地源熱泵工程地質勘查在實際工程中的應用

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是以巖土體為低溫熱源，由熱泵機組、地埋管換熱系統和末端系統組成的供熱、空調系統。它是以可再生的低溫地熱能為冷熱源進行供熱、制冷的新型能源利用方式，與使用煤、氣、油等常規能源供暖空調方式相比，具有清潔、高效、節能的特點。為充分了解工程項目的地質條件、地層熱物性參數、換熱孔的換熱能力、地層熱恢復能力等參數，要進行有針對性的地源熱泵工程地質勘查工作，為地源熱泵系統的可行性論證和設計提供依據。

2 勘查工作

2.1 工作目標及內容

勘查目的是查明工程場地淺層地熱能條件，進行場地淺層地熱能評價、淺層地熱能開發利用評價，為擬建工程項目提供設計依據。

主要內容如下：

(1)測試孔鉆探，查明巖土層巖性結構、地下水位、地溫場分布特征；

(2)現場熱響應試驗，獲取巖土熱物性參數，包括巖土初始平均溫度、穩定熱流、穩定工況測試；

(3)場區淺層地熱能評價。

2.2 技術路線

勘查、評價工作在搜集、整理、分析已有資料的基礎上，以現場勘探、測試為主，輔以一定的工程地質、水文地質調查的技術路線，具體的勘查測試技術路線如圖1所示。

2.3 確定勘探孔位

勘探孔位及數量的確定，可以根據場地條件和業主要求確定，一般是選擇在空調設備安裝區域。

圖1 技術路線圖

2.4 鉆探

工程采用的鉆機一般為ZW-500型水井鉆機，阿特拉斯XHR-350型空壓機，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行編錄，孔徑為Φ150。鉆井機照片如圖2所示，現場鉆井如圖3所示。

圖3 鉆探照片

3 熱響應測試

3.1 勘探孔成孔

測試孔鉆鑿完成后下入HDPE(高密度聚乙烯)雙U管，PE內徑為 26 mm，壁厚 3 mm。鉆孔采用水泥砂漿回填。現場回填如圖4所示。

圖4 現場回填照片

(1)材料選擇

管材選用偉星管業的高密度聚乙烯管(HDPE管)，技術參數如表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。勘查區地層以基巖為主，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管技術參數表 表1

(2)下管、回填施工過程

現場檢查：HDPE管運達現場后，對管材的端口做好封閉，防止雜土、雜物進入。質檢員查驗管材合格證、規格型號，現場對長度、壁厚、外徑等進行檢驗。

清洗打壓：每個U型接頭熔接成功后，進行清洗打壓試驗。用干凈的自來水沖洗后進行打壓(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，并且保持管內的打壓水。

圖5現場打壓、下管、回填(灌漿)照片

下管：4根PE管均勻平穩下入(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，將注漿導管拔出，完成注漿。

打壓：灌漿完畢后，再進行一次打壓試驗，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 現場熱響應測試

在勘探孔成孔后，由于回填的水泥砂漿在凝固過程中放熱，根據相關規范規定需進行10天地層溫度恢復期，10天后開始進行現場熱響應測試。測試內容包括對1#、2#勘探孔進行巖土初始溫度測試、穩定熱流測試、穩定工況(冬、夏季工況)測試。現場熱響應測試如圖6所示，各項工作完成時間如表2所示。

圖6 現場熱響應測試照片

勘探孔熱響應測試完成時間統計表 表2

3.3 測試設備

現場熱響應測試采用CR24T12/4型淺層地熱能冷、熱響應測試車(如圖7所示)、BHD-06FS05/2型便攜式熱響應測試儀(如圖8所示)和DTM08-NA/2型地層溫度監測儀。

測試設備可完成穩定熱流測試(巖土體熱物性參數測試)、穩定工況測試(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(可采用無功循環法、地埋管水溫平衡法和埋設傳感器法)以及巖土溫度的恢復測試等測試工作。測試設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，經計算測試設備整體最大測試誤差為±3.5%。

圖7 CR24T12/4型淺層地熱能冷、熱響應測試車

圖8 DTM08-NA/2型地層溫度監測儀

4 工作的主要成果

4.1 場區地層分布及地下水特征

擬建場區內地層結構簡單，層序清晰，第四系主要由全新統人工填土層組成，下伏基巖主要為燕山晚期粗粒花崗巖，局部穿插有細粒花崗巖脈及煌斑巖脈，其中填土層較薄，約 0.4 m～4.0 m。1#測試孔 3 m～12 m為強風化花崗巖，12 m～110 m為微花崗巖，2#測試孔 3 m～14 m為強風化花崗巖，14 m～15.5 m為中風化花崗巖，15.5 m～120 m為微花崗巖，地層可鉆性差。

場區勘探深度內見有地下水。地下水類型為基巖裂隙水，主要賦存于基巖各風化帶中，勘查過程中實測穩定水位埋深 3.60 m～6.30 m，標高 15.46 m～18.58 m。場區地下水主要補給源為大氣降水，排泄方式以地下徑流為主。

4.2 現場熱響應試驗結果

(1)巖土初始溫度

巖土初始平均溫度測試采用垂直埋設溫度傳感器法，垂直埋設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#測試孔埋設溫度傳感器溫度曲線。經計算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℃，即可得出當地的巖土初始平均溫度為15.72℃。

圖9 1#測試孔埋設溫度傳感器溫度曲線

圖10 2#測試孔埋設溫度傳感器溫度曲線

(2)穩定熱流測試

穩定熱流測試是利用測試設備向地埋管換熱器提供恒定熱流，通過監測地埋管換熱器的進、出水溫度的變化和流量數據，對數據分析處理計算后得到巖土體的平均導熱系數。如圖11為穩定熱流測試曲線。

圖11 穩定熱流測試曲線

(3)穩定工況測試(夏季)

穩定工況(夏季工況)測試即夏季地埋管換熱器的吸熱能力測試，利用測試設備穩定地建立夏季地埋管換熱器的運行工況，在工況穩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 穩定工況(夏季工況)測試曲線

如圖12為穩定工況(夏季工況)測試曲線，取2016年9月21日15：30～22日17：27數據為有效數據，在有效數據區間內，地埋管換熱器進水溫度為35.2℃，設定值為35℃，偏差小于0.3℃；流量為 1.4 m3/h，設定值為 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)穩定工況測試(冬季)

穩定工況(冬季工況)測試即冬季地埋管換熱器的排熱能力測試，利用測試設備穩定地建立冬季地埋管換熱器的運行工況，在工況穩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 穩定工況(冬季工況)測試曲線

如圖13為穩定工況(冬季工況)測試曲線，取2016年9月19日7：27～20日13：45數據為有效數據，在有效數據區間內，地埋管換熱器進水溫度為5.1℃，設定值為5℃，偏差小于0.3℃；流量為 1.4 m3/h，設定值為 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)溫度恢復測試

《淺層地熱能勘查評價規范》中5.4.4要求：每次加熱(冷)負荷停止后，應繼續觀測回路的進出口溫度，至溫度穩定(變化幅度小于0.5℃)為止，觀測時間不少于 12 h。本次勘查工作在穩定熱流測試間以及穩定工況冬、夏季工況測試間進行了 48 h左右的溫度恢復測試，并利用地溫監測儀對溫度進行監測。通過監測數據可以看出經過 48 h恢復后溫度基本恢復到原始地層溫度。

(6)地埋管換熱功率

在穩定工況測試中，通過監測地埋管換熱器的進、出水溫度的變化和流量數據以及通過數據計算出的勘探孔換熱功率，對數據分析處理計算后得到地埋管換熱器傳熱系數。

通過分析勘探孔穩定工況(冬、夏季工況)測試數據計算得出逐時的地埋管換熱器傳熱系數，根據地埋管換熱器傳熱系數的變化趨勢取得相對穩定的數據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。勘探孔夏季工況測試數據分析并計算得出地埋管換熱器傳熱系數為 3.86 W/mK，勘探孔冬季工況測試數據分析并計算得出地埋管換熱器傳熱系數為 4.75 W/mK。

5 淺層地熱能評價

5.1 現場熱響應試驗結果

(1)勘查孔100 m內巖土初始平均溫度為15.72℃。

(2)勘探孔巖土平均綜合導熱系數為 2.67 W/mK。

(3)夏季測試工況下，地埋管換熱器進水溫度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為 3.86 W/mK，冬季工況地埋管換熱器平均傳熱系數為 4.75 W/mK。

5.2 適宜性評價

勘查區第四系不超過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，淺層地熱能適宜性分區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)地埋管換熱系統適宜性分區主要指標如表3所示。

(豎直)地埋管換熱適宜性分區 表3

根據現場勘查工作，勘查區第四系厚度小于5 m，下伏基巖為花崗巖，地下水位 18 m，根據表3勘查區屬于較適宜區。

根據現場熱響應測試結論，勘查孔巖土平均綜合導熱系數為 2.67 W/mK，換熱性能好，適宜采用(豎直)地埋管換熱方式。

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

5.3 資源評價結論

勘查區面積為14 074.3 m2，以2#勘查孔作為勘查區代表地層，計算勘查區淺層地熱能靜態儲量為1.79×109kJ/℃，地層溫度每變化1℃釋放或吸收的熱量相當于標準煤 61 t。

勘查區綠化和廣場用地占規劃總建設用地的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，經計算，綠地和停車場可布換熱孔數量為204眼。勘查區可開采資源量夏季工況(地埋管進水溫度35℃，流量 1.4 m3/h)為 1 635 kW，冬季工況(地埋管進水溫度5℃，流量 1.4 m3/h)為 1 070 kW，可為 20 438m2建筑提供夏季制冷(負荷指標取 80 W/m2)和 21 400 m2建筑提供冬季供暖(負荷指標取 50 W/m2)，滿足建筑需求。

6 結 語

傳統常規能源的使用，必定會造成空氣的日漸污染及氣候的變化。伴隨著經濟的發展，國家提倡創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，深入推進能源革命，并推動新能源的開發及利用，太陽能、風能、地熱能等新能源將得到廣泛的應用。地源熱泵工程地質勘查工作對于場區地熱能開發的可行性提供設計依據，對于其他新能源的開發也是具有指導作用。