天津市浅层地热能存在的热堆积问题及解决方法探讨

岳丽燕，孟令军，赵苏民，卢宝，黄贤龙

（1.天津地热勘查开发设计院，天津 300250；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300200）

天津市浅层地热能存在的热堆积问题及解决方法探讨

岳丽燕1，孟令军2，赵苏民1，卢宝1，黄贤龙1

（1.天津地热勘查开发设计院，天津 300250；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300200）

通过对天津市浅层地热能地质环境动态监测系统获得的地埋管换热器周围温度场动态变化数据的归纳分析，得出以下结论：大部分地源热泵工程能满足建筑供暖制冷需求，地埋管换热器周围土壤在运行一个制冷供暖周期后能恢复到原始地温，不会对地质环境产生影响；一小部分地源热泵不能满足建筑制冷供暖需求，地埋管出水温度不能达到设计要求，换热器周围土壤温度出现持续的升高，在下一个制冷供暖周期不能恢复到原始地温，存在热堆积问题。在分析存在问题的基础上，提出以下可行解决方法：增加换热孔间距、调整换热孔群布置方式、地埋管与抽水井耦合开发利用、复合式供暖制冷系统以及深浅间隔布置的换热孔设计方式。

浅层地热能；地埋管换热器；冷热不均衡；热堆积

目前天津市的浅层地热能开发利用已具有一定的规模和数量，但是关于浅层地热能开发利用中的地质环境问题研究甚少，项目组通过地源热泵工程运行状况跟踪调查和浅层地热能动态监测数据分析发现，某些工程有明显的上部建筑供暖、制冷“出力不足”，下部地埋管换热器周围土壤温度不能恢复到原始地温的现象，通过查阅研究文献以及向暖通专业研究人员咨询，得出目前针对这种现象的研究工作主要集中在上部建筑[1]，很少涉及到地下地埋管换热器这个地源热泵系统中最重要的一部分。本次研究工作主要是针对地下的地埋管换热器存在问题。笔者以天津市某地源热泵工程为例，通过分析该工程历经4年的地质环境动态监测数据，分析该工程出现的问题，结合工程实际应用和理论研究找到出现问题的根本原因，并提出系统的解决方法，为新建和待维修地源热泵工程提供技术指导。

1 地埋管地源热泵基本原理

浅层地热能是指地表以下一定深度范围蕴藏在岩土体、地下水中具有开发利用价值的热能。其本质是利用一定深度内年平均地温与季节气温之差（图1）和岩土体与地下水具有蓄热、导热的特性，通过热泵技术进行开发利用。

热泵技术原理是将浅层地热能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季作为热泵制冷的冷源，通过输入少量的高品位能源（如电能），在冬季把浅层地热能中的热量“取出”来，提高温度后，供给室内采暖，在夏季把室内的热量集中后，释放到地层中，使室内的温度降低。

地埋管地源热泵系统是利用地埋管地下换热系统，采用埋设垂直管、水平管或向地表水抛设管路等多种方式，通过管内循环水源介质与管外土壤进行热交换，直接从浅层土壤取热或向其排热，减少了地热转换热水和冷水过程中的热损失，同时不受地下水开采的限制，推广范围更广、更灵活。

2 地埋管地源热泵工程现状

目前，全国31个省、市、自治区均有浅层地热能开发利用工程，每年浅层地热能供暖制冷的建筑面积呈阶梯式增长，北京奥运村、国家大剧院和上海世博会等一些国家标志性建筑物都使用了地源热泵系统。项目比较集中的地区有北京、河北、河南、山东、辽宁、天津，80%的项目集中在华北和东北南部地区[2]。

从2016年2月26日召开的京津冀协同发展地质工作研讨会上获悉，地质调查评价表明，京津冀规划区13个地级以上城市浅层地热能每年可开采量折合标准煤9 200万吨。若采用热泵系统开发利用浅层地热能，可实现建筑物夏季制冷35亿m2，冬季供暖29亿m2。目前京津冀地区采用浅层地热能供暖制冷面积8 500万m2，占全国利用浅层地热能供暖制冷总面积的20%，是我国浅层地热能开发程度最高、用于建筑物供暖制冷规模最大的地区之一。

据调查统计，近几年来天津市地埋管地源热泵系统工程数量和利用面积呈快速增长趋势，截止2015年12月已建设224个系统工程，利用面积626万m2（图2），大多采用双U型埋管方式，换热孔深度为100～120 m，埋管间距4～5 m。各系统工程的开发应用规模差异较大，有的小型工程如天津地热院浅层地热能开发利用试验基地只钻凿21眼换热孔，大型工程钻凿换热孔数量甚至达到3 000～4 000眼，通过分析地质环境监测数据可知，大型工程整体系统运行效果不如中小型，个别出现系统COP（热泵的能效循环系数）降低的趋势。

3 存在的主要问题分析

3.1 主要问题

根据近几年已有的地埋管地源热泵系统地温监测数据分析，某些工程运行中出现了长期热不平衡和换热孔周围热堆积问题，主要表现为系统在运行几年或更长时间后，出现地埋管区域地下岩土体年平均温度持续升高，夏季可用换热温差逐渐降低，使整个换热系统从地下换取的热量越来越少，为满足室内制冷负荷的要求，不得不增加热泵机组耗电量，整个系统COP降低的现象。

天津某大型地埋管地源热泵工程于2011年冬季开始供暖运行，建筑供暖制冷面积40.24万m2，钻凿3786眼120 m双U换热孔，孔距4.8 m，换热孔在一个区域内集中分布，共布设5眼地温监测孔，包括1眼换热监测孔1#，位于换热孔群中心位置；3眼影响半径监测孔，位于1#孔周围，距1#孔的距离分别为1 m、2 m、2.4 m；1眼地温背景值监测孔，位于换热孔群南部边界外5 m处，各监测孔垂向每10 m布置一个测温点[3]，可监测换热孔和换热孔间以及换热孔群外围地温变化情况，为度量换热孔群内地温变化提供数据支持。

从历年地温背景值监测数据可得出，该工程所在地恒温层位于25～45 m深，工程运行期间地温背景值监测孔地层温度没有受到换热孔群换热的影响，本论文选取换热监测孔位于恒温层40 m深处地温监测数据进行分析（图3），可得出2011年11月至2015年11月运行4个制冷供暖周期后，该深度地层温度呈逐年增长的趋势。

从该工程换热孔间影响半径监测孔40 m深历年地温变化趋势图（图4）可以看出，换热孔间1 m、2 m、2.4 m地层温度随着地源热泵系统的运行也出现周期性的升降，说明换热孔换热影响半径已达到2.4 m，该工程设计换热孔间距不能满足实际负荷需求。

在制冷季随着热量向远处的衰减，正常情况应该是距换热孔2.4 m处的地温变化应小于2 m处的地温变化，但实际监测数据正好相反，说明制冷季相邻的两换热孔在中间2.4 m处出现了热量叠加，即换热孔间出现了热突破。供暖季没出现这种情况，说明建筑物供暖期热负荷小于制冷期冷负荷，按照供暖期热负荷设计地埋管换热孔间距偏小，随着地源热泵系统的运行，会逐渐出现夏季制冷效果不佳，整个系统COP逐渐降低。

同样随着地下平均温度的不断升高，该工程在相同运行周期内地埋管出口温度也呈现上升趋势，说明地下平均温度的持续变化确实对地埋管的换热产生了影响，为获得相同的制冷量，在制冷季节需要提高地埋管入口温度，而这将显著降低机组的性能系统，增加系统能耗。

3.2 原因分析

当地埋管地源热泵系统夏季向地下注入的热量和冬季从地下提取的热量不平衡严重到一定程度时，由于浅层岩土体导热系数低，热量传输能力有限，积累的热量在运行一个供暖制冷周期后难以散失，堆积在换热孔周围，造成换热孔周围岩土体温度持续升高。这主要是由于地埋管换热器的实际传热过程是一个复杂的非稳态传热过程，它以岩土体导热为主，但同时还包括了土壤多孔介质中的空气、地下水的对流以及迁移传热，因此岩土体的热物性、含水层厚度、土壤初始温度、埋管材料、管径和流体流速等都对地埋管换热器的传热过程产生影响[4]。另外，长期运行空调逐时负荷的变动等诸多微观因素也影响换热器的传热过程，很难搭建符合实际情况的模拟软件模型，如此长模拟时间对于实际情况的偏差也难以控制[5]。为获得地埋管地源热泵工程地埋管换热孔群实际的地温变化情况，选取天津市典型工程，按照相关技术规程建立地埋管换热孔地质环境监测系统[3]。

经过对地下换热孔群地温和地上热泵机组运行情况的长期监测以及大量调查研究工作，得知出现这种热量不平衡除上面提到的不可控因素外，更多的是工程建设和运行中的可控因素造成的，主要有以下几种情况：

（1）地埋管地源热泵系统工程前期勘查不到位，没有做现场热响应试验，没有准确的场地浅层岩土体热物性参数和换热孔单孔换热能力数据，只是单纯的估算一个换热孔每延米换热量，用于设计整个工程地埋管数量，以至于出现地埋管数量和实际建筑物冷热负荷不符。

（2）建设方为节省工程初投资，地埋管数量布置过少，不能满足上部建筑物供暖制冷负荷，使得长期运行后地下换热器出力不足，整体运行特性变差。

（3）工程建设场地较小，不能满足地埋管换热器合理间距的布置，从而减小了地埋管换热器间距，使得单个地埋管换热器的传热半径减小，使持久运行特性降低。

（4）热泵机组与地埋管换热器组群设计不匹配，造成局部土壤温升过高。

（5）地源热泵系统运行管理人员缺乏相关专业知识，不能按照上部建筑物实际逐时负荷变化及时调整地源热泵系统运行模式。

3.3 解决方法

地埋管地源热泵的冷热不均衡问题并不是技术上的难题，完全可以通过系统的合理设计和规范化的运行管理进行规避。对于制冷供暖负荷较大的工程，有以下解决方法：

（1）增加地埋管换热器的孔间距，孔群外5 m处地温背景值温度稳定，设计换热孔间距大于5 m，扩大热传导半径，从而减小地埋管换热器单位深度承担的设计负荷。

（2）调整换热孔群布置方式，可将一个大的换热孔群拆分成几个小的换热孔群。

（3）同时，有研究者提出在有地下水渗流存在的砂土中，渗流对整个温度场的影响很大。相同热负荷条件下，渗流的存在能大大增强地下埋管换热器的换热能力，在工程设计和施工中，充分考虑到地下水渗流的影响，将会降低热泵工程的初投资，提高其经济性[6]。而天津平原地区浅部地层岩性主要为黏土和粉砂互层，地下水渗流条件差，地下水自然对流和迁移能够带走的热量很少，工程建设中可采用地埋管与抽水井耦合使用，抽水时的水位差可形成一种人工地下水流场，当这种人工地下水流场达到一定程度即可带走地埋管换热器周围堆积的冷热量，可解决地埋管周围冷热堆积不平衡问题。湖北某办公楼地源热泵系统项目室外换热器采用垂直钻孔U型地埋管与新型单井高效换热技术，避免了地下土壤能量不平衡，从而保证地源热泵系统长时间连续运行的稳定性和可靠性[7]。

（4）针对建筑供暖制冷负荷相差较大的工程，应减小冷热负荷不平衡率，可采取通过设置系统调峰、采用热泵机组热回收技术等复合式制冷供暖系统。另外，针对夏季负荷较大的工程，若工程场地足够大，可根据岩土体垂向温度变化规律，可设计深浅间隔分布的换热孔，夏季换热孔全部使用，冬季只使用深换热孔，浅换热孔由于岩土体平均温度较低，加之夏季雨水多，地下水位上升快，浅层岩土体导热能力增强，可使整个换热孔群的换热效率提高，解决换热孔附近冷热堆积问题。

4 结论

（1）天津市地埋管地源热泵运行时间不长，尚未暴露出严重的冷热不均衡问题。1年的地温累计温升可能只有1℃的量级，对热泵机组和系统换热效率影响不大，但是如果不积极解决问题，5年或10年的持续温升会造成系统运行效果不佳，严重的甚至使整个系统瘫痪，无法达到制冷供暖的目的。

（2）影响土壤冷热不均衡的因素很多，主要是工程建筑物冷热负荷差异和地埋管换热器的布置间距。因此，解决地埋管换热器热不均衡的主要方法是优化设计减小空调系统冬夏累计负荷差，同时适当增加地埋管换热器的间距，在换热孔群中增加新型单井换热系统，改变传统的地埋管布置方式。

（3）采用复合式供暖制冷系统是解决地埋管换热器周围冷热不均衡问题较理想的方法，针对不同地埋管地源热泵系统工程冷热负荷特点，制定运行周期内取放热平衡方案，同时按照相关技术规范，布置有效的地质环境监测系统和相应的调节控制措施。

（4）加强地埋管地源热泵系统的运行管理，根据建筑物实时负荷特点，相应的调节热泵运行模拟，以达到最优能源配置效果。

[1]许世雄.冷却塔复合式地源热泵系统控制策略研究及实现[D].上海：东华大学，2014.

[2]卫万顺，李宁波，冉伟彦，等.中国浅层地温能资源[M].北京：中国大地出版社，2010.

[3]天津地热勘查开发设计院.DB12/T 608—2015天津市浅层地热能地质环境监测技术规程[S].天津：天津市市场和质量监督管理委员会，2015.

[4]岳丽燕.垂直地埋管换热性能影响因素分析[D].北京：中国地质大学（北京），2012.

[5]毕文明，岳丽燕.地埋管换热性能综合微缩试验研究[J].水文地质工程地质，2014，41（1）：144-148.

[6]李斌.热渗共同作用下的地下埋管换热器实验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006.

[7]游锋，陈国友，李海峰.地埋管与新型单井耦合换热技术实例分析[J].建筑节能，2013 12（41）：20-22.

Abstract：During the 1/50 000 regional geological survey in the Beishan area,Inner Mongolia,we measured the profile of the Chijinbao Formation in the Sandaomingshui area,which was thought to be Jurassic stratum by former rechearchers，and we found that it is a suit of gray,green-gray fine clastic rocks and purple-gray coarse clastic rocks with low marurity.A large number of fossils such as bivalves,gastropods,ostracods,plants and large reptiles were found in this formation,and they were divided into several combinations.Bivalves:Sphaeriumcf.jeholense(Grabau)-Arguniella subcentralisChernyshev,the age of Early Cretaceous;Gastropods:Lioplacodes gansuensisPan-Sinorificium yumenensisGuo,the age of Early Cretaceous;Ostracods:theCyprusa-Mongolocypris-Lycopterocyprisassemblage,mainly in Early Cretaceous;Cycads:Nilssonia sinensisYabe& Oishi combination,the age of Early Cretaceous;Ginkgoitessp.,Representative,the era of Early Cretaceous.With comprehensive analysis,we suggested that this suit of stratum belongs to Early Cretaceous.

Key words：Beishan;Inner Mongolia;Chijinbao formation;fossils;Early Cretaceous

The cold&heat accumulation problem and solution methods of the shallow geothermal resource in Tianjin

YUE Li-yan1,MENG Ling-jun2,ZHAO Su-min1,LU Bao1,HUANG Xian-long1

(1.Tianjin Geothermal Exploration and Development-Designing institute,Tianjin 300250，China
2.Bei Fang Investigation,Design&Research CO.LTD,Tianjin 300222，China)

With the number of shallow geothermal energy engineerings increasing,the shallow geothermal geological environmental dynamic monitoring system was established in Tianjin,which can get temperature change data around ground heat exchanger.The dynamic monitoring data analysis showed that most engineerings can meed the building need of heating&cooling,and the soil temperature around ground heat exchanger can restore to the original after a heating&cooling heating cycle,which will not impact on geological environment.A small part engineerings can't meet the building demand of heating&cooling in the operation,and the water temperature of the buried pipe in and out can't meet the design requirements,soil temperature around ground heat exchanger in continuous rise or fall.It can't restore to the original before the next heating&cooling heating cycle. There are cold&heat accumulation problems around the buried tube heat exchanger.The paper based on analysising many factors which affect the problems,developed different solutions for the different cumulative heating and cooling load model of buildings,which can avoid cold&heat accumulation problem and improve the thermal efficiency and service life of the system.

shallow geothermal energy;buried pipe heat exchanger;cold&heat imbalance;cold&heat accumulation

Sedimentary characteristics and age of the Early Cretaceous Chijinbao formation in the Sandaomingshui of Beishan area，Inner Mongolia

ZHANG Jin-Long1,PAN Zhi-long1,CHEN Chao1,2,ZHANG Gui-feng1,ZHANG Huan1, LI Qing-zhe1,WANG Shuo1,ZHANG Li-guo1,ZHANG Yun-Qiang1,3

(1.Hebei institute of Regional Geological and Mineral Resource Survey,Hebei Langfang 065000,China；
2.China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China；3.China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

P314

A

1672－4135（2017）01－0076-05

2016-07-04

国家科技支撑计划课题“天津市生态城地源热泵高效利用技术研究与示范（2013BAJ09B04）”

岳丽燕（1986-），工程师，2012年毕业于中国地质大学水资源与环境学院，长期从事深、浅层地热研究工作，E-mail：yueliyan00120@126.com。