河北地区地埋管地源热泵适宜性分区研究

王红涛，刘自强，张子平，刘 伟，王建辉

（1.河北工程大学城市建设学院，河北 邯郸 056038；2.河北省科学院能源研究所，河北 石家庄 050081）

0 引言

能源是社会发展和人类赖以生存的物质基础，随着社会的发展和科技的进步，人们对能源的消耗越来越多，无论是工业生产还是人们对生活品质要求的提高方面都对能源的依赖性越来越强，从而导致了能源的枯竭、环境污染等严重后果。开发利用可再生无污染的新能源的任务迫在眉睫。研究表明，地下10－200m 的深层土壤其温度保持恒定，接近当地大气年平均温度，而且基本不受外界环境影响，因此浅层地热是一种真正的分布广泛而且稳定可靠的可再生资源［1］。浅层地能作为可再生能源的重要组成部分，因其埋藏浅、分布广、开采容易、可再生、储量大、清洁环保和可用性强等诸多特点，并借助于地源热泵对其加以利用，目前广泛用于城市建筑供暖、制冷行业，能有效缓解城市煤、电、气等常规能源的供应压力，并能有效的改善大气的环境［2］。

地源热泵技术是目前利用地热能最有效的方式之一。利用浅层岩土体一年四季温度稳定的特点，地源热泵在冬季把地能作为热泵供暖的热源，即把高于环境温度的热能取出来供给室内采暖；夏季把地能作为空调的冷源，也就是把室内的热能取出来释放到低于环境温度的地源中。通常地源热泵消耗1kW 的电量，用户可以得到4kW 左右的热量或冷量［3］，节能效果显著，系统运行稳定，而且在系统运行过程中，不产生任何有害物质，实现了对环境的友好功能。

岩土热物性参数是地源热泵系统的重要设计参数，地埋管换热器与土壤单位埋深的换热量又是考量系统运行的效率的关键数据，笔者以此为研究重点，结合河北省水文地质条件和地下岩土成分构造分析，通过实际工程举例，总结之前积累的大量工程资料和案例，从经济性和换热效果两方面因素分析了该地区地埋管地源热泵的适宜性，得到并不是所用的区域都适合做地埋管地源热泵项目，在地源热泵项目的实施前一定要综合考虑经济性和适用性。同时也发现某些地区由于不合理的开采浅层热能导致地源热泵系统效率的低下甚至是失败的案例也是存在的［4］，所以为了河北省地源热泵的更好的发展，对浅层地热能的勘查评价以及地埋管地源热泵适宜性分区是必不可少也是有意义的。

1 河北地区简介

1.1 河北省概况

河北省地处东经113°27′～119°50′，北纬36°05′～42°40′之间。地处华北地区，北依燕山，南望黄河，西靠太行，东坦沃野，内守京津，外环渤海，海岸线长487km，总面积达18.77 万km2，总人口6800万，现有11个地级市、23个县级市、108个县、6个自治县、35个市瞎市。全省地势由西北向东南倾斜，西北部为山区，丘陵和高原，期间分布有盆地和谷地，中部和东南部为广阔的平原［5］。

根据我们现在掌握的资料，为了保证结论的准确性，我们把河北省分为京津以南河北地区和京津以北河北地区两部分，其中京津以南河北地区包括：廊坊、保定、石家庄、沧州、衡水、邢台以及邯郸地区，本文重点对该地域做主要研究。地域图如图1所示。

图1 河北京津以南平原地理图

1.2 河北地区地层分布特征

浅层地能资源蕴藏在地下岩土体内，其储藏、运移以及开采利用都受到区域地质、水文地质等诸多条件的制约，不同区域的资源利用方式和规模存在较大差异，因此，全面了解河北地区的地质、水文地质条件十分的重要。河北地区总体来讲，第四纪沉积厚度大，自西向东厚度递增，但也受基底构造的控制，凹陷区和隆起区厚度有较大明显的差异，以冀中凹陷的廊坊东南部及辛集北部最厚，达到了600m 左右［5］。

1.3 降水特征

河北省年平均降水量一般为450～650mm，降水集中分布在6～9月份，占全年降水量的70%左右。而这一地带热量比较充沛，而平均气温稳定超过0℃以上的积温4770～4930℃。从水热平衡看，水少热多。年日照时数2400～3100h。地面蒸发量超过降雨量，年均达1100～1800mm，最高达2000mm。区域内年均温和年降雨量由南向北随纬度增加而递减，比较符合地源热泵有利热源的条件［6］。

2 地源热泵热响应试验

2.1 实验装置

该测试装置是河北省科学能源研究所自主研发的变频热泵式岩土热物性测试仪，享有自主知识产权。仪器主要由热泵机组、变频器、循环水泵、连接管道和各种阀门组成。实物图如图2所示。

图2 变频热泵热响应试验测试仪实物图

测试软件采用Borland Delphi 7编程语言来编制，该软件已通过国家软件著作权登记。系统短小精悍，运行稳定，每一分钟采集并记录一次进出水温度及流量，并将所采集的数据适时的储存到Access数据库中，以备后续的分析处理。

2.2 测试原理

测试系统与地埋管连接，构成闭式水循环。由循环水泵提供动力，水作为循环媒介与岩土进行热量交换。循环期间的水温由温度监测装置测量，水流量由流量测试装置记录，最终通过数据采集自控系统实时采集、显示并保存进出水温度和水流量。为保证工程测试的准确性，在地埋管换热器与测试系统连接后，将储水箱与地埋管注满水，以排出系统内的空气。启动水泵后对测试系统进行仔细检查，确保测试系统无漏水，同时要及时排出残留的空气。测试开始后，使测试系统在未开启电加热装置的情况下运行一段时间，以测定未经扰动的地下岩土温度，然后开启热泵机组，通过变频器分别对机组的加热功率和供水温度进行控制，加热水箱内的循环水，持续运行一定时间后，测试系统的进、出水温度。测试原理如图3所示。

图3 热响应试验测试仪原理图

3 工程案例分析

3.1 工程勘查简介

近年来，河北省地源热泵技术检测中心对河北地区做了上百个测试项目，积累了丰富的数据资料，我们选取了石家庄、保定、廊坊、衡水、沧州、邢台、邯郸等七个地级市结合当地工程项目累计的资料。通过整理分析得到换热孔地质构造、岩土导热系数和单位埋深换热量，对项目地区的地埋管地源热泵的适宜性做了大致的分区。

下面以石家庄某项目为例具体分析。该项目位于石家庄南部，是一个大型的工程机械产业园，拟采用地埋管地源热泵技术。测试时间为2013年9月13—16号，采用河北省地源热泵技术检测中心和河北省科学院能源研究所联合开发的土壤热物性测试系统。该项目共计两个测试孔，分布命名为1号井和2号井，两孔距离为500m，钻孔深度均为100m，采用原浆回填，钻孔孔径180mm，地埋管采用HDPE100／32的单U 型埋管。根据专业地质勘查队伍对项目地的实地勘查，我们得到现场采集的地质构造柱状地质图如下：

图4 测试孔柱状地质图

从钻孔取样成分分析，勘察范围内所揭示的土层以第四纪新近沉积土、一般沉积土及老粘性土为主。该项目岩土具体构造分布多如下：1号井，沙土层29m，粘土层40m，中砂含少量卵石层15m，泥卵石层9m，卵砾石层7m。2号井，沙土层36m，粘土层33m，中砂含少量卵石层13m，泥卵石层6m，卵砾石层7m。

3.2 数据采集与处理

系统连接完毕后，分别采用恒功率测试法和恒温测试法对地埋孔进行测试［10～11］，以取得岩土导热系数、比热容和单位埋深换热量；其中恒功率测试有效时间29h，恒温法有效时间为2.5h。数据采集自控系统记录数据的时间间隔设置成60s。图5和图6是测试井进出水温度及温差随测试时间的变化曲线。

图5 1号井供回水温度随时间变化曲线

图6 2号井供回水温度随时间变化曲线

可以看到，测试仪器在工作状态下，运行稳定温度波动较小，1 号井进出口平均温度为30℃，平均温差3.44℃，平均功率为5.38kW，流量为1.345m3／h 2 号井进出口平均温度30.6℃，平均温差3.49℃，平均功率5.44kW，流量为1.410m3／h。

根据规范中线热源传热模型求解岩土综合导热系数需要拟合进出口平均温度与测试时间对数的变化曲线，从而得到曲线的变化曲线，也就是k值。通过对本次数据处理的结得到1号井拟合曲线斜率的值为2.139，2号拟合曲线斜率为2.094。经过软件计算得到1号测试孔的岩土导热系数为1.94W／m2·K，单位埋深的换热量为53.9W，2 号测试孔岩土导热系数为1.90W／m2·K，单位埋深换热量为57.4W。所以该项目平均综合导热系数为1.92W／m2·K，单位埋深换热量为55.6W。

图7 平均温度随时间对数变化的曲线

3.3 河北地区勘查分析

河北省地源热泵检测中心对河北省内做了大量的热响应试验测试，通过对这些数据的分析，掌握了各个地方岩土的地质构造成分、热物理性质和换热特性。地质勘查结果表明，在地层研究范围内主要是第四纪地层成分，河北地区偏西部包括石家庄、邢台、邯郸西部，主要以粘性土层、黄土状亚粘土碎石层、砂砾石层构成，一般厚度在5－30m，钻孔的施工费用比较高，但是岩石的综合导热系数和单位埋深的换热量要比粘土层和砂土层的要高，分别在1.8～2.4W／m·K和50～70W；河北中东部包括保定、衡水、廊坊、沧州、邢台及邯郸偏东部地层成分主要以粘土层和砂土层为主，部分地区含有少量的卵石层，综合导热系数在1.6～2.0W／m·K，单位埋深的换热量在45～60W。

4 地埋管地源热泵适宜性分区分析

4.1 经济适宜性分析

影响地埋管地源热泵适宜性分区的经济性分析，我们都知道地埋管地源热泵的初投资要比普通的中央空调／供热系统的费用要高，那么地埋管管材费和钻井费用占到很大一部分，所以考虑地埋管地源热泵的经济性至关重要。那么岩土的结构、岩土体热物理性质参数等地质条件；地下水含水层的分布、静水位、流速等水文地质条件；地温、水质等物理化学特征都会影响到实际工程对钻孔的成孔难易程度，也就直接影响到地埋管的费用。

表1 地埋管地源热泵适宜性参考表

通过表1，可以看到地埋管地源热泵的经济适宜性主要取决于项目当地岩土的地质构造，不同的地质岩层直接影响到每延米钻井的费用，进而影响到项目的初投资。

4.2 换热效率适宜性分析

影响地埋管地源热泵适宜性的另一个重要因素就是热泵系统换热效率的问题，岩土综合导热系数越高，单位埋深的换热量越大，那么对于地埋管地源热泵的运行效率会越高。地下岩土的初始温度、单位埋深地埋管内流体与周围岩土体的换热量都是设计到地埋管地源热泵系统设计的重要参考值，也会影响到系统的室外地埋井的数量和初投资问题等。河北地区岩土热物性参考表如表2所示。通过表2可以看到，从岩土导热系数和换热量方面来考虑。岩土的综合导热系数存在以下规律：黏性土＜粉性土＜砂土＜岩性土。但从换热量的角度考虑，地下岩土结构岩石的含量总厚度越厚，综合导热系数越高，单位埋深的换热量越高，但是单位钻井米深的费用会越高，所以在评价地埋管地源热泵项目的时候，一定要多方面的考虑，综合的评价项目的可实施性。

表2 河北地区岩土热物性参考值

4.2 地埋管地源热泵系统适宜性分区

5 结论

针对地埋管地源热泵技术这么多年在河北省的发展中所遇到的问题，对河北地区（主要指京津以南）经行了大量的热响应测试的实验研究，收集了大量的数据资料，包括当地的岩土初始温度，地埋管进出口的温度、功率、流量等数据。运用规范中推荐的线热源传热模型中“恒功率”和“恒温法”分别对当地岩土综合导热系数和单位埋深的换热量进行了计算，并结合该地地质水文条件，分析在不同地质构造的情况下，两者的变化规律。通过分析可以得到，评价地埋管地源热泵适宜性的两个主要：经济性指标和系统运行效率高低的指标。结合两个指标的综合性分析，河北省中部地区主要包括廊坊、衡水、沧州、唐山以及邢台邯郸的偏东部，地埋管地源热泵的适宜性比较好。河北省西部山前平原部分、山间盆地以及山区，主要包括石家庄、邢台以及邯郸偏西部的地区地埋管地源热泵的适宜性相对比较差。建议在工程项目设计施工前对该地进行地质勘查，根据建筑面积进行热响应测试试验，以分析的结果为依据，从经济性和换热效率两方面决定地埋管地源热泵的适宜性。通过本篇文章的研究，我们希望可以为河北省平原地区地源热泵项目的设计提供一定的参考，对该地地埋管地源热泵技术的的发展起到促进的作用。

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