淮安城市规划区浅层地热能开发利用适宜性分区及潜力评价

2022-07-18时国凯姚文江王宽彪

城市地质 2022年2期

时国凯姚文江王宽彪

摘要：浅层地热能是一种清洁的可再生资源，合理开发利用浅层地热能可以有效减少化石能源使用，助力实现“碳达峰”“碳中和”目标。从水文地质特征、岩土体结构特征、热物性特征、热响应特征、地温场特征等多个方面进行分析，基本查明了淮安城市规划区浅层地热能赋存条件，并在此基础上采用层次分析法进行了浅层地热能开发利用适宜性评价。评价结果显示，规划区广泛适宜采用地埋管地源热泵系统开发利用浅层地热能，适宜性良好区和较好区面积总和2335 km2，占规划区总面积的73.3%。资源量计算结果显示，规划区浅层地热能储量丰富，100 m深度范围内热容量为9.25×1014 kJ·℃-1;冬季总换热功率为32 766 MW，可供暖总建筑面积为5.14亿m2;夏季总换热功率为45 793 MW，可制冷总建筑面积为3.86亿m2，开发利用潜力巨大。

关键词：浅层地热能;层次分析法;适宜性评价;地埋管地源热泵;城市规划区

Suitability zoning and potential evaluation of shallow geothermal energy development and utilization in Huai'an

SHI Guokai， YAO Wenjiang， WANG Kuanbiao

（Jiangsu Institute of Geological Survey， Nanjing 210018， Jiangsu， China）

Abstract： Shallow geothermal energy is a clean and renewable resource. The rational development and utilization of shallow geothermal energy can effectively reduce the use of fossil energy and help achieve the goal of "peak carbon dioxide emissions" and "carbon neutrality". Analyses from various aspects such as hydrogeological characteristics， rock and soil structural characteristics， thermal physical properties， thermal response characteristics， and geothermal field characteristics， have revealed the conditions for the occurrence of shallow geothermal energy in the urban planning area of Huai'an. On this basis， the analytic hierarchy process is used to evaluate the suitability of shallow geothermal energy development and utilization. The evaluation results show that it is widely suitable for the development and utilization of shallow geothermal energy in the planning area to adopt the ground source heat pump system with buried pipes. The total area with good suitability is 2335 km2， accounting for 73.3% of the total area of the planning area. The resource calculation results show that the shallow geothermal energy reserves in the planning area are abundant， and the heat capacity within a depth of 100 m is 9.25×1014 kJ·℃-1 .The total heat exchange power in winter is 32 766 MW， and the total building area that can be heated is 514 million m2.The total heat exchange power in summer is 45 793 MW， and the total building area that can be cooled is 386 million m2. There is huge potential for development and utilization.

Keywords： shallow geothermal energy; analytic hierarchy process; suitability evaluation; ground source heat pump; urban planning area

淺层地热能是地热资源的一部分（韩再生等，2007），是蕴藏在地表以下一定深度范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能。浅层地热能是一种清洁的可再生资源（卫万顺等，2020），具有分布广、储量大、埋藏浅、易开发等特点（栾英波等，2013）。使用浅层地热能代替传统化石能源，可有效减少温室气体的排放，助推实现“碳达峰”“碳中和”目标（卫万顺等，2021;马冰等，2021;杨富强等，2021）。

淮安城区曾开展过浅层地热能调查评价工作，基本查明了城区浅层地热能的赋存条件，并进行了地埋管地源热泵适宜性评价（江苏省地质调查研究院，2014）。但随着城市规模的扩大、发展规划的调整，以往的调查评价成果已经不能满足城市发展需求，在淮安城市规划区开展浅层地热能开发利用适宜性分区及潜力评价十分必要。

本次浅层地热能开发利用适宜性评价范围为淮安城市规划区（以下简称规划区），包括淮安市淮阴区、清江浦区、淮安区以及涟水县陈师镇的部分区域，总面积3186 km2。通过资料收集分析、现场热响应试验、岩土体采样测试等工作方法基本查明了规划区浅层地热能赋存条件，采用层次分析法对规划区浅层地热能开发利用适宜性进行了分区评价，并在此基础上进行了浅层地热能资源量计算和潜力评价，为淮安城市规划区浅层地热能的开发利用工程勘察、选址以及浅层地热能开发利用规划的编制、项目的管理、审批提供了依据。

1 浅层地热能赋存条件

1.1 自然地理特征

淮安市位于江苏省中北部，江淮平原东部，地处长江三角洲地区，是苏北重要中心城市。淮安城市规划区内主要为第四系覆盖的堆积平原，总体地势西高东低，海拔5～19 m。区内地貌按照物质来源、成因可分为黄淮决口扇冲积平原区与江淮冲积—冲海积平原区。淮安市地处暖温带和亚热带的分界地带，受季风影响形成了四季分明、冬冷夏热、光照充足、雨量集中的气候特征，全市年日照时数2060～2261 h，年平均气温14.1～14.9℃，年平均降水量913～1030 mm。

1.2 巖土体结构特征

规划区松散层广泛覆盖，第四系和新近系厚度120～600 m，总体呈现从北西向南东逐渐增厚的趋势。本次工作共布置热响应试验孔6个，收集到热响应试验孔14个，孔深均在100 m左右（图1）。根据这些热响应试验孔资料，规划区100 m以浅主要为黏土和砂层互层，局部含泥钙质结核，以黏土居多，均未钻遇岩石层，其中粉质黏土、黏土、粉细砂厚度平均占比分别达到35%、30%和20%（图2）。

1.3 水文地质特征

规划区200 m以浅主要为松散岩类孔隙水，含水层类型包括潜水孔隙含水层、第Ⅰ承压含水层组和第Ⅱ承压含水层组。潜水孔隙含水层岩性主要为粉土、粉砂和粉质黏土，砂层厚度5～20 m，潜水埋深0.5～2.0 m，单井涌水量小于100 m3·d-1;第Ⅰ承压含水层组的岩性主要为粉土、粉砂和粉细砂，砂层厚度10～30 m，含水层顶板埋深20～70 m，地下水埋深一般为5～10 m，单井涌水量多为100～2000 m3·d-1;第Ⅱ承压含水层组岩性主要为中细砂和中粗砂，含水层顶板埋深40～100 m，砂层厚度20～50 m，单井涌水量100～3000 m3·d-1。

1.4 岩土体热物性特征

岩土体主要热物性参数包括导热系数、比热容、热扩散系数等，代表岩土体存储和传导热量的能力，是影响浅层地热能赋存的重要因素，也是影响开发利用效果的重要指标（邹鹏飞等，2020;白新飞等，2021）。热响应孔取样测试结果显示，规划区内各类岩土体样品的平均导热系数在1.48～2.07 W·m-1·K-1之间，平均比热容在1.06～1.52 kJ·kg-1·K-1之间;岩土体密度与导热系数正相关，与比热容负相关，密度越大的岩土体导热系数越大，比热容越小。其主要原因为岩土体与水和空气的热物性参数差异较大，不同密度的岩土体中水和空气的含量不同，从而影响了岩土体的热物性参数。总体而言，砂土的导热系数最大，粉土次之，黏土最小，比热容反之。见表1。

1.5 岩土体热响应特征

1.5.1 单孔导热系数

现场热响应试验测得规划区单孔导热系数的平均值为1.930 W·m-1·K-1，高于采样测得单孔导热系数平均值1.506 W·m-1·K-1。采集样品的测试过程中，热量的主要传导方式为热传递，而在现场热响应试验过程中，由于地下水渗流的影响，热量传递的方式包括了热传递和热对流，一定程度上提高了换热孔与周围岩土体的热量交换效率，因此导热系数相对较大。

1.5.2 地埋管换热量

在获取主要热物性参数之后，根据DZ/T 0225-2009《浅层地热能勘查评价规范》附录A中的公式A.7计算出了长度100 m的双U地埋管单孔换热功率，并进一步推算出了各热响应孔延米换热量，散热工况下为49.77～71.17 W·m-1，平均值58.76 W·m-1;取热工况下为37.56～52.78 W·m-1，平均值为44.39 W·m-1。各换热孔的延米换热量见表2。

1.6 地温场特征

地温场是地球内部的热场，表示地球内部温度的分布情况。通常情况下地温场自地表向下依次为变温层、恒温层和增温层。其中，变温层温度受太阳辐射影响变化较大;恒温层的地球深部热能与太阳辐射相平衡，温度趋于稳定;增温层主要受地球内部热能影响，温度随着深度的增加而增高（常征，1989;周绍荣等，2014）。采用点测法对热响应孔2～100 m深度范围进行了测温（图3），结果显示规划区恒温层埋深8～25 m，厚度10～15 m不等，温度15.6～17.7℃，高于当地平均气温0.7～3.6℃。增温层平均地温梯度为2.6℃/100 m，地温梯度范围1.07～4.51℃/100 m。

规划区50 m和100 m深度均属于增温层，地温场特征主要受地球内部热能影响。其中50 m深度处的地温16.6～18.5℃，其中西部三树镇—码头镇一带和东南部的范集镇—车桥镇—苏嘴镇一带温度相对较高（图4）。100 m深度的地温17.6～20.0℃，地温场特征与50 m埋深的地温场相似，相对高温区域也主要分布在上述地区。

2 浅层地热能开发利用适宜性评价

浅层地热能开发利用的主要方式是热泵系统，根据热源的不同可分为地下水系统、地表水系统和地埋管系统（徐伟等，2013）。淮安市地表水体多位于生态红线内，自然资源开发利用上线受到严格控制，难以大规模开采地表水资源用于地表水源热泵系统;近年来淮安市持续推进地下水压采工作，并且地下水回灌技术不成熟，地下水源热泵系统也不宜大规模使用。多项研究成果表明，地埋管地源热泵系统更适宜在淮安地区大面积推广应用（汪名鹏，2012;周绍荣等，2014）。因此本次浅层地热能开发利用适宜性评价仅针对地埋管地源热泵系统展开。

2.1 评价方法

本次浅层地热能开发利用适宜性评价方法采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process），该方法是一种定量与定性相结合的分析方法，适用于解决较为复杂、较为模糊、难以定量化分析的问题。其基本原理是通过构建评价体系把复杂问题层层分解为多个要素，对各要素之间的重要程度进行评分比较，并构建判断矩阵进一步计算出各要素权重，从而提出解决问题的方案（郭金玉等，2008）。

2.2 评价步骤

2.2.1 构建层次结构模型

淮安城市规划区浅层地热能开发利用适宜性评价体系由3层构成（图5），最顶层 O是目标层，即淮安城市规划区地埋管地源热泵适宜性评价;中间层A是属性层，包括岩土热物性、地层条件和现场施工条件;最底层F是要素层，根据淮安城市规划区实际情况，选择含水层厚度、岩土体综合导热系数、岩土体比热容、钻孔平均温度、松散层厚度、城市覆盖程度等6个要素指标进行评价。

2.2.2 构建判断矩阵

根据业内相关专家对要素重要程度的打分，构建了判断矩阵并进行一致性检验，计算结果见表3。其中Wi为指标权重，采用特征向量法计算;CR为一致性比率，通过判断矩阵最大特征值计算（邓雪等，2012）。当一致性比率CR<0.1时，认为不一致程度在容许范围内，通过一致性检验。

根据判断矩阵可以计算出各指标在其所在层次的权重，将属性层权重与要素层权重相乘，就可以计算出各要素最终权重，权重计算结果见表4。在各要素中，岩土体综合导热系数权重最大，达到0.4743;岩土体比热容和含水层厚度权重也均大于0.1;其他要素所占权重较小。总体上与岩土体储热、导热相关的要素占据了较大权重，权重计算结果与实际工作中的认知比较相符。

2.2.3 评价指标分区赋值

岩土体综合导热系数代表着地层的导热能力，依据导热系数等值线图分区赋值，导热系数越高的区域导热能力越强，赋值越高;岩土体的比热容代表地层的储热能力，依据比热容等值线图分区赋值，比热容越高的区域储热能力越强，赋值越高;钻孔平均温度一定程度上反映了岩土体的换热和储热能力，依据换热孔平均温度等值线图分区赋值，钻孔平均温度越高的区域换热温差越大，赋值越高;松散层厚度决定地埋管埋藏深度、地层的热物性及经济性，依据松散层等厚线图分区赋值;含水层厚度直接影响松散层地下水含量，地下水是重要的热量储存和运输载体，对地埋管地源热泵的换热效果影响明显（江苏省地质调查研究院，2020），依据潜水和Ⅰ、Ⅱ承压含水层的累计厚度等值线图分区赋值;城市覆盖程度对使用地埋管式地源热泵系统具有制约性，地面建筑覆盖程度越高适宜性越差，根据遥感解译资料及收集到的相关规划资料进行分区赋值。各要素指标分区赋值见表5、图6。

2.2.4 适宜性分区

根据各指标分区赋值结果对每个剖分网格上的6项评价指标赋值，各指标值与其对应的权重相乘并求和，就可計算出每个网格点上的总评分值。使用ArcGIS空间分析功能将各评价指标进行加权叠加，最终得到浅层地热能开发利用适宜性分区图，共分为3个等级，总分值大于4.5分的区域为适宜性良好区，3.5～4.5分的区域为适宜性较好区，小于3.5分的区域为适宜性一般区。

2.3 适宜性评价

分区评价结果显示，淮安城市规划区广泛适宜采用地埋管地源热泵系统开发利用浅层地热能，适宜性良好区和较好区面积总和约2335 km2，占规划区总面积的73.3%（图7）.

适宜性良好区：主要分布在规划区东部，林集镇—南马厂镇—陈师镇以东的地区、西部渔沟镇周边区域，面积约1698 km2，占总面积的53.3%。适宜性良好区普遍热物性条件良好、含水层和松散层厚度较大，且城市覆盖程度相对较低，非常适宜采用地埋管地源热泵系统开发利用浅层地热能。

适宜性较好区：主要分布在规划区中部，码头镇—盐黄镇—范集镇一带及棉花庄镇以北的区域，面积约637 km2，占总面积的20%。较好区优势在于岩土体储热能力较好，松散层厚度较大，采用地埋管地源热泵系统可以有效地开发利用浅层地热能。

适宜性一般区：主要分布在徐溜镇周边、赵集镇—三树镇一带及中心城区，总面积约851 km2，占总面积的26.7%。其中，中心城区热物性参数相对较好，但城市覆盖程度较高，地埋管系统的施工和改造的场地限制是影响适宜性的主要因素。徐溜镇周边、赵集镇—三树镇一带松散层和含水层厚度较小，热物性参数较差，地埋管地源热泵换热效率较低。

3 浅层地热能资源量计算及潜力评价

3.1 浅层地热能热容量

浅层地热能热容量根据DZ/T 0225-2009《浅层地热能勘查评价规范》附录A中的公式A.1～A.6采用体积法进行计算。考虑现状技术条件、钻探难度、钻探经济性等因素，目前江苏省内浅层地热能开发利用工程的地埋管深度普遍不超过100 m，因此本次计算深度取100 m，不考虑包气带部分热容量。各钻孔计算参数主要依据岩土体取样测试数据和现场试验结果加权求得;各适宜性分区的计算参数根据该分区内钻孔参数求取平均值。

计算结果显示，规划区100 m深度范围内浅层地热能热容量为9.25×1014 kJ·℃-1。其中，岩土体骨架的热容量为3.77×1014 kJ·℃-1，岩土体中地下水的热容量为5.49×1014 kJ·℃-1，各分区浅层地热能热容量见表6。若按100 m埋管深度、5℃的换热温差进行计算，假设换热间隔期地温完全恢复，则区内年可开发利用浅层地热能为4.63×1015 kJ，相当于燃烧1.58亿t标准煤获得的能量。

3.2 浅层地热能换热功率

浅层地热能换热功率根据DZ/T 0225-2009《浅层地热能勘查评价规范》附录A中的公式A.7～A.9进行计算。首先根据现场热响应试验取得的数据计算单孔换热功率，进而计算各分区浅层地热能换热功率。埋管深度取100 m，埋管间距5 m，地埋管夏季进出口温度32.5℃，冬季进出口温度7.5℃。

计算结果显示，淮安市现有换热孔的冬季单孔换热功率平均值为3307 W，夏季单孔换热功率平均值为4582 W，夏季换热功率比冬季高出约42%。根据相关规划，区内建筑用地面积占比26%，地埋管建设面积折减系数取30%，则土地利用系数为7.8%，在考虑土地利用系数的前提下，规划区100 m以浅地埋管式地源热泵系统的冬季总换热功率为32 766 MW，夏季总换热功率为45 793 MW（表7）。结合适宜性分区结果，可见浅层地热能开发利用适宜性越好的区域，其单孔换热功率越大，单位面积换热功率越高，进一步验证了适宜性分区的合理性。

3.3 潜力评价

浅层地热能潜力评价在适宜性分区的基础上进行，依据浅层地热能换热功率计算和地源热泵所需换热量计算，用可供暖、制冷面积表示。根据GB 50366-2009《地源热泵系统工程技术规范》，忽略循环水输送过程中获得的热量和水泵释放到循环水中的热量，地源热泵系统冬季、夏季的换热量分别按下式计算：

Q夏=∑[L冷×（1+1/EER）] （1）

Q冬=∑[L热×（1-1/COP）] （2）

式中，Q夏为地源热泵系统夏季排热量，单位W·m-2;Q冬为地源热泵系统冬季吸热量，单位W·m-2;L冷为建筑夏季冷负荷，单位W·m-2;L热为建筑冬季热负荷，单位W·m-2;EER为地源热泵机组的制冷性能系数;COP为地源热泵机组的供热性能系数。

经估算，淮安市的建筑夏季冷负荷标准值为95 W·m-2，冬季热负荷标准值为85 W·m-2。地源热泵系统的EER和COP取4.0。根据公式（1）、公式（2）计算出地源热泵系统夏季需排热量为118.75 W·m-2，冬季需吸热量为63.75 W·m-2。

在获取浅层地热能换热功率和热泵系统所需换热量之后，可进一步计算出区内浅层地热能可供暖、制冷建筑面积（表8）。计算结果显示，区内单位面积内浅层地热能平均可供暖建筑面积为2.0 m2，可制建筑冷面积为1.5 m2。在考虑土地利用系数的情况下可供暖总建筑面积为5.14亿m2，可制冷总建筑面积为3.86亿m2，开发利用潜力巨大。

4 结论

1）使用热响应孔钻探、测温、采样测试、现场热响应试验、资料搜集分析等多种工作方法对淮安城市规划区内岩土体结构、水文地质特征、热物性及热响应特征、地温场特征展开研究。研究成果表明，规划区内地层可钻性强，含水层厚度大，热物性参数良好，浅层地热能赋存条件优越。

2）采用层次分析法对淮安城市规划区地埋管地源热泵系统适宜性进行了评价，科学、客观地反映了地埋管地源热泵系统的适宜性分布特征。评价结果显示，淮安城市规划区广泛适宜采用地埋管地源热泵开发利用浅层地热能，适宜性良好区和较好区面积占比达到73.3%。

3）计算了各分区浅层地热能容量和换热功率，评价了浅层地热能开发利用潜力。规划区100 m深度范围内浅层地热能热容量为9.25×1014 kJ·℃-1，考虑土地利用系数的情况下冬季总换热功率为32 766 MW，夏季总换热功率为45 793 MW，可供暖总建筑面积为5.14亿m2，可制冷总建筑面积为3.86亿m2，开发利用潜力巨大。

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