陜西西安幸福林帶項目地源熱泵工程開發利用

郭鴻，劉建強，趙智強，桂忠強，羅向榮

（1.陜西省水工環地質調查中心，陜西 西安 710068；2.西安石油大學，陜西 西安 710065）

0 引言

淺層地熱能是地球熱能的重要組成部分，是地球淺表層數百米內的土壤巖石和地下水中所蘊藏的一種低溫熱能，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、儲量巨大、可持續利用、取用方便、綠色環保、運行費用低等優點，是重要的本地化、可再生無污染的資源。并且全年溫度相對穩定，有利于熱泵機組的運行。近年來，鄭克棪和陳梓慧（2018）對清潔供暖的各種能源作技術和經濟的可行性對比，認為在可選清潔能源中，地熱和地源熱泵供暖更具綜合優勢。李碩和駱祖江（2020）基于南通市的地質情況和現場熱響應試驗結果，研究了南通市淺層地熱能開發利用的可行性。李少華等（2020）對杭州某地埋管地源熱泵系統運行的監測數據進行了分析，對系統運行多年后的地溫變化進行了預測。李錦堂等（2020）建立了巖土熱響應試驗動態仿真模型，量化分析了不同因素對模擬結果準確性的影響。楊衛波等（2007）通過構建地埋管傳熱模型，分析了各項熱特性參數。劉志剛（2018）以青島市某工程項目為實例進行了場地地源熱泵工程適宜性及資源評價。張長興等（2014）提出了非穩態熱流工況下確定巖土熱物性參數的方法。黃旺來等（2016）通過在蘇州地區某地源熱泵工程場地進行熱響應試驗，得到了多項熱物性參數。劉春雷等（2014）開展不同熱響應試驗設備的原位熱物性測試。王靜茹等（2020）進行了淺層地源熱泵熱響應測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在工程應用中的可行性。茅靳豐等（2015）開展了地源熱泵在地下工程的應用研究與展望。彭克等（2017）總結了國內外多能協同綜合能源系統工程的現狀。丁金虎和楊志賢（2018）構建了一種地源熱泵與冰蓄冷協同冷暖系統。徐偉等（2018）對近零能耗建筑發展存在的問題進行了探討。康磊等（2018）將地源熱泵與空氣源熱泵進行了對比。隋學敏等（2017）分析了地源熱泵與輻射供冷/暖系統結合的優勢。潘俊和宋佳蓉（2017）對地埋管地源熱泵系統在本溪地區的適宜性進行了評價。本次研究的區域位于西安市東郊幸福林帶項目一工區D 段。項目總體工程為大規模城市空間地下綜合體，大規模城市林帶工程。項目建成后將成為城市綠色廊道、商貿副中心。該區的地源熱泵工程開發利用還未有相關研究。并且按照《地源熱泵系統工程技術規范》（GB 50366-2005）的要求。地源熱泵系統方案設計前，應對淺層地熱能資源進行勘查（徐偉等，2018）。因此對該區的地源熱泵工程開發利用進行研究。

1 區域概況

1.1 項目位置及地貌

研究區位于西安東部，地貌上位于沖洪積扇區，在構造單元上屬于西安凹陷，浐河斷裂位于場地南側，為隱伏斷裂，深部傾向東北，傾角68°～75°，第四紀以來活動不明顯。場地的地震烈度按“中國地震烈度區劃圖”劃分，屬Ⅷ度區。勘察場地周邊附近發育有2 條地裂縫，縫間距約3 km，總體走向為NE50°～80°，傾向SE，傾角70°～85°。

1.2 氣象特征

研究區位于關中盆地。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，冷空氣活動頻繁，氣溫日差較大；干濕季節分明，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 研究目的及技術路線

（1）研究目的

研究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開發利用評價和可行性研究，為該區域同類地源熱泵工程項目及設計提供參考依據。

（2）技術路線

研究工作首先是收集和分析已有地質資料，其次是以現場勘探、測試等手段，技術路線如圖1 所示。

圖1 技術路線圖

2 研究內容

2.1 勘探孔及鉆探

采用HZ-200 型水文地質鉆機，鉆探1 口150 m深勘探孔，孔徑為Φ110 mm；1 口150 m 深測試孔，孔徑為Φ150 mm；勘探孔鉆探過程中進行地層取心并對巖性進行編錄。

2.2 熱響應測試

（1）成孔及地埋管材質

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

（2）試壓下管及回填

技術人員對運至試驗現場的管材進行嚴格檢查，查驗規格型號、長度、外徑及管材合格證。管材連接好后，進行清洗試壓，試驗壓力為0.8 MPa，觀測15 min 以上，無泄漏現象，穩壓后壓降不超過3%。經過試壓檢測，管材無砂眼存在，各連接處緊密，密封性良好，可以下入孔內進行試驗。下管時采用保壓下管，均勻平穩下入，下管過程中監測管內壓力變化。結束后，未出現管內壓力下降現象，表明管材各連接處未出現松動或管材斷裂情況，管材露出地面1.0 m。采用粗砂對測試孔進行了二次回填，填砂量為1.5 m3。回填完成后，再次進行試壓，試壓壓力0.6 MPa，觀測30 min 以上，無泄漏現象，試壓合格。

（3）熱響應測試

測試內容包括對測試孔進行巖土初始溫度測試、加熱恒熱流測試。現場熱響應試驗采用FTPT11 型地層熱物性現場熱響應測試儀（表1）。該測試儀由溫度測試組件、流量測試組件、水箱組件、電加熱器、循環泵、熱泵機組（包括換熱器、壓縮機等部件、風冷器）、控制與記錄組件、電源控件、管道等部件組成，分為主機和輔機2 個相對獨立的裝置，主機設備外形尺寸1.2 m×0.5 m×0.9 m，輔機設備外形尺寸1.0 m×0.6 m×0.9 m。測試儀主機設備內有循環系統、加熱系統、控制系統、溫度和測試系統等，可以獨立完成非加熱試驗、加熱恒功率試驗、加熱恒溫度試驗；輔機設備內主要是制冷機組，與主機設備串聯完成制冷恒溫度試驗。

表1 現場地熱響應試驗內容

3 工作成果

3.1 研究區地層情況

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

（1）上更新統（Q3）。灰黃色風積黃土，結構疏松、針孔發育、切面光滑，厚約15 m。褐紅色古土壤：土質不均含銹黃色鐵質，厚度約5 m。

（2）中更新統（Q2）。上部為沖洪積層，巖性為褐黃色粉質粘土，含黑色鐵錳質結核，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，含黑色鐵錳質結核，厚約25 m。夾有黃褐色細沙，以石英長石為主，厚約2 m。

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

3.2 研究區水文地質情況

在區內所鉆勘探孔測量初見水位埋深為16.8 m，穩定靜水位埋深17.6 m。場地200 m 以內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，較強富水。承壓水為松散巖類孔隙水，化學類型為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 研究區巖土體熱物性特征

在淺層地熱能的開發利用過程中，巖土體的熱物性特征對淺層地熱能的開發利用有著至關重要的影響，尤其對地埋管換熱器單位長度換熱量指標影響非常大。因此地層巖土體熱物性參數指標決定著地埋管的適宜性和經濟性。采集具有代表性的10組樣品，送實驗室進行了巖土熱物理試驗測試，結果見表2。

巖土體熱物性參數主要有巖土體的導熱系數（圖2）和比熱容（圖3），導熱系數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。擁有較大的導熱系數和比熱容的巖土體在淺層地熱能利用中可以提高地埋管單位長度的換熱效率和換熱量，對工程有利；而擁有較小的導熱系數和比熱容的巖土體在淺層地熱能利用中則會降低地埋管單位長度的換熱效率和換熱量，增加工程造價，對工程利用不利，因此對各巖土體的導熱系數及比熱容進行對比。

表2 場地巖土樣品熱物理指標

圖2 場地巖土樣品導熱系數

圖3 場地巖土樣品比熱容

根據試驗孔取樣分析結果，其中淺層黃土的導熱系數最低為1.42 W/m·K；鉆孔底層中砂的導熱系數最高為2.20 W/m·K；卵礫石的導熱系數為1.98 W/m·K；中層粉質粘土導熱系數為1.43～1.99 W/m·K；中層粉土導熱系數為1.65～1.89 W/m·K。經過計算勘探孔巖土平均綜合導熱系數為1.79 W/m·K。該場地的地層巖土體導熱系數：中砂＞卵礫石＞粉土＞粉質粘土。根據勘探孔取樣分析結果，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。該場地的地層巖土體比熱容：粉土＞粉質粘土＞中砂＞卵礫石。熱物性測試結果顯示，該區地層適宜開發利用淺層地熱能。

3.4 熱響應試驗結果

（1）初始地溫測量

初始地溫采用熱響應儀通過非加熱試驗來進行測試，即熱響應試驗儀進行無功率循環，使供水、回水溫度逐漸達到穩定狀態（24 h 內的溫度變化小于1℃），以穩定狀態下的供水、回水溫度的平均值作為初始地溫。

初始地溫測試延續時間為48.5 h，穩定時間為37.5 h。測試結束后，初始地溫為17.47℃。試驗過程中回水溫度、供水流量隨時間的變化見圖4。

（2）加熱恒熱流單U 型試驗

圖4 初始地溫測試歷時曲線圖

圖5 加熱恒熱流試驗（7 kW，單U 型）歷時曲線圖

加熱恒熱流單U 型試驗，功率7 kW，延續時間為96 h。1 月14 日20：00 達到穩定狀態，穩定時間為37 h。試驗結束后地溫恢延續時間54 h，穩定時間15 h。試驗結束后，供水溫度為19.76℃，回水溫度為19.75℃，供水流量為1.20 m3/h，試驗歷時曲線見圖5。經過數據分析并計算，得出該工況下導熱系數為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

加熱恒熱流雙U 型試驗，功率7 kW，延續時間為66 h。1 月20 日5：00 達到穩定狀態，穩定時間為28 h。試驗結束后地溫恢復時間73 h，穩定時間25 h。試驗結束后，供水溫度為19.78℃，回水溫度為19.77℃，供水流量為1.20 m3/h，試驗歷時曲線見圖6。經過數據分析并計算，得出該工況下導熱系數為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（7 kW，雙U 型）曲線圖

4 淺層地熱能評價及開發利用

4.1 適宜性評價

根據區內勘查結果，勘查孔巖土平均綜合導熱系數為1.79 W/m·K，換熱性能較好，可采用豎直地埋管換熱方式。《淺層地熱能勘查評價規范》（DZ/T0225-2009）給出了豎直地埋管適應性分區指標（表3）。根據現場勘查工作，場地勘查區符合表3 中較適宜區評判標準，研究區屬于較適宜區。

表3 豎直地埋管適應性分區

4.2 資源評價及開發利用

經過計算研究區淺層地熱能總熱容量為9.65×108kJ/℃，研究區地埋管地源熱泵系統換熱功率為782.75 kW。考慮到熱泵系統對輸出負荷的擴大效應，地埋管系統地源端的設計功率為輸出端的75%，研究區地源熱泵系統冬季工況下可供暖總面積12884.7 m2。大于該區實際需供暖面積8000 m2，因此研究區淺層地熱能地源熱泵資源能夠滿足該區的供暖需求。

研究區需供暖面積8000 m2，總熱負荷為640 kW，考慮到熱泵系統對輸出負荷的擴大效應，地埋管系統地源端的設計功率為輸出端的75%，即480 kW。所需單孔深150 m 的地埋管換熱孔99 個，換熱孔間距＞4.0 m，所需占地面積約為1944 m2。本場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。根據上述測算和場地的地面情況，建議場地實際布孔99 個，鉆孔位置見圖7。

圖7 研究區地埋管地源熱泵系統鉆孔位置示意圖

5 結論

通過地源熱泵工程地質勘查工作，查明了研究區的地質條件、地層熱物性、換熱孔的換熱能力等參數。經過綜合分析，研究區適宜進行地埋管式淺層地熱能開發，該區的淺層地熱能資源可以滿足建筑換熱需求。結合區內實際，提出了地埋管式淺層地熱能開發利用建議，為該區地源熱泵工程施工提供參考。對在該區域同類地質條件下，建設地源熱泵工程有指導意義。