郑州航空港区浅层地热能评价及潜力分析

郭丽丽，黄 凯，王 昕，赵海娇

(河南省地勘局第五地质勘查院，河南 郑州 450001)

郑州航空港经济综合实验区(Zhengzhou Airport Economy Zone)，简称郑州航空港区，是中国首个国家级航空港经济综合实验区，规划面积415km2。利用浅层地温能供暖不仅可以增加适用人群的舒适感，而且有利于当地保护环境和节约成本。

本次评价通过地下水源热泵和地埋管热泵两个方面对航空港区的浅层地温能进行适宜性评价，进而开展资源量和潜力评价，为航空港区的浅层地温能开发利用规划和合理布局提供依据。

1 浅层地热能赋存条件

1.1 第四系结构特征

根据郑州市航空港区地质、水文地质特征，浅层地温能的评价深度确定为200 m以浅。航空港综合试验区地处黄河冲积的广阔平原之上，归类于冲积平原型城市，分布有厚度较大的第四纪冲洪积松散层；由于第四纪以来，地处缓慢沉降过程中，河流历经频繁变迁，形成了第三系岩土性质变化显著，广泛分布着中细砂、粉细砂、粉土、粘性土及软土等土体特征。

1.2 水文地质条件

地下水的含水类型主要为松散岩类孔隙水。实验区的水位埋深大部分都在5～10 m，东北角祥符刘村—闫家—前张村一带的水位埋深在0～5 m，西北角的水位埋深变化较大，深达30～50 m，地下水流向总体自西北向东南。

根据区内地下水抽水试验数据，评价区三官庙镇—薛店镇以南为富水性中等区(5～10 m3/h·m)，张庄镇—八岗镇一带为富水性极弱区(<1 m3/h·m)。在圈后村—八李桥一带为富水性弱区(1～5 m3/h·m)。整理分析抽水回灌试验数据，评价区薛店镇—张庄镇以西为回灌能力极弱区(单井回灌量<600 m3/d)，其余为回灌能力弱区(单井回灌量600～1 500 m3/d)。见图1。

图1 航空港区水文地质分区图

根据采集水样分析结果，航空港区内大部分区域矿化度为<1 g/L，在土墙村、薛店镇和霍庄—河张一带为1～3 g/L。 整体来说总硬度较大，超出规范值，其余均符合水源热泵系统要求。

1.3 浅层地温场特征

根据区内的地温测量点，浅层地温从地表以浅26 m处往下波动很小，由此可以做出这样的结论：调查区内恒温带处于地浅26～27 m之间，恒温带温度为16.9℃，且恒温带的温度随深度略有增大；松散层地温梯度约为3.0℃/100m。

2 现场试验

2.1 地下水抽、回灌试验研究

2.1.1 地下水抽回灌试验及水文地质参数计算

评价区内在不同水文地质单元共布设4眼地下水换热孔(ZS1和ZS2、ZS3和ZS4)，两两成对布置。单孔深度100 m，通过现场非稳定流抽水和1个落程的回灌试验观测数据，采用直线图法、水位恢复法和经验法三种不同的方法分别求取各项水文地质参数。试验成果见表1。

表1 地下水换热孔抽灌成果表

2.1.2 灌抽比大小的影响因素分析

单位回灌量与单位涌水量的比值，简称灌抽比。灌抽比的大小受成井工艺、井管滤管孔隙率、岩性和回灌井间距等多种因素影响。

水文地质条件相同的地区，灌抽比不同与成井工艺密切相关。如ZS1井与ZS2井两井的灌抽比分别是37.61%与48.64%，两井相距44 m。这是因为ZS1井采用清水反循环钻进，ZS2井采用泥浆正循环钻进，成井工艺不同，单位抽、回灌量也不同，灌抽比不同。ZS3井与ZS4井亦是如此。

2.1.3 抽、灌井间距的确定

利用含水层的有效孔隙度、抽水井和注水井距离(m)、含水层厚度(m)和稳定的注水量(m3/h)计算得出回灌水到达抽水井的时间(热短路时间)，同时考虑其回灌水影响范围内水温的变化能否满足热泵系统运行要求以及运行的经济性，结合本次对已有地温空调系统运行效果的调查情况及抽灌试验成果，确定细颗粒地层中抽灌井间距不宜小于40 m，粗颗粒的含水层中间距不宜小于50 m。对于本次评价区内最佳井间距为50～70 m。

2.2 现场热响应试验

通过设备模拟土壤源热泵系统的运行工况，对试验孔进行放热或取热测试，分析试验数据。按照岩土体的岩性、物理性质分类，在对各种热物性参数进行数理统计基础上进行全孔段的加权平均。对全区主要城市热物性参数进行了统计分析，得出航空港区的综合热物性参数如表2，其导热系数从大到小排序大致为：中砂>细砂>粉砂>粉质粘土>粉土>粘土。

表2 郑州航空港区综合热物性参数汇总表

表3 郑州航空港区地埋管换热孔测试参数及岩土热物性计算值

评价区内共布设4眼地埋管换热孔(ZD1、ZD2、ZD3、ZD4),测试结果见表3。由现场热响应试验结果，对比分析钻孔所处的地质、水文地质条件可知，富水性好，岩性颗粒粗、地下水径流速度快的地区其综合导热系数最大，换热效果最好；岩性颗粒都较细、地吸水径流缓慢的地区综合导热系数较小，换热效果最差。

3 浅层地热能适宜性评价

3.1 地下水地源热泵适宜性评价

本次采用层次分析法建立评价体系。评价体系分为三层，从顶层至底层分别为系统目标层(A)、属性层(B)和要素指标层(C)。A层是对地下水源热泵系统应用适宜性评价的一个总的判断；B层是对地下水源热泵系统应用适宜性不同侧面的反映，由供水条件、回灌条件和水化学条件三部分构成；C层是描述各属性指标的最基础要素，由含水层富水性、地下水位埋深、补给模数、地下水开采潜力、含水层岩性、地下水的腐蚀性、硬度和矿化度共8个指标构成。要素层中各要素占总目标的最终权重如表4。含水层的供水条件和回灌条件是决定一个地区是否适合建设地下水源热泵最重要的两个方面。

评价结果表明，去除掉港区内的禁建区，航空港区北部为地下水源热泵不适宜区，主要为山前坡洪积倾斜平原、黄河古冲积平原，面积153.99 km2；受制约因素主要为含水层富水性。南部为较适宜区，主要为山前坡洪积倾斜平原南部、黄河冲积洼地区，面积260.00 km2。见图2。

图2 航空港区水源热泵适宜性分区图 图3 航空港区地源热泵适宜性分区图

表4 地下水源热泵适宜性评价各要素占总目标的最终权重

3.2 地埋管地源热泵适宜性评价

地埋管地源热泵适宜性评价同样采用层次分析法。A层是对地埋管地源热泵系统应用适宜性评价的一个总的判断；B层是由水文地质条件、地层热物理特征和施工条件三部分构成；C层是描述各属性指标的最基础要素，由松散层厚度、地下水径流条件、地下水水位埋深、地下水水质、土体导热系数、比热容、浅层地温场特征、地层可钻性和环境条件共9个指标构成。要素层中各要素占总目标的最终权重如表5。评价对结果影响最大的因素分别为松散层厚度、土层导热系数、地下水径流条件以及地层可钻性。

表5 地埋管地源热泵适宜性评价各要素占总目标的最终权重

评价结果显示，去除掉港区内的禁建区，剩余区域内松散层厚度大、土层导热系数大、地下水径流条件及地层可钻性好，为地埋管适宜区。见图3。

4 浅层地温能资源量评价

4.1 浅层地热容量计算

4.1.1 计算方法

根据《浅层地热能勘查评价规范》[1]，结合工作区地质条件，本次计算深度确定为地表以下200 m。计算面积为郑州航空港区适宜浅层地温能开发利用的面积(全部扣去区内河流的面积)即394.56 km2。采用体积法计算浅层地热容量。分别计算在包气带和含水层中单位温差储藏的热量，然后合并计算评价区内地质体的地热容量。

4.1.2 计算参数

在含水介质分区的基础上，结合地形地貌、地下水位埋深等地质条件进行浅层地热容量计算分区，在此基础上确定各区参数。航空港区此次分为五个区，见图4，每个区的参数选取见表6，其中ρw和Cw分别为水的密度和比热容。

图4 航空港区浅层地热容量计算分区图

表6 郑州航空港综合实验区浅层地热容量计算分区及参数取值表

计算可知，郑州航空港综合实验区浅层地温能开发利用适宜区的总面积为394.56 km2，区内的浅层地热容量250.91×1012kJ/℃，其中包气带热容量为12.58×1012kJ/℃，饱水带热容量为238.33×1012kJ/℃。

4.2 浅层地温能换热功率计算

4.2.1 地下水地源热泵换热功率

采用地下水量折算法，按照《浅层地热能勘查评价规范》[1]地下水换热功率计算公式，以航空港区地下水地源热泵较适宜区为基础，考虑涌水量、土地利用率等条件的差异进行分区，在此基础上确定各区参数。其中地下水利用温差△T夏季利用温差取10℃；冬季利用温差取5℃；水的密度ρw与比热容Cw取常量。最终确定各分区其余参数及计算结果见表7。

表7 地下水适宜区换热功率计算参数取值表

4.2.2 地埋管地源热泵换热功率

评价深度以浅地层概化为均匀层状，按照稳定传热条件计算U型地埋管的单孔换热功率，然后根据单孔换热功率计算评价区换热功率。《浅层地热能勘查评价规范》[1]地埋管换热功率计算公式，最终确定航空港区各分区计算参数见表8。各分区计算成果见表9。

表8 地埋管适宜区换热功率计算参数取值表

表9 地埋管地源热泵换热功率计算成果表

5 浅层地热能潜力评价

5.1 地下水地源热泵和地埋管地源热泵潜力评价

郑州航空港综合试验区地下水地源热泵和地埋管热泵系统潜力评价结果如表10。

表10 郑州航空港综合试验区浅层地温能潜力计算成果

5.2 潜力综合评价

在进行浅层地温能潜力综合评价时，各分区资源量的计算原则为：在二者重合的区域计算资源量时，按照地埋管资源量占2/3、地下水资源量占1/3的标准进行合计；在不重复的区域，各自计算资源量，三者合计为郑州航空港区浅层地温能总资源量。在考虑土地利用系数的情况下，郑州航空港综合实验区浅层地温能可开采资源量为90.96×1012kJ/a，折合标煤310.38万 t/a；夏季换热功率398.76×104kW，冬季换热功率467.61×104kW；夏季可制冷面积54.14×106m2/a，冬季可供暖面积94.25×106m2/a；夏季制冷潜力28.19×104m2/km2，冬季制冷潜力50.18×104m2/km2。

6 结论建议

6.1 结论

(1)通过抽回灌试验和现场热响应试验取得的数据资料综合分析，郑州航空港综合试验区地下水地源热泵系统适宜区和较适宜区总面积260.00 km2；除掉禁建区和河流之外，剩余全区为地埋管地源热泵系统适宜区，总面积为394.56 km2。

(2)考虑土地利用系数的情况下，地下水地源热泵系统可利用的浅层地温能资源量25.49×1012kJ/a；折合标煤86.96万 t/a； 地埋管地源热泵系统可利用的浅层地温能资源量106.71×1012kJ/a；折合标煤364.11万 t/a；

6.2 建议

(1)现有水源热泵对节约成本和环境保护起到一定的作用，但是目前由于前期缺乏专业的地质勘查工作，容易形成回灌率不合格甚至不回灌的现象，从而造成水资源的浪费，长此以往，个别地区甚至形成地质灾害。因此，各级地方政府应该制定强制性措施，在项目实施前必须进行浅层地热能勘查设计论证工作，使工程项目施工质量有所保障。

(2)加强管理，改变目前管理缺位、管理越位和多头管理的被动状态，反对技术工作行政化的倾向。浅层地温能开发管理涉及规划、国土、城建、水利、环保、电力、房地产等相关部门，建议改革与发展委员会牵头，制定浅层地温能管理的规定，加强热泵工程的前期、后期监管，促进航空港区浅层地温能健康有序发展。