典型氣候帶地埋管地源熱泵運行對地溫場的影響分析

賈子龍 鄭佳 杜境然 劉愛華 李娟 李富

摘? 要：我國的淺層地溫能開發(fā)利用以寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用最為廣泛，利用方式以地埋管地源熱泵系統(tǒng)為主。其中寒冷地區(qū)北京、天津、河北等省市發(fā)展規(guī)模較大，夏熱冬冷地區(qū)江蘇和浙江兩地發(fā)展規(guī)模較大。本文選取寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)規(guī)模較大、具有代表性的地埋管地源熱泵工程開展了地溫場的監(jiān)測，分析了地溫場的監(jiān)測數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，受氣候帶的影響建筑物的供暖和制冷情況會有所差異，但其所使用的地源熱泵系統(tǒng)運行對地溫場的影響非常有限，不會因氣候帶的差異而有所差別。

關(guān)鍵詞：淺層地溫能;地埋管地源熱泵;氣候帶;地溫場;監(jiān)測數(shù)據(jù)

中圖分類號：P314;X141? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2019）03-0081-06

Influence of Geothermal Field by Operation of Ground Source Heat Pump with Underground Pipe in Typical Climate Zone

JIA Zilong， ZHENG Jia， LI Juan， LIU Aihua， DU Jingran， LI Fu

（Beijing Geothermal Research Institute， Beijing 102218）

Abstract： Based on the present situation of shallow geothermal energy development and utilization in China， this paper studies the shallow geothermal energy development and utilization， which is most widely used in cold areas， or in the areas with hot summer and cold winter in China. The main mode of utilization is ground source heat pump system with buried pipes. In the cold areas， the geothermal energy are mainly utilized in Beijing， Tianjin and Hebei， and in the areas with hot summer and cold winter， the geothermal energy are mainly utilized in in Jiangsu and Zhejiang. Based on the division of climate zones， the large-scale and representative ground source heat pump projects in above two climatic zones are selected to monitor the geothermal field， which monitoring data are analyzed. The results show that the buildings’ heating and cooling will be greatly affected by climate zones. But the influence of ground source heat pump system on geothermal field is very limited and will be no difference between climatic zones.

Keyword： shallow geothermal energy; ground-coupled heat pump; climatic zone; geothermal field; monitoring data

0 引言

我國淺層地溫能資源開發(fā)利用起步較晚，但是近年來發(fā)展十分迅速。2010年，我國淺層地溫能年利用量已高居全球第二（丁宏偉等，2016），2015年更一躍成為世界淺層地溫能利用量最大的國家，地源熱泵當(dāng)前的發(fā)展速度已領(lǐng)跑世界。全國31個省市區(qū)均有淺層地溫能開發(fā)利用工程項目，80%的項目集中在華北和東北南部地區(qū)，包括北京、天津、河北、遼寧、河南、山東等省市。

據(jù)統(tǒng)計，截至2016年，我國淺層地溫能應(yīng)用建筑面積約4.78億m2，替代標(biāo)煤1505萬噸，占全國能源消費總量的0.463%，每年可節(jié)約標(biāo)煤806萬噸，減排二氧化碳1792萬噸、二氧化硫12.76萬噸，經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益顯著。

按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176-2016）中建筑熱工設(shè)計分區(qū)的有關(guān)規(guī)定，我國氣候帶可劃分為5個地區(qū)，分別是嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)。從目前淺層地溫能開發(fā)利用的情況來看，其應(yīng)用主要以寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用最為廣泛。

本次研究選取了寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)的規(guī)模較大的地埋管地源熱泵項目進(jìn)行分析，論證在典型氣候帶的條件下地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行是否會對地溫場產(chǎn)生不可逆的影響。

1 典型氣候帶淺層地溫能利用情況

（1）寒冷地區(qū)

寒冷地區(qū)主要位于我國華北及西北地區(qū)，包括遼寧、北京、天津、河北、山東、山西、河南、山西、寧夏、甘肅、新疆等省市自治州，其最顯著的氣候特點是夏季炎熱，冬季寒冷，且干旱少雨。建筑冬夏均有冷熱量的需求，淺層地溫能的開發(fā)利用以夏季制冷（3個月），冬季供暖（4～5個月）為主。

以北京市為例，截至2012年底北京市地源熱泵項目數(shù)量已達(dá)到1042個，實現(xiàn)供暖面積3276萬m2。地下水地源熱泵項目876個，實現(xiàn)供暖面積2506萬m2;地埋管地源熱泵項目157個，實現(xiàn)供暖面積702萬m2;地表水地源熱泵項目9個（不包括污水源熱泵項目），實現(xiàn)供暖面積68萬m2。其淺層地溫能資源開發(fā)利用項目以公共建筑為主，建筑類型包括辦公樓、商業(yè)建筑、工業(yè)廠房、教學(xué)樓、居民建筑、旅館酒店、衛(wèi)生建筑以及文化與體育建筑等，其中辦公和商業(yè)建筑、居民建筑以及教育建筑所占比例較大，約占總服務(wù)面積的83%。地源熱泵項目規(guī)模不等，1～10萬m2的建筑居多，利用規(guī)模較大的可達(dá)幾十萬平方米（圖1）。

天津市第一個淺層地溫能開發(fā)利用工程項目于2000年建成，利用面積500m2。經(jīng)過10年的發(fā)展，淺層地溫能開發(fā)利用工程數(shù)量和利用面積均有大幅度增加。據(jù)統(tǒng)計，截至2010年，天津的地源熱泵項目數(shù)量達(dá)到174個，應(yīng)用建筑面積約為294.79萬m2。其中地埋管地源熱泵項目132個，占總數(shù)量的75.86%，利用面積174.87萬m2;地下水地源熱泵項目42個，占總數(shù)量的24.14%，利用面積111.5萬m2。在地下水地源熱泵項目中，開采方式主要為對井采灌、多井采灌，并以回灌量確定開采量。

河北省淺層地溫能開發(fā)的工程主要集中在石家莊和保定，邢臺、承德、張家口的工程數(shù)量次之。根據(jù)調(diào)查，到2010 年底，河北省地源熱泵應(yīng)用建筑面積約920萬m2（陳國安等，2013）。其中石家莊、保定、邢臺、邯鄲、廊坊、衡水、滄州、張家口、承德和秦皇島10個城市的應(yīng)用面積約占河北省總的應(yīng)用面積的一半，約490萬m2。據(jù)不完全統(tǒng)計，至2010年底，這10個重點城市地源熱泵利用工程約202個，其中地下水式利用工程159 個，地埋管式利用工程43個。

陜西省具有豐富的淺層地溫能資源，自2006年以來先后在關(guān)中、陜南和陜北地區(qū)開發(fā)利用淺層地溫能的單位已經(jīng)有150余家，淺層地溫能的開發(fā)利用面積已達(dá)1153萬m2（孟陽，2017）。

（2）夏熱冬冷地區(qū)

夏熱冬冷地區(qū)主要位于我國長江中下游地區(qū)，包括上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川等省市的大部分地區(qū)以及貴州東北、福建北部等地區(qū)，其顯著的氣候特點是夏天熱，冬天冷，而且常年濕度很高，建筑冬夏均有冷熱量的需要。淺層地溫能的開發(fā)利用以夏季制冷（約4個月）和冬季供暖（約3個月）為主。

以杭州為例，據(jù)統(tǒng)計，截至2012年，杭州已有地源熱泵項目73個，建筑總面積455.6萬m2。其中地埋管地源熱泵項目68個，地下水地源熱泵項目5個。單個項目利用面積最小的為中國計量學(xué)院地源熱泵實驗室，空調(diào)面積64m2，最大的為杭州新火車東站，建筑面積32萬m2。在杭州市區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用建筑類型中，別墅類項目最多，共33個，總面積222.73萬m2，其次為住宅小區(qū)，共11個，總面積101.56萬m2，其它建筑29個，總面積131.27萬m2（圖2）。

南京自2009年列為全國首批可再生能源建筑應(yīng)用示范城市以來，淺層地溫能的開發(fā)利用逐漸提速，開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到政府公共建筑、辦公大樓、商業(yè)廣場及一般民用住宅等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，南京淺層地溫能應(yīng)用面積每年均以40萬m2的速度在增長，截至2013年9月，已有141處淺層地溫能開發(fā)利用工程，應(yīng)用面積已經(jīng)超過600萬m2（鄂建等，2015）。

2 寒冷區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用對地溫場影響分析

據(jù)典型氣候帶淺層地溫能利用情況分析結(jié)果，目前，淺層地溫能主要以地埋管地源熱泵為主，并且正朝著集中化、規(guī)模化的方向發(fā)展。隨著項目服務(wù)建筑面積的增加，地埋管數(shù)量也會隨之增加。本文結(jié)合實際工程案例分析，當(dāng)?shù)芈窆苋哼_(dá)到一定程度是否會對地溫場造成不可逆的影響。

北京地區(qū)選擇的工程項目建筑規(guī)模較大，且在項目實施過程中布設(shè)了地溫場監(jiān)測孔， 2015-2017年取得了比較完整且準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（1）項目概況

該項目位于北京地區(qū)，占地面積6公頃，建筑結(jié)構(gòu)為框架剪力墻，主體建筑地上3～21層，地下2層，總建筑面積221426m2，其中包括公寓131130 m2，賓館4976 m2，商場5531 m2，電影院2515 m2，幼兒園3000 m2，天橋4764 m2，地下室55000 m2。該地埋管地源熱泵項目系統(tǒng)總冷負(fù)荷7890kw，總熱負(fù)荷9100kW（其中生活熱水負(fù)荷2500kW），項目共計布設(shè)垂直地埋孔635個，孔徑為150mm，孔深100m。

（2）水文地質(zhì)條件

該項目位于永定河沖洪積平原的二級階地上，新生界厚度600～700m，下伏基巖白堊系。第四系厚度130m左右，巖性結(jié)構(gòu)屬于多層砂礫石層及少數(shù)砂層，下伏第三系。含水層厚度自西向東逐漸變薄，巖層顆粒逐漸變細(xì)。據(jù)抽水試驗結(jié)果，靜水位大于25m，降深5m時，單井出水量不低于2500m3/d。含水層透水性較好、徑流較強(qiáng)，水文地質(zhì)條件較好（衛(wèi)萬順等，2010）。

（3）地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測成果分析

該項目地埋管埋置于建筑物下，布置監(jiān)測孔情況為：E、H為換熱監(jiān)測孔，F(xiàn)、G為換熱影響監(jiān)測孔，位于換熱孔中心區(qū)域，監(jiān)測孔布設(shè)水平示意圖見圖3。

本次研究對2015年3月13日-2017年9月21日的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

制冷季：2015年4月25日-2015年9月27日，2016年4月30日-2016年9月18日，2017年4與19日-2017年9月21日。

供暖季：2015年11月6日-2016年3月18日，2016年11月6日-3月23日。

①換熱監(jiān)測孔

換熱監(jiān)測孔E孔和H孔溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖（圖4、圖5）可以看出，其不同深度的溫度曲線變化幅度和變化趨勢大體相同，表現(xiàn)出冬季溫度較低，過渡季溫度緩慢上升，夏季溫度較高的趨勢。從連續(xù)3年冬季監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，冬季最低溫度達(dá)到接近8℃，夏季最高溫度達(dá)到35℃，全年溫度變化幅度較大。

通過對過渡季監(jiān)測點的地溫場平均溫度與初始平均溫度對比（表1），在2015-2016年的3個過渡季中各監(jiān)測點溫度值最變化最大溫差是0.4℃，最小是0℃。反映出該項目過渡季地溫場基本可以恢復(fù)到原始地溫場。

②換熱影響監(jiān)測孔

F孔和G孔作為換熱影響監(jiān)測孔受到了換熱孔的影響（圖6、圖7），溫度變化趨勢與換熱孔一樣，隨著冬夏季系統(tǒng)對地下的排取熱而出現(xiàn)波動，表現(xiàn)出冬季溫度較低，過渡季溫度緩慢上升，夏季溫度較高的趨勢，但溫度波動幅度較小，全年溫度變化不超過3℃。經(jīng)過過渡季的恢復(fù)，溫度基本可以恢復(fù)到接近原始地溫。

對各監(jiān)測點運行后的的平均溫度與初始平均溫度作對比可以看出（表2），運行之后地溫場的平均溫度普遍高于初始平均溫度，但是增幅比較小，溫度最高增幅0.48℃，最低增幅0.03℃。

3 夏熱冬冷區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用對地溫場影響分析

蘇州地區(qū)作為夏熱冬冷區(qū)的典型地區(qū)，本次選擇的項目規(guī)模較大，且建筑類型為商業(yè)住宅，具有很好的代表性。

（1）項目概況

該項目位于蘇州地區(qū)，項目建筑為商業(yè)住宅，建筑面積共為35萬m2，地埋管數(shù)量1160個，深度為120m，全部布置在地下車庫下。項目采用空調(diào)形式為地源熱泵+真空燃?xì)忮仩t/冷卻塔調(diào)峰，其中地源熱泵按冬季熱負(fù)荷56%進(jìn)行配置。

（2）地層條件

該項目位于蘇州市姑蘇區(qū)，第四系分布廣泛，厚度可達(dá)180m，卵石層少見。地下200m范圍內(nèi)分布有潛水、第一承壓含水層、第二承壓含水層及第三承壓含水層，總體含水層較厚，土層含水層較厚，土層含水率高，屬于地埋管換熱系統(tǒng)適宜區(qū)（楊榮等，2012）。

從項目區(qū)域鉆孔情況來看，孔口標(biāo)高約為5m，穩(wěn)定水位-5.7m，鉆孔揭露119m，第四系巖性主要為黃粘土、粉質(zhì)粘土、粉土和粉質(zhì)砂巖，其中黃粘土累計厚度7m，粉質(zhì)粘土累計厚度45m，粉土累計厚度18m，粉質(zhì)砂巖累計厚度49m。

（3）地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測成果分析

項目共計布設(shè)2眼換熱影響監(jiān)測孔，獲取了2016年4月29日-2017年3月14日的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

從圖8、圖9中看出，在一個年度的運行過程中，2眼換熱影響監(jiān)測孔不同深度的地層溫度隨季節(jié)性變化較小，并沒有產(chǎn)生不可逆的熱積累現(xiàn)象。

對各監(jiān)測點運行后的的平均溫度與初始平均溫度作對比可以看出（表3），1號孔運行之后地溫場的平均溫度普遍低于初始平均溫度，溫度降低值在0.52℃～0.01℃之間。2號孔運行之后地溫場的平均溫度普遍高于初始平均溫度，溫度最高增幅0.72℃，最低增幅0.02℃。

4 結(jié)論

（1）從項目類型上看，寒冷地區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用項目主要為單位辦公樓、商場等公共建筑，夏熱冬冷地區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用項目主要集中在別墅、住宅等民用住宅領(lǐng)域。

個別工程的應(yīng)用面積達(dá)到了數(shù)十萬平方米以上，單體項目應(yīng)用呈現(xiàn)出集中化、規(guī)?；内厔?。

（2）寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)，雖然建筑供暖制冷的時間由于地區(qū)氣候差異有所不同，但是整體而言，地溫場溫度的變化都在1℃以內(nèi)，說明淺層地溫能開發(fā)利用項目并沒有對區(qū)域地溫場產(chǎn)生不可逆的熱積累現(xiàn)象。

（3）本次選取的兩個典型項目所在地區(qū)均為第四紀(jì)地層，厚度均大于100m。北京項目所在地區(qū)第四系具有典型多層巖土體結(jié)構(gòu)，組成物質(zhì)主要為粘性土層和砂層互層。300m內(nèi)的第四系含水層在垂向概化4個含水層組。蘇州項目所在地區(qū)第四系多以粘性土間夾砂性土層組成，淺層地下水垂向分布有3個含水層組。項目所在地區(qū)均屬于北京市和蘇州市淺層地溫能開發(fā)利用適宜區(qū)。地溫場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，項目的運行并沒有對地溫場產(chǎn)生大的影響。因此淺層地溫能開發(fā)項目，需要做好前期地質(zhì)調(diào)查工作，在適宜區(qū)進(jìn)行開發(fā)利用。

（4）兩個典型項目的運行對地溫場的影響雖然有限，但是北京地區(qū)的項目由于運行時間較長，地溫場溫度有增高的趨勢。后期還需對該項目開展監(jiān)測，進(jìn)一步掌握地溫場的變化趨勢。

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