淺層地熱能在巖溶地區(qū)的開發(fā)應用

何文君，向賢禮，李勇剛，李朝佳

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質勘查局，貴州 貴陽 550005;2.貴州理工學院 ，貴州 貴陽 550004)

淺層地熱能作為一種清潔、無污染的可再生新型能源，在我國的華北、華東等沿海發(fā)達城市以得到廣泛應用。在地處高原巖溶—侵蝕為主的貴州地區(qū)，碳酸鹽巖廣泛分布，巖溶發(fā)育，地下水分布極不均勻，第四系厚度薄，不適宜水平地埋管換熱系統(tǒng)和地下水換熱系統(tǒng)開發(fā)利用淺層地熱能，但淺層地熱能資源潛力大，具備地源熱泵開發(fā)利用的各項條件，適宜豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)的建造[1]，可進行大力推廣。因此研究巖溶地層的熱物性參數(shù)，推廣地源熱泵技術在巖溶地區(qū)的應用，有效獲取淺層地熱資源，是一個具有重要現(xiàn)實意義的研究課題。本文通過貴州省有色科技大樓副樓工程場地建造地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)利用實例，介紹了碳酸鹽巖中開發(fā)利用淺層地熱能的方法和成功經驗，為地埋管地源熱泵技術在巖溶地區(qū)推廣應用提供技術性參考。

1 場地淺層地熱地質條件

貴州省有色科技大樓擬用端承樁基礎，副樓擬用淺層地熱能供熱和制冷。工程場地位于貴陽向斜東翼，近向斜昂起端，斷裂構造不發(fā)育。場地標高1 086.5 m，巖層為單斜產出，傾向241°、傾角68°。場地第四系厚度分布不均勻，為0～8.5 m，下伏地層為三疊系下統(tǒng)安順組(T1a)白云巖，灰 -淺灰色、薄-中厚層狀。鉆探揭露淺部巖體節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，一般以溶孔、溶蝕裂隙發(fā)育為主，線巖溶率僅為9.6%;標高1 050～1 045 m以下深部巖體的巖溶發(fā)育程度為中等發(fā)育，見洞隙率達23.8%，巖溶發(fā)育形態(tài)主要以溶洞為主，揭露最大溶洞高為 1.00 m，一般溶洞高 0.50～0.80 m，局部溶洞連通性較好，多數(shù)溶洞呈半充填狀態(tài)，充填物為軟塑 -流塑狀粘土。

場地地下水潛水位標高為1 001.00 m，以上主要為賦存于包氣帶巖石空隙、巖溶裂隙中的重力水;以下主要為賦存于飽水帶巖石中的巖溶裂隙水，其空間分布、賦存狀態(tài)取決于巖溶、裂隙發(fā)育程度等，具各向異性。

場地淺層熱儲層巖性單一，巖體熱物性參數(shù)與石灰?guī)r相當，導熱率較高，較適宜豎直地埋管換熱建設。溶蝕洞穴中的泥質充填物對導熱率不利，地下水有利于提高導熱率。經場地地溫測量，0～35 m為變溫層，35 m以下為恒溫層。恒溫層的溫度為16.7℃ ～17.6℃;變溫層的溫度受大氣溫度影響較大，夏季，低于大氣溫度5℃ ～10℃，冬季，高于大氣溫度約3℃ ～8℃。

2 場地熱物性測試成果

場地巖土體的綜合熱導系數(shù)是地埋管地源熱泵系統(tǒng)設計的重要參數(shù)，采用現(xiàn)場測試獲得的熱物性參數(shù)更能真實、可靠地反映工況條件。

考慮到本建筑工程后期部署雙U垂直地埋管的場地面積不足問題，試驗增做樁埋螺旋盤管換熱器的巖土熱物性測試。螺旋盤管的樁孔徑為 Φ1 200 mm，孔深8 m，盤管間距10～12 cm，樁周土為硬塑 -可塑狀紅粘土，嵌巖深度為0.8 m。垂直埋管孔采用并聯(lián)式垂直雙 U地埋管換熱器類型，孔深 100 m，孔徑 Φ150 mm。

用線源理論[2]，通過現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，結合本地區(qū)氣候條件及測試工況(夏季)，綜合熱導系數(shù)測試成果見表1。

表1 場地巖土體熱物性測試參數(shù)成果表

表中巖體熱物性測試成果表明:

1)雙U垂直埋管的熱物性測試獲得的白云巖綜合熱導系數(shù)值為3.12 w/(m·℃)，高于規(guī)范[3]中石灰?guī)r熱導系數(shù)2.010 w/(m·℃)。

2)紅粘土層中樁螺旋盤管的熱物性測試獲得的綜合熱導系數(shù)值為 1.49 w/(m·℃)，高于規(guī)范[3]中粘土 1.110 w/(m·℃)的熱導系數(shù)。

3)巖體綜合熱導系數(shù)不僅受換熱器類型影響較大，而且與地層巖性、風化程度、巖溶發(fā)育程度、地下水滲流等有關。

4)碳酸鹽巖分布區(qū)，雖巖溶裂隙發(fā)育，但巖體仍然具有有較強的地下?lián)Q熱能力，其綜合熱導系數(shù)高于泥巖、頁巖，因此本場地適宜建造地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

3 換熱器系統(tǒng)設計、施工

為充分利用有限場地，確保最大采集地埋管換熱量，本場地采用基礎樁(能量樁)與垂直換熱孔有效組合見圖1。依據(jù)規(guī)劃，垂直換熱器孔布置于科技大樓北部出入口綠化帶，面積為30 m×30 m，呈不規(guī)則狀，垂直埋管孔平面間距4～5 m，共布署實施26孔，采用高密度聚乙烯材質的并聯(lián)式垂直雙U地埋管換熱器類型，單孔孔深40～85 m，總進尺為1 750.5 m，完成下置雙 u埋管總長為6 694 m，埋管總長度1 700 m。

樁埋管換熱器是將地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器PE管埋于建筑物混凝土樁基中，使其與建筑結構相結合。樁埋螺旋盤管是將換熱器，在建筑物混凝土樁基施工時，以螺旋式盤繞安裝于基樁鋼筋籠外側，并隨同鋼筋籠一起下入樁孔中，利用灌注混凝土樁進行埋設，不改變樁基施工順序。盤管間距為10～12 cm，本工程共利用22顆樁安裝盤管，埋設螺旋盤管總長5 200 m。

圖1 基礎樁(能量樁)與垂直換熱孔有效組合布置圖

4 場地淺層地熱能評價

4.1 場地淺層地熱能的靜儲量計算

依據(jù)場地水文地質條件，本場地淺層地熱能的靜儲量估算方法，采用體積法計算法，分別計算包氣帶和包水帶中的單位溫差儲藏的熱量，然后合并計算評價范圍內地質體的熱儲性能[3]。

計算式中，白云巖體密度(ρs)、巖體骨架比熱容(CS)、巖體的孔隙率、含水量、水密度、空氣密度、空氣比熱容等參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場試驗及參照規(guī)范取值，計算面積(M)分 M1區(qū)、M2區(qū)，M1為垂直埋管布置區(qū)，計算厚度為換熱孔控制深度，計算面積取埋管邊界外延4m圈定的平面面積;M2為樁埋螺旋盤管布置區(qū)，計算厚度取值最大埋樁樁長，計算面積取樁埋管邊界外延4 m圈定的平面面積。由此，建造場地淺層地熱能的靜儲量計算結果見表2。

表2 場地淺層地熱能的靜儲量計算結果表

4.2 熱泵系統(tǒng)的換熱量計算

依據(jù)現(xiàn)場熱物性測試成果，雙U垂直地埋管的白云巖平均導熱系數(shù)取值3.12 W/m℃，樁基螺旋盤管的紅粘土平均導熱系數(shù)取值1.49 W/m℃。

因此，由26孔雙U垂直埋管和22顆基樁螺旋盤管共同建造的地埋管換熱系統(tǒng)參數(shù)計算成果如表3、表4:

表3 樁基螺旋盤管參數(shù)計算成果表

表4 雙U垂直地埋參數(shù)計算成果表

由表3、表4，地源熱泵系統(tǒng)的室外換熱器采用基礎樁螺旋盤管換熱器和雙u埋管換熱器聯(lián)合進行取熱和放熱，不考慮水平埋管換熱器產生的熱量，整個系統(tǒng)理論總制冷量約為212.7 kW，總制熱量約為 147.2 kW。

4.3 熱泵系統(tǒng)服務面積

依據(jù)建筑類型，結合貴陽地區(qū)氣候條件，取用夏季制冷負荷估算指標為90 W/m2，冬季制熱負荷估算指標為70 W/m2，通過計算:本場地淺層地熱能地源熱泵系統(tǒng)總服務面積為2 100～2 360 m2。能滿足建筑面積為2 000 m2的科技大樓副樓(5F)建造空調系統(tǒng)要求。

5 系統(tǒng)運行情況評價

地下水的滲流對巖石熱交換有顯著影響[4]，不僅體現(xiàn)在增加換熱器的熱交換能力上，也體現(xiàn)在有效降低冷熱負荷不平衡上[5]。

本場地穩(wěn)定地下水位埋藏較深，垂直埋管和樁螺旋盤管分布空間基本上位于包氣帶中，因此場地熱均衡評價未考慮地下水滲流影響因素。

冬季工況下，熱泵系統(tǒng)運行觀測成果可知:進出口水溫差 3.4℃ ～3.7℃，場地巖土恒溫層溫度約為 15.6℃，依據(jù)回水溫度基本穩(wěn)定時的出入口溫差計算[3]，冬季總吸熱量 Q為115 kw。按冬季采集淺層地熱能吸熱量天數(shù)90 d計，累計可利用的熱能量[6]為 1.49 × 109kJ。

計算結果表明，工程場地熱泵系統(tǒng)冬季運行時，場地巖土吸熱負荷值比設計理論值小，且系統(tǒng)運行時換熱器的吸熱量遠小于場地淺層地熱能的靜儲量。

由此可見，本場地建造地埋管式熱泵系統(tǒng)的設計是在現(xiàn)場巖體物熱性試驗成果的基礎上進行的，參數(shù)取用真實、可靠、有效，地下埋管換熱器的換熱/制冷效果比較穩(wěn)定，夏、冬的冷熱均衡。

6 主要成果

(1)本工程場地建造的熱泵系統(tǒng)運行結果表明，在地下水源熱泵系統(tǒng)受到制約的高原巖溶地區(qū)，特別是碳酸鹽巖廣泛分布的貴州地區(qū)，巖溶一般至中等發(fā)育的白云巖，具有較強的地下?lián)Q熱能力，采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)技術開采淺層地熱能進行供熱/制冷是適宜的。

(2)本場地地質單元的白云巖熱導系數(shù)測試值成果說明，巖體綜合熱導系數(shù)受換熱器類型(單U、雙U)影響較大。

(3)在樁長和深度適宜的情況下，利用建筑物端承樁，采用鋼筋籠外(內)螺旋盤管類型的換熱器采集淺層地熱能無疑是節(jié)約投資、節(jié)省用地，值得研究。

7 需要說明的問題

(1)論文初步測定了巖溶區(qū)白云巖不同風化程度、不同換熱裝置的熱導系數(shù)。數(shù)據(jù)表明白云巖的熱導系數(shù)較高，且受風化程度、巖溶發(fā)育程度、地下水影響較大，有必要進一步研究、獲取優(yōu)化開采的依據(jù)。

(2)淺層地熱能的采集與熱導系數(shù)關系密切，而巖土體的熱導系數(shù)與巖土性質、地下水的賦存情況、巖溶發(fā)育程度等。要準確獲取巖土體的熱物性參數(shù) ，建議進行巖土體熱物性單元劃分研究。

(3)本應用項目的換熱孔間距設計是否合理、冷熱負荷是否平衡，場地巖土體溫度變化是否適宜，有待進一步監(jiān)測評價。

[1]段啟杉，孟凡濤，等.貴陽市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景.地下水.2013，35(1).

[2]刁乃仁，方肇洪.地埋管地源熱泵技術.北京:高等教育出版社.2006.

[3]淺層地熱能勘查評價規(guī)范.DZ/T0225-2009.

[4]王慶鵬.地下水滲流對地源熱泵影響的研究[D].北京，北京工業(yè)大學.2007.6.

[5]馬福一，劉亞鳳.地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡問題分析.上海市重點學科建設(S30503).2010.

[6]地熱資源地質勘查規(guī)范.GB/T11615-2010.