地源熱泵工程地質(zhì)勘查在實際工程中的應(yīng)用

劉志剛

(青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032)

1 引 言

地埋管地源熱泵系統(tǒng)是以巖土體為低溫?zé)嵩矗蔁岜脵C(jī)組、地埋管換熱系統(tǒng)和末端系統(tǒng)組成的供熱、空調(diào)系統(tǒng)。它是以可再生的低溫地?zé)崮転槔錈嵩催M(jìn)行供熱、制冷的新型能源利用方式，與使用煤、氣、油等常規(guī)能源供暖空調(diào)方式相比，具有清潔、高效、節(jié)能的特點。為充分了解工程項目的地質(zhì)條件、地層熱物性參數(shù)、換熱孔的換熱能力、地層熱恢復(fù)能力等參數(shù)，要進(jìn)行有針對性的地源熱泵工程地質(zhì)勘查工作，為地源熱泵系統(tǒng)的可行性論證和設(shè)計提供依據(jù)。

2 勘查工作

2.1 工作目標(biāo)及內(nèi)容

勘查目的是查明工程場地淺層地?zé)崮軛l件，進(jìn)行場地淺層地?zé)崮茉u價、淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用評價，為擬建工程項目提供設(shè)計依據(jù)。

主要內(nèi)容如下：

(1)測試孔鉆探，查明巖土層巖性結(jié)構(gòu)、地下水位、地溫場分布特征；

(2)現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗，獲取巖土熱物性參數(shù)，包括巖土初始平均溫度、穩(wěn)定熱流、穩(wěn)定工況測試；

(3)場區(qū)淺層地?zé)崮茉u價。

2.2 技術(shù)路線

勘查、評價工作在搜集、整理、分析已有資料的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)場勘探、測試為主，輔以一定的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查的技術(shù)路線，具體的勘查測試技術(shù)路線如圖1所示。

2.3 確定勘探孔位

勘探孔位及數(shù)量的確定，可以根據(jù)場地條件和業(yè)主要求確定，一般是選擇在空調(diào)設(shè)備安裝區(qū)域。

圖1 技術(shù)路線圖

2.4 鉆探

工程采用的鉆機(jī)一般為ZW-500型水井鉆機(jī)，阿特拉斯XHR-350型空壓機(jī)，13W-160型泥漿泵，鉆鑿1眼 120 m深測試孔，1眼 110 m深測試孔，鉆鑿過程中對地層巖性進(jìn)行編錄，孔徑為Φ150。鉆井機(jī)照片如圖2所示，現(xiàn)場鉆井如圖3所示。

圖3 鉆探照片

3 熱響應(yīng)測試

3.1 勘探孔成孔

測試孔鉆鑿?fù)瓿珊笙氯際DPE(高密度聚乙烯)雙U管，PE內(nèi)徑為 26 mm，壁厚 3 mm。鉆孔采用水泥砂漿回填?，F(xiàn)場回填如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場回填照片

(1)材料選擇

管材選用偉星管業(yè)的高密度聚乙烯管(HDPE管)，技術(shù)參數(shù)如表1所示。雙U埋管能夠在一定程度上提高地埋管換熱器的換熱量，節(jié)約占地面積，項目后期采用雙U埋管可能性較大，為了使測試更加接近未來的使用條件，本次測試亦采用雙U管埋設(shè)。勘查區(qū)地層以基巖為主，因此本次勘探孔回填料選用水泥砂漿，水泥與砂的混合比例為3∶7。

HDPE管技術(shù)參數(shù)表 表1

(2)下管、回填施工過程

現(xiàn)場檢查：HDPE管運達(dá)現(xiàn)場后，對管材的端口做好封閉，防止雜土、雜物進(jìn)入。質(zhì)檢員查驗管材合格證、規(guī)格型號，現(xiàn)場對長度、壁厚、外徑等進(jìn)行檢驗。

清洗打壓：每個U型接頭熔接成功后，進(jìn)行清洗打壓試驗。用干凈的自來水沖洗后進(jìn)行打壓(1.2 MPa，如圖5所示)，帶壓觀測 15 min以上，無滲漏、無破裂，壓力下降不超過3%，檢驗合格。打壓試驗完成后，每組雙U型換熱管的管口立即密封，并且保持管內(nèi)的打壓水。

圖5現(xiàn)場打壓、下管、回填(灌漿)照片

下管：4根PE管均勻平穩(wěn)下入(如圖5(a)所示)，下管時保壓下管，下入過程中與地面垂直的地上管段不小于 1 m。

注漿回填：采用水泥砂漿注漿法(如圖5(b)所示)，將注漿導(dǎo)管隨PE管一同下至孔底。通過注漿泵將水泥砂漿注入孔底，待水泥砂漿溢出地面，將注漿導(dǎo)管拔出，完成注漿。

打壓：灌漿完畢后，再進(jìn)行一次打壓試驗，打壓 0.6 MPa，帶壓觀測 0.5 h以上，無滲漏、無破裂，壓力下降不超過3%，即為合格。

3.2 現(xiàn)場熱響應(yīng)測試

在勘探孔成孔后，由于回填的水泥砂漿在凝固過程中放熱，根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定需進(jìn)行10天地層溫度恢復(fù)期，10天后開始進(jìn)行現(xiàn)場熱響應(yīng)測試。測試內(nèi)容包括對1#、2#勘探孔進(jìn)行巖土初始溫度測試、穩(wěn)定熱流測試、穩(wěn)定工況(冬、夏季工況)測試?，F(xiàn)場熱響應(yīng)測試如圖6所示，各項工作完成時間如表2所示。

圖6 現(xiàn)場熱響應(yīng)測試照片

勘探孔熱響應(yīng)測試完成時間統(tǒng)計表 表2

3.3 測試設(shè)備

現(xiàn)場熱響應(yīng)測試采用CR24T12/4型淺層地?zé)崮芾?、熱響?yīng)測試車(如圖7所示)、BHD-06FS05/2型便攜式熱響應(yīng)測試儀(如圖8所示)和DTM08-NA/2型地層溫度監(jiān)測儀。

測試設(shè)備可完成穩(wěn)定熱流測試(巖土體熱物性參數(shù)測試)、穩(wěn)定工況測試(冬、夏季地埋管換熱器放熱和吸熱能力測試)，巖土初始平均溫度測試(可采用無功循環(huán)法、地埋管水溫平衡法和埋設(shè)傳感器法)以及巖土溫度的恢復(fù)測試等測試工作。測試設(shè)備選用高精度傳感器，流量計精度等級為0.25級，溫度傳感器精度為A級，經(jīng)計算測試設(shè)備整體最大測試誤差為±3.5%。

圖7 CR24T12/4型淺層地?zé)崮芾?、熱響?yīng)測試車

圖8 DTM08-NA/2型地層溫度監(jiān)測儀

4 工作的主要成果

4.1 場區(qū)地層分布及地下水特征

擬建場區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)簡單，層序清晰，第四系主要由全新統(tǒng)人工填土層組成，下伏基巖主要為燕山晚期粗?；◢弾r，局部穿插有細(xì)?；◢弾r脈及煌斑巖脈，其中填土層較薄，約 0.4 m～4.0 m。1#測試孔 3 m～12 m為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，12 m～110 m為微花崗巖，2#測試孔 3 m～14 m為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，14 m～15.5 m為中風(fēng)化花崗巖，15.5 m～120 m為微花崗巖，地層可鉆性差。

場區(qū)勘探深度內(nèi)見有地下水。地下水類型為基巖裂隙水，主要賦存于基巖各風(fēng)化帶中，勘查過程中實測穩(wěn)定水位埋深 3.60 m～6.30 m，標(biāo)高 15.46 m～18.58 m。場區(qū)地下水主要補(bǔ)給源為大氣降水，排泄方式以地下徑流為主。

4.2 現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗結(jié)果

(1)巖土初始溫度

巖土初始平均溫度測試采用垂直埋設(shè)溫度傳感器法，垂直埋設(shè)溫度傳感器法是將溫度傳感器下入不同的深度，記錄不同深度的地層溫度，分析巖土體溫度的方法。如圖9和圖10分別為1#和2#測試孔埋設(shè)溫度傳感器溫度曲線。經(jīng)計算1#測試孔的巖土初始平均溫度為15.67℃，2#測試孔的巖土初始平均溫度也為15.76℃，即可得出當(dāng)?shù)氐膸r土初始平均溫度為15.72℃。

圖9 1#測試孔埋設(shè)溫度傳感器溫度曲線

圖10 2#測試孔埋設(shè)溫度傳感器溫度曲線

(2)穩(wěn)定熱流測試

穩(wěn)定熱流測試是利用測試設(shè)備向地埋管換熱器提供恒定熱流，通過監(jiān)測地埋管換熱器的進(jìn)、出水溫度的變化和流量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)分析處理計算后得到巖土體的平均導(dǎo)熱系數(shù)。如圖11為穩(wěn)定熱流測試曲線。

圖11 穩(wěn)定熱流測試曲線

(3)穩(wěn)定工況測試(夏季)

穩(wěn)定工況(夏季工況)測試即夏季地埋管換熱器的吸熱能力測試，利用測試設(shè)備穩(wěn)定地建立夏季地埋管換熱器的運行工況，在工況穩(wěn)定的情況下測定地埋管換熱器的換熱量，從而確定每延米地埋管換熱器的吸熱能力。

圖12 穩(wěn)定工況(夏季工況)測試曲線

如圖12為穩(wěn)定工況(夏季工況)測試曲線，取2016年9月21日15：30～22日17：27數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，在有效數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)，地埋管換熱器進(jìn)水溫度為35.2℃，設(shè)定值為35℃，偏差小于0.3℃；流量為 1.4 m3/h，設(shè)定值為 1.4 m3/h，偏差小于 0.1 m3/h；實際測定地埋管換熱器出水溫度平均值為30.7℃，換熱量為7.35 kW，換熱孔深 110 m，因此單位延米地埋管換熱器換熱功率為 66.77 W/m。

(4)穩(wěn)定工況測試(冬季)

穩(wěn)定工況(冬季工況)測試即冬季地埋管換熱器的排熱能力測試，利用測試設(shè)備穩(wěn)定地建立冬季地埋管換熱器的運行工況，在工況穩(wěn)定的情況下測定地埋管換熱器的換熱量，從而確定每延米地埋管換熱器的排熱能力。

圖13 穩(wěn)定工況(冬季工況)測試曲線

如圖13為穩(wěn)定工況(冬季工況)測試曲線，取2016年9月19日7：27～20日13：45數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，在有效數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)，地埋管換熱器進(jìn)水溫度為5.1℃，設(shè)定值為5℃，偏差小于0.3℃；流量為 1.4 m3/h，設(shè)定值為 1.4 m3/h，偏差小于 0.1 m3/h；實際測定地埋管換熱器出水溫度平均值為8.11℃，換熱量為 5.07 kW，換熱孔深 116 m，因此單位延米地埋管換熱器換熱功率為 43.74 W/m。

(5)溫度恢復(fù)測試

《淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范》中5.4.4要求：每次加熱(冷)負(fù)荷停止后，應(yīng)繼續(xù)觀測回路的進(jìn)出口溫度，至溫度穩(wěn)定(變化幅度小于0.5℃)為止，觀測時間不少于 12 h。本次勘查工作在穩(wěn)定熱流測試間以及穩(wěn)定工況冬、夏季工況測試間進(jìn)行了 48 h左右的溫度恢復(fù)測試，并利用地溫監(jiān)測儀對溫度進(jìn)行監(jiān)測。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出經(jīng)過 48 h恢復(fù)后溫度基本恢復(fù)到原始地層溫度。

(6)地埋管換熱功率

在穩(wěn)定工況測試中，通過監(jiān)測地埋管換熱器的進(jìn)、出水溫度的變化和流量數(shù)據(jù)以及通過數(shù)據(jù)計算出的勘探孔換熱功率，對數(shù)據(jù)分析處理計算后得到地埋管換熱器傳熱系數(shù)。

通過分析勘探孔穩(wěn)定工況(冬、夏季工況)測試數(shù)據(jù)計算得出逐時的地埋管換熱器傳熱系數(shù)，根據(jù)地埋管換熱器傳熱系數(shù)的變化趨勢取得相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)對其求平均得出整個工況測試過程的平均地埋管換熱器傳熱系數(shù)?？碧娇紫募竟r測試數(shù)據(jù)分析并計算得出地埋管換熱器傳熱系數(shù)為 3.86 W/mK，勘探孔冬季工況測試數(shù)據(jù)分析并計算得出地埋管換熱器傳熱系數(shù)為 4.75 W/mK。

5 淺層地?zé)崮茉u價

5.1 現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗結(jié)果

(1)勘查孔100 m內(nèi)巖土初始平均溫度為15.72℃。

(2)勘探孔巖土平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)為 2.67 W/mK。

(3)夏季測試工況下，地埋管換熱器進(jìn)水溫度35.2℃，流量 1.4 m3/h，地埋管換熱器出水溫度為30.7℃，單位延米地埋管換熱器換熱功率為 66.77W/m。

(4)冬季測試工況下，地埋管換熱器進(jìn)水溫度5℃，流量 1.4 m3/h，地埋管換熱器出水溫度為8.11℃，單位延米地埋管換熱器換熱功率為 43.74 W/m。

(5)夏季工況地埋管換熱器平均傳熱系數(shù)為 3.86 W/mK，冬季工況地埋管換熱器平均傳熱系數(shù)為 4.75 W/mK。

5.2 適宜性評價

勘查區(qū)第四系不超過5 m，第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水富水性一般，因此不適合采用地下水換熱方式。

對于地埋管換熱方式，淺層地?zé)崮苓m宜性分區(qū)主要考慮巖土體特征、地下水的分布和滲流情況、地下空間利用等因素。(豎直)地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)主要指標(biāo)如表3所示。

(豎直)地埋管換熱適宜性分區(qū) 表3

根據(jù)現(xiàn)場勘查工作，勘查區(qū)第四系厚度小于5 m，下伏基巖為花崗巖，地下水位 18 m，根據(jù)表3勘查區(qū)屬于較適宜區(qū)。

根據(jù)現(xiàn)場熱響應(yīng)測試結(jié)論，勘查孔巖土平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)為 2.67 W/mK，換熱性能好，適宜采用(豎直)地埋管換熱方式。

勘查區(qū)地層以基巖為主，由于地層堅硬鉆進(jìn)時間長，其鉆探成本比松散第四系地層高。

5.3 資源評價結(jié)論

勘查區(qū)面積為14 074.3 m2，以2#勘查孔作為勘查區(qū)代表地層，計算勘查區(qū)淺層地?zé)崮莒o態(tài)儲量為1.79×109kJ/℃，地層溫度每變化1℃釋放或吸收的熱量相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤 61 t。

勘查區(qū)綠化和廣場用地占規(guī)劃總建設(shè)用地的36.3%，約為 5 109 m2，若地埋管布孔間距取 5 m，則單孔占地面積為 25 m2，經(jīng)計算，綠地和停車場可布換熱孔數(shù)量為204眼?？辈閰^(qū)可開采資源量夏季工況(地埋管進(jìn)水溫度35℃，流量 1.4 m3/h)為 1 635 kW，冬季工況(地埋管進(jìn)水溫度5℃，流量 1.4 m3/h)為 1 070 kW，可為 20 438m2建筑提供夏季制冷(負(fù)荷指標(biāo)取 80 W/m2)和 21 400 m2建筑提供冬季供暖(負(fù)荷指標(biāo)取 50 W/m2)，滿足建筑需求。

6 結(jié) 語

傳統(tǒng)常規(guī)能源的使用，必定會造成空氣的日漸污染及氣候的變化。伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家提倡創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，深入推進(jìn)能源革命，并推動新能源的開發(fā)及利用，太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿刃履茉磳⒌玫綇V泛的應(yīng)用。地源熱泵工程地質(zhì)勘查工作對于場區(qū)地?zé)崮荛_發(fā)的可行性提供設(shè)計依據(jù)，對于其他新能源的開發(fā)也是具有指導(dǎo)作用。