進行研究,結合地質調查成果,對開發利用程度和需求均相對較高的省會城市的淺層地熱能資源潛力進行評價。在此基礎上,結合利用方式、需求程度,開展了全國淺層地熱能開發利用區劃研究,為科學合理進行淺層地熱能開發利用規劃和布局提供依據。

 

 

自然地理及地質條件

2.1 氣象條件

  根據中國氣候區劃(張寶堃等,1959;鄭景云等,2010),熱量可用日平均氣溫≥10℃穩定期的積溫和最冷候氣溫或最冷月氣溫,或極端最低氣溫多年平均值來表示,以熱量分帶,我國大陸可分為五帶一區,即熱帶、亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、寒溫帶和青藏高原區。我國大陸省會城市主要分布于亞熱帶、暖溫帶和中溫帶(表1)。

2.2 地貌類型

  中國大陸區域地形地貌復雜多樣,省會城市主要分布在平原、盆地中,依山傍水而建,逐綠草而居,自然條件較好,水資源相對較豐富(中國地質調查局,2012),有利于淺層地熱能的應用。其中,有19.35%的省會城市分布于濱海平原;有 32.26%的省會城市分布于內陸平原;有 16.13%的省會城市分布于內陸山間河谷盆地;僅有 6.45%的省會城市分布于高原河谷盆地和巖溶河谷盆地;僅有 9.68%的省會城市分布于黃土高原盆地和內陸干旱半干旱季節凍土盆地(表1)。

 

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2.3 地質條件

  地表以下 200 m深度內,從古生界到新生界地層均有揭露。以第四系地層為主的城市,多數分布在平原地區,如呼和浩特市、北京、石家莊、西安等;以基巖為主的城市,主要集中在河谷盆地,如重慶市、南昌市、南寧市、貴陽市等。主要地質特征見表1。

 

 

淺層地溫場特征

3.1 典型城市地溫監測剖面

  淺層地溫場的垂向分布特征受當地氣候、地層結構、水文地質條件、地質構造等多方面因素影響衛萬順等,2010;黃景銳,2013),通常可分為變溫、恒溫帶、增溫帶(張慧智等,2009)。恒溫帶溫度及深度是土壤溫度場的重要指標,地源熱泵系統可以從恒溫帶穩定地獲取或排放冷(熱)量(王婉麗等, 2016)。根據溫度帶選擇典型城市的地溫監測剖面進行分析,其中監測孔位置如表2所示,每個剖面的監測曲線見圖1。其中哈爾濱市、石家莊市、廣州市、海口市采用地溫自動監測的方法,西寧市、長沙市采用鉆孔中人工測溫方法。由于人工測溫容易受到測溫時段氣溫的影響,西寧市和長沙市的地溫曲線在恒溫帶和增溫帶表現出明顯的季節性差異。

 

 

  圖 1 顯示:西寧市恒溫帶頂板埋深20m左右,厚約10m;哈爾濱地區恒溫帶頂板埋深30m左右,厚約10m;石家莊市恒溫帶頂板埋深15m左右,厚約15m;長沙地區恒溫帶頂板埋深10m左右,厚約15m;廣州市恒溫帶頂板埋深10m 左右,厚約10m;海口市恒溫帶頂板埋深 8m左右,厚約5m。結合其他 25個省會城市地溫監測結果和前人研究,中溫帶與青藏高寒區由于凍土層的存在,溫度變動范圍廣,恒溫帶頂板埋深大,最高達30~35m。暖溫帶地區由南向北逐漸增大,埋深范圍為15~20m。亞熱帶地區氣候溫暖,年溫度變化較小,太陽輻射影響范圍小,恒溫帶頂板埋深小,一般不超過20m。

3.2 全國淺層地溫場特征

  根據恒溫帶溫度范圍、頂板埋深及地溫梯度,繪制了我國淺層地溫場特征圖(圖2)。由圖2可見,恒溫帶溫度與當地氣溫關系密切,總體表現出隨緯度的升高而降低,同一緯度西部大于東部的特點,說明在我國陸區范圍內,恒溫帶溫度受太陽輻射影響最大。從中溫帶、暖溫帶、亞熱帶到熱帶,從平原區到丘陵山地,平均氣溫逐漸升高,恒溫帶頂板埋深與溫度變化趨勢相反(王貴玲等,2017)。同時,我國陸地淺層地溫場(200m深度內)地溫梯度總體分布特征為北高南低,南方地溫梯度值一般都小于3℃/100m,平均 2.45℃/100m。北方大部分地區地溫梯度由西向東逐漸升高,變化范圍 2~5℃/100m,平均3℃/100m。

 

 

巖土體導熱系數特征

  巖土體的導熱系數對地源熱泵系統的設計至關重要,是當溫度垂直梯度為1℃/m時,單位時間內通過單位水平截面積所傳遞的熱量。巖石礦物組分和含量不同,其導熱系數各異(徐振章,1992;沈顯杰等,1988)。不同類型的巖石或同類型巖石其礦物組分和含量不同,導熱系數亦不同。本文收集到熱物性測試成果 9309 件(其中松散沉積物 5234 件,基巖 4075件),采用統計分析的方法,對沉積巖類、巖漿巖、變質巖類、松散巖類的導熱系數進行分析。

  因熱物性參數的數據來自于不同省會城市室內測試結果,考慮取樣、測試等環節產生的誤差,避免異常值對統計結果的影響,首先對數據進行異常值檢驗。采用繪制箱線圖的方法來查找異常值。根據箱線圖統計分析結果,對異常值進行刪除,保證統計的結果不受異常值的干擾。對同種巖性的數據來說,導熱系數分布不符合正態分布,因此以中值作為該巖性的特征值;如果服從正態分布,中值等于均值。利用 spss17.0 軟件對數據進行統計分析(張文彤等,2004)。

4.1 沉積巖

  統計分析結果(圖 3)顯示:沉積碎屑巖類中礫巖、角礫巖的導熱系數最大,中值分別為2.49 W/(m·K)、2.36 W/(m·K)。其次是砂巖、砂礫巖、粉砂巖、細砂巖,介于1.58~1.92 W/(m·K)。泥巖的導熱系數最小,中值1.72 W/(m·K)。礫巖、砂巖中的碎屑成分主要是石英、長石和巖屑,且在大多數砂巖中,石英是最主要的碎屑。石英的導熱系數比其他礦物大得多(7.69 W/(m·K))(劉建軍等,2009),因此礫巖、砂巖的導熱系數比較大。沉積碎屑巖類的導熱系數與碎屑粒徑分布密切相關,粒徑連續性好,顆粒間接觸好,導熱系數相對也大(許模等,2011)。泥巖和頁巖同屬黏土巖類,頁巖導熱系數(2.33 W/(m·K))大于泥巖(1.72 W/(m·K))。泥中含有大量的黏土礦物和少量的石英、長石、云母,且黏土礦物的導熱系數較低,因此沉積巖中泥巖的導熱系數比較低。頁巖為黏土巖類中固結較強的巖石,常含石英、長石、白云母等細小碎屑,致密,不透水,但導熱系數較高,說明導熱系數除與礦物成分有關外,還與結構等其他因素相關。凝灰巖和角礫凝灰巖屬于沉積巖中的火山碎屑巖,其導熱系數中值介于2.03~2.1 W/(m·K)。

4.2 巖漿巖、變質巖類

  巖漿巖中,花崗巖導熱系數最大,中值為 2.92 W/(m·K),根據導熱系數中值從大到小排序,分別為花崗巖-閃長巖-輝長巖-安山巖。

  變質巖的導熱系數跟母巖和變質程度有很大關系。千枚巖的導熱系數最大,也是所有巖石中導熱系數中最大的巖類,范圍為 2.33~4.48 W/(m·K),中值為 3.86 W/(m·K)。根據導熱系數從大到小排序,分別為千枚巖-花崗片麻巖-板巖-片麻巖。其中片麻巖中值較小,為 2.32 W/(m·K),但是變化幅度較大,從 1.56 W/(m·K)到 5.01 W/(m·K)均有分布,數據比較分散(圖4)。

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4.3 松散巖類

  在第四系松散巖層中,從淤泥質黏土→淤泥質粉質黏土→黏土→粉質黏土→粉土→粉砂→細砂→中砂→粗砂→卵石,隨著巖性粒徑的增大,巖土體的導熱系數呈現出總體增大的趨勢,中值由 1.24 W/(m·K)逐漸增加至2.10 W/(m·K)(圖5)。

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  對于第四系松散巖層的分布區,一般地,從山前至盆地中部(或濱海)地區,巖性由砂、卵、礫石逐漸變化為粉砂與黏土互層,巖性粒徑逐漸減小,巖土體的導熱性能也逐漸減弱,熱能調蓄能力卻逐漸增強。

 

 

資源潛力評價

5.1 開發利用適宜性評價

5.1.1 評價方法

  本研究以全國 31 個省會城市規劃區為研究對象,通過野外調查、水文地質試驗、熱響應試驗及室內測試試驗獲取相關參數,采用層次分析法或指標法開展適宜性分區評價。

  對于地下水地源熱泵系統,適宜性分區評價主要考慮地質、水文地質條件、地下水動力場、水化學場、地質環境的影響。對于地埋管地源熱泵系統,適宜性分區評價主要考慮地質、水文地質條件、地層屬性、巖土熱物性、施工工藝及經濟合理性。

5.1.2 評價結果

  通過采用層次分析法或指標法開展適宜性分區評價,獲得每個省會城市的地下水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統適宜性分區成果,分別劃分為適宜區、較適宜區、不適宜區。31 個省會城市總評價面積約為 5.20 萬km2。超過 1/2 的面積(占評價區面積的 62%)不適宜地下水源熱泵系統開發利用,而對于地埋管熱泵系統只有 18%的比例不適宜開發利用(表 3)。從開發利用方式來看,地埋管熱泵系統的應用將會更廣泛。

  比較適合應用地下水地源熱泵系統的地區主要分布在我國的東部,如東北地區的呼和浩特,華北平原的石家莊、濟南、鄭州等地,南方主要有南昌、昆明、成都等地相對適合地下水地源熱泵系統的應用,這些地區大多處于平原盆地及富水性較好的地區。不適宜建立地下水地源熱泵系統的地區主要位于我國西部的西寧、蘭州,北部的哈爾濱、長春及南方的海口、廣州、合肥、長沙等地,地下水資源相對匱乏。其中上海市因為地面沉降問題限制地下水地源熱泵開發,目前評價的地下水地源熱泵適宜區、較適宜區均為潛在適宜區、較適宜區。

 

表6.jpg


  相比較地下水地源熱泵系統,地埋管地源熱泵系統在大多數省會城市中具有較好的適宜性。除西寧市、拉薩市全區基本都不適宜開發利用地埋管地源熱泵外,其他城市地埋管的適宜區較適宜區面積都超過 40%,其中銀川、天津、太原、西安、石家莊、成都、長沙、武漢、合肥、南昌、上海、重慶、南寧、海口基本全區都是地埋管地源熱泵系統的適宜區和較適宜區。地埋管地源熱泵系統的不適宜區,主要是從地埋管的施工難度和建設成本上考慮,屬于經濟上意義的不適宜區。

5.2 資源量評價

5.2.1 評價方法

  評價內容包括淺層地熱能熱容量、換熱功率及供暖制冷面積。評價方法參照淺層地熱能勘查評價規范(DZ/T 0225—2009)和中國地質調查局相關技術要求。

表4 全國31個省會城市淺層地熱能

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  淺層地熱能熱容量采用體積法進行估算,分別估算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲藏的熱量,然后合并評價范圍內地質體的儲熱性能。淺層地熱能資源在適宜性分區的基礎上分別進行淺層地熱能容量和淺層地熱能換熱功率計算。地源熱泵系統總換熱功率的計算是在淺層地熱資源開發利用適宜性評價的基礎上,綜合地下水和地埋管地源熱泵系統換熱功率計算的成果得出的。其中,對于地埋管地源熱泵系統適宜或較適宜而地下水源熱泵系統不適宜的區域,按地埋管地源熱泵系統換熱功率計算總換熱功率;對于地埋管地源熱泵系統不適宜而地下水源熱泵系統適宜或較適宜的區域,按照地下水源熱泵系統換熱功率計算總換熱功率;而對于地埋管地源熱泵系統和地下水源熱泵系統均適宜或較適宜的區域,則按照地埋管地源熱泵換熱功率的 2/3 和地下水源熱泵換熱功率的 1/3 進行折算。根據計算的淺層地熱能換熱功率,結合當地的土地利用規劃以及供暖、制冷負荷,計算當地的可供暖和制冷面積,進行淺層地熱資源潛力評價(王貴玲等,2017;多吉等,2017)。

5.2.2 資源潛力

  根據 31 個省會城市淺層地熱能資源調查評價結果(表4)(衛萬順等,2010),我國31個省會城市200m以淺熱容量為 2.21×1016kJ/℃。地下水源熱泵系統夏季換熱功率為 6.71×107kW,冬季換熱功率為3.41×107kW;地埋管地源熱泵系統夏季換熱功率為6.45×108kW,冬季換熱功率為 4.62×108kW。地源熱泵系統總的換熱功率夏季為 6.40×108kW,冬季為4.57×108kW。

 

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  目前,淺層地熱能資源主要用于建筑物供暖和制冷。我國31個省會城市地下水源熱泵系統夏季可制冷面積為1.00×109m2,冬季可供暖面積為6.22× 108m2;地埋管地源熱泵系統夏季可制冷面積為8.26×109m2,冬季可供暖面積為9.07×109m2。地源熱泵系統夏季可制冷面積為8.21×109 m2,冬季可供暖面積為8.86×109 m2(表5)。考慮熱泵夏季制冷、冬季供暖天數,熱泵運行時間及熱泵運行能效比系數,根據《綜合能耗計算通則》(GB/T2589-2008)中原煤的折算系數,以及考慮燃煤與換熱效率等因素,全國31個省會城市淺層地熱能資源每年可開采量折合標準煤2.8億 t,可替代標準煤4.67億 t。可為供暖和制冷提供豐富的能源儲備。

 

 

討 論

  在適宜性評價的基礎上,按利用方式、需求程度等將全國分為全年集中利用區、全年分散利用區、分散式冬季供暖區和分散式夏季制冷區4類(圖6)。全年集中利用區主要分布在京津冀、山東、江蘇、安徽、河南、陜西和東北部分地區,全年分散利用區主要分布在華北、東北、長江中下游等除全年集中利用區以外的地區。這兩類地區全年可進行冬季供暖和夏季制冷循環利用,集中利用地區位于地下水條件較好、經濟條件發達的區域,對淺層地熱能需求量大,宜集中規模化利用;分散利用區因環境、經濟條件限制適宜小規模分散式開發利用。分散式冬季供暖區分布于東北北部、西北大部分地區及青藏高原區,該地區夏季需求量小,人口相對稀少,宜進行分散式冬季供暖;分散式夏季制冷區分布于南部沿海和西南部分地區,該地區冬季需求量小,宜進行分散式夏季制冷(朱喜等,2016)。

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結論

 

     1)淺層地熱能開發利用條件受氣候條件、地質條件以及熱泵運行等因素的影響。地表以 下 200 m深度內,以第四系地層為主的城市,多數分布在平原地區,以基巖為主的城市,主要集中在河谷盆地。在我國陸區范圍內,恒溫帶溫度受太陽輻射影響最大,恒溫帶頂板埋深與氣溫變化趨勢相反。導熱系數受巖性影響明顯,不同類型的巖石或同類型巖石其礦物組分和含量不同,導熱系數亦不同。

  (2)我國淺層地熱能資源主要用于建筑物供暖和制冷。31個省會城超過1/2 的面積(占評價區面積的 62%)不適宜地下水源熱泵系統開發利用,而對于地埋管熱泵系統只有 18%的比例不適宜開發利用。全國31個省會城市淺層地熱能資源每年可開采量折合標準煤2.8億 t,可替代標準煤4.67億 t,可為供暖和制冷提供豐富的能源儲備。在適宜性評價的基礎上,按利用方式、需求程度等將全國分為全年集中利用區、全年分散利用區、分散式冬季供暖區和分散式夏季制冷區4類。

  (3)淺層地熱能適宜性廣泛,其開發利用對推動中國綠色、低碳、節能型城市化發展,解決京津冀地區冬季霧霾和南方城市冬季供暖問題具有重要意義。

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