李成英;冉婧媛;马月花;黄鑫;权国苍;任文恺;黄芳芳
【摘 要】为了有效评价西宁市浅层地温能产生的环境效益和经济效益,采用层次分析法对该区浅层地温能地源热泵进行适宜性分区,进而对较适宜区和适宜区进行计算和评价.结果表明:(1)西宁市通过利用浅层地温能可减少地源热泵适宜区和较适宜区向大气中排放的二氧化碳、二氧化硫等有害物质;(2)每年西宁市浅层地温能地源热泵较适宜区和适宜区可节省环境治理费用14509.25万元.本研究为西宁市浅层地温能地源热泵的开发提供了基础数据.
【期刊名称】《青海大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2016(034)005 【总页数】7页(P90-96)
【关键词】浅层地温能;适宜性分区;资源量;经济环境效益 【作 者】李成英;冉婧媛;马月花;黄鑫;权国苍;任文恺;黄芳芳
【作者单位】青海省水文地质及地热地质重点实验室,青海省水文地质工程地质环境地质调查院,青海 西宁 810008;青海省水文地质及地热地质重点实验室,青海省水文地质工程地质环境地质调查院,青海 西宁 810008;青海省水文地质及地热地质重点实验室,青海省水文地质工程地质环境地质调查院,青海 西宁 810008;青海省水文地质及地热地质重点实验室,青海省水文地质工程地质环境地质调查院,青海 西宁 810008;青海省水文地质及地热地质重点实验室,青海省水文地质工程地质环境地质调查院,青海 西宁 810008;青海省第四地质矿产勘查院,青海 西宁 810029;中国科
学院寒区旱区环境与工程研究所,寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室,甘肃 兰州 730000;甘肃省气象局气象信息与技术装备保障中心,甘肃 兰州 730020 【正文语种】中 文 【中图分类】TK521
浅层地温能是指赋存在地表以下一定深度范围的岩土体内(一般为恒温带至200 m埋深)温度低于25 ℃的热能，是一种新型可再生的清洁能源，开发利用前景广阔。随着西宁市经济迅速发展，对能源需求越来越大，对环境保护的要求越来越高。利用浅层地温能资源不仅可以节约大量的燃煤、天燃气等不可再生能源，而且大大减少环境污染。本文对区内浅层地温能的适宜性进行分区，通过对适宜区及较适宜区的浅层地温能资源量进行计算，有效评价了浅层地温能产生的经济环境效益。据调查，西宁地区目前还没有采用地源热泵系统的工程。因此对这个领域进行研究、开发不仅填补了西宁市在浅层地温能领域的空白，而且对保护西宁市的环境具有重大意义。
浅层地温能适宜性分区是依据当地地质背景条件和水文地质条件进行划分的。地质条件有：第四系松散堆积物的地层结构、堆积特征、沉积特征、颗粒粒级纵横向变化的特点；水文地质条件：松散层的颗粒度、分层结构、孔隙度。
受当地水文、地质等条件多种因素的影响，蕴藏于地下水中的浅层地温资源的适宜性存在较大差异[1]。因此，选用层次分析法[2-3]和综合指数法对西宁市地下水式和地埋管式地源热泵系统适宜性分区(图1)。适宜性分区是计算评价区浅层地温能资源量和分析经济环境效益的基础。
通过收集钻孔、抽水试验、水质分析等资料，西宁市地下水式地源热泵适宜性区划选取地质、水文地质条件，水动力特征，水化学特征3个评价指标[4-5]。地下水式地源热泵开发利用方式的各适宜性分区的地质特征及分布范围见表1。
(1)适宜区。该区位于西宁城东湟水河谷南岸Ⅱ、Ⅲ级阶地的地下水富水地段，该区第四系砂砾卵石层厚度8.40 m，表层覆盖有厚度较大的亚砂土，亚砂土厚度为14.4 m，造成地下水埋藏深，水温较高为10 ℃左右，富水性丰富，回采比大于98%，属于浅层地温能地下水式地源热泵开发利用的适宜区。
(2)较适宜区。该区主要分布于西宁市湟水河及其支流北川河、南川河的河谷区，沿河流呈条带状分布的特点。湟水河及其各支流的Ⅲ、Ⅳ级高阶地具有地下水埋藏相对较深，富水性中等—丰富，水温在6～11 ℃，回采比大于100%等特点，属于浅层地温能地下水式地源热泵开发利用的较适宜区。
(3)不适宜区。支流的山前地带，沿河流呈条带状分布的特点，具有地下水埋藏深、水量缺乏、矿化度高等特点，属于浅层地温能地下水式地源热泵开发利用的不适宜区。
通过对调查区第四系地层厚度、卵石层总厚度、含水层总厚度等因素[6-7]，西宁市地埋管式地源热泵的换热方式可划分为较适宜区和不适宜区。各分区情况见表2。 (1)较适宜区。该区主要分布于西宁市北川河谷西岸的山前地带及海湖新区刘家寨至苏家河湾一带。北川河谷西岸的山前地带符合第四系厚度大于50 m、卵石层厚度小于10 m两项指标，而海湖新区刘家寨至苏家河湾一带符合第四系厚度不大于30 m且卵石层厚度小于10 m厚度两项指标，且在这两个区域内，在100～150 m深度范围内未发现承压地下水出露，较易进行地埋管的施工，属于浅层地温能地埋管式地源热泵开发利用的较适宜区。
(2)不适宜区。该区分布于西宁市区的广大区域，由于第四系厚度一般在30～50 m范围内、含水层厚度一般不超过10 m或个别区域卵石层厚度大于10 m，属于浅层地温能地埋管式地源热泵开发利用的不适宜区。
浅层地温能评价是在适宜性区划的基础上进行，分别计算各适宜区和较适宜区浅层地温能的热容量，最后按不同换热方式对浅层地温能的换热功率以及经济环境效益
进行评价。
浅层地温能热容量计算采用体积法计算，分别计算包气带和饱水带中的单位温差储藏的热量，然后合并计算评价范围内地质体的储热性能。其原理及具体步骤详见国土资源行业标准《浅层地热能勘查评价技术规范》[8]。 (1)在包气带中，浅层地温能热容量按下式计算：
式中：QR为浅层地温能热容量(kJ/℃)；QS为岩土体中的热容量(kJ/℃)；QW为岩土体中所含水的热容量(kJ/℃)；QA为岩土体中所含空气的热容量(kJ/℃)；ρS为岩土体密度(kg/m3)；CS为岩土体骨架的比热容(kJ/kg·℃)；φ为岩土体的孔隙率(或裂隙率)；M为计算面积(m2)；d1为包气带厚度(m)；ρW为水密度(kg/m3)；CW为水比热容(kJ/kg·℃)；ω为岩土体的含水量；ρA为空气密度(kg/m3)；CA为空气比热容(kJ/kg·℃)。
(2)在饱水带中，浅层地温能热容量按下式计算：
式中：QR为浅层地温能热容量，kJ/℃；QS为岩土体骨架的热容量，kJ/℃；QW为岩土体中所含水的热容量，kJ/℃。
西宁市区地源热泵适宜区及较适宜区面积约65.216 5×106 m2，3～200 m 深度范围内总热容量为2.805 9×1013 kJ/℃。其中，包气带热容量为3.055 6×1012 kJ/℃，饱水带热容量为2.497 8×1013 kJ/℃。
浅层地温能换热功率计算是在适宜性区划的基础上进行，浅层地温能换热功率按其换热方式可分为地埋管换热方式和地下水换热方式，其原理及具体步骤详见国土资源行业标准《浅层地热能勘查评价技术规范》。
西宁市地下水式地源热泵适宜、较适宜区，总换热功率为17.934 9×104 kW/59.783 0×104 kW(冬季/夏季)。其中：适宜区面积1.02 km2，换热功率为1.31×104 kW/4.366 8×104 kW(冬季/夏季)；较适宜区面积为37.72 km2，换热功率为16.624 8×104 kW/55.416 1×104 kW(冬季/夏季)(表3)。
依据西宁市区地热地质条件及地埋管式地源热泵系统适宜性区划，换热功率按100 m深度范围分别计算：西宁市100 m以浅地埋管式地源热泵系统较适宜区总面积为26.48 km2。总换热功率为：250.934 5×104 kW/318.367 7×104 kW(冬季/夏季)(表4)。
按照《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019—2003)[9]，西宁地区夏季制冷期时长按30 d，每天10 h计。冬季供暖期时长按180 d，每天16 h计。节能减排量按照计算公式可以求得西宁市开发利用100 m以浅，浅层地温能年可获资源量为25 808 117.74 GJ/a。 其公式如下：
式中：Q为浅层地热能开发利用的总能量；g为夏季交换(GJ)；h为冬季交换(GJ)；a为夏季热泵系统换热功率(kW)；b为冬季热泵系统换热功率(kW)；c为热泵夏季制冷天数(d)；e为热泵冬季供热天数(d)；d为夏季热泵运行小时数(h)；f为冬季热泵运行小时数(h)；COPX为夏季热泵运行能效比系数(夏天采用5)；COPD为冬季热泵运行能效比系数(冬天采用4)。
根据(GB/T2589—2008)《综合能耗计算通则》[10]中原煤的折算系数，以及考虑燃煤与换热效率等因素，选取转换系数0.6，计算出节省的原煤量，其公式如下 ： 折算燃烧原煤量：G=79.71Q(kg) 折算节约标煤量：GB=56.94Q(kg)
浅层地温能开发利用效率按35%计，则可开发利用节煤量计算公式如下。 经上式计算：每年可以节约折算原煤205.717万t，折算标准煤146.951万t，节煤量51.433万t。
根据(GBT—11615—2010)《地热资源地质勘查规范》[11]西宁市浅层地温能开发利用减排量计算结果见表5。
二氧化碳(CO2)122.72万t/a、二氧化硫(SO2)0.87万t/a、氮氧化物(NOx)0.31
万t/a、悬浮质粉尘0.41万t/a、煤灰渣5.14万t/a。
参照(GBT—11615—2010)《地热资源地质勘查规范》，计算减排后节省的环境治理费见表6。
经计算，节省环境治理费用14 509.25万元/a，节省煤灰渣运输费205.73万元/a。根据从西宁市统计局收集的2012年西宁市煤、石油、天燃气消费数据显示，总能源消耗折算标准煤为4.691 2百万t，其中煤1.383 1百万t，石油1.351百万t，天燃气1.957 1百万t，非化石能源未统计。浅层地温能可达2012年能源消耗总量的32%，其开发利用潜力巨大。
综上所述，浅层地温能的开发利用不仅可节约常规能源，还在很大程度上能改善环境质量，减少常规能源使用所带来的环境污染。上面的数据足以说明合理开发利用浅层地温能资源将给西宁市带来巨大的经济效益和环境效益。
通过对西宁市浅层地温能地源热泵适宜区及较适宜区的热容量和换热功率计算，对其开发利用潜力和经济、环境效益进行了评价。
(1)西宁市河谷平原区适宜区和较适宜区3～200 m以浅深度范围的热容量为2.805 90×1013 kJ/℃。其100 m以浅的换热功率：地下水式地源热泵系统换热功率为59.783 0×104 kW/17.934 9×104 kW(夏季/冬季)；地埋管式地源热泵系统换热功率为318.367 7×104 kW/250.934 5×104 kW(夏季/冬季)。 (2)西宁市100 m以浅环境效益评价结果：浅层地温能可获资源量为25 808 117.74 GJ/a，折算原煤205.717万t/a，折算标准煤146.951万t/a，可节煤51.433万t/a。减少向大气和环境中排放二氧化碳(CO2)122.72万t/a、二氧化硫(SO2)0.87万t/a、氮氧化物(NOx)0.31万t/a、悬浮质粉尘0.41万t/a、煤灰渣5.14万t/a。
(3)西宁市100 m以浅经济效益评价结果：节省环境治理费用14 509.25万元/a，节省煤灰渣运输费205.73万元/a。
综上所述，该研究成果为西宁市浅层地温能地源热泵的开发提供了重要的数据支持，同时也说明科学合理开发利用浅层地温能资源可大大减少常规能源的使用，改善生态环境，其经济、环境效益非常明显。因此科学开发利用浅层地温能具有十分重要的意义。
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