碳酸盐岩类地层地源热泵系统适宜性研究

黄 鹏，骆 进，顾晓敏，胡 涛，陈 思，宋金成

（1.中国地质大学公管学院，湖北武汉 430074；2.中国地质大学工程学院，湖北武汉 430074；3.铜仁市九龙地矿投资开发有限责任公司，贵州铜仁 554300）

0 引言

地源热泵技术是开发利用中低温地热资源的有效方法，具有低耗高效、绿色环保及可再生利用地热资源的特点(庄树裕，2013)。1912年瑞士人首先提出地源热泵技术的概念，1946年第一个地源热泵系统在美国俄勒冈州波兰特市中心区安装成功(Sanner et al，2003)。在技术应用方面，瑞士、瑞典、德国、奥地利及日本的地源热泵技术应用最为成熟，走在世界前沿。从应用比例看，瑞士、挪威是世界上地源热泵应用人均比例最高的国家，应用比例高达96%。地源热泵技术在我国开发利用起步较晚，20世纪50年代吕灿仁教授最早开展了我国的热泵系统研究。20世纪90年代，地源热泵技术在我国得到推广和应用，其中，北京、宁波、广州等城市先后启动了示范工程(蔺文静等，2012)。1997年，我国科技部与美国能源部(DOE)签署了《中美能效与可再生能源合作议定书》，其主要内容之一既是“地源热泵”项目合作，这激起了国内诸多大学对地源热泵技术的研究兴趣，1998年，重庆建筑大学、青岛建工学院、湖南大学、同济大学等开始建立地源热泵实验台，对地源热泵技术进行研究。

近年来，地源热泵系统在中国得到广泛的推广应用。据国土资源部数据显示，截至2015年底，全国31个省市区均有以地源热泵技术开发利用浅层地热资源的工程项目，应用浅层地热能供暖制冷的建筑物面积约3.92×108m2，其中，80%的项目集中在华北和东北南部地区，包括北京、天津、河北、辽宁、河南、山东等省市。然而，在我国西南地区，尤其在以碳酸盐岩类地层为主的地区，因岩溶裂隙较发育，破碎带、断层广泛分布，建造垂直换热孔难度大，成本较高，岩土热物性参数较难获取等问题，极大程度制约了地源热泵系统在该地区的应用。目前，国外没有地源热泵系统在碳酸盐岩地区的适宜性研究案例，国内只有较少学者对该课题进行研究，其中，庞设典、龙治国等从分析武汉市岩溶发育情况以及热泵系统可能造成地质灾害出发，对武汉市地源热泵系统进行适宜性分区及评价（庞设典等，2010）；宋小庆、彭钦基于层次分析法、综合指数法，对碳酸岩盐较发育的贵阳市进行地源热泵适宜性评价，划分了地源热泵适宜区及不适宜区（宋小庆等，2015）；何文君、向贤礼等对贵州某碳酸盐岩地区地埋管换热系统进行分析，研究表明，该区适合采用垂直地埋管与基础桩螺旋盘管相结合的换热系统（何文君等，2014）。总结分析，关于地源热泵系统在碳酸盐岩地区的适宜性研究很少，研究程度较浅，对地质条件的分析多出于文献资料，未见物探、钻探等技术方法的实际应用，较为系统的研究案例几乎为零。因此，应用物探、钻探、现场热响应试验等综合手段，在查明项目区地质条件并加以分析的基础上，研究地源热泵系统在碳酸盐岩地区的适宜性，以促进地源热泵技术在碳酸盐岩地区的推广应用，是极具现实意义的研究课题。

1 研究区概况

1.1 区域地质特征

项目区总体地形地貌为北西高、南东低，场区西南侧有一条冲水沟，两侧山体陡峭，山前为洪积扇，海拔在520m左右。受区域构造影响，场区断裂构造较为发育，第四纪地层厚度较浅，主要出露寒武系上统娄关山群第三段（Є3ls3）和第二段（Є3ls2）白云岩，岩性为浅灰、灰色薄层至块状微—细晶，局部中晶，夹带中层状微—细晶、砾屑及砂屑细晶。地层产状倾向北西，倾向倾角区内显示为单斜岩层。根据野外地质调查及现场钻凿结果显示：项目区第四系厚度较薄，在0～30m之间，岩性主要以回填碎石为主，粘土、亚粘土次之，第四系下伏为寒武系娄山关组，岩性以白云岩为主，地层较为破碎。

1.2 区域水文地质特征

根据地层岩性、地下水形成条件及赋存特征，将区内地下水类型划分为碳酸盐类岩溶水、碎屑岩类基岩裂隙水、第四系松散岩类孔隙水3种类型，其中岩溶裂隙水在区内分布最多，基岩裂隙水及空隙水分布比较局限，区内含水岩组较多，主要有：

（1）第四系（Q）。岩性为黄褐色粘土，亚粘土，砂砾石及碎石块等，多分布于洼地，缓坡及河流、溪谷两侧，含孔隙水，富水性弱，泉流量一般0.01～1.0L/s，水质为HCO3-Mg·Na型水，系区内相对含水层。

（2）寒武系上统娄山关群第三段（Є3ls3）。岩性为浅灰、灰色厚层至块状微—细晶局部中晶白云岩，间夹中层状微—细晶白云岩，含砾屑、砂屑细晶白云岩，中下统局部夹中层状白云质灰岩或灰云岩，顶部局部含硅质团块与条带，含岩溶裂隙水、基岩裂隙水，富水性中—强。

（3）寒武系上统娄山关群第二段（Є3ls2）。岩性为浅紫灰、浅灰、灰色中—厚层微—细晶白云岩，间夹灰色中层状砂屑鲕粒白云岩，层间时夹浅黄灰色薄片状泥质白云岩，含岩溶裂隙水、基岩裂隙水，富水性中—强。

（4）寒武系上统娄山关群第一段（Є3ls1）。上部为深灰色薄层条纹状含有机质粉晶泥晶白云岩夹灰色厚层含有机质砾屑白云岩或砾屑白云岩，下部为浅灰、紫灰色中—厚层砾屑白云岩夹深灰色薄层条纹状含有机质粉晶白云岩，底部夹灰色薄层条带状白云质灰岩，含岩溶裂隙水、基岩裂隙水，富水性中等。

2 研究方法

2.1 地球物理勘探方法

采用高密度电阻率法和高精度磁法相结合，旨在查明区内构造发育规律对工程的影响程度以及完整地层和破碎带分布状况，为论证项目区应用地源热泵系统是否可行提供依据。

高密度电阻率法工作原理与传统电阻法一样，以岩、矿石的电性差异为基础，通过观测和研究人工电场的地下分布规律和特点，实现解决各类地质问题的一组勘探方法，其不同在于运用阵列勘探的方法，增加了观测点密度，提高了工作效率，减少了工作成本，具有采集信息量大和对探测的目标不造成影响等优点，广泛应用于隐伏岩溶溶洞勘察，应用效果较好（朱紫祥等，2017）。此次使用的DUK-2型数字直流电法探测系统由重庆地质仪器厂研制生产，其极间距为5m，最小、最大极间隔分别为1、30，电极总数为120。该系统具有信号自动采集、自动存储、实时曲线显示、数据双向通讯等功能，配备国内先进的高密度电阻率法正反演解释软件，极大的提高了物探解释精度和效率。

高精度磁法是在地面观测地下介质磁性差异引起的磁场变化的一种地球物理方法，主要用于弱磁性目标物的勘测以及隐伏磁性体在地表产生的弱磁异常等研究工作。该方法在地质找矿方面应用广泛，对断裂构造磁异常信息提取效果较好，能有效识别断裂及反映其分布（王新华等，2014）。目前，未见该方法在地热资源调查中的实际应用。此次使用的GSM-19T质子磁力仪产于加拿大，其灵敏度小于0.10nT，分辨率高达0.01nT，绝对精度为1.00nT，梯度容差大于7000nT/m，采样率达3～60s。

本次勘测测线布置原则有：测线要长于项目区，且主测线多条平行布设；在勘探区垂直已知断层或推断的断层或线性地貌布设适量控制剖面，以查明破碎带等隐伏构造；布设一条追踪短剖面，查明可疑不良地质现象。结合测区地质构造特征和项目的目的任务，在项目区布设物探测线，其中包含3条高密度电法剖面测线，编号分别为Line3、Line4、Line5，剖面测线长度共2400m；10条高精度磁法勘探测线，测线长共7100m，测线里程长共6737m，测点数共1360个，高密度电法测线布设及高精度磁法测点位置见图1。

2.2 勘探孔钻探测试

为进一步查明项目区构造空间展布、岩层组合、含水层富水性及确定地层相对稳定区域，需进行钻孔测试。然而，碳酸盐岩类地层地质条件相对复杂，对钻孔技术要求较高，不适宜的钻孔方式不但无法完成钻进任务，而且会增加无谓的钻孔成本，选择合适的钻孔方式是顺利并高效完成钻孔任务的关键。江剑等（2014）以北京市某地源热泵工程为例，重点分析了“气动潜孔锤”跟管钻进技术在碳酸盐岩分布地区的应用及前期勘查，研究表明，该技术适合于完整、坚硬地层,在碳酸盐岩类地层区具有较高钻进效率,且占地面积小，故此次采用“气动潜孔锤”跟管钻进技术进行勘探孔钻探。

测试孔的总体布置原则主要考虑地层、水电及场地条件，同时结合项目场区平面布置图的要求进行布置，一般布置在建筑周边空地，并且避开地下室的位置。本次共布置6个勘探孔，其中4眼布置在地层较破碎区域，2眼布置在地层相对完整地区（布孔位置选择是在物探勘测后，避开明显断层及破碎带）。综合解译勘探孔布孔位置见图2。

图1 物探测线及测点位置图Fig.1 The figure of geophysical survey line and measuring point position

图2 综合解译勘探孔布孔位置图Fig.2 The Comprehensive exploration hole position map

2.3 岩土热响应测试

研究表明：岩土初始温度、岩土热物性参数、地埋管单位深度换热量及长度的选取是否合理，不但影响地源热泵系统的实际运行效果，而且有可能使地埋管实际设置量大于需求量，导致工程投资大大增加；导热系数和比热容的不同常导致传热效率不同，平均导热系数越高越利于热量扩散，平均比热容越高，储热能力越强（Focaccia et al,2013）。因此，对项目区进行岩土热响应测试，获取岩土热物性参数，为地源热泵系统设计提供依据，是必不可少的工作。

具体测试原理是：将仪器的水路循环部分与所要测试换热孔内的HDPE管路连接，形成闭式环路，通过仪器内的微型循环水泵驱动环路内的液体不断循环，同时仪器内的加热器不断加热环路中的液体。当该闭式环路内的液体不断循环，加热器所产生的热量不断通过换热孔内的换热管释放到地下，在闭式环路内的液体循环过程中，将进、出仪器的温度、流量和加热器的加热功率进行采集记录。数据采集及分析由中国建筑科学研究院研发的“地源先锋”软件以及测试平台来进行。

在对物理勘探结果加以分析的基础上，找出地层完整区，布设DK-5、DK-6勘探孔，设计勘探孔深度分别为100m、120m，每个孔内下入直径为32mm的双U型PE 管。由于土壤初始温度、土壤导热系数的季节性变化，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（田光辉等，2010）。因此，为保证设计方案的合理性，故选择冬季（2016年12月2日至12月9日）进行岩土热响应试验。

3 结果与讨论

3.1 地球物理勘探结果分析

以物探方法对项目区地层进行测试，Line3、Line4、 Line5视电阻率断面等值线反演结果见图3。

Line3反演结果分析：该剖面视电阻率整体较高。其中，地表电阻率较低，推测第四系覆盖厚度较薄；覆盖层下部电阻率较高，平均电阻率大于3000Ω·m，推测为结构较完整的白云岩基岩；420～450m之下低阻显示，可能存在构造破碎带，无溶洞发育特征。

Line4反演结果分析：该剖面视电阻率没有表现出如Line3与Line5测线连续的整体高阻特征。其中，地表电阻率较低，推测第四系覆盖厚度较薄；覆盖层下部电阻率显示中高，平均电阻率大于1000Ω·m；500～560m之下低阻显示，存在构造破碎带可能性较大，无溶洞发育特征。

Line5反演结果分析：该剖面视电阻率整体呈浅部低、深部高的特征。其中，地表电阻率较低，推测第四系覆盖厚度较薄；覆盖层下方，电阻率相对较高，平均大于3000Ω·m，推测为较完整的白云岩基岩；该地层剖面电性分界面较为连续，无明显构造破碎带和岩溶发育特征。

图4是高精度磁法测试反演结果，从图中可看出，该区磁异常整体上表现为负异常，分布较连续，且分部面积较大。其中，负异常极大值出现在正北及东东北方向，平均约-80nT；东南走向上呈现低负异常值，平均约-30nT；正异常最大值约90nT，呈点状分布，分布范围极小。根据反演结果，推测出测区可能存在6条断裂破碎带，见图4中FW1-FW6。

图3 Line3～Line5视电阻率断面等值线反演图Fig.3 Apparent resistivity profile contour inversion of Line3 to Line5

图4 高精度磁法反演结果及推测断裂带示意图Fig.4 High-precision magnetic inversion method and speculative fracture diagram

3.2 勘探孔钻探结果分析

对项目区6个勘探孔钻孔结果分析，结论如下：

测试孔DK-5：设计打在完整地层区域上，跟管钻进15m，100m后见破碎带，120m遇坍塌，135m坍塌严重，埋钻。

测试孔DK-6：设计打在完整地层区域上，跟管钻进10m，120～123m坍塌掉块严重。

测试孔DK-1：原设计为打在地层完整区域上的地埋管测试孔，跟管18m，钻至40m出水，60m见破碎带，水量持续增加，约50m3/h。

测试孔DK-2：原设计为打在地层完整区域上的地埋管测试孔，跟管27m，在27m初见地下水，48～48.5m、57～63m、66～72m均见破碎带，水量持续增加，约60m3/h。

测试孔DK-3：原设计为水源验证孔，跟管21m，40～57m坍塌破碎严重，水量持续增加，约50m3/h。

测试孔DK-4：原设计为水源验证孔，跟管5m，46.5m见水，54～60m见破碎带，70～81m坍塌破碎严重，水量持续增加，约50m3/h。

对测试孔DK-1、DK-2、DK-3及DK-4钻孔详情见表1：

总结DK-1—DK-4孔勘探结果：项目区下伏基岩以寒武系娄山关组白云岩为主；第四系覆盖层较薄，平均厚度在20m左右，岩性以回填碎石、粘土及亚粘土为主，风化程度由上致下逐渐减弱；含水层富水性较强，出水量都在1200m3/d以上；地层相对完整区域，120m内可钻性较好。

3.3 岩土热响应测试结果

为反映数据的集中趋势，岩土热响应试验采集的数据最终以DK-5、DK-6测试孔测试结果的平均值为准，岩土热响应试验计算数据见表2。

表2 岩土热响应试验计算数据Tab.2 Calculation data of geothermal thermal response test

研究表明：岩土初始温度决定了地源热泵系统运行环境，14℃～18℃是地埋管地源热泵系统实施的最佳温度条件，当温度高于20℃温差会减小，而低于7℃土壤易冻结，导致制热能力受限（潘俊等，2017）。由表2可知，所测项目区岩土初始温度为17.26℃，符合地埋管地源热泵系统实施的最佳温度条件。

在贵州省地热资源调查中，毛健全教授以不同地区9个钻孔数据研究岩石的地温梯度与其导热率的关系，结果表明：岩性与地温梯度关系密切，导热率低的岩石具有较高的地温梯度，其中，泥岩、灰岩、白云岩及砂岩每百米的地温梯度分别为3.09℃、2.58℃、1.71℃、1.47℃，这些岩石的导热系数分别为（毛健全，2001），此次热响应测试所测目的层岩性为白云岩，平均导热系数为2.85W/(m·℃)，与前人研究数据基本吻合，数据可信度高。项目区夏季单孔换热指标为69W/m，冬季单孔换热指标为61W/m，说明该区地下换热能力较强。

综上分析，项目区的岩土初始温度、导热系数及单孔换热指标均符合地源热泵系统实施标准。

4 地源热泵系统适宜性分区

钻孔条件、投资成本及运行条件决定着地源热泵系统是否能够高效开发应用，而这些方面均与地质条件密切相关。通过综合分析物探、钻探以及岩土热响应试验的结果，明确了项目区断裂破碎带分布位置、地层岩性组合、含水层富水状况、岩土热物性参数等基本地质条件，这不仅给埋管钻孔及水源井选址提供精确的位置参数，减少了盲目钻孔所产生的额外费用，大大降低了建设成本，更是指导整个地源热泵系统设计的重要依据，是地源热泵系统高效运行的必要保障。可见，在地热资源调查中，尤其在地层相对复杂的碳酸盐岩地区，应用物探、钻探及岩土热响应试验等综合方法对研究区地质条件的分析是可行并且必要的。

综合各测试结果：整个项目区第四系覆盖层较薄，岩性以回填碎石、粘土及亚粘土为主，平均厚度在20m左右；下伏基岩以寒武系娄山关组白云岩为主，没有溶洞发育特征；岩土平均导热系数高达2.85W/(m·℃)，地下换热能力较强。可见，项目区利用地源热泵系统有较好的地质条件。根据不同区域不同的地质条件，对地源热泵系统不同形式进行适宜性分区。主要分区原则有：①垂直地埋管地源热泵系统需选择在建筑周边空地，且地层完整，无溶洞和明显破碎带；②地下水地源热泵系统需选择在建筑周边空地，无溶洞分布且需含水层富水性良好，成孔直径为150mm时，出水量需高于50 m·/h。根据综合勘探结果，分区如下：西西南区域地层完整，无断裂破碎带，地质体可钻性好，含水层富水性差，适合建设垂直地埋管地源热泵系统；除西西南区域外，区内广泛分布有断裂破碎带，东北区域地层破碎，可钻性差，应用地源热泵技术成本高，不适宜建设地源热泵系统；西北、南西南及东南区域，地质体可钻性及含水层富水性均较好，适合建设地下水地源热泵系统。综合分析地质条件并结合有限的场地条件，对项目区地下水地源热泵及垂直地埋管地源热泵适宜性分区结果见图5。

5 结论

（1）采用高密度电阻率法与高精度磁法相结合，对项目区的地质条件进行分析，查明了项目区破碎带分布状况，分析出区内可能存在的6条断裂带，这将为垂直地埋管布孔、水源井选址及不同地源热泵形式适宜性分区提供指导。事实证明，在地热资源调查中，利用物探方法进行地质条件勘察施工效率高，数据信息丰富，能较直观、形象地反映地层剖面电性异常体的分布形态，对断层、溶洞、破碎带位置的解译精度较高。

（2）依据钻孔勘探，查明测区内第四系覆盖层较薄且不连续，岩性以回填碎石、粘土及亚粘土为主，下伏基岩以寒武系娄山关组白云岩为主，含水层富水性较好，成孔152mm时出水量最达1200m3/d；确定了垂直地埋管地源热泵系统换热器适宜布孔深度为120m。

（3）综合项目场地DK-5、DK-6测试孔的热响应试验计算结果，测试目的层为白云岩，岩土初始平均温度17.26℃，平均导热系数2.85W/(m·℃)，容积比热容2.81×106J/(m3·℃)，换热系统夏季平均换热量为72W/m，冬季平均换热量为65W/m。以上数据表明：碳酸盐岩地区岩土的平均导热系数较大，有较强的地下换热能力，利用地源热泵系统有较好的地质条件。

（4）综合分析各测试结果及场地条件，对项目区不同区域进行不同地源热泵系统形式适宜性划分。其中，西西南区域地层完整性好，无断裂破碎带，可钻性好，适合建设垂直地埋管地源热泵系统；西北、南西南及东南区域，地质体可钻性及含水层富水性较好，适合建设地下水地源热泵系统；东北区域地层破碎，可钻性差，应用地源热泵技术成本高，不适宜建设地源热泵系统。