浅层地温能赋存条件及勘查评价方法.pdf

池源野泵东筑工程勘.实践和栽本创新研利会浅层地温能赚存条件及 勘查评价方法中国地调局浅层地温能研究与推广中心 目 录 一、地质基砒知积二、热物信测伏三、族层也温惋开发利用遂宜区划今四、族层也温能资源量计等地质基砒和鹤 7、土今类及命名土主要分成碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土。碎石土、砂土属于粗粒土，按粒径级配分类。粉土、粘性土属于细粒土，按塑性指数分类。碎石土分类表注;定名时，应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定土的名称颗粒形状颗粒级配漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒质量 超过总质量的50%块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒质量 超过总质量的50%碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于2mm的颗粒质量超 过总质量的50%角石乐棱角形为主砂土：粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50%,鼎径大 于0.075 mm的颗粒质量超过总质量50%的土。砂土透水性好。i 3这名IH电以小圾!杭啦配Hl X到小以或t r)it n硝k 士的名称人,1砾砂中砂11 f|2 mm 的沂占总质事 i、人J 0.5mm的瓢种质7上过点J赳H SOtiV K 1 0 2 5mm的M做联见超过后做徽5(防邮砂 粉的也依K 0075mm的颗位图过息麻85%I，i，0(I75pflin的颗粒1而量出i寸总辞 50%粉土：粒径大于0.075 mm的颗粒质量不超过总质量的50%,且 塑性指数等于或小于10的土。粘性土：塑性指数大于10的土，防水性能好，不易被水冲蚀 流失，具有较大粘聚力。松散沉积物是由大小不等的颗粒组成的，固体颗粒 构成土的骨架，其间布满相互贯通的孔隙。孔隙中被水和 空气充填。孔隙度：土样中所有孔隙空间体积之和与该土样体积 的比值。一般土的孔隙度为2050%。孔隙度主要取决于 分选程度及颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结、充填情 况也影响孔隙度。分选程度好，颗粒均匀，孔隙度大。分选程度差，颗粒大小悬殊，孔隙度小。颗粒形状不规则，棱角明显，孔隙度也大。1分选良好，排序疏松的砂;2分选良好，排列紧密的砂;（孔隙水）3分选不良的，含泥、砂的砾石;4经过部分胶结的砂岩；（孔隙水）5具有结构性孔隙的粘土；6经过压缩的粘土；（束缚水）7、8具有溶隙及溶穴的可溶岩（裂隙水）地下水是一种重要 的地质营力，其主要作 用是应力的传递者与热 量及化学组分的传输者 2、地下水今类地壳表层十余公里范围内，都或多或少存在着空隙，这就为地下水的赋存提供了必要的空间条件。按维尔纳茨 基(B.l/l.BepHaflCKMM)的形象说法)“地壳表层就好 象是饱含着水的海绵”。将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类，即：松散岩石中的孔隙 坚硬岩石中的裂隙 可溶岩石中的溶穴水文循环示意图1隔水层：2透水层：3植被：4云：5大循环各环节；6小循环各环1厂1海洋蒸发：b一大 中水汽转移；l降水：d-地表径流；e-入海；J地下行流：g一水面主发：面蒸发：i一叶面（蒸腾）地下水通过循球 实现了热量及化 学组分的传输，经常与环境发生 物质、能量与信 息的交换，时刻 处于变化之中人1隔水层：2透水层：3饱水部分：4潸水位：5一承怅水测压水位：6泉L升泉）：7水井,实1_：L上：b潜水；c承压水上层滞水：当包气带存在局部隔水层（弱透水层）时，局部隔水层（弱透水层）上会积聚具有自由水面的重力水。潜 水：饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水。潜水没 有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板。潜水的表面为自由水面，称作潜 水面；从潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层的厚度。潜水面到地面 的距离为潜水埋藏深度。承压水：充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水。地下水分类表质类型埋藏条件孔隙水裂隙水岩溶水包气带水土壤水局部粘性土隔水层上季节性存在的重力水（上层滞水）过路及 悬留毛细水及重力水裂隙岩层浅部季节性存 在的重力水及毛细水裸露岩溶化层上部岩溶 通道中季节性存在的重 力水潜 水各类松散沉积物浅部 的水裸露与地表的各类裂隙岩层中的水裸露于地表的岩溶化岩 层中的水承压水山间盆地及平原松散 沉积物深部的水组成构造盆地、向斜构造 货单斜断块的被掩覆的 各类裂隙岩层中的水组成构造盆地、向斜构造 货单斜断块的被掩覆的 岩溶化岩层中的水八大处管庄水文地质剖面示意图标高(米)60刘娘府一一八大处南65.H4I单一水泥层 II 2-3层含水泥,ID 4-5层含水泥白石桥十 里管 庄28.5025077适用于地源热泵异井一绝静(iit)换物方式适宜区适用于水源切系 对井(口并)接协方式运宜区冲洪积单层砂砾卵石含水器分布区-冷洪积多展(2-3)属砂砾石含水层分布区-冲洪积多层及砂任石含水值分布区一一-中洪积多属(2-3)层砂含砾石含水层分布区图例：丑.制石 二？碗 粉。砂 Hh署 B钻孔岩卡 曰引丽器券 W水位22品地温场合布及特点地温场是地球表面及近地 表处的温度场，主要取决于 太阳辐射热和内热的均衡。由变温带、常温面、恒温 带（增温带）组成。8 冬天15 m22 m深度200 m地表20 夏天1422 12地温场的分布时间垂向影响因素变温带(1-15m)地温有着日、季节、多年、乃至世纪的变 化。地温是时间的函 数增、降温交替变化，时 增时降太阳能和大地 热流共同影响 范围常温面不随时间变化，深度一定的地温特征值。中 国已测得常温面深度在1530m间，其温度 一般比当地年平均气温高1 2 o地球内部的热能 与上覆变温带的 影响在这一带内 处于相对的平衡恒温带(20m)常年恒定随深度递增，地温是深 度的函数，通常每百米温 度升高2.5 3,在地热 田或地热异常区可达到每 百米4 8。大地热流影响 范围地温场特点浅层地温是指常温面的温度，因为它不随深 度和时间的变化而变化，因此用它代表某地区的 浅层地温场特征。它和当地的年平均气温相近。浅层地温随纬 度或高程的增加而下降，反之上升。在中纬度地区冬夏都有需求，两季都有可利 用的温差。在低或高纬度地区仅能在单季节使用,可利用温差较小。每月地温场垂直分布曲线北京地区浅层地热不同深度变化曲线IM IX 3Hl4 H I昌 Is 17 E 18 R I否sg北京地区浅层地热不同月份变化曲线浅层地温能本质岩土体正因存在于地球表层，受大气温度 和地球热传导多重影响，在一定深度内处于动 态的热量平衡，地温接近年平均气温，其季节 性温差形成自然资源。浅层地温能开发利用会暂时打破岩土体原 来的热平衡，形成温度异常，导致地下水的循 环及热量的传递的加快，一段时期后一定深度 温度场将得到恢复或形成新的平衡。二、热物惚例更M：传热的三种方式分别为传导、对流、辐射。地下水换热系统（热对流换热量与地下水流速、利用温差等有关地埋管换热系统（热传导）一换热量与岩土体热物性、换热温差等有关岩土体热物性：岩土体导热系数、比热、热扩散率等。目前常见的岩土体热物性参数测试方法:录井查表法取样测试法现场热响应法其中取样法测试法常用于区域勘查和资源评价；现场热响 应法是现阶段工程上广泛采用的测试方法。确定地埋管换热器数量（m）热响应法即是给受测物体已知的热负荷，观测其温度变化（响应）的方法。分为实验室标本测试和现场热响 应测试。测试结果是加热量与温度响应的函数关系（可以 类比其它响应试验方法），也可以通过模型计算得到热物单桩承载力试验单井抽水试验50 1000 1-0 每延米换热功率(w)(w/m)1020/温降（）单井换热试验1、实验室测试：(1)取样：样品可通过钻孔取芯，也可野外露头取样，岩石k品 需要做成规划形状，土壤样品要求取非扰动原状样(密度、含水率不 变)(2)常用室内测试方法：探针法-适合测松散和塑性样品热盘法-适用规则固体和颗粒样品红外扫描法-对样品形状、硬度没要求(3)测试结果：如果取样位置分布合理、有足够的样品数量，样品具有代表性。样品测试结果通过分类统计可以做为区域内某种岩石的特征值，这是 现场热响应测试得不到的，在区域勘查中是不可取代的。2、现场热响应测试：(1)方法：采用人工热(冷)源向岩土体中连续加热(冷)并记录传乩介质 的温度变化和循环量来测定岩土体热传导性能的试验。现场热响应测 试需要在加热过程中记录一组地埋管换热器进出水温度平均值随时间 变化的数据。(2)测试结果：记录的数据通过与传热模型的计算结果相拟合，可得到孔周围 岩土体的热导率等相关物性参数，可利用各种传热分析方法进行地埋 管换热器设计。现场测试结果是一个包含着多种岩土体的热传导和热 对流的综合参数。是特定地质条件下，多种岩土体的平均值。可通过多级试验得到不同工况下的单孔换热能力或者求出传热 系数，也可以在一个单一岩石的露头上用小装置测量得到单一岩性的 热物性。北京平原区钻孔取样热物性测试统计表注：样品采自8个钻孔中300个原状样称 参数粘土重粉质粘土粉质粘土粘质粉土砂质粉土含水率(%)33.3927.1923.4922.8522.5 0孔隙比0.940.770.670.660.65密度(g/cm3)1.951.962.022.012.01热导率W/(m-K)1.771.801.861.91不同岩性热导率岩性粘土细砂中砂粗砂砂砾热导率(W/m)1.5 1-1.771.86 1.952.0-2.22.3-2.52.6-2.8现场热响应试验与理论计算换热功率对比地点钻孔 深度(m)加热 功率(kw)初始 温度()循环液 平均温 度()地埋管 材料热 导率(W/m-)回填料 热导率(W/m-)周围岩 土体平 均热导 率(W/m-)换热功率(KW)现场 测试理论 计算星湖园1001213.441.70.421.81.6586.89立水桥1211216.543.60.421.81.699.027.92星湖园测试孔：在温升283c的情况下，每延米换热量80w/m。传热系数K是2.8。可推算当管内平均温度为30 时(温升16.6 ),每延米换热量16.6X2.8=46.5 w/m。立水桥测试孔：在温升27.1 的情况下，每延米换热量75 w/m。传热系数K是2.77。可推算当管内平均温度为30 时(温升13.5 ),每延米排热量13.5 X277=37.4w/m。可推算当管内平均温度为7。时(温降9.5 ),每延米取热量9.5 X2.77=26.3w/m。每延米换热量:Q=L-tl-tootl-tooRR2+R32欣 1 n 2欣 2 12 2瓶 3 rsQ.a _（J r Ltl tooRb+Rs=/（九一b）1 z db OsCs、式中：Rs=-Ei(-)为钻孔外岩土的导热热阻 4万Is 10/is T由上式可得:Z/ti-too Ri+R2+R3Zy tl-too Rb+RsK为换热孔的传热系数，是特定条件下测试孔的每延米热阻的倒数。经过实测可得 K,反推热阻。双U的K值可为4w/(m)左右，换热孔的每延米总热阻为0.25 m/Wo其中孔内单U的热阻为0.15 8,双U的为0.117。例如：河北省衡水市某工地(双U)测得K=4.65 w/(m),Rb=0.108；得到的 Rs=O107,总的热阻为0215。北京市北清路某工地(单U)测得K=3.4w/(m),R=0.29m/Wo北京市星湖园工地(双U)测得K=2.8w/(m),R=0.35 7m/Wo细颗粒地 层，地下水换热作用较小。山西太原市西部某工地(双U)K=6.3w/(m),R=0.16,热阻小是因为105 米内砂卵石层厚32米。(单U)测得K=5.5 w/(m),现场换热试验拟合得的地层 平均热导率是2.6w/(m)o北京立水桥试验孔温度(P)地温变化曲线29ASZ 89A S Z 99SS Z9A S Z sstj-sz t-z甲-息 KSAsz 6ZSA S Z-zlnsa 67SA0S ATlnAsz STSSOZ 8TS2SZ 二甲Asz 6lnAsz TsAsz ss&oz TlnLsz 7i aTAsz&T50Z SZTASZ EZTASZ SIT1 6TTA00Z 匚工息 巴TAsz 巴rAscsl 二工息试验孔基本情况：(1)120m双U。分别在钻孔内的30123m处安装温度传感器6个。(2)4月份空载循环8天，温度下降0.4,日变幅度土0.1,末期稳定在17.9(3)加热8天，加热电功率是8kw,实际加热量6.8kw,末期的平均温度稳定在34.9C,温升了 17,每延米换热量5 6.7w/m,K=3.3w/(m),每延米的总热阻R=0.303m/w从长时间换热试验所得的几点启发：(1)用长时间空载的方法，可以得到地层的平均温度。温度稍有下 降，说明在空循环的过程中，地面上的管保温不好，把空气中的冷负荷 带到了试验中了，但影响非常小。水泵的功耗产生的热负荷并没有给循 环水起到加热作用。(2)在长达9天的近220个小时的加热过程中，在加热功率不变的情 况下，末期管内循环水的温度略有上升，平均每天上升0.2 0.3。说 明孔外热影响半径加大引起的热阻在逐渐增加。(3)停止加热后，管内温度迅速下降，48小时内下降了 12(70%)o 6天下降了 16 (94%)o说明停止加热10天左右(加热时 间为9天)是可以完全恢复到地层原始温度。说明该地区这种颗粒细地下 水径流不是很强的地层条件下，地层也没有明显储能。(4)距离U型管转折端下方2米处的传感器反映出，该处的地温没有 受到换热孔加热和恢复的影响，始终稳定在18.1。说明热量向下传递 速度很慢。从加热到停止加热46天后还没有传递到下方2米处。也许加热 的试验热流主要是向水平或向上传递。引申的几点思考:(1)孔间干扰的问题从线源的热扩散半径和浅层地表的温度长期监测看，单孔在土壤中传 热的热影响半径达到3nl需要23个月的时间。在供暖和制冷期的高峰时 段，换热孔间并没有发生干扰。以单孔试验代替群孔试验估算最不利气 候条件下的井群的换热能力是可行的。(2)地层储热能的问题如果想利用地层储热能力反季节利用，大多数情况下得在孔群的上部 和四周进行保温。否则不可能在三个月后仍保留10%的温度利用价值。(3)在工程设计中深度(换热孔长度)方面的考虑南方以散热为主的地区，中、浅部散热效率较高，所以埋管深度不宜 大于80m。北方地区以取热为主的地区，主要靠深部取热，所以埋管深度 应夫于100m。(4)平面上的考虑在平面上由于边缘孔换热效果较好，所以应增加换热区域周长，增加 形状的复杂系数，边缘上多布孔，最外一排孔可适当加密。尽量采用距 型网格。例如5 x 5 m不如3 x 8m的布置方案好，排孔逐渐向面热源过渡。三、开或利用也底成划合分区：地下水热泵适宜区、较适宜区、不适宜区地埋管热泵适宜区、较适宜区、不适宜区分区因素：地下水：含水层累计厚度(m)、地下水位、渗透性等地埋管：松散层总厚度(m)、岩土热物性、地层可钻性等分区因素不同，所以不同开发利用方式适宜区不同。开发适宜性分区：耨竖直地埋管殿方式适宜性分即汹单项指标（地表以下2.00m班围内）1煤合评掰海第四系麒（m 1mu含水层总早以 mu适宜区10030，三项指标均符俳二一。或 5 0-1005心1030，除适宜瓯吓造宜区 以外的其它岖不适宜瓯30-50 10O任一项指标符合1开发适宜性分区:表2地下水换热方式适宜性分必分单项指标保合评判标检单位诵水 室 m3/(d.m单位回鬻他下水位年下 髓你懒地由单位就昌适宜必500p)80%。0,8/三项指标均符侪频宜处300-5 005 0%-80W0.8-1.5卜除适宜区利不适宜 区以外的其它岖。不不宜而 1$重要水源地保护区、地面沉降严重即任一项指标符条四、废层地温犍资源量计算资源评价应计算浅层地温能热容量和换热功率 地下热容量(shallow geothermal capacity)：在浅层岩土体、地下水和地表水中储藏的单位温差热量。地下换热功率(heat Exchanger power):从浅层岩土体、地 下水和地表水中单位时间内交换的热量。资源计算热息量计算可利用量地下水热泵适宜区可利用量计算 地埋管热泵适宜区可利用量计算地下热参量（体积X比热求）区域评价计算体积：为适宜和可能开发利用浅层地温能的土地面积（主要为城镇 规划用地等），评价区面积乘土地利用系数。深度：特定的评价 深度。场地评价计算体积：为具体工程地下换热的影响面积。深度：2米至工程深度（100 15 0m）。热 容 量采用体积法计算，分包气带和包水带进行。计算公式如下：包气带:Qr 二 Q s+Q w+Qa式中：Q R地热能储存总量，kJ,（lkcal=4.1868kJ）；Q s岩土体中的热储存量，kJ；Q.一岩土体所含水中的热储存量，kJ；Q）一岩土体中所含空气中的热储存量，kjo 其中，Qs=PsQ（1R）M必T；Q/二 P/C/CO M d AT；Qa-pACA（0 co）M d A7 o热 容 量 在含水层和相对隔水层中,地热能储存量按下式*算:Qr=Qs+Qw式中：Q r地热能储存总量，kJ,(lkcal=4.1868kJ)；Q s岩土体中的热储存量，kJ；Q w岩土体所含水中的热储存量，kJ；其中，Qs=P sc s(lf)M必7；M d AT；这里涉及的参数主要为:Ps 岩土体密度(kg/m)；C岩土体比热容(kJ/kg)；(|)一岩土体的孔隙率(或裂隙率)；M一计算面积血2),评价区域面积；d一为包气带厚度及水面至15 0nl厚度;AT利用温差()；一岩土体的含水量。区域浅层地温能换热功率计算评价整个评价区在取热期的平均可取热量，是采用合理的利用方案，通过非取热期的地温恢复和 制冷期存热，能够达到多年热均衡的浅层地温能的换 热功率。在浅层地温能适宜性分区的基础上，分别计算 地下水换热系统和地埋管换热系统适宜区浅层地温能 换热功率。地埋管换热功率计算(单孔正演)2/zL(ti-14)1.X2 1.T3 1.T4InI-InI In 21 n%2 T2 2 3 Y32地埋管材料的热导率(W/m k)(PE管为0.42 W/m k);2 2-钻孔中回填料的热导率(W/m k);a 3-钻孔周围岩土体的平均热导率(W/m k);L-钻孔有效换热长度(m);地埋管束的等效半径(m),单U为管内径的历倍，双U为管内径4倍;Q-地埋管束的等效外径血)，等效半径rl加管材壁厚；J一钻孔平均半径向)；J-换热温度影响半径(m),可通过现场换热试验时设观测孔求取；t地埋管内流体的平均温度；t厂温度影响半径之外岩土体的初始温度。通过上式得到单孔地热能，然后乘以区域可钻孔数。Q 可=D*n钻孔一般按网格布置，布孔间距根据经验确定,若按常规（平均）情况以5 mX5 m网格布置热交换孔,则可钻孔数=区域面积*土地利用系数925 nl2,即得 评价区（地源热泵工程区）的总地热能（W）。地下水热泵适宜区换热功率的计算方法计算评价地下水循环利用量，需要考虑:技术约束：回能力环境约束经济约束抽灌3.二抽、地下水产生地质环境问题系统的经济合理性根据地下水循环利用量，计算合理温差条件下地热 能可利用量。地下水换热功率计算a=AQxl.l6xlO-5式中：恁一地下水循环利用量，曲/d AT-温差，C用上式计算出单井可提取利用的能量，然后确定 出单位面积可钻井数，结合土地利用情况计算。Q可=Qh x nXx