呼和浩特市浅层地温能开发利用适宜性评价研究
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摘要
浅层地温能是一种可再生的新型环保能源，利用前景广阔。本文研究的目的是查明呼和浩特市浅层地温能分布特点和赋存条件，评价浅层地温资源量及开发利用潜力，编制浅层地温能开发利用适宜性区划，为呼和浩特市浅层地温能合理开发利用和保护提供依据，也为北方同类地质条件地区开展浅层地温能资源调查提供示范作用。
本次研究是在充分收集呼和浩特地区已有地质、水文地质、地热地质勘查成果和浅层地温能开发利用成果的基础上进行的，通过开展1:5万水文地质补充调查，查明了呼和浩特市200m以浅第四系区域水文地质条件和岩土层岩性结构；根据区域地质条件、地下水资源状况、以及换热方式，分别进行了地埋管换热方式和地下水换热方式适宜性分区；通过取样测试、热响应试验以及抽水、回灌试验等工作，取得了开发利用区划相关技术参数，开展了区域浅层地温能评价，编制了浅层地温能合理开发利用区划；开展了呼和浩特市浅层地温能开发利用环境响应研究。
本次研究获得了以下主要成果：
⑴开展了现场热响应试验研究，确定了呼和浩特市最佳单孔换热深度为120m。岩土体单位孔深排热量平均为60W/m.单位孔深取热量平均为20W/m。
⑵首次开展了呼和浩特市地层热物性特征研究。岩土体的平均热导率为2.08-2.25W/m℃，热物性参数主要受地层岩性控制，受含水率影响较大。
⑶总结了呼和浩特市浅层地温场特征，恒温带深度一般在35-40m左右；恒温带温度约10.5℃；地温梯度低一般为0.5-3℃/100m。
⑷采用层次分析法与GIS空间分析系统相结合，进行了浅层地温能资源开发利用适宜性分区。呼和浩特市大黑河平原区和山前平原区南部适宜地埋管地源热泵开发利用，适宜或较适宜区总面积295.25km~2，占评价区面积的66%；而地下水地源热泵系统主要适宜于山前平原区和大黑河平原区北部，适宜或较适宜区总面积335.23km~2，占评价区面积的75%；
⑸计算了呼和浩特市浅层地温能热容量、可利用资源量，进行了浅层地温能资源潜力、经济和社会环境效益评价。呼和浩特市浅层地温能资源十分丰富，潜力巨大。200m以浅深度范围内第四系的浅层地温能总热容量为1.721014kJ/℃。在考虑土地利用系数条件下，呼和浩特市浅层地温能可利用资源总换热功率为14.08×10~5kW/47.66×10~5kW(冬季/夏季)。冬季可供暖总面积为3.13107m~2，夏季可制冷总面积为7.33×10~7m~2。单位面积可供暖面积520.64×10~4m~2/km~2；单位面积可制冷面积1182.19×10~4m~2/km~2。
考虑土地利用系数条件下，呼和浩特市浅层地温能开发利用的总能量为3.91×10~16J/a，折合标准煤133.42万t/a。每年实际节煤量为35.03万t/a，减少向大气中排放煤灰、氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳为87.96万t/a，减少环境污染治理费95972万元/a。
⑹分析了浅层地温能开发利用影响地质环境的问题，并提出相应的防治措施。
Shallow geothermal energy is a new environmentally friendly renewable energy with broadprospects in its use. The purpose of this study is to identify the distribution and occurrenceconditions of shallow geothermal energy in Hohhot, to evaluate the shallow geothermal resourcesand their exploitation potential, and to make appropriate zoning for their development. This studywill be reference material for Hohhot to reasonably develop and protect its shallow geothermalenergy, and will also be an example for investigations of shallow geothermal energy resources insome northern areas of China where have similar geological conditions of Hohhot.
This study is based on a full collection of the achievements in shallow geothermal energydevelopment and the completly exploration results on the geology, the hydrogeology, and thegeothermal geology of Hohhot. Through a supplementary survey of the Hydrogeology at a scaleof1:50000, the lithology structure of strata and the hydrogeological and geotechnical conditionsof the strata of Quaternary above200m in Hohhot are identified. Appropriate zonings of heatexchangees are divided in the forms of pipe-buried and groundwater exchanges based on theregional geology conditions, groundwater resource and heat exchanges.
Trough sampling tests, thermal response tests, pumping and recharge tesets and many othertests, the technical parameters related to zoning are acquired, and both the evaluation of shallowgeothermal energy and the appropriate zoning for reasonably developing of shallow geothermalenergy are made, the environmental response study on shallow geothermal energy development ofHohhot are also be finished.
Through this study, the following main results have finished:
(1) Conducting the thermal response test to determine the depth of120m is the mostfavorableforHeattransformation.Of the averageheat released at the hole unit of the rock and soil is60W/m,and the average heat obtained at the hole unit of the rock and soil is60W/m.
(2) It is the frist study of the thermophysical properties characteristics of Hohhot. Theaverage level of thermal conductivity is from2.08to2.25W/m℃, the parameters ofthermophysical properties are mainly controlled by the stratum lithology, especially by themoisture content.
(3) The characteristics of the shallow geothermal field of Hohhot are summarized: theconstant temperature region is in a general depth of35-40m, with a temperature of about10.5℃;the geotemperature gradient is about0.5-3℃/100m.
(4) Combing the analytic hierarchy process (ahp) with GIS-based spatial analysis system, itcompletes the adaptive partition evaluation of shallow geothermal energy development andutilization. The big heihe river plain and the southern piedmont plain in Hohhot are suitable fordevelopment and utilization of ground source heat pump. The suitable or the better suitable area is295.25km~2, which is accounting for66%of the evaluation area; and groundwater source heatpump system is mainly suitable for piedmont plain and the northern big heihe river plain, thesuitable or the better suitable area is335.23km~2,which is accounting for75%of the evaluationarea;
(5) The Hohhot shallow geothermal heat capacity and available resources are calculated. Theshallow geothermal resources potential, economic and social environment benefit are evaluated.The shallow geothermal resources in Hohhot are rich and have huge potentialities. The totalthermal capacity of Quaternary shallow geothermal resources which depth range within200m is1.72×10~14kJ/℃. Under the condition of considering land utilization coefficient, the total heatpower of available shallow geothermal resources in Hohhot is14.08×10~5kW/47.66×10~5kW(winter/summer). The total area of winter heating is3.13×10~7m~2, and the total area of summercooling is7.33×10~7m~2. Heating area on unit area is520.64×10~4m~2/km~2; Cooling area on unit areais1182.19×10~4m~2/km~2. Under the condition of considering land utilization coefficient, the totalengery of shallow geothermal resources development and utilization is3.91×10~16J/a,0.13342million t/a of standard coal. Economized on coal is350300t/a, that reduces thenumber of the emission from coal ash, nitrogen oxides, sulfur dioxide and carbon dioxide into theatmosphere is879600t/a, reduces the cost of environment pollution treatment is0.95972millionRMB/a.
(6) It analyzed the geological environment problems caused by the development andutilization of shallow geothermal resources, and gived the corresponding prevention measures.
本次研究是在充分收集呼和浩特地区已有地质、水文地质、地热地质勘查成果和浅层地温能开发利用成果的基础上进行的，通过开展1:5万水文地质补充调查，查明了呼和浩特市200m以浅第四系区域水文地质条件和岩土层岩性结构；根据区域地质条件、地下水资源状况、以及换热方式，分别进行了地埋管换热方式和地下水换热方式适宜性分区；通过取样测试、热响应试验以及抽水、回灌试验等工作，取得了开发利用区划相关技术参数，开展了区域浅层地温能评价，编制了浅层地温能合理开发利用区划；开展了呼和浩特市浅层地温能开发利用环境响应研究。
本次研究获得了以下主要成果：
⑴开展了现场热响应试验研究，确定了呼和浩特市最佳单孔换热深度为120m。岩土体单位孔深排热量平均为60W/m.单位孔深取热量平均为20W/m。
⑵首次开展了呼和浩特市地层热物性特征研究。岩土体的平均热导率为2.08-2.25W/m℃，热物性参数主要受地层岩性控制，受含水率影响较大。
⑶总结了呼和浩特市浅层地温场特征，恒温带深度一般在35-40m左右；恒温带温度约10.5℃；地温梯度低一般为0.5-3℃/100m。
⑷采用层次分析法与GIS空间分析系统相结合，进行了浅层地温能资源开发利用适宜性分区。呼和浩特市大黑河平原区和山前平原区南部适宜地埋管地源热泵开发利用，适宜或较适宜区总面积295.25km~2，占评价区面积的66%；而地下水地源热泵系统主要适宜于山前平原区和大黑河平原区北部，适宜或较适宜区总面积335.23km~2，占评价区面积的75%；
⑸计算了呼和浩特市浅层地温能热容量、可利用资源量，进行了浅层地温能资源潜力、经济和社会环境效益评价。呼和浩特市浅层地温能资源十分丰富，潜力巨大。200m以浅深度范围内第四系的浅层地温能总热容量为1.721014kJ/℃。在考虑土地利用系数条件下，呼和浩特市浅层地温能可利用资源总换热功率为14.08×10~5kW/47.66×10~5kW(冬季/夏季)。冬季可供暖总面积为3.13107m~2，夏季可制冷总面积为7.33×10~7m~2。单位面积可供暖面积520.64×10~4m~2/km~2；单位面积可制冷面积1182.19×10~4m~2/km~2。
考虑土地利用系数条件下，呼和浩特市浅层地温能开发利用的总能量为3.91×10~16J/a，折合标准煤133.42万t/a。每年实际节煤量为35.03万t/a，减少向大气中排放煤灰、氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳为87.96万t/a，减少环境污染治理费95972万元/a。
⑹分析了浅层地温能开发利用影响地质环境的问题，并提出相应的防治措施。
Shallow geothermal energy is a new environmentally friendly renewable energy with broadprospects in its use. The purpose of this study is to identify the distribution and occurrenceconditions of shallow geothermal energy in Hohhot, to evaluate the shallow geothermal resourcesand their exploitation potential, and to make appropriate zoning for their development. This studywill be reference material for Hohhot to reasonably develop and protect its shallow geothermalenergy, and will also be an example for investigations of shallow geothermal energy resources insome northern areas of China where have similar geological conditions of Hohhot.
This study is based on a full collection of the achievements in shallow geothermal energydevelopment and the completly exploration results on the geology, the hydrogeology, and thegeothermal geology of Hohhot. Through a supplementary survey of the Hydrogeology at a scaleof1:50000, the lithology structure of strata and the hydrogeological and geotechnical conditionsof the strata of Quaternary above200m in Hohhot are identified. Appropriate zonings of heatexchangees are divided in the forms of pipe-buried and groundwater exchanges based on theregional geology conditions, groundwater resource and heat exchanges.
Trough sampling tests, thermal response tests, pumping and recharge tesets and many othertests, the technical parameters related to zoning are acquired, and both the evaluation of shallowgeothermal energy and the appropriate zoning for reasonably developing of shallow geothermalenergy are made, the environmental response study on shallow geothermal energy development ofHohhot are also be finished.
Through this study, the following main results have finished:
(1) Conducting the thermal response test to determine the depth of120m is the mostfavorableforHeattransformation.Of the averageheat released at the hole unit of the rock and soil is60W/m,and the average heat obtained at the hole unit of the rock and soil is60W/m.
(2) It is the frist study of the thermophysical properties characteristics of Hohhot. Theaverage level of thermal conductivity is from2.08to2.25W/m℃, the parameters ofthermophysical properties are mainly controlled by the stratum lithology, especially by themoisture content.
(3) The characteristics of the shallow geothermal field of Hohhot are summarized: theconstant temperature region is in a general depth of35-40m, with a temperature of about10.5℃;the geotemperature gradient is about0.5-3℃/100m.
(4) Combing the analytic hierarchy process (ahp) with GIS-based spatial analysis system, itcompletes the adaptive partition evaluation of shallow geothermal energy development andutilization. The big heihe river plain and the southern piedmont plain in Hohhot are suitable fordevelopment and utilization of ground source heat pump. The suitable or the better suitable area is295.25km~2, which is accounting for66%of the evaluation area; and groundwater source heatpump system is mainly suitable for piedmont plain and the northern big heihe river plain, thesuitable or the better suitable area is335.23km~2,which is accounting for75%of the evaluationarea;
(5) The Hohhot shallow geothermal heat capacity and available resources are calculated. Theshallow geothermal resources potential, economic and social environment benefit are evaluated.The shallow geothermal resources in Hohhot are rich and have huge potentialities. The totalthermal capacity of Quaternary shallow geothermal resources which depth range within200m is1.72×10~14kJ/℃. Under the condition of considering land utilization coefficient, the total heatpower of available shallow geothermal resources in Hohhot is14.08×10~5kW/47.66×10~5kW(winter/summer). The total area of winter heating is3.13×10~7m~2, and the total area of summercooling is7.33×10~7m~2. Heating area on unit area is520.64×10~4m~2/km~2; Cooling area on unit areais1182.19×10~4m~2/km~2. Under the condition of considering land utilization coefficient, the totalengery of shallow geothermal resources development and utilization is3.91×10~16J/a,0.13342million t/a of standard coal. Economized on coal is350300t/a, that reduces thenumber of the emission from coal ash, nitrogen oxides, sulfur dioxide and carbon dioxide into theatmosphere is879600t/a, reduces the cost of environment pollution treatment is0.95972millionRMB/a.
(6) It analyzed the geological environment problems caused by the development andutilization of shallow geothermal resources, and gived the corresponding prevention measures.
引文
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