河南省鄭東新區地源熱泵系統應用研究

劉玉忠

LIU Yu-zhong

（河南省水文地質工程地質勘察院，鄭州 450045）

0 引言

地源熱泵技術起始于1912年，瑞士Zoelly提出了“地源熱泵”的概念[1]。地源熱泵系統是利用地表以下一定深度范圍內土體、地下水中具有開發利用價值的淺層地熱能（一般為地表以下200m以內，溫度低于25℃的熱能）[2]。利用其與自然季節溫差部分的熱能來滿足建筑物的供暖、制冷和生活用水的需求。該系統具有節能、經濟、環境效益顯著、一機多用等優勢，符合能源經濟可持續發展的要求。目前，鄭東新區利用的主要形式是地下水地源熱泵系統和垂直地埋管地源熱泵系統，且地下水地源熱泵系統居于多數。二者在初始投資、運管費用、技術優勢、占地面積及對地質條件的要求等方面各有優劣。本文在分析鄭東新區水文地質條件的基礎上，對以上兩種地源熱泵系統在該區應用的可行性進行了探討。

1 概況

鄭東新區位于河南省鄭州市區東部,面積約150km2，由中央商務區、商住物流區、龍湖城市生態區、高校園區、科技園區、國家鄭州經濟技術開發區六個功能區組成。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，多年平均蒸發量為2058.20mm，相對濕度66.25%，絕對濕度12.89Mpa，平均凍土深49cm。

1.1 水文地質條件

鄭東新區可利用的淺層地熱能主要是地表以下第四系中地下水及土壤中的冷熱源，根據鄭東新區已有的地質研究成果及目前地下水賦存條件、水動力特征、水質特征及地下水開發利用狀況等諸因素，在垂向上劃分為第一含水層組和第二含水層組，兩個含水層組水力聯系密切[3]。含水層巖性主要由細砂、中細砂、細砂夾粗砂組成，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；水化學類型以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，局部已形成區域性降落漏斗[4]。

1.2 地溫場特征

鄭東新區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的影響，地溫隨深度的增加而增高，鄭東新區200m埋深處，地溫22℃。

1.3 淺層土體及熱物性參數

鄭東新區200m深度范圍內地質巖土體類型主要為為第四系松散土，為黃河新近沖積物，其巖性主要為粉質粘土、粉土、細砂、中細砂、中砂，局部含鈣質結核。

鄭東新區地埋管適宜區換熱功率計算參數取值如表1所示。

表1 鄭東新區地埋管適宜區換熱功率計算參數取值表[5]

2 地源熱泵系統應用可行性分析

2.1 地下水地源熱泵系統

鄭東新區200m以淺主要是淺層含水層組，依據該含水層組水文地質條件，參考《淺層地熱能勘查評價規范》(DZ/T0225-2009)，結合其他城市地源熱泵系統管理規定等相關規范、政策，對地下水地源熱泵系統進行了開發利用適宜性初步分區。

2.1.1 分區指標的選取

分區指標的選取主要考慮地質及水文地質條件、地下水動力場、水溫場、水化學場、地質環境、成本。淺層地溫能資源開發利用分區主要是指地下水熱泵適宜性分區。

2.1.2 分區類型與分區標準

分區類型與分區標準如表2和圖1所示。

表2 地下水熱泵適宜性分區表

圖1 地下水源熱泵系統開發利用適宜性分區圖

2.1.3 地下水熱泵適宜性分區結果

根據淺層地熱能回灌試驗結果，水源熱泵開發利用采取“一抽二回”方式比較合適。

總的來說，鄭東新區水文地質條件較好，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用，但該區處于黃河沖洪積平原，巖性顆粒較細，地下水頭較高，據調查，由于各種堵塞和操作工藝等原因，回灌效果不甚理想，在抽灌井數1：1的情況下，大多回灌量僅為抽水量的20%～0%，不利于回灌；即使成井條件較好，抽灌井數1：2也剛剛達到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大面積的使用。

2.2 垂直地埋管地源熱泵系統

垂直地埋管地源熱泵系統不受地下水資源的限制，只需占用一定的埋管區域，對環境無污染。鄭東新區具有發展垂直地埋管地源熱泵系統得天獨厚的自然條件，從地理位置上看，鄭東新區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季濕熱多雨，四季分明，年平均氣溫為14℃；從地質角度，鄭東新區200m以淺地層巖性以中細砂、中粗砂、粘土、粉質粘土為主，恒溫層溫度在17℃，無論土質和溫度都非常適合建設垂直地埋管地源熱泵系統。

2.2.1 分區指標選取

根據鄭東新區實際，參考《淺層地熱能勘查評價規范》(GB/T0225-2009)來構建評價指標體系。

2.2.2 地埋管熱泵系統應用適宜性評價分區表

表3 地埋管熱泵系統應用適宜性評價分區表

據調查，目前鄭東新區在進行運轉的垂直地埋管地源熱泵系統，取得了良好的經濟效益和社會效益。目前的埋管深度一般為150m，個別也采用80m或120m。

3 地源熱泵系統應用存在的問題及建議

1）地質勘查工作嚴重滯后，缺乏必要的地區適宜性分析。

地源熱泵開發應用缺乏規劃與指導，主要是自發的商業開發與業主結合的市場商業行為[6]，現有工程多未進行場地淺層地熱能前期地質勘查，缺乏對水文地質條件與土壤熱物性的了解，未進行熱泵應用適宜性分析與分區。

2）建設地下水地源熱泵系統時，一定要保證回灌率，保護水資源，盡力避免地面沉降的發生。為了解決回灌問題，必要時采用一采多灌模式，井距應該控制在40m～50m,且在項目運行后需要根據水井的實際運行情況定期進行回揚和洗井，時間為一個供暖（冷）期，以恢復回灌井的回灌能力。

3）在建設垂直地埋管地源熱泵系統之前，一定要做原位熱響應試驗，取得真實的巖土體的熱物性參數。由于土壤初始溫度、土壤導熱系統的季節性變化，會導致冬季的試驗結果比夏季偏大，單井換熱量相對偏差達10～15%，足可以導致設計方案的變化，建議選擇冬季進行原位熱響應試驗，鉆孔完成后保證足夠長的土壤溫度恢復時間。

4）長期使用地源熱泵會對原始地溫場產生一定的影響，引起熱平衡問題，建議加強各項動態檢測工作，為研究熱平衡問題提供基礎數據。

5）鄭東新區埋藏著豐富的淺層地熱能，建議有關部門盡快制定“鄭東新區淺層地熱能開發利用規劃”，更加合理、科學的開發利用淺層地熱能。

4 結論

鑒于鄭東新區的水文地質條件等多種綜合因素考慮，筆者認為，垂直地埋管地源熱泵系統節能經濟，運行費用低，應該更適于鄭東新區。施工時，要優化換熱系統設計，同時要進行必要的原位熱響應試驗和加強對熱平衡問題的研究；如確實需要使用地下水地源熱泵系統時，要加強回灌技術的研究，保證回灌率；但更要著眼于垂直地埋管地源熱泵系統的推廣。鄭東新區淺層地能豐富，建議盡快開展淺層地熱能的調查評價工作，制定淺層地熱能開發利用專項規劃，使之更好的為鄭東新區的發展服務。

[1] 王現國.洛陽市地下水源熱泵應用現狀研究及前景展望[A].地溫資源與地源熱泵技術應用論文集(第三集)[C].北京：地質出版社,2009.

[2] 中華人民共和國國土資源部.淺層地熱能勘查評價規范(GB/T0225-2009)[S].北京：中國標準出版社,2009.

[3] 張國建,劉玉忠,等.鄭東新區地熱能資源勘查報告[R].

[4] 姜寶良,張理盈,等.鄭州市城市地下水資源評價與信息管理系統研究報告[R].

[5] 趙云章,閆震鵬,等.河南省城市淺層地熱能[M].北京：地質出版社,2010.

[6] 張德禎.河南省淺層地熱能開發利用現狀、問題及對策.地溫資源與地源熱泵技術應用論文集(第三集)[C].北京：地質出版社,2009.