各种计算方法中的相关参数

Question

如题所述

Answer 1

地下水地源热泵适宜区可开采资源量的计算方法有水热均衡法和地下水量折算法，本项目选择地下水量折算法；地埋管地源热泵经济区可开采资源量采用换热量现场测试法计算。对评价方法及相关参数分别介绍如下。

图5-2　可开采资源量评价框架图

1.体积法评价方法

利用体积法进行评价计算时，应先确定潜水水位，再确定主要地层厚度、物性参数。

（1）在包气带中，其浅层地温能静态储量按下式计算：

北京浅层地温能资源

式中：Q_R——浅层地温能储存总量，kJ;

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;

Q_A——岩土中所含空气中的热储存量，kJ。

其中：

北京浅层地温能资源

式中：ρ_S——岩土体密度，kg/m³;

C_s——岩土体比热容，kJ/（kg·℃）；

φ——岩土体的孔隙率；

M——计算面积，m²;

d₁——包气带厚度，m；

ΔT——利用温差，℃。

北京浅层地温能资源

式中：ρ_W——水的密度，取1000kg/m³;

C_W——水的比热容，取4.18kJ/（kg·℃）；

ω——岩土体的含水率；

北京浅层地温能资源

ρ_A——空气的密度，取1.29kg/m³;

C_A——空气的比热容，1.008kJ/（kg·℃）。

（2）在含水层和相对隔水层中，其地热能储存量按下式计算：

北京浅层地温能资源

式中：Q_R——浅层地温能储存总量，kJ;

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;

北京浅层地温能资源

d₂为潜水位至计算下限的岩土体厚度。

通过以上介绍，体积法计算简便、物理意义明确，而且使用范围广泛，不仅适用于松散岩层分布区的浅层地温能静态储量评价，而且同样适用于基岩地区的浅层地温能静态储量评价；不仅适用于地下水地源热泵适宜区静态储量的计算，而且适用于地埋管地源热泵经济区静态储量的计算。由于本次研究工作在国内尚属首次，故选用体积法。在本次工作的基础上，对于浅层地温能资源条件相近区域可以采用类比法进行评价，拓展评价区域范围。

体积法相关参数：根据公式（5-1）～（5-6），可以确定主要参数分为评价范围参数和岩土体物性参数两个方面，分别为：评价区域面积（M,m²）、计算厚度（d₂、d₂,m）、岩土体孔隙率（φ，%）、岩土体天然含水率（ω，%）、岩土体天然密度（ρ_s,kg/m³）、岩土体比热容［C_s,kJ/（kg·℃）]、利用温差（ΔT，℃）。

2.地下水热泵适宜区可开采资源量计算方法

（1）水热均衡法：主要通过研究区的水、热均衡计算，了解地下水的水、热储存量和水、热补排情况。

水均衡

北京浅层地温能资源

式中：q_in——补给量，m³/d;

q_out——排泄量，m³/d；

Δq_w——存量的变化量，m³/d。

在包气带中，岩土体水分的补给项有：降水入渗量、灌溉入渗量等；排泄项有：植物蒸腾量、土面蒸发量、下渗补给地下水的量等。

地下水补给项有：降水入渗量、灌溉入渗量、渠系入渗量、河流入渗量、侧向补给量、越流补给量等；排泄项有：潜水蒸发量、人工开采量、侧向排泄量、泉排泄量、河流排泄量、越流排泄量等。

热均衡

北京浅层地温能资源

式中：Q_in——热收入量，kW;

Q_out——热支出量，kW；

ΔQ——热储存量的变化量，kW。

在包气带，热的收入项有：太阳照射热量、大地热流量、地表水向岩土体散发的热量、侧向传导流入的热量等；支出项有：向大气散发的热量、向地表水散发的热量、侧向传导流出的热量等。

在地下水中，热的收入项有：太阳照射热量、大地热流量、侧向传导流入的热量等；支出项有：向大气散发的热量、水排泄带走的热量、侧向传导流出的热量等。恒温带以下，热收入项没有太阳照射热量。

（2）地下水量折算法：地下水量折算法适用于地下水地源热泵适宜区浅层地温能可开采资源量的计算，其表达式如下：

北京浅层地温能资源

式中：Q_q——评价区浅层地温能可开采量，kW;

Q_h——单井浅层地温能可开采量，kW;

n——可钻抽水井数；

T——土地利用系数。

其中：

北京浅层地温能资源

式中：Q_h——单井浅层地温能可开采量，kW;

q_w——单井出水量，m³/d；

△T——地下水利用温差，℃；

C_w——水的比热容，kJ/（kg·℃）。

土地利用系数，居民点、公共用地和其他用地的比例。根据《北京市土地利用现状遥感解译图》中草地、园地、居民及工矿用地和未利用土地面积等占土地面积的27.81%，在以上区域内，开展地下水地源热泵工程时，还要考虑建筑布局、建筑负荷需求、建筑占地面积、资源承载力、地下水连通性等因素的影响，取土地利用系数为22%（27.81%×0.8）。

地下水量折算法相关参数：根据式（5-9）～（5-10），在地下水地源热泵适宜区，利用地下水量折算法评价可开采资源量的相关参数主要有：单井出水量（q_w,m³/d）、可钻抽水井数（n）、温差（ΔT，℃）、土地利用系数（T）。

（3）地下水地源热泵适宜区可开采资源量评价方法小结：水热均衡法需要有长期动态监测数据的支撑，适用于评价浅层地温能资源可利用量的保证程度；地下水量折算法可操作性强，较好地反映了地下水地源热泵利用浅层地温能资源的特点，因此本次研究采用该方法。

3.地埋管热泵适宜区可开采资源量评价方法

（1）换热量现场测试法：换热量现场测试法适用于地埋管热泵经济区浅层地温能可开采资源量的计算，其表达式如下：

北京浅层地温能资源

式中：D_q——评价区浅层地温能可开采资源量，kW;

D——单孔换热量，kW;

n——可钻换热孔数；

T——土地利用系数。

北京浅层地温能资源

式中：k_z——综合传热系数，W/（m·℃）；

ΔT——温差，℃，即为U形管内循环液平均温度与岩土体原始温度之差；

L——双U形地埋管换热孔长度，m。

土地利用系数，居民点、公共用地和其他用地的比例与地下水量折算法相同为27.81%，开展地埋管地源热泵工程时，还要考虑建筑布局、建筑负荷需求、建筑占地面积、资源承载力等因素，取土地利用系数为8.3%（27.81%×0.3）。

（2）换热量现场测试法相关参数：根据式（5-11）～（5-12），在地埋管地源热泵适宜区，利用换热量现场测试法评价可开采资源量的相关参数主要有：综合传热系数［k_z,W/（m·℃）]、可钻换热孔数（n）、温差（ΔT）、土地利用系数（T）。

4.浅层地温能资源评价相关参数的分类

由前面评价方法的分析可知，在评价计算浅层地温能资源静态储量和可开采量时需要确定的参数见表5-1。

表5-1　资源量评价相关参数分类表

5.浅层地温能资源评价相关参数的意义

（1）区域地质、水文地质条件：浅层地温能资源蕴藏在地下岩土体内，其储藏、运移以及开采利用都受到区域地质、水文地质条件的严格制约，不同区域的资源利用方式和规模存在较大差异，因此，全面了解北京平原区的地质、水文地质条件十分重要。

（2）第四系岩性厚度：北京平原是由多条河流冲洪积作用形成的，在冲洪积扇的顶部至下部，第四系厚度逐渐增大，含水层由单一、厚度较大逐渐过渡为多层、单层厚度较薄，颗粒由粗变细，岩性由砂卵砾石、粘性土互层逐渐过渡为多层的粘砂、粉细砂。

（3）浅层地温能资源条件分区：根据浅层地温能资源开发利用形式的不同，考虑到项目的初投资、运行状况以及地质环境影响等因素，结合北京市不同地区地质、水文地质条件的特点，划分出地下水地源热泵系统的适宜区、较适宜区、一般适宜区和严禁应用区，以及地埋管地源热泵系统的经济区、较经济区和欠经济区。

（4）地下水水位（m）：地下水水位是评价浅层地温能资源的一个重要参数。在评价浅层地温能资源静态储量时，将地下水面以上划分为包气带，将地下水面以下划分为饱水带，再分别计算静态储量；在评价地下水地源热泵适宜区可开采资源量时，地下水水位一方面影响单井出水量，一方面也会影响单井回灌量。

（5）变温层厚度（m）：地壳按热力状态从上而下分为变温带、常温带、增温带。变温带的地温受气温的控制呈周期性的昼夜变化和年变化，随着深度的增加，变化幅度很快变小。气温的影响趋于零的深度叫常温带，常温带以上地层厚度即为变温层厚度。

（6）岩土体天然密度（g/cm³）：单位体积岩土体的质量称为岩土体的密度。

（7）岩土体天然含水率（%）：岩土体中水的质量与岩土体颗粒质量之比，称为岩土体的天然含水率。

（8）岩土体孔隙率（%）：岩土体中孔隙所占体积与总体积之比称为岩土体的孔隙率。

（9）岩土体热导率［W/（m·℃）]：在岩土体内部垂直于导热方向取两个相距1m，面积为1m²的平行平面，若两个平面的温度相差1℃，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该岩土体的热导率。

（10）岩土体的比热容［kJ/（kg·℃）]：单位质量的岩土体温度升高1℃吸收的热量（或降低1℃释放的热量）叫做该岩土体的比热容。

（11）单井出水量（q_w,m³/d）：抽水井的出水量（5m降深）。

（12）单位涌水量［m³/（h·m）]：单位涌水量是井抽水水位降深换算为1m时的单井出水量。

（13）渗透系数（m/d）：是综合反映土体渗透能力的一个指标，水力梯度等于1时的渗透流速。

（14）抽水井影响半径（m）：机井在抽水时，水位下降，井周围附近含水层的水向井内流动，形成一个以抽水井为中心的水位下降漏斗，这个水位下降漏斗的半径叫影响半径。

（15）土地利用系数（T）[k_z,W/（m·℃）]：居民点、公共用地和其他用地的比例。

（16）综合传热系数［k_z,W/（m·℃）]：进行换热量现场测试，计量地埋管换热器的进出水温度、流量，在热交换达到稳定的条件下，计算得到钻孔每延长米在温度变化1℃（循环液平均温度与岩土体原始温度比）时的换热量即为综合传热系数。

（17）平均导热系数［k_p,W/（m·℃）]：该参数是利用Fluent软件模拟换热孔的温度场影响半径时需要设置的一个重要参数，也是表现当地岩土体平均换热能力的一个重要指标。其定义为在当地水文地质环境下，当传热达到稳定时，假设岩土体是匀质的，在岩土体内部垂直于导热方向取两个相距1m，面积为1m²的平行平面，若两个平面的温度相差1℃，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就是该岩土体的平均导热系数。