河南省鄭東新區(qū)地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用研究

劉玉忠

LIU Yu-zhong

（河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，鄭州 450045）

0 引言

地源熱泵技術(shù)起始于1912年，瑞士Zoelly提出了“地源熱泵”的概念[1]。地源熱泵系統(tǒng)是利用地表以下一定深度范圍內(nèi)土體、地下水中具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的淺層地?zé)崮埽ㄒ话銥榈乇硪韵?00m以?xún)?nèi)，溫度低于25℃的熱能）[2]。利用其與自然季節(jié)溫差部分的熱能來(lái)滿足建筑物的供暖、制冷和生活用水的需求。該系統(tǒng)具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益顯著、一機(jī)多用等優(yōu)勢(shì)，符合能源經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求。目前，鄭東新區(qū)利用的主要形式是地下水地源熱泵系統(tǒng)和垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)，且地下水地源熱泵系統(tǒng)居于多數(shù)。二者在初始投資、運(yùn)管費(fèi)用、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、占地面積及對(duì)地質(zhì)條件的要求等方面各有優(yōu)劣。本文在分析鄭東新區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對(duì)以上兩種地源熱泵系統(tǒng)在該區(qū)應(yīng)用的可行性進(jìn)行了探討。

1 概況

鄭東新區(qū)位于河南省鄭州市區(qū)東部,面積約150km2，由中央商務(wù)區(qū)、商住物流區(qū)、龍湖城市生態(tài)區(qū)、高校園區(qū)、科技園區(qū)、國(guó)家鄭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)六個(gè)功能區(qū)組成。京港澳高速公路與連（云港）霍（爾果斯）、京廣高鐵與徐（州）西（安）高鐵相交于此。

地貌上屬黃河沖積平原，海拔83～98m，地勢(shì)向東北微傾斜，坡降1/500左右，多年平均氣溫14℃，年平均降水量637.80mm，多年平均蒸發(fā)量為2058.20mm，相對(duì)濕度66.25%，絕對(duì)濕度12.89Mpa，平均凍土深49cm。

1.1 水文地質(zhì)條件

鄭東新區(qū)可利用的淺層地?zé)崮苤饕堑乇硪韵碌谒南抵械叵滤巴寥乐械睦錈嵩矗鶕?jù)鄭東新區(qū)已有的地質(zhì)研究成果及目前地下水賦存條件、水動(dòng)力特征、水質(zhì)特征及地下水開(kāi)發(fā)利用狀況等諸因素，在垂向上劃分為第一含水層組和第二含水層組，兩個(gè)含水層組水力聯(lián)系密切[3]。含水層巖性主要由細(xì)砂、中細(xì)砂、細(xì)砂夾粗砂組成，厚度一般小于50m，富水性差異較大，涌水量3000～500m3/d·5 m不等；地下水位埋深東部2～7m，西部5～20m；水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Ca· Mg型為主，水溫一般為15℃～22℃。非含水層巖性主要為粉質(zhì)粘土、粘土。第一含水層組局部已受到污染，第二含水層組為鄭州市主要供水層，局部已形成區(qū)域性降落漏斗[4]。

1.2 地溫場(chǎng)特征

鄭東新區(qū)蓋層平均地溫梯度一般為2.5～3.5℃/100m（一般低于3℃/100m）。垂向上又可分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶，最上部的變溫帶，其溫度主要受太陽(yáng)輻射的影響呈周期性變化；變溫帶之下是恒溫帶，其溫度基本保持恒定，鄭東新區(qū)恒溫帶的溫度為17℃（27m埋深處）；恒溫帶之下是增溫帶，其溫度主要受地殼熱傳導(dǎo)的影響，地溫隨深度的增加而增高，鄭東新區(qū)200m埋深處，地溫22℃。

1.3 淺層土體及熱物性參數(shù)

鄭東新區(qū)200m深度范圍內(nèi)地質(zhì)巖土體類(lèi)型主要為為第四系松散土，為黃河新近沖積物，其巖性主要為粉質(zhì)粘土、粉土、細(xì)砂、中細(xì)砂、中砂，局部含鈣質(zhì)結(jié)核。

鄭東新區(qū)地埋管適宜區(qū)換熱功率計(jì)算參數(shù)取值如表1所示。

表1 鄭東新區(qū)地埋管適宜區(qū)換熱功率計(jì)算參數(shù)取值表[5]

2 地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用可行性分析

2.1 地下水地源熱泵系統(tǒng)

鄭東新區(qū)200m以淺主要是淺層含水層組，依據(jù)該含水層組水文地質(zhì)條件，參考《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T0225-2009)，結(jié)合其他城市地源熱泵系統(tǒng)管理規(guī)定等相關(guān)規(guī)范、政策，對(duì)地下水地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)利用適宜性初步分區(qū)。

2.1.1 分區(qū)指標(biāo)的選取

分區(qū)指標(biāo)的選取主要考慮地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、地下水動(dòng)力場(chǎng)、水溫場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)、地質(zhì)環(huán)境、成本。淺層地溫能資源開(kāi)發(fā)利用分區(qū)主要是指地下水熱泵適宜性分區(qū)。

2.1.2 分區(qū)類(lèi)型與分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

分區(qū)類(lèi)型與分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)如表2和圖1所示。

表2 地下水熱泵適宜性分區(qū)表

圖1 地下水源熱泵系統(tǒng)開(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)圖

2.1.3 地下水熱泵適宜性分區(qū)結(jié)果

根據(jù)淺層地?zé)崮芑毓嘣囼?yàn)結(jié)果，水源熱泵開(kāi)發(fā)利用采取“一抽二回”方式比較合適。

總的來(lái)說(shuō)，鄭東新區(qū)水文地質(zhì)條件較好，100m以淺單井出水量普遍大于1000m3/d·5 m，局部1000～500m3/d·5 m；適宜于地下水地源熱泵的應(yīng)用，但該區(qū)處于黃河沖洪積平原，巖性顆粒較細(xì)，地下水頭較高，據(jù)調(diào)查，由于各種堵塞和操作工藝等原因，回灌效果不甚理想，在抽灌井?dāng)?shù)1：1的情況下，大多回灌量?jī)H為抽水量的20%～0%，不利于回灌；即使成井條件較好，抽灌井?dāng)?shù)1：2也剛剛達(dá)到100%回灌。這些因素在一定程度上又制約著地下水地源熱泵在該區(qū)大面積的使用。

2.2 垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)

垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)不受地下水資源的限制，只需占用一定的埋管區(qū)域，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。鄭東新區(qū)具有發(fā)展垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)得天獨(dú)厚的自然條件，從地理位置上看，鄭東新區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季濕熱多雨，四季分明，年平均氣溫為14℃；從地質(zhì)角度，鄭東新區(qū)200m以淺地層巖性以中細(xì)砂、中粗砂、粘土、粉質(zhì)粘土為主，恒溫層溫度在17℃，無(wú)論土質(zhì)和溫度都非常適合建設(shè)垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

2.2.1 分區(qū)指標(biāo)選取

根據(jù)鄭東新區(qū)實(shí)際，參考《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》(GB/T0225-2009)來(lái)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2.2.2 地埋管熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性評(píng)價(jià)分區(qū)表

表3 地埋管熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性評(píng)價(jià)分區(qū)表

據(jù)調(diào)查，目前鄭東新區(qū)在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前的埋管深度一般為150m，個(gè)別也采用80m或120m。

3 地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用存在的問(wèn)題及建議

1）地質(zhì)勘查工作嚴(yán)重滯后，缺乏必要的地區(qū)適宜性分析。

地源熱泵開(kāi)發(fā)應(yīng)用缺乏規(guī)劃與指導(dǎo)，主要是自發(fā)的商業(yè)開(kāi)發(fā)與業(yè)主結(jié)合的市場(chǎng)商業(yè)行為[6]，現(xiàn)有工程多未進(jìn)行場(chǎng)地淺層地?zé)崮芮捌诘刭|(zhì)勘查，缺乏對(duì)水文地質(zhì)條件與土壤熱物性的了解，未進(jìn)行熱泵應(yīng)用適宜性分析與分區(qū)。

2）建設(shè)地下水地源熱泵系統(tǒng)時(shí)，一定要保證回灌率，保護(hù)水資源，盡力避免地面沉降的發(fā)生。為了解決回灌問(wèn)題，必要時(shí)采用一采多灌模式，井距應(yīng)該控制在40m～50m,且在項(xiàng)目運(yùn)行后需要根據(jù)水井的實(shí)際運(yùn)行情況定期進(jìn)行回?fù)P和洗井，時(shí)間為一個(gè)供暖（冷）期，以恢復(fù)回灌井的回灌能力。

3）在建設(shè)垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)之前，一定要做原位熱響應(yīng)試驗(yàn)，取得真實(shí)的巖土體的熱物性參數(shù)。由于土壤初始溫度、土壤導(dǎo)熱系統(tǒng)的季節(jié)性變化，會(huì)導(dǎo)致冬季的試驗(yàn)結(jié)果比夏季偏大，單井換熱量相對(duì)偏差達(dá)10～15%，足可以導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案的變化，建議選擇冬季進(jìn)行原位熱響應(yīng)試驗(yàn)，鉆孔完成后保證足夠長(zhǎng)的土壤溫度恢復(fù)時(shí)間。

4）長(zhǎng)期使用地源熱泵會(huì)對(duì)原始地溫場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，引起熱平衡問(wèn)題，建議加強(qiáng)各項(xiàng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)工作，為研究熱平衡問(wèn)題提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5）鄭東新區(qū)埋藏著豐富的淺層地?zé)崮?，建議有關(guān)部門(mén)盡快制定“鄭東新區(qū)淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用規(guī)劃”，更加合理、科學(xué)的開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮堋?/p>

4 結(jié)論

鑒于鄭東新區(qū)的水文地質(zhì)條件等多種綜合因素考慮，筆者認(rèn)為，垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行費(fèi)用低，應(yīng)該更適于鄭東新區(qū)。施工時(shí)，要優(yōu)化換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)要進(jìn)行必要的原位熱響應(yīng)試驗(yàn)和加強(qiáng)對(duì)熱平衡問(wèn)題的研究；如確實(shí)需要使用地下水地源熱泵系統(tǒng)時(shí)，要加強(qiáng)回灌技術(shù)的研究，保證回灌率；但更要著眼于垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)的推廣。鄭東新區(qū)淺層地能豐富，建議盡快開(kāi)展淺層地?zé)崮艿恼{(diào)查評(píng)價(jià)工作，制定淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃，使之更好的為鄭東新區(qū)的發(fā)展服務(wù)。

[1] 王現(xiàn)國(guó).洛陽(yáng)市地下水源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀研究及前景展望[A].地溫資源與地源熱泵技術(shù)應(yīng)用論文集(第三集)[C].北京：地質(zhì)出版社,2009.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部.淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范(GB/T0225-2009)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[3] 張國(guó)建,劉玉忠,等.鄭東新區(qū)地?zé)崮苜Y源勘查報(bào)告[R].

[4] 姜寶良,張理盈,等.鄭州市城市地下水資源評(píng)價(jià)與信息管理系統(tǒng)研究報(bào)告[R].

[5] 趙云章,閆震鵬,等.河南省城市淺層地?zé)崮躘M].北京：地質(zhì)出版社,2010.

[6] 張德禎.河南省淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策.地溫資源與地源熱泵技術(shù)應(yīng)用論文集(第三集)[C].北京：地質(zhì)出版社,2009.