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[摘 要]阜新主城区位于阜新盆地中部，通过钻孔抽（注）水试验、现场热响应试验、室内试验，综合地质、水文地质、环境与灾害地质调查成果，对调查区地下水（地表水）热泵、地埋管热泵两种浅层地热能开采方式进行了适宜性评价分区。综合分析论证了与集中锅炉供暖，节能37%～66%，运行费用为其它供暖方式的50%以下，且减排环境效益可观。
[关键词]阜新城区地段 浅层 地热能 赋存条件 热能均衡评价
中图分类号：TU472.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0263-01
浅层地热能资源赋存于15.0～200.0m深度范围内地下岩土体、地下水中，温度大于0℃，低于25.0℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值。资源的产生、形成和开发利用不仅受到地层结构、岩性、岩土层的热物性、岩土体的温度、地下水静水位、地下水含水层空间结构、地下水类型、地下水的径流方向、流速、水力坡度、水温及其水质、地下水动态变化等因素影响和控制，还与城市规划、地质灾害、环境保护、水源地保护等因素密切相关。
一、浅层地热能赋存条件
浅层地热能的赋存受地层构造、地质结构、地下水等因素控制，其开采分为：地下水、地表水、地埋管三种地源热泵方式。
区域地质构造不仅对地温场有控制作用，也控制了区域地形地貌和第四系的发育，同时也对城市的分布和发展具有间接的控制作用。不同的地层岩性其热导率、比热、温度传导系数不同，比重、孔隙度、颗粒组分不同，故其赋水、导水、熱交换能力皆不同。地下水的补、径、排条件，决定着地温的开采方式，也决定着热交换速率。
阜新主城区位于阜新盆地中部，地势较平坦，细河及其支流，从城区或城区边部流过，适宜城市的建设和发展。但由于煤矿多年的露天和井下开采降水，局部地下水位严重下降并造成污染，以致使阜新成为缺水城市。该区域内浅层地热能资源的开发应优先考虑地埋管地源热泵方式。
二、岩土体热物性特征
岩土体热物性取决于它的矿物成分、有机质含量及水和空气的比率，由于空气和水的比例在不断变化，而岩土体组分随深度的分布并非均匀，故为更好地了解调查区内岩土体热物性情况，采取21件样品进行室内分析。
通过对施工钻孔进行的现场热响应试验，取得了该区域岩土体的热物理参数、换热孔的换热能力等参数。阜新市单位长度地埋管换热器平均传热系数为3.95W/m·K。
通过对施工钻孔及民井开展6组抽（注）水试验，取得各井抽（注）水试验数据。阜新市城区重点规划区内地下水资源贫乏，含水层较薄，单井涌水量小于100m3/d，回注水量小，不具备开展地下水地源热泵工程条件。
三、浅层地热能适宜性分区及评价
结合区域地质、水文地质、环境与灾害地质调查结果，及本次现场热响应试验、抽（注）水试验、室内热物理试验成果，进行适宜性分区。按地下水热泵、地埋管热泵两种利用方式划分为适宜区、不适宜区两种类型。
（一）地下水换热方式
阜新市主城区，单位涌水量小于100m3/（d·m），水位变幅大于1.50m，水文地质条件不适宜。本次调查区内均为地下水换热方式不适宜区。
（二）地埋管换热方式
阜新市城区按地埋管换热方式适宜性划分为2个区，分述如下：
（1）阜新市～阜蒙县西北适宜区：本区地势较平坦，适宜建筑，目前已被阜新市列为重点建设区。该区内第四系厚度一般5.0～10.0m，最厚可达20.0m，无卵石层，含水层厚度小于10.0m，水量一般小于100m3/d，下部为厚层砂岩、页岩，适宜成井。
（2）阜新市城北基岩不适宜区：该地势起伏大，开展建设项目成本高，且山地平整后，建地源热泵项目，钻探难度大大增加，故划分为不适宜区。
四、区域浅层地热能均衡评价
区域浅层地热能均衡评价较复杂，需分别计算大地热流量、太阳能、周边热交换等热补给和热排泄量，并与采暖期取热量、制冷期排热量以及区域储藏热量的变化量进行一年或多年动态平衡论证。该均衡论证应在示范项目运行中，监测其一年甚至多年不同深度处地温在采暖期、制冷期及恢复期变化；同时实测各类岩石热导率及地温梯度、恒温层厚度、示范项目区侧向传导流入、流出能量；并且考虑地表水、地下水散发或吸收热量。在上述参数获取齐全，并论证其可靠性后，计算各热补给项、排泄项，并结合区域浅层地热能静态储量进行综合均衡评价。
阜新地区冬冷夏热，但冬季供暖时间长达五个月，而夏季炎热需空调制冷期仅2个月，采用地源热泵如不采取必要措施控制取放热量，周期运行后必然造成地下岩、土、水温度持续下降。热失衡后，不仅影响地源热泵换热器的性能，对其稳定运行产生影响，使效率降低甚至无法正常运行。而且地源热泵长期运行造成的冷堆积改变土壤温度，将对土壤的性质产生影响，对区域生态环境造成不可挽回的危害。
五、浅层地热能应用经济效益分析
浅层地热能资源具有节能、环保、可再生性，靠热泵技术的应用，它得以实现利用。热泵技术具有运行稳定、安全、占地面积小等特点，与燃煤、燃油等传统技术相比，有广阔的开发利用前景。目前，北京、上海等经济发达地区及国家重点项目，浅层地热能均得到较广泛的应用。
地源热泵采暖能耗的常见值范围为7.37～13.66[kg·m-2·季-1]，与集中锅炉房供暖能耗每平方米21.73kg标准煤相比，节能37%～66%。
阜新地区如采用地源热泵方式采暖，电价按当地民用电价0.5元/kW·h计算，采暖费用常见值为13.07～24.24元/（m2·季）。相对于燃油、燃气、电锅炉采暖费用30.0～50.0元/（m2·季），地源热泵系统运行费用要低得多。
地源热泵采暖过程中不产生污染物的排放，减少环境污染，环境效益可观。
综上述，浅层地热能是一种清洁的可再生资源，对于资源枯竭型城市阜新市，大力开发浅层地热能资源可为城市的可持续发展提供重要的物质保障和必要的推动力。
参考文献
[1] 《柳河中下游地区1：5万综合性水文地质勘察》[R]，辽宁省第一水文地质工程地质大队，1990年编制.
[2] 《阜新幅1：20万区域水文地质普查报告》[R]，辽宁省第二水文地质大队，1979年编制.
[3] 《辽宁省阜蒙县1：5万农田供水水文地质勘察》[R]，辽宁省第四地质大队，1979年编制.
[4] 《浅层地热能勘查评价规范》，（TZ/T0225—2009）.
[5] 《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）（2009版）.
[6] 《供水水文地质勘察规范》（GB50027—2001）.
[7] 《土工试验方法标准》（GB/T50123—1999）.
[8] 《地表水环境质量标准》（GB3838）.
[9] 《地下水质量标准》（GB/T14848）.
[10] 《地热资源地质勘查规范》（GB11615）.
[11 ]《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366—2005）.
[关键词]阜新城区地段 浅层 地热能 赋存条件 热能均衡评价
中图分类号：TU472.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0263-01
浅层地热能资源赋存于15.0～200.0m深度范围内地下岩土体、地下水中，温度大于0℃，低于25.0℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值。资源的产生、形成和开发利用不仅受到地层结构、岩性、岩土层的热物性、岩土体的温度、地下水静水位、地下水含水层空间结构、地下水类型、地下水的径流方向、流速、水力坡度、水温及其水质、地下水动态变化等因素影响和控制，还与城市规划、地质灾害、环境保护、水源地保护等因素密切相关。
一、浅层地热能赋存条件
浅层地热能的赋存受地层构造、地质结构、地下水等因素控制，其开采分为：地下水、地表水、地埋管三种地源热泵方式。
区域地质构造不仅对地温场有控制作用，也控制了区域地形地貌和第四系的发育，同时也对城市的分布和发展具有间接的控制作用。不同的地层岩性其热导率、比热、温度传导系数不同，比重、孔隙度、颗粒组分不同，故其赋水、导水、熱交换能力皆不同。地下水的补、径、排条件，决定着地温的开采方式，也决定着热交换速率。
阜新主城区位于阜新盆地中部，地势较平坦，细河及其支流，从城区或城区边部流过，适宜城市的建设和发展。但由于煤矿多年的露天和井下开采降水，局部地下水位严重下降并造成污染，以致使阜新成为缺水城市。该区域内浅层地热能资源的开发应优先考虑地埋管地源热泵方式。
二、岩土体热物性特征
岩土体热物性取决于它的矿物成分、有机质含量及水和空气的比率，由于空气和水的比例在不断变化，而岩土体组分随深度的分布并非均匀，故为更好地了解调查区内岩土体热物性情况，采取21件样品进行室内分析。
通过对施工钻孔进行的现场热响应试验，取得了该区域岩土体的热物理参数、换热孔的换热能力等参数。阜新市单位长度地埋管换热器平均传热系数为3.95W/m·K。
通过对施工钻孔及民井开展6组抽（注）水试验，取得各井抽（注）水试验数据。阜新市城区重点规划区内地下水资源贫乏，含水层较薄，单井涌水量小于100m3/d，回注水量小，不具备开展地下水地源热泵工程条件。
三、浅层地热能适宜性分区及评价
结合区域地质、水文地质、环境与灾害地质调查结果，及本次现场热响应试验、抽（注）水试验、室内热物理试验成果，进行适宜性分区。按地下水热泵、地埋管热泵两种利用方式划分为适宜区、不适宜区两种类型。
（一）地下水换热方式
阜新市主城区，单位涌水量小于100m3/（d·m），水位变幅大于1.50m，水文地质条件不适宜。本次调查区内均为地下水换热方式不适宜区。
（二）地埋管换热方式
阜新市城区按地埋管换热方式适宜性划分为2个区，分述如下：
（1）阜新市～阜蒙县西北适宜区：本区地势较平坦，适宜建筑，目前已被阜新市列为重点建设区。该区内第四系厚度一般5.0～10.0m，最厚可达20.0m，无卵石层，含水层厚度小于10.0m，水量一般小于100m3/d，下部为厚层砂岩、页岩，适宜成井。
（2）阜新市城北基岩不适宜区：该地势起伏大，开展建设项目成本高，且山地平整后，建地源热泵项目，钻探难度大大增加，故划分为不适宜区。
四、区域浅层地热能均衡评价
区域浅层地热能均衡评价较复杂，需分别计算大地热流量、太阳能、周边热交换等热补给和热排泄量，并与采暖期取热量、制冷期排热量以及区域储藏热量的变化量进行一年或多年动态平衡论证。该均衡论证应在示范项目运行中，监测其一年甚至多年不同深度处地温在采暖期、制冷期及恢复期变化；同时实测各类岩石热导率及地温梯度、恒温层厚度、示范项目区侧向传导流入、流出能量；并且考虑地表水、地下水散发或吸收热量。在上述参数获取齐全，并论证其可靠性后，计算各热补给项、排泄项，并结合区域浅层地热能静态储量进行综合均衡评价。
阜新地区冬冷夏热，但冬季供暖时间长达五个月，而夏季炎热需空调制冷期仅2个月，采用地源热泵如不采取必要措施控制取放热量，周期运行后必然造成地下岩、土、水温度持续下降。热失衡后，不仅影响地源热泵换热器的性能，对其稳定运行产生影响，使效率降低甚至无法正常运行。而且地源热泵长期运行造成的冷堆积改变土壤温度，将对土壤的性质产生影响，对区域生态环境造成不可挽回的危害。
五、浅层地热能应用经济效益分析
浅层地热能资源具有节能、环保、可再生性，靠热泵技术的应用，它得以实现利用。热泵技术具有运行稳定、安全、占地面积小等特点，与燃煤、燃油等传统技术相比，有广阔的开发利用前景。目前，北京、上海等经济发达地区及国家重点项目，浅层地热能均得到较广泛的应用。
地源热泵采暖能耗的常见值范围为7.37～13.66[kg·m-2·季-1]，与集中锅炉房供暖能耗每平方米21.73kg标准煤相比，节能37%～66%。
阜新地区如采用地源热泵方式采暖，电价按当地民用电价0.5元/kW·h计算，采暖费用常见值为13.07～24.24元/（m2·季）。相对于燃油、燃气、电锅炉采暖费用30.0～50.0元/（m2·季），地源热泵系统运行费用要低得多。
地源热泵采暖过程中不产生污染物的排放，减少环境污染，环境效益可观。
综上述，浅层地热能是一种清洁的可再生资源，对于资源枯竭型城市阜新市，大力开发浅层地热能资源可为城市的可持续发展提供重要的物质保障和必要的推动力。
参考文献
[1] 《柳河中下游地区1：5万综合性水文地质勘察》[R]，辽宁省第一水文地质工程地质大队，1990年编制.
[2] 《阜新幅1：20万区域水文地质普查报告》[R]，辽宁省第二水文地质大队，1979年编制.
[3] 《辽宁省阜蒙县1：5万农田供水水文地质勘察》[R]，辽宁省第四地质大队，1979年编制.
[4] 《浅层地热能勘查评价规范》，（TZ/T0225—2009）.
[5] 《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）（2009版）.
[6] 《供水水文地质勘察规范》（GB50027—2001）.
[7] 《土工试验方法标准》（GB/T50123—1999）.
[8] 《地表水环境质量标准》（GB3838）.
[9] 《地下水质量标准》（GB/T14848）.
[10] 《地热资源地质勘查规范》（GB11615）.
[11 ]《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366—2005）.