基于管控单元的城市尺度浅层地热能开发控制因素及指引导则:以雄安新区起步区为例

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.7.16

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (6): 158-172.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.7.16

基于管控单元的城市尺度浅层地热能开发控制因素及指引导则:以雄安新区起步区为例

王婉丽¹^,²(), 段雅娟¹, 张薇¹^,², 朱喜¹^,², 马峰¹^,², 王贵玲¹^,²^,^*()

1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061
2.自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心, 河北石家庄 050061

收稿日期:2024-01-05 修回日期:2024-04-25 出版日期:2024-11-25 发布日期:2024-11-25
通信作者: *王贵玲(1964—),男,博士,研究员,博士生导师,主要从事地下水资源与地热研究工作。E-mail: guilingw@163.com
作者简介:王婉丽(1985—),女,博士,硕士生导师,主要从事地热资源勘查和评价方面研究工作。E-mail: wanliwang2010@163.com
基金资助:
国家重点研发计划项目(2021YFB1507300);国家重点研发计划项目(2021YFB1507302);国家自然科学基金项目(41302189);中国地质调查局地质调查项目(DD20230019);中国地质调查局地质调查项目(DD20221676)

Control factors and guidelines for urban-scale shallow geothermal energy development based on control units: An example from Xiong’an

WANG Wanli¹^,²(), DUAN Yajuan¹, ZHANG Wei¹^,², ZHU Xi¹^,², MA Feng¹^,², WANG Guiling¹^,²^,^*()

1. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang 050061, China
2. Technological Innovation Center of Geothermal & Hot Dry Rock Exploration and Development, Ministry of Natural Resources, Shijiazhuang 050061, China

Received:2024-01-05 Revised:2024-04-25 Online:2024-11-25 Published:2024-11-25

摘要/Abstract

摘要：

浅层地热能潜力巨大,其合理利用可极大促进城市节能减排和绿色发展。城市尺度浅层地热能利用除与地质条件密切相关外,还受城市规划影响。本文以雄安新区起步区控制性规划为基础,通过综述城市尺度浅层地热能开发利用的主要控制因素,制定空间适宜性评价和指引导则的工作流程。充分考虑地质因素、资源因素和社会生态因素对浅层地热能开发的制约,结合地温测量、热物性测试、现场热响应试验等室内和现场测试数据,对雄安新区起步区已规划的30个的管控单元进行单要素分析,开展浅层地热能开发综合评价并制定开发指引导则。结果显示,地温场条件、水文地质条件、热传导性能、热容量、供暖制冷面积、城市规划和地面沉降是影响雄安新区浅层地热能利用的直接因素。研究区浅层地热能开发适宜性好的单元占43%,主要分布在北部A、B、C和D单元,以可利用区为主,综合导热能力高,单位供暖制冷面积大,具有比较适宜的浅层地热能赋存条件;适宜性中等单元占33%,主要分布在E单元和其他单元的零星区域,其特点为综合导热能力中等,单位供暖制冷面积和热容量偏小;适宜性差单元占23%,主要集中在南部F单元,该区域水系丰富,受空间规划的影响,开发利用受到制约。研究成果为雄安新区起步区的浅层地热能资源利用和开发提供了支撑,也为城市尺度下浅层地热能资源的规范性评价提供参考依据。

关键词: 浅层地热能, 城市尺度, 控制因素, 管控分区, 开发指引导则

Abstract:

The rational utilization of shallow geothermal energy (SGE) has great potential in promoting urban energy conservation, greenhouse emission reduction and green development. In addition to the effects of geological conditions, urban-scale SGE utilization and development is also affected by urban planning. Based on the regulatory planning of the starting area of Xiong’an, this paper summarizes the main controlling factors—geological, resource and socio-ecological factors—and formulates a workflow of spatial suitability evaluation and guidance rules. First, fully considering the constrains from the main controlling factors, combined with the indoor and field test data from geothermal measurement, thermophysical property test, field thermal response test, etc., the single element analysis of 30 control units planned in the starting area was carried out. Then, the comprehensive evaluation of SGE development was performed, and the development guidelines were formulated. Factors including geothermal field conditions, hydrogeological conditions, heat conductivity, heat capacity, heating/cooling areas, urban planning and land subsidence directly affect the SGE utilization in Xiong’an. Within the study area, 43% of the control units demonstrated good suitability for SGE development. Such areas were designated as “utilizable area”, which were mainly distributed in the north in units A, B, C, and D, mainly in the developed urban areas with high comprehensive thermal conductivity, large heating/cooling load per unit area, and higher likelihood of SGE occurrences. Units with medium suitability, i.e., 33% of the control units, were designated as “limited utilization area”; they mainly included sporadic areas of unit E and other units, with medium comprehensive thermal conductivity, small heating/cooling load per unit area, and heat capacity. The rest 23%, designated as “restricted utilization area”, were poor suitability units, mainly included areas in the south in F unit, with rich water systems and restricted spatial planning. The research results provide support for the SGE utilization and development in the starting area of Xiong’an, and also provide a reference for standardized urban-scale SGE valuation.

Key words: shallow geothermal energy, urban-scale, control factors, control units, development guidelines

中图分类号:

P314
P641

王婉丽, 段雅娟, 张薇, 朱喜, 马峰, 王贵玲. 基于管控单元的城市尺度浅层地热能开发控制因素及指引导则:以雄安新区起步区为例[J]. 地学前缘, 2024, 31(6): 158-172.

WANG Wanli, DUAN Yajuan, ZHANG Wei, ZHU Xi, MA Feng, WANG Guiling. Control factors and guidelines for urban-scale shallow geothermal energy development based on control units: An example from Xiong’an[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(6): 158-172.

图/表 18

图1 浅层地热能开发空间适宜性评价和指引导则工作流程图

Fig.1 Workflow of spatial suitability evaluation and guidelines for SGE development

图2 雄安新区起步区位置示意图

Fig.2 Location of the starting area of Xiong’an

图3 I—I’水文地质剖面图(引自文献[27])

Fig.3 Hydrogeologic profile I—I’. Adapted from [27].

表1 钻孔综合信息表

Table 1 Basic information on the field experiment

钻孔编号	位置	孔深/m	取样测试/件	热响应试验周期/h	温度监测
GQC01	容城县大河镇大河村	100	23	187	√
GQC02	安新县大王镇尹庄村	120	18	190	√
GQC03	安新县大王镇小王村	150	25	187	√
GQC04	安新县大王镇南六村	100	20	213	√
GQC05	容城县南张镇西牛村	120	23	170
GQC06	容城县小里镇新庄窠村	120	27	138

表2 现场热响应试验数据表

Table 2 Measurement data from thermal response tests (TRT)

钻孔编号	初始地温工况	取热工况		排热工况1		排热工况2
钻孔编号	试验时长/h	试验时长/h	温度/℃	试验时长/h	温度/℃	试验时长/h	温度/℃
GQC01	21	45	8.3	45	25.4	45	29.9
GQC02	21	45	8.7	45	28.5	45	31.3
GQC03	21	45	9.3	45	28.7	45	31.1
GQC04	21	45	8.9	45	28.2	45	31.1
GQC05	21	45	8.7	45	19.0	45	28.2
GQC06	21	45	7.3	24	23.5	19	28.7

表3 不同建筑冷热负荷取值一览表

Table 3 Cooling and heating loads for buildings

负荷类别	建筑物负荷/(W·m^-2)
冷负荷	131.0
热负荷	78.5

表4 本文使用数据集和方法

Table 4 Controlling factors used in the current study

因素	指标	重要性	数据来源
地质因素	地温场条件	决定了浅层地热可交换的基础温度	通过地温监测数据获取,表层地温受气温影响,本次实测
	水文地质条件	影响浅层地热能赋存的条件,包括地层、岩性、地下水的径流等	通过进行水文地质调查,对岩土体进行钻探取样,数据来源于实测及文献和资料的收集
	综合导热能力	反映岩土体与地埋管的热交换能力	通过开展热响应试验获取,本次实测
资源因素	热容量	反映了浅层地热能的开发利用潜力	通过室内测试获得相关参数数据,采用体积法进行评价,本次实测
资源因素	供暖制冷面积	反映了浅层地热能的实际可利用能力	利用热响应试验数据获取基本参数,结合建筑物冷热负荷计算,本次实测计算
社会生态因素	规划分区	决定浅层地热能的可利用区域	结合生态空间、城镇空间和地下空间的规划用途方面的要素
社会生态因素	地面沉降率	影响地埋管的长期使用	通过InSAR技术获取地面变形速率,数据来源于文献和资料收集

图4 研究区地温场分布图 a—50 m深度;b—100 m深度。

Fig.4 Distribution of shallow geothermal field in the study area

图5 研究区有效含水层厚度分区图

Fig.5 Distribution of effective aquifer thickness in the study area

表5 热响应试验成果一览表

Table 5 TRT Results

钻孔编号	初始地温/℃	换热量(Q)与流体进出口平均温度(T_f)关系式	综合热导率/(W·m^-1·K^-1)
GQC01	16.90	Q=4.200 9T_f-71.478 (R²=0.999 1)	1.72
GQC02	16.78	Q=3.463T_f-57.531 (R²=0.998 2)	1.55
GQC03	17.72	Q=3.922T_f-65.493 (R²=0.995 3)	1.65
GQC04	15.66	Q=3.993T_f-62.942 (R²=0.999 9)	1.65
GQC05	16.11	Q=5.069T_f-78.665 (R²=0.996 6)	1.80
GQC06	14.93	Q=4.167T_f-60.189 (R²=0.997 3)	1.62

图6 研究区综合导热能力分布图

Fig.6 Distribution of thermal conductivity in the study area

图7 岩土体基本物理性质和热物理性质参数统计图 a—自然密度;b—孔隙率;c—含水率;d—比热容。

Fig.7 Physical and thermophysical parameters for different sediment types. (a) Natural density. (b) Porosity. (c) Moisture content. (d) Specific heat capacity.

图8 研究区区管控单元单位面积热容量分布图

Fig.8 Distribution of heat capacity of control units in the study area

图9 研究区管控单元单位面积的供暖制冷潜力分布图 a—夏季;b—冬季。

Fig.9 Distribution of heating/cooling potential of control units in the study area. (a) Summer. (b) Winter.

图10 研究区浅层地热能利用空间规划图

Fig.10 SGE utilization spatial planning zozing map of the study area

图11 研究区地面沉降年平均形变速率图(据文献[33]补充修改)

Fig.11 Average annual rate of ground subsidence in the study area. Modified after [33].

图12 研究区浅层地热能开发建议分级图

Fig.12 Classification of SGE development in the study area

表6 管控单元浅层地热能开发利用分区指引导则

Table 6 Guidelines for SGE development in each control unit

参考文献 37

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