陜西西安幸福林帶項(xiàng)目地源熱泵工程開發(fā)利用

郭鴻，劉建強(qiáng)，趙智強(qiáng)，桂忠強(qiáng)，羅向榮

（1.陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068；2.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

0 引言

淺層地?zé)崮苁堑厍驘崮艿闹匾M成部分，是地球淺表層數(shù)百米內(nèi)的土壤巖石和地下水中所蘊(yùn)藏的一種低溫?zé)崮?，其能量主要來源于太陽輻射和地球梯度增溫，具有分布廣泛、儲(chǔ)量巨大、可持續(xù)利用、取用方便、綠色環(huán)保、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是重要的本地化、可再生無污染的資源。并且全年溫度相對(duì)穩(wěn)定，有利于熱泵機(jī)組的運(yùn)行。近年來，鄭克棪和陳梓慧（2018）對(duì)清潔供暖的各種能源作技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的可行性對(duì)比，認(rèn)為在可選清潔能源中，地?zé)岷偷卦礋岜霉┡呔C合優(yōu)勢(shì)。李碩和駱祖江（2020）基于南通市的地質(zhì)情況和現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，研究了南通市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的可行性。李少華等（2020）對(duì)杭州某地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行多年后的地溫變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)。李錦堂等（2020）建立了巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)仿真模型，量化分析了不同因素對(duì)模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。楊衛(wèi)波等（2007）通過構(gòu)建地埋管傳熱模型，分析了各項(xiàng)熱特性參數(shù)。劉志剛（2018）以青島市某工程項(xiàng)目為實(shí)例進(jìn)行了場(chǎng)地地源熱泵工程適宜性及資源評(píng)價(jià)。張長(zhǎng)興等（2014）提出了非穩(wěn)態(tài)熱流工況下確定巖土熱物性參數(shù)的方法。黃旺來等（2016）通過在蘇州地區(qū)某地源熱泵工程場(chǎng)地進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)，得到了多項(xiàng)熱物性參數(shù)。劉春雷等（2014）開展不同熱響應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備的原位熱物性測(cè)試。王靜茹等（2020）進(jìn)行了淺層地源熱泵熱響應(yīng)測(cè)試中影響因素的研究。劉曉茹（2008）從巖土體全年熱平衡的角度，分析了地埋管地源熱泵系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的可行性。茅靳豐等（2015）開展了地源熱泵在地下工程的應(yīng)用研究與展望。彭克等（2017）總結(jié)了國內(nèi)外多能協(xié)同綜合能源系統(tǒng)工程的現(xiàn)狀。丁金虎和楊志賢（2018）構(gòu)建了一種地源熱泵與冰蓄冷協(xié)同冷暖系統(tǒng)。徐偉等（2018）對(duì)近零能耗建筑發(fā)展存在的問題進(jìn)行了探討。康磊等（2018）將地源熱泵與空氣源熱泵進(jìn)行了對(duì)比。隋學(xué)敏等（2017）分析了地源熱泵與輻射供冷/暖系統(tǒng)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)。潘俊和宋佳蓉（2017）對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)在本溪地區(qū)的適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。本次研究的區(qū)域位于西安市東郊幸福林帶項(xiàng)目一工區(qū)D 段。項(xiàng)目總體工程為大規(guī)模城市空間地下綜合體，大規(guī)模城市林帶工程。項(xiàng)目建成后將成為城市綠色廊道、商貿(mào)副中心。該區(qū)的地源熱泵工程開發(fā)利用還未有相關(guān)研究。并且按照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50366-2005）的要求。地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)前，應(yīng)對(duì)淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行勘查（徐偉等，2018）。因此對(duì)該區(qū)的地源熱泵工程開發(fā)利用進(jìn)行研究。

1 區(qū)域概況

1.1 項(xiàng)目位置及地貌

研究區(qū)位于西安東部，地貌上位于沖洪積扇區(qū)，在構(gòu)造單元上屬于西安凹陷，浐河斷裂位于場(chǎng)地南側(cè)，為隱伏斷裂，深部?jī)A向東北，傾角68°～75°，第四紀(jì)以來活動(dòng)不明顯。場(chǎng)地的地震烈度按“中國地震烈度區(qū)劃圖”劃分，屬Ⅷ度區(qū)。勘察場(chǎng)地周邊附近發(fā)育有2 條地裂縫，縫間距約3 km，總體走向?yàn)镹E50°～80°，傾向SE，傾角70°～85°。

1.2 氣象特征

研究區(qū)位于關(guān)中盆地。氣候的基本特征是冬季寒冷，夏季炎熱，春季升溫較快，秋季降溫迅速，冷空氣活動(dòng)頻繁，氣溫日差較大；干濕季節(jié)分明，秋末冬春少雨，夏季初秋多雨（穆根胥等，2016）。多年平均降水量511.0～627.6 mm，年內(nèi)降水主要分布在7～9 月，雨熱同期。平均氣溫12.9～13.5℃，1 月份最冷，平均氣溫-0.9℃，7 月份最熱，平均氣溫26.4℃。

1.3 研究目的及技術(shù)路線

（1）研究目的

研究目的是查明工程場(chǎng)地淺層地?zé)崮軛l件，進(jìn)行場(chǎng)地淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用評(píng)價(jià)和可行性研究，為該區(qū)域同類地源熱泵工程項(xiàng)目及設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

（2）技術(shù)路線

研究工作首先是收集和分析已有地質(zhì)資料，其次是以現(xiàn)場(chǎng)勘探、測(cè)試等手段，技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 勘探孔及鉆探

采用HZ-200 型水文地質(zhì)鉆機(jī)，鉆探1 口150 m深勘探孔，孔徑為Φ110 mm；1 口150 m 深測(cè)試孔，孔徑為Φ150 mm；勘探孔鉆探過程中進(jìn)行地層取心并對(duì)巖性進(jìn)行編錄。

2.2 熱響應(yīng)測(cè)試

（1）成孔及地埋管材質(zhì)

測(cè)試孔孔徑150 mm，孔深150 m，試驗(yàn)管材采用雙U 型地源熱泵專用管，材質(zhì)為高密度聚乙烯（HDPE），外徑32 mm，承壓1.6 MPa。

（2）試壓下管及回填

技術(shù)人員對(duì)運(yùn)至試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的管材進(jìn)行嚴(yán)格檢查，查驗(yàn)規(guī)格型號(hào)、長(zhǎng)度、外徑及管材合格證。管材連接好后，進(jìn)行清洗試壓，試驗(yàn)壓力為0.8 MPa，觀測(cè)15 min 以上，無泄漏現(xiàn)象，穩(wěn)壓后壓降不超過3%。經(jīng)過試壓檢測(cè)，管材無砂眼存在，各連接處緊密，密封性良好，可以下入孔內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。下管時(shí)采用保壓下管，均勻平穩(wěn)下入，下管過程中監(jiān)測(cè)管內(nèi)壓力變化。結(jié)束后，未出現(xiàn)管內(nèi)壓力下降現(xiàn)象，表明管材各連接處未出現(xiàn)松動(dòng)或管材斷裂情況，管材露出地面1.0 m。采用粗砂對(duì)測(cè)試孔進(jìn)行了二次回填，填砂量為1.5 m3?；靥钔瓿珊?，再次進(jìn)行試壓，試壓壓力0.6 MPa，觀測(cè)30 min 以上，無泄漏現(xiàn)象，試壓合格。

（3）熱響應(yīng)測(cè)試

測(cè)試內(nèi)容包括對(duì)測(cè)試孔進(jìn)行巖土初始溫度測(cè)試、加熱恒熱流測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)采用FTPT11 型地層熱物性現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試儀（表1）。該測(cè)試儀由溫度測(cè)試組件、流量測(cè)試組件、水箱組件、電加熱器、循環(huán)泵、熱泵機(jī)組（包括換熱器、壓縮機(jī)等部件、風(fēng)冷器）、控制與記錄組件、電源控件、管道等部件組成，分為主機(jī)和輔機(jī)2 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的裝置，主機(jī)設(shè)備外形尺寸1.2 m×0.5 m×0.9 m，輔機(jī)設(shè)備外形尺寸1.0 m×0.6 m×0.9 m。測(cè)試儀主機(jī)設(shè)備內(nèi)有循環(huán)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、溫度和測(cè)試系統(tǒng)等，可以獨(dú)立完成非加熱試驗(yàn)、加熱恒功率試驗(yàn)、加熱恒溫度試驗(yàn)；輔機(jī)設(shè)備內(nèi)主要是制冷機(jī)組，與主機(jī)設(shè)備串聯(lián)完成制冷恒溫度試驗(yàn)。

表1 現(xiàn)場(chǎng)地?zé)犴憫?yīng)試驗(yàn)內(nèi)容

3 工作成果

3.1 研究區(qū)地層情況

勘探孔進(jìn)行全孔取心分析，鉆遇地層為第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)沖洪積層和風(fēng)積層，巖性主要有黃土、粉質(zhì)粘土、粉土、中砂等。分層描述如下。

（1）上更新統(tǒng)（Q3）?；尹S色風(fēng)積黃土，結(jié)構(gòu)疏松、針孔發(fā)育、切面光滑，厚約15 m。褐紅色古土壤：土質(zhì)不均含銹黃色鐵質(zhì)，厚度約5 m。

（2）中更新統(tǒng)（Q2）。上部為沖洪積層，巖性為褐黃色粉質(zhì)粘土，含黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，厚約20～30 m。卵礫石：粒徑20～60 mm，最大60 mm，卵石占20%，厚度約6 m。中部為紅褐色粉質(zhì)粘土、粉土互層。厚約20～35 m。砂礫石：粒徑10～20 mm，最大20 mm，厚度約4.7 m。下部為棕褐色粉土，含黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，厚約25 m。夾有黃褐色細(xì)沙，以石英長(zhǎng)石為主，厚約2 m。

（3）下更新統(tǒng)（Q1）。巖性為棕褐色粉質(zhì)粘土，含白色鈣質(zhì)結(jié)核，厚度約25 m。夾有棕褐色中砂，以石英長(zhǎng)石為主，單層厚約1.5～10 m。

3.2 研究區(qū)水文地質(zhì)情況

在區(qū)內(nèi)所鉆勘探孔測(cè)量初見水位埋深為16.8 m，穩(wěn)定靜水位埋深17.6 m。場(chǎng)地200 m 以內(nèi)地下水類型主要為潛水和承壓水。潛水為松散巖類孔隙水，化學(xué)類型為HCO3·SO4-Na 型。徑流方向由西南向東北向浐河排泄，含水巖組為沖積砂礫卵石，較強(qiáng)富水。承壓水為松散巖類孔隙水，化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na 型。水位埋深80～100 m，含水巖組為沖洪積砂礫卵石，中等富水。

3.3 研究區(qū)巖土體熱物性特征

在淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用過程中，巖土體的熱物性特征對(duì)淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用有著至關(guān)重要的影響，尤其對(duì)地埋管換熱器單位長(zhǎng)度換熱量指標(biāo)影響非常大。因此地層巖土體熱物性參數(shù)指標(biāo)決定著地埋管的適宜性和經(jīng)濟(jì)性。采集具有代表性的10組樣品，送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了巖土熱物理試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果見表2。

巖土體熱物性參數(shù)主要有巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)（圖2）和比熱容（圖3），導(dǎo)熱系數(shù)的大小可以反映巖土體的傳熱效率，比熱容的大小可以反映巖土體單位體積每升降1℃可以吸收和放熱的能力大小。擁有較大的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的巖土體在淺層地?zé)崮芾弥锌梢蕴岣叩芈窆軉挝婚L(zhǎng)度的換熱效率和換熱量，對(duì)工程有利；而擁有較小的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的巖土體在淺層地?zé)崮芾弥袆t會(huì)降低地埋管單位長(zhǎng)度的換熱效率和換熱量，增加工程造價(jià)，對(duì)工程利用不利，因此對(duì)各巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容進(jìn)行對(duì)比。

表2 場(chǎng)地巖土樣品熱物理指標(biāo)

圖2 場(chǎng)地巖土樣品導(dǎo)熱系數(shù)

圖3 場(chǎng)地巖土樣品比熱容

根據(jù)試驗(yàn)孔取樣分析結(jié)果，其中淺層黃土的導(dǎo)熱系數(shù)最低為1.42 W/m·K；鉆孔底層中砂的導(dǎo)熱系數(shù)最高為2.20 W/m·K；卵礫石的導(dǎo)熱系數(shù)為1.98 W/m·K；中層粉質(zhì)粘土導(dǎo)熱系數(shù)為1.43～1.99 W/m·K；中層粉土導(dǎo)熱系數(shù)為1.65～1.89 W/m·K。經(jīng)過計(jì)算勘探孔巖土平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.79 W/m·K。該場(chǎng)地的地層巖土體導(dǎo)熱系數(shù)：中砂＞卵礫石＞粉土＞粉質(zhì)粘土。根據(jù)勘探孔取樣分析結(jié)果，其中古土壤和卵礫石的比熱容較小為1.11 kJ/kg·K 和1.06 kJ/kg·K。粉土的比熱容最大，為1.39～1.40 kJ/kg·K，平均為1.395 kJ/kg·K。粉質(zhì)粘土的比熱容為1.23～1.41 kJ/kg·K、平均為1.30 kJ/kg·K。中砂的比熱容為1.21 kJ/kg·K。該場(chǎng)地的地層巖土體比熱容：粉土＞粉質(zhì)粘土＞中砂＞卵礫石。熱物性測(cè)試結(jié)果顯示，該區(qū)地層適宜開發(fā)利用淺層地?zé)崮堋?/p>

3.4 熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

（1）初始地溫測(cè)量

初始地溫采用熱響應(yīng)儀通過非加熱試驗(yàn)來進(jìn)行測(cè)試，即熱響應(yīng)試驗(yàn)儀進(jìn)行無功率循環(huán)，使供水、回水溫度逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（24 h 內(nèi)的溫度變化小于1℃），以穩(wěn)定狀態(tài)下的供水、回水溫度的平均值作為初始地溫。

初始地溫測(cè)試延續(xù)時(shí)間為48.5 h，穩(wěn)定時(shí)間為37.5 h。測(cè)試結(jié)束后，初始地溫為17.47℃。試驗(yàn)過程中回水溫度、供水流量隨時(shí)間的變化見圖4。

（2）加熱恒熱流單U 型試驗(yàn)

圖4 初始地溫測(cè)試歷時(shí)曲線圖

圖5 加熱恒熱流試驗(yàn)（7 kW，單U 型）歷時(shí)曲線圖

加熱恒熱流單U 型試驗(yàn)，功率7 kW，延續(xù)時(shí)間為96 h。1 月14 日20：00 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定時(shí)間為37 h。試驗(yàn)結(jié)束后地溫恢延續(xù)時(shí)間54 h，穩(wěn)定時(shí)間15 h。試驗(yàn)結(jié)束后，供水溫度為19.76℃，回水溫度為19.75℃，供水流量為1.20 m3/h，試驗(yàn)歷時(shí)曲線見圖5。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析并計(jì)算，得出該工況下導(dǎo)熱系數(shù)為1.51 W/m·K，冬季單米換熱量為32.90 W/m，夏季單米換熱量為46.25 W/m。

（3）加熱恒熱流雙U 型試驗(yàn)

加熱恒熱流雙U 型試驗(yàn)，功率7 kW，延續(xù)時(shí)間為66 h。1 月20 日5：00 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定時(shí)間為28 h。試驗(yàn)結(jié)束后地溫恢復(fù)時(shí)間73 h，穩(wěn)定時(shí)間25 h。試驗(yàn)結(jié)束后，供水溫度為19.78℃，回水溫度為19.77℃，供水流量為1.20 m3/h，試驗(yàn)歷時(shí)曲線見圖6。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析并計(jì)算，得出該工況下導(dǎo)熱系數(shù)為1.74 W/m·K，冬季單米換熱量為37.29 W/m，夏季單米換熱量為52.41 W/m。

圖6 加熱恒熱流試驗(yàn)（7 kW，雙U 型）曲線圖

4 淺層地?zé)崮茉u(píng)價(jià)及開發(fā)利用

4.1 適宜性評(píng)價(jià)

根據(jù)區(qū)內(nèi)勘查結(jié)果，勘查孔巖土平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.79 W/m·K，換熱性能較好，可采用豎直地埋管換熱方式?！稖\層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T0225-2009）給出了豎直地埋管適應(yīng)性分區(qū)指標(biāo)（表3）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查工作，場(chǎng)地勘查區(qū)符合表3 中較適宜區(qū)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)屬于較適宜區(qū)。

表3 豎直地埋管適應(yīng)性分區(qū)

4.2 資源評(píng)價(jià)及開發(fā)利用

經(jīng)過計(jì)算研究區(qū)淺層地?zé)崮芸偀崛萘繛?.65×108kJ/℃，研究區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率為782.75 kW?？紤]到熱泵系統(tǒng)對(duì)輸出負(fù)荷的擴(kuò)大效應(yīng)，地埋管系統(tǒng)地源端的設(shè)計(jì)功率為輸出端的75%，研究區(qū)地源熱泵系統(tǒng)冬季工況下可供暖總面積12884.7 m2。大于該區(qū)實(shí)際需供暖面積8000 m2，因此研究區(qū)淺層地?zé)崮艿卦礋岜觅Y源能夠滿足該區(qū)的供暖需求。

研究區(qū)需供暖面積8000 m2，總熱負(fù)荷為640 kW，考慮到熱泵系統(tǒng)對(duì)輸出負(fù)荷的擴(kuò)大效應(yīng)，地埋管系統(tǒng)地源端的設(shè)計(jì)功率為輸出端的75%，即480 kW。所需單孔深150 m 的地埋管換熱孔99 個(gè)，換熱孔間距＞4.0 m，所需占地面積約為1944 m2。本場(chǎng)地可利用空地面積為3150 m2，可以滿足地埋管施工占地面積要求。根據(jù)上述測(cè)算和場(chǎng)地的地面情況，建議場(chǎng)地實(shí)際布孔99 個(gè)，鉆孔位置見圖7。

圖7 研究區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)鉆孔位置示意圖

5 結(jié)論

通過地源熱泵工程地質(zhì)勘查工作，查明了研究區(qū)的地質(zhì)條件、地層熱物性、換熱孔的換熱能力等參數(shù)。經(jīng)過綜合分析，研究區(qū)適宜進(jìn)行地埋管式淺層地?zé)崮荛_發(fā)，該區(qū)的淺層地?zé)崮苜Y源可以滿足建筑換熱需求。結(jié)合區(qū)內(nèi)實(shí)際，提出了地埋管式淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用建議，為該區(qū)地源熱泵工程施工提供參考。對(duì)在該區(qū)域同類地質(zhì)條件下，建設(shè)地源熱泵工程有指導(dǎo)意義。