碳酸鹽巖類地層地源熱泵系統(tǒng)適宜性研究

黃 鵬，駱 進(jìn)，顧曉敏，胡 濤，陳 思，宋金成

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)公管學(xué)院，湖北武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢 430074；3.銅仁市九龍地礦投資開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州銅仁 554300）

0 引言

地源熱泵技術(shù)是開發(fā)利用中低溫地?zé)豳Y源的有效方法，具有低耗高效、綠色環(huán)保及可再生利用地?zé)豳Y源的特點(diǎn)(莊樹裕，2013)。1912年瑞士人首先提出地源熱泵技術(shù)的概念，1946年第一個(gè)地源熱泵系統(tǒng)在美國(guó)俄勒岡州波蘭特市中心區(qū)安裝成功(Sanner et al，2003)。在技術(shù)應(yīng)用方面，瑞士、瑞典、德國(guó)、奧地利及日本的地源熱泵技術(shù)應(yīng)用最為成熟，走在世界前沿。從應(yīng)用比例看，瑞士、挪威是世界上地源熱泵應(yīng)用人均比例最高的國(guó)家，應(yīng)用比例高達(dá)96%。地源熱泵技術(shù)在我國(guó)開發(fā)利用起步較晚，20世紀(jì)50年代呂燦仁教授最早開展了我國(guó)的熱泵系統(tǒng)研究。20世紀(jì)90年代，地源熱泵技術(shù)在我國(guó)得到推廣和應(yīng)用，其中，北京、寧波、廣州等城市先后啟動(dòng)了示范工程(藺文靜等，2012)。1997年，我國(guó)科技部與美國(guó)能源部(DOE)簽署了《中美能效與可再生能源合作議定書》，其主要內(nèi)容之一既是“地源熱泵”項(xiàng)目合作，這激起了國(guó)內(nèi)諸多大學(xué)對(duì)地源熱泵技術(shù)的研究興趣，1998年，重慶建筑大學(xué)、青島建工學(xué)院、湖南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等開始建立地源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)地源熱泵技術(shù)進(jìn)行研究。

近年來，地源熱泵系統(tǒng)在中國(guó)得到廣泛的推廣應(yīng)用。據(jù)國(guó)土資源部數(shù)據(jù)顯示，截至2015年底，全國(guó)31個(gè)省市區(qū)均有以地源熱泵技術(shù)開發(fā)利用淺層地?zé)豳Y源的工程項(xiàng)目，應(yīng)用淺層地?zé)崮芄┡评涞慕ㄖ锩娣e約3.92×108m2，其中，80%的項(xiàng)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。然而，在我國(guó)西南地區(qū)，尤其在以碳酸鹽巖類地層為主的地區(qū)，因巖溶裂隙較發(fā)育，破碎帶、斷層廣泛分布，建造垂直換熱孔難度大，成本較高，巖土熱物性參數(shù)較難獲取等問題，極大程度制約了地源熱泵系統(tǒng)在該地區(qū)的應(yīng)用。目前，國(guó)外沒有地源熱泵系統(tǒng)在碳酸鹽巖地區(qū)的適宜性研究案例，國(guó)內(nèi)只有較少學(xué)者對(duì)該課題進(jìn)行研究，其中，龐設(shè)典、龍治國(guó)等從分析武漢市巖溶發(fā)育情況以及熱泵系統(tǒng)可能造成地質(zhì)災(zāi)害出發(fā)，對(duì)武漢市地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行適宜性分區(qū)及評(píng)價(jià)（龐設(shè)典等，2010）；宋小慶、彭欽基于層次分析法、綜合指數(shù)法，對(duì)碳酸巖鹽較發(fā)育的貴陽(yáng)市進(jìn)行地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)，劃分了地源熱泵適宜區(qū)及不適宜區(qū)（宋小慶等，2015）；何文君、向賢禮等對(duì)貴州某碳酸鹽巖地區(qū)地埋管換熱系統(tǒng)進(jìn)行分析，研究表明，該區(qū)適合采用垂直地埋管與基礎(chǔ)樁螺旋盤管相結(jié)合的換熱系統(tǒng)（何文君等，2014）。總結(jié)分析，關(guān)于地源熱泵系統(tǒng)在碳酸鹽巖地區(qū)的適宜性研究很少，研究程度較淺，對(duì)地質(zhì)條件的分析多出于文獻(xiàn)資料，未見物探、鉆探等技術(shù)方法的實(shí)際應(yīng)用，較為系統(tǒng)的研究案例幾乎為零。因此，應(yīng)用物探、鉆探、現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)等綜合手段，在查明項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)條件并加以分析的基礎(chǔ)上，研究地源熱泵系統(tǒng)在碳酸鹽巖地區(qū)的適宜性，以促進(jìn)地源熱泵技術(shù)在碳酸鹽巖地區(qū)的推廣應(yīng)用，是極具現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

項(xiàng)目區(qū)總體地形地貌為北西高、南東低，場(chǎng)區(qū)西南側(cè)有一條沖水溝，兩側(cè)山體陡峭，山前為洪積扇，海拔在520m左右。受區(qū)域構(gòu)造影響，場(chǎng)區(qū)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，第四紀(jì)地層厚度較淺，主要出露寒武系上統(tǒng)婁關(guān)山群第三段（?3ls3）和第二段（?3ls2）白云巖，巖性為淺灰、灰色薄層至塊狀微—細(xì)晶，局部中晶，夾帶中層狀微—細(xì)晶、礫屑及砂屑細(xì)晶。地層產(chǎn)狀傾向北西，傾向傾角區(qū)內(nèi)顯示為單斜巖層。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)鉆鑿結(jié)果顯示：項(xiàng)目區(qū)第四系厚度較薄，在0～30m之間，巖性主要以回填碎石為主，粘土、亞粘土次之，第四系下伏為寒武系婁山關(guān)組，巖性以白云巖為主，地層較為破碎。

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)特征

根據(jù)地層巖性、地下水形成條件及賦存特征，將區(qū)內(nèi)地下水類型劃分為碳酸鹽類巖溶水、碎屑巖類基巖裂隙水、第四系松散巖類孔隙水3種類型，其中巖溶裂隙水在區(qū)內(nèi)分布最多，基巖裂隙水及空隙水分布比較局限，區(qū)內(nèi)含水巖組較多，主要有：

（1）第四系（Q）。巖性為黃褐色粘土，亞粘土，砂礫石及碎石塊等，多分布于洼地，緩坡及河流、溪谷兩側(cè)，含孔隙水，富水性弱，泉流量一般0.01～1.0L/s，水質(zhì)為HCO3-Mg·Na型水，系區(qū)內(nèi)相對(duì)含水層。

（2）寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)群第三段（?3ls3）。巖性為淺灰、灰色厚層至塊狀微—細(xì)晶局部中晶白云巖，間夾中層狀微—細(xì)晶白云巖，含礫屑、砂屑細(xì)晶白云巖，中下統(tǒng)局部夾中層狀白云質(zhì)灰?guī)r或灰云巖，頂部局部含硅質(zhì)團(tuán)塊與條帶，含巖溶裂隙水、基巖裂隙水，富水性中—強(qiáng)。

（3）寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)群第二段（?3ls2）。巖性為淺紫灰、淺灰、灰色中—厚層微—細(xì)晶白云巖，間夾灰色中層狀砂屑鮞粒白云巖，層間時(shí)夾淺黃灰色薄片狀泥質(zhì)白云巖，含巖溶裂隙水、基巖裂隙水，富水性中—強(qiáng)。

（4）寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)群第一段（?3ls1）。上部為深灰色薄層條紋狀含有機(jī)質(zhì)粉晶泥晶白云巖夾灰色厚層含有機(jī)質(zhì)礫屑白云巖或礫屑白云巖，下部為淺灰、紫灰色中—厚層礫屑白云巖夾深灰色薄層條紋狀含有機(jī)質(zhì)粉晶白云巖，底部夾灰色薄層條帶狀白云質(zhì)灰?guī)r，含巖溶裂隙水、基巖裂隙水，富水性中等。

2 研究方法

2.1 地球物理勘探方法

采用高密度電阻率法和高精度磁法相結(jié)合，旨在查明區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律對(duì)工程的影響程度以及完整地層和破碎帶分布狀況，為論證項(xiàng)目區(qū)應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)是否可行提供依據(jù)。

高密度電阻率法工作原理與傳統(tǒng)電阻法一樣，以巖、礦石的電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測(cè)和研究人工電場(chǎng)的地下分布規(guī)律和特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)解決各類地質(zhì)問題的一組勘探方法，其不同在于運(yùn)用陣列勘探的方法，增加了觀測(cè)點(diǎn)密度，提高了工作效率，減少了工作成本，具有采集信息量大和對(duì)探測(cè)的目標(biāo)不造成影響等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于隱伏巖溶溶洞勘察，應(yīng)用效果較好（朱紫祥等，2017）。此次使用的DUK-2型數(shù)字直流電法探測(cè)系統(tǒng)由重慶地質(zhì)儀器廠研制生產(chǎn)，其極間距為5m，最小、最大極間隔分別為1、30，電極總數(shù)為120。該系統(tǒng)具有信號(hào)自動(dòng)采集、自動(dòng)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)曲線顯示、數(shù)據(jù)雙向通訊等功能，配備國(guó)內(nèi)先進(jìn)的高密度電阻率法正反演解釋軟件，極大的提高了物探解釋精度和效率。

高精度磁法是在地面觀測(cè)地下介質(zhì)磁性差異引起的磁場(chǎng)變化的一種地球物理方法，主要用于弱磁性目標(biāo)物的勘測(cè)以及隱伏磁性體在地表產(chǎn)生的弱磁異常等研究工作。該方法在地質(zhì)找礦方面應(yīng)用廣泛，對(duì)斷裂構(gòu)造磁異常信息提取效果較好，能有效識(shí)別斷裂及反映其分布（王新華等，2014）。目前，未見該方法在地?zé)豳Y源調(diào)查中的實(shí)際應(yīng)用。此次使用的GSM-19T質(zhì)子磁力儀產(chǎn)于加拿大，其靈敏度小于0.10nT，分辨率高達(dá)0.01nT，絕對(duì)精度為1.00nT，梯度容差大于7000nT/m，采樣率達(dá)3～60s。

本次勘測(cè)測(cè)線布置原則有：測(cè)線要長(zhǎng)于項(xiàng)目區(qū)，且主測(cè)線多條平行布設(shè)；在勘探區(qū)垂直已知斷層或推斷的斷層或線性地貌布設(shè)適量控制剖面，以查明破碎帶等隱伏構(gòu)造；布設(shè)一條追蹤短剖面，查明可疑不良地質(zhì)現(xiàn)象。結(jié)合測(cè)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征和項(xiàng)目的目的任務(wù)，在項(xiàng)目區(qū)布設(shè)物探測(cè)線，其中包含3條高密度電法剖面測(cè)線，編號(hào)分別為L(zhǎng)ine3、Line4、Line5，剖面測(cè)線長(zhǎng)度共2400m；10條高精度磁法勘探測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)共7100m，測(cè)線里程長(zhǎng)共6737m，測(cè)點(diǎn)數(shù)共1360個(gè)，高密度電法測(cè)線布設(shè)及高精度磁法測(cè)點(diǎn)位置見圖1。

2.2 勘探孔鉆探測(cè)試

為進(jìn)一步查明項(xiàng)目區(qū)構(gòu)造空間展布、巖層組合、含水層富水性及確定地層相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域，需進(jìn)行鉆孔測(cè)試。然而，碳酸鹽巖類地層地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，對(duì)鉆孔技術(shù)要求較高，不適宜的鉆孔方式不但無(wú)法完成鉆進(jìn)任務(wù)，而且會(huì)增加無(wú)謂的鉆孔成本，選擇合適的鉆孔方式是順利并高效完成鉆孔任務(wù)的關(guān)鍵。江劍等（2014）以北京市某地源熱泵工程為例，重點(diǎn)分析了“氣動(dòng)潛孔錘”跟管鉆進(jìn)技術(shù)在碳酸鹽巖分布地區(qū)的應(yīng)用及前期勘查，研究表明，該技術(shù)適合于完整、堅(jiān)硬地層,在碳酸鹽巖類地層區(qū)具有較高鉆進(jìn)效率,且占地面積小，故此次采用“氣動(dòng)潛孔錘”跟管鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行勘探孔鉆探。

測(cè)試孔的總體布置原則主要考慮地層、水電及場(chǎng)地條件，同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)平面布置圖的要求進(jìn)行布置，一般布置在建筑周邊空地，并且避開地下室的位置。本次共布置6個(gè)勘探孔，其中4眼布置在地層較破碎區(qū)域，2眼布置在地層相對(duì)完整地區(qū)（布孔位置選擇是在物探勘測(cè)后，避開明顯斷層及破碎帶）。綜合解譯勘探孔布孔位置見圖2。

圖1 物探測(cè)線及測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.1 The figure of geophysical survey line and measuring point position

圖2 綜合解譯勘探孔布孔位置圖Fig.2 The Comprehensive exploration hole position map

2.3 巖土熱響應(yīng)測(cè)試

研究表明：巖土初始溫度、巖土熱物性參數(shù)、地埋管單位深度換熱量及長(zhǎng)度的選取是否合理，不但影響地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，而且有可能使地埋管實(shí)際設(shè)置量大于需求量，導(dǎo)致工程投資大大增加；導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的不同常導(dǎo)致傳熱效率不同，平均導(dǎo)熱系數(shù)越高越利于熱量擴(kuò)散，平均比熱容越高，儲(chǔ)熱能力越強(qiáng)（Focaccia et al,2013）。因此，對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行巖土熱響應(yīng)測(cè)試，獲取巖土熱物性參數(shù)，為地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，是必不可少的工作。

具體測(cè)試原理是：將儀器的水路循環(huán)部分與所要測(cè)試換熱孔內(nèi)的HDPE管路連接，形成閉式環(huán)路，通過儀器內(nèi)的微型循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán)，同時(shí)儀器內(nèi)的加熱器不斷加熱環(huán)路中的液體。當(dāng)該閉式環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán)，加熱器所產(chǎn)生的熱量不斷通過換熱孔內(nèi)的換熱管釋放到地下，在閉式環(huán)路內(nèi)的液體循環(huán)過程中，將進(jìn)、出儀器的溫度、流量和加熱器的加熱功率進(jìn)行采集記錄。數(shù)據(jù)采集及分析由中國(guó)建筑科學(xué)研究院研發(fā)的“地源先鋒”軟件以及測(cè)試平臺(tái)來進(jìn)行。

在對(duì)物理勘探結(jié)果加以分析的基礎(chǔ)上，找出地層完整區(qū)，布設(shè)DK-5、DK-6勘探孔，設(shè)計(jì)勘探孔深度分別為100m、120m，每個(gè)孔內(nèi)下入直徑為32mm的雙U型PE 管。由于土壤初始溫度、土壤導(dǎo)熱系數(shù)的季節(jié)性變化，會(huì)導(dǎo)致冬季的試驗(yàn)結(jié)果比夏季偏大，單井換熱量相對(duì)偏差達(dá)10%～15%，足可以導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案的變化（田光輝等，2010）。因此，為保證設(shè)計(jì)方案的合理性，故選擇冬季（2016年12月2日至12月9日）進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 地球物理勘探結(jié)果分析

以物探方法對(duì)項(xiàng)目區(qū)地層進(jìn)行測(cè)試，Line3、Line4、 Line5視電阻率斷面等值線反演結(jié)果見圖3。

Line3反演結(jié)果分析：該剖面視電阻率整體較高。其中，地表電阻率較低，推測(cè)第四系覆蓋厚度較??；覆蓋層下部電阻率較高，平均電阻率大于3000Ω·m，推測(cè)為結(jié)構(gòu)較完整的白云巖基巖；420～450m之下低阻顯示，可能存在構(gòu)造破碎帶，無(wú)溶洞發(fā)育特征。

Line4反演結(jié)果分析：該剖面視電阻率沒有表現(xiàn)出如Line3與Line5測(cè)線連續(xù)的整體高阻特征。其中，地表電阻率較低，推測(cè)第四系覆蓋厚度較??；覆蓋層下部電阻率顯示中高，平均電阻率大于1000Ω·m；500～560m之下低阻顯示，存在構(gòu)造破碎帶可能性較大，無(wú)溶洞發(fā)育特征。

Line5反演結(jié)果分析：該剖面視電阻率整體呈淺部低、深部高的特征。其中，地表電阻率較低，推測(cè)第四系覆蓋厚度較??；覆蓋層下方，電阻率相對(duì)較高，平均大于3000Ω·m，推測(cè)為較完整的白云巖基巖；該地層剖面電性分界面較為連續(xù)，無(wú)明顯構(gòu)造破碎帶和巖溶發(fā)育特征。

圖4是高精度磁法測(cè)試反演結(jié)果，從圖中可看出，該區(qū)磁異常整體上表現(xiàn)為負(fù)異常，分布較連續(xù)，且分部面積較大。其中，負(fù)異常極大值出現(xiàn)在正北及東東北方向，平均約-80nT；東南走向上呈現(xiàn)低負(fù)異常值，平均約-30nT；正異常最大值約90nT，呈點(diǎn)狀分布，分布范圍極小。根據(jù)反演結(jié)果，推測(cè)出測(cè)區(qū)可能存在6條斷裂破碎帶，見圖4中FW1-FW6。

圖3 Line3～Line5視電阻率斷面等值線反演圖Fig.3 Apparent resistivity profile contour inversion of Line3 to Line5

圖4 高精度磁法反演結(jié)果及推測(cè)斷裂帶示意圖Fig.4 High-precision magnetic inversion method and speculative fracture diagram

3.2 勘探孔鉆探結(jié)果分析

對(duì)項(xiàng)目區(qū)6個(gè)勘探孔鉆孔結(jié)果分析，結(jié)論如下：

測(cè)試孔DK-5：設(shè)計(jì)打在完整地層區(qū)域上，跟管鉆進(jìn)15m，100m后見破碎帶，120m遇坍塌，135m坍塌嚴(yán)重，埋鉆。

測(cè)試孔DK-6：設(shè)計(jì)打在完整地層區(qū)域上，跟管鉆進(jìn)10m，120～123m坍塌掉塊嚴(yán)重。

測(cè)試孔DK-1：原設(shè)計(jì)為打在地層完整區(qū)域上的地埋管測(cè)試孔，跟管18m，鉆至40m出水，60m見破碎帶，水量持續(xù)增加，約50m3/h。

測(cè)試孔DK-2：原設(shè)計(jì)為打在地層完整區(qū)域上的地埋管測(cè)試孔，跟管27m，在27m初見地下水，48～48.5m、57～63m、66～72m均見破碎帶，水量持續(xù)增加，約60m3/h。

測(cè)試孔DK-3：原設(shè)計(jì)為水源驗(yàn)證孔，跟管21m，40～57m坍塌破碎嚴(yán)重，水量持續(xù)增加，約50m3/h。

測(cè)試孔DK-4：原設(shè)計(jì)為水源驗(yàn)證孔，跟管5m，46.5m見水，54～60m見破碎帶，70～81m坍塌破碎嚴(yán)重，水量持續(xù)增加，約50m3/h。

對(duì)測(cè)試孔DK-1、DK-2、DK-3及DK-4鉆孔詳情見表1：

總結(jié)DK-1—DK-4孔勘探結(jié)果：項(xiàng)目區(qū)下伏基巖以寒武系婁山關(guān)組白云巖為主；第四系覆蓋層較薄，平均厚度在20m左右，巖性以回填碎石、粘土及亞粘土為主，風(fēng)化程度由上致下逐漸減弱；含水層富水性較強(qiáng)，出水量都在1200m3/d以上；地層相對(duì)完整區(qū)域，120m內(nèi)可鉆性較好。

3.3 巖土熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

為反映數(shù)據(jù)的集中趨勢(shì)，巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)最終以DK-5、DK-6測(cè)試孔測(cè)試結(jié)果的平均值為準(zhǔn)，巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

表2 巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.2 Calculation data of geothermal thermal response test

研究表明：巖土初始溫度決定了地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，14℃～18℃是地埋管地源熱泵系統(tǒng)實(shí)施的最佳溫度條件，當(dāng)溫度高于20℃溫差會(huì)減小，而低于7℃土壤易凍結(jié)，導(dǎo)致制熱能力受限（潘俊等，2017）。由表2可知，所測(cè)項(xiàng)目區(qū)巖土初始溫度為17.26℃，符合地埋管地源熱泵系統(tǒng)實(shí)施的最佳溫度條件。

在貴州省地?zé)豳Y源調(diào)查中，毛健全教授以不同地區(qū)9個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)研究巖石的地溫梯度與其導(dǎo)熱率的關(guān)系，結(jié)果表明：巖性與地溫梯度關(guān)系密切，導(dǎo)熱率低的巖石具有較高的地溫梯度，其中，泥巖、灰?guī)r、白云巖及砂巖每百米的地溫梯度分別為3.09℃、2.58℃、1.71℃、1.47℃，這些巖石的導(dǎo)熱系數(shù)分別為（毛健全，2001），此次熱響應(yīng)測(cè)試所測(cè)目的層巖性為白云巖，平均導(dǎo)熱系數(shù)為2.85W/(m·℃)，與前人研究數(shù)據(jù)基本吻合，數(shù)據(jù)可信度高。項(xiàng)目區(qū)夏季單孔換熱指標(biāo)為69W/m，冬季單孔換熱指標(biāo)為61W/m，說明該區(qū)地下?lián)Q熱能力較強(qiáng)。

綜上分析，項(xiàng)目區(qū)的巖土初始溫度、導(dǎo)熱系數(shù)及單孔換熱指標(biāo)均符合地源熱泵系統(tǒng)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。

4 地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)

鉆孔條件、投資成本及運(yùn)行條件決定著地源熱泵系統(tǒng)是否能夠高效開發(fā)應(yīng)用，而這些方面均與地質(zhì)條件密切相關(guān)。通過綜合分析物探、鉆探以及巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)的結(jié)果，明確了項(xiàng)目區(qū)斷裂破碎帶分布位置、地層巖性組合、含水層富水狀況、巖土熱物性參數(shù)等基本地質(zhì)條件，這不僅給埋管鉆孔及水源井選址提供精確的位置參數(shù)，減少了盲目鉆孔所產(chǎn)生的額外費(fèi)用，大大降低了建設(shè)成本，更是指導(dǎo)整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，是地源熱泵系統(tǒng)高效運(yùn)行的必要保障?？梢?，在地?zé)豳Y源調(diào)查中，尤其在地層相對(duì)復(fù)雜的碳酸鹽巖地區(qū)，應(yīng)用物探、鉆探及巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)等綜合方法對(duì)研究區(qū)地質(zhì)條件的分析是可行并且必要的。

綜合各測(cè)試結(jié)果：整個(gè)項(xiàng)目區(qū)第四系覆蓋層較薄，巖性以回填碎石、粘土及亞粘土為主，平均厚度在20m左右；下伏基巖以寒武系婁山關(guān)組白云巖為主，沒有溶洞發(fā)育特征；巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2.85W/(m·℃)，地下?lián)Q熱能力較強(qiáng)。可見，項(xiàng)目區(qū)利用地源熱泵系統(tǒng)有較好的地質(zhì)條件。根據(jù)不同區(qū)域不同的地質(zhì)條件，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)不同形式進(jìn)行適宜性分區(qū)。主要分區(qū)原則有：①垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)需選擇在建筑周邊空地，且地層完整，無(wú)溶洞和明顯破碎帶；②地下水地源熱泵系統(tǒng)需選擇在建筑周邊空地，無(wú)溶洞分布且需含水層富水性良好，成孔直徑為150mm時(shí)，出水量需高于50 m·/h。根據(jù)綜合勘探結(jié)果，分區(qū)如下：西西南區(qū)域地層完整，無(wú)斷裂破碎帶，地質(zhì)體可鉆性好，含水層富水性差，適合建設(shè)垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)；除西西南區(qū)域外，區(qū)內(nèi)廣泛分布有斷裂破碎帶，東北區(qū)域地層破碎，可鉆性差，應(yīng)用地源熱泵技術(shù)成本高，不適宜建設(shè)地源熱泵系統(tǒng)；西北、南西南及東南區(qū)域，地質(zhì)體可鉆性及含水層富水性均較好，適合建設(shè)地下水地源熱泵系統(tǒng)。綜合分析地質(zhì)條件并結(jié)合有限的場(chǎng)地條件，對(duì)項(xiàng)目區(qū)地下水地源熱泵及垂直地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)結(jié)果見圖5。

5 結(jié)論

（1）采用高密度電阻率法與高精度磁法相結(jié)合，對(duì)項(xiàng)目區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，查明了項(xiàng)目區(qū)破碎帶分布狀況，分析出區(qū)內(nèi)可能存在的6條斷裂帶，這將為垂直地埋管布孔、水源井選址及不同地源熱泵形式適宜性分區(qū)提供指導(dǎo)。事實(shí)證明，在地?zé)豳Y源調(diào)查中，利用物探方法進(jìn)行地質(zhì)條件勘察施工效率高，數(shù)據(jù)信息豐富，能較直觀、形象地反映地層剖面電性異常體的分布形態(tài)，對(duì)斷層、溶洞、破碎帶位置的解譯精度較高。

（2）依據(jù)鉆孔勘探，查明測(cè)區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層較薄且不連續(xù)，巖性以回填碎石、粘土及亞粘土為主，下伏基巖以寒武系婁山關(guān)組白云巖為主，含水層富水性較好，成孔152mm時(shí)出水量最達(dá)1200m3/d；確定了垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱器適宜布孔深度為120m。

（3）綜合項(xiàng)目場(chǎng)地DK-5、DK-6測(cè)試孔的熱響應(yīng)試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，測(cè)試目的層為白云巖，巖土初始平均溫度17.26℃，平均導(dǎo)熱系數(shù)2.85W/(m·℃)，容積比熱容2.81×106J/(m3·℃)，換熱系統(tǒng)夏季平均換熱量為72W/m，冬季平均換熱量為65W/m。以上數(shù)據(jù)表明：碳酸鹽巖地區(qū)巖土的平均導(dǎo)熱系數(shù)較大，有較強(qiáng)的地下?lián)Q熱能力，利用地源熱泵系統(tǒng)有較好的地質(zhì)條件。

（4）綜合分析各測(cè)試結(jié)果及場(chǎng)地條件，對(duì)項(xiàng)目區(qū)不同區(qū)域進(jìn)行不同地源熱泵系統(tǒng)形式適宜性劃分。其中，西西南區(qū)域地層完整性好，無(wú)斷裂破碎帶，可鉆性好，適合建設(shè)垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)；西北、南西南及東南區(qū)域，地質(zhì)體可鉆性及含水層富水性較好，適合建設(shè)地下水地源熱泵系統(tǒng)；東北區(qū)域地層破碎，可鉆性差，應(yīng)用地源熱泵技術(shù)成本高，不適宜建設(shè)地源熱泵系統(tǒng)。