河南省郑东新区地源热泵系统应用研究

刘玉忠

LIU Yu-zhong

（河南省水文地质工程地质勘察院，郑州 450045）

0 引言

地源热泵技术起始于1912年，瑞士Zoelly提出了“地源热泵”的概念[1]。地源热泵系统是利用地表以下一定深度范围内土体、地下水中具有开发利用价值的浅层地热能（一般为地表以下200m以内，温度低于25℃的热能）[2]。利用其与自然季节温差部分的热能来满足建筑物的供暖、制冷和生活用水的需求。该系统具有节能、经济、环境效益显著、一机多用等优势，符合能源经济可持续发展的要求。目前，郑东新区利用的主要形式是地下水地源热泵系统和垂直地埋管地源热泵系统，且地下水地源热泵系统居于多数。二者在初始投资、运管费用、技术优势、占地面积及对地质条件的要求等方面各有优劣。本文在分析郑东新区水文地质条件的基础上，对以上两种地源热泵系统在该区应用的可行性进行了探讨。

1 概况

郑东新区位于河南省郑州市区东部,面积约150km2，由中央商务区、商住物流区、龙湖城市生态区、高校园区、科技园区、国家郑州经济技术开发区六个功能区组成。京港澳高速公路与连（云港）霍（尔果斯）、京广高铁与徐（州）西（安）高铁相交于此。

地貌上属黄河冲积平原，海拔83～98m，地势向东北微倾斜，坡降1/500左右，多年平均气温14℃，年平均降水量637.80mm，多年平均蒸发量为2058.20mm，相对湿度66.25%，绝对湿度12.89Mpa，平均冻土深49cm。

1.1 水文地质条件

郑东新区可利用的浅层地热能主要是地表以下第四系中地下水及土壤中的冷热源，根据郑东新区已有的地质研究成果及目前地下水赋存条件、水动力特征、水质特征及地下水开发利用状况等诸因素，在垂向上划分为第一含水层组和第二含水层组，两个含水层组水力联系密切[3]。含水层岩性主要由细砂、中细砂、细砂夹粗砂组成，厚度一般小于50m，富水性差异较大，涌水量3000～500m3/d·5 m不等；地下水位埋深东部2～7m，西部5～20m；水化学类型以HCO3-Ca· Mg型为主，水温一般为15℃～22℃。非含水层岩性主要为粉质粘土、粘土。第一含水层组局部已受到污染，第二含水层组为郑州市主要供水层，局部已形成区域性降落漏斗[4]。

1.2 地温场特征

郑东新区盖层平均地温梯度一般为2.5～3.5℃/100m（一般低于3℃/100m）。垂向上又可分为变温带、恒温带和增温带，最上部的变温带，其温度主要受太阳辐射的影响呈周期性变化；变温带之下是恒温带，其温度基本保持恒定，郑东新区恒温带的温度为17℃（27m埋深处）；恒温带之下是增温带，其温度主要受地壳热传导的影响，地温随深度的增加而增高，郑东新区200m埋深处，地温22℃。

1.3 浅层土体及热物性参数

郑东新区200m深度范围内地质岩土体类型主要为为第四系松散土，为黄河新近冲积物，其岩性主要为粉质粘土、粉土、细砂、中细砂、中砂，局部含钙质结核。

郑东新区地埋管适宜区换热功率计算参数取值如表1所示。

表1 郑东新区地埋管适宜区换热功率计算参数取值表[5]

2 地源热泵系统应用可行性分析

2.1 地下水地源热泵系统

郑东新区200m以浅主要是浅层含水层组，依据该含水层组水文地质条件，参考《浅层地热能勘查评价规范》(DZ/T0225-2009)，结合其他城市地源热泵系统管理规定等相关规范、政策，对地下水地源热泵系统进行了开发利用适宜性初步分区。

2.1.1 分区指标的选取

分区指标的选取主要考虑地质及水文地质条件、地下水动力场、水温场、水化学场、地质环境、成本。浅层地温能资源开发利用分区主要是指地下水热泵适宜性分区。

2.1.2 分区类型与分区标准

分区类型与分区标准如表2和图1所示。

表2 地下水热泵适宜性分区表

图1 地下水源热泵系统开发利用适宜性分区图

2.1.3 地下水热泵适宜性分区结果

根据浅层地热能回灌试验结果，水源热泵开发利用采取“一抽二回”方式比较合适。

总的来说，郑东新区水文地质条件较好，100m以浅单井出水量普遍大于1000m3/d·5 m，局部1000～500m3/d·5 m；适宜于地下水地源热泵的应用，但该区处于黄河冲洪积平原，岩性颗粒较细，地下水头较高，据调查，由于各种堵塞和操作工艺等原因，回灌效果不甚理想，在抽灌井数1：1的情况下，大多回灌量仅为抽水量的20%～0%，不利于回灌；即使成井条件较好，抽灌井数1：2也刚刚达到100%回灌。这些因素在一定程度上又制约着地下水地源热泵在该区大面积的使用。

2.2 垂直地埋管地源热泵系统

垂直地埋管地源热泵系统不受地下水资源的限制，只需占用一定的埋管区域，对环境无污染。郑东新区具有发展垂直地埋管地源热泵系统得天独厚的自然条件，从地理位置上看，郑东新区属暖温带半湿润大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季湿热多雨，四季分明，年平均气温为14℃；从地质角度，郑东新区200m以浅地层岩性以中细砂、中粗砂、粘土、粉质粘土为主，恒温层温度在17℃，无论土质和温度都非常适合建设垂直地埋管地源热泵系统。

2.2.1 分区指标选取

根据郑东新区实际，参考《浅层地热能勘查评价规范》(GB/T0225-2009)来构建评价指标体系。

2.2.2 地埋管热泵系统应用适宜性评价分区表

表3 地埋管热泵系统应用适宜性评价分区表

据调查，目前郑东新区在进行运转的垂直地埋管地源热泵系统，取得了良好的经济效益和社会效益。目前的埋管深度一般为150m，个别也采用80m或120m。

3 地源热泵系统应用存在的问题及建议

1）地质勘查工作严重滞后，缺乏必要的地区适宜性分析。

地源热泵开发应用缺乏规划与指导，主要是自发的商业开发与业主结合的市场商业行为[6]，现有工程多未进行场地浅层地热能前期地质勘查，缺乏对水文地质条件与土壤热物性的了解，未进行热泵应用适宜性分析与分区。

2）建设地下水地源热泵系统时，一定要保证回灌率，保护水资源，尽力避免地面沉降的发生。为了解决回灌问题，必要时采用一采多灌模式，井距应该控制在40m～50m,且在项目运行后需要根据水井的实际运行情况定期进行回扬和洗井，时间为一个供暖（冷）期，以恢复回灌井的回灌能力。

3）在建设垂直地埋管地源热泵系统之前，一定要做原位热响应试验，取得真实的岩土体的热物性参数。由于土壤初始温度、土壤导热系统的季节性变化，会导致冬季的试验结果比夏季偏大，单井换热量相对偏差达10～15%，足可以导致设计方案的变化，建议选择冬季进行原位热响应试验，钻孔完成后保证足够长的土壤温度恢复时间。

4）长期使用地源热泵会对原始地温场产生一定的影响，引起热平衡问题，建议加强各项动态检测工作，为研究热平衡问题提供基础数据。

5）郑东新区埋藏着丰富的浅层地热能，建议有关部门尽快制定“郑东新区浅层地热能开发利用规划”，更加合理、科学的开发利用浅层地热能。

4 结论

鉴于郑东新区的水文地质条件等多种综合因素考虑，笔者认为，垂直地埋管地源热泵系统节能经济，运行费用低，应该更适于郑东新区。施工时，要优化换热系统设计，同时要进行必要的原位热响应试验和加强对热平衡问题的研究；如确实需要使用地下水地源热泵系统时，要加强回灌技术的研究，保证回灌率；但更要着眼于垂直地埋管地源热泵系统的推广。郑东新区浅层地能丰富，建议尽快开展浅层地热能的调查评价工作，制定浅层地热能开发利用专项规划，使之更好的为郑东新区的发展服务。

[1] 王现国.洛阳市地下水源热泵应用现状研究及前景展望[A].地温资源与地源热泵技术应用论文集(第三集)[C].北京：地质出版社,2009.

[2] 中华人民共和国国土资源部.浅层地热能勘查评价规范(GB/T0225-2009)[S].北京：中国标准出版社,2009.

[3] 张国建,刘玉忠,等.郑东新区地热能资源勘查报告[R].

[4] 姜宝良,张理盈,等.郑州市城市地下水资源评价与信息管理系统研究报告[R].

[5] 赵云章,闫震鹏,等.河南省城市浅层地热能[M].北京：地质出版社,2010.

[6] 张德祯.河南省浅层地热能开发利用现状、问题及对策.地温资源与地源热泵技术应用论文集(第三集)[C].北京：地质出版社,2009.