陕西西安幸福林带项目地源热泵工程开发利用

郭鸿，刘建强，赵智强，桂忠强，罗向荣

（1.陕西省水工环地质调查中心，陕西 西安 710068；2.西安石油大学，陕西 西安 710065）

0 引言

浅层地热能是地球热能的重要组成部分，是地球浅表层数百米内的土壤岩石和地下水中所蕴藏的一种低温热能，其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温，具有分布广泛、储量巨大、可持续利用、取用方便、绿色环保、运行费用低等优点，是重要的本地化、可再生无污染的资源。并且全年温度相对稳定，有利于热泵机组的运行。近年来，郑克棪和陈梓慧（2018）对清洁供暖的各种能源作技术和经济的可行性对比，认为在可选清洁能源中，地热和地源热泵供暖更具综合优势。李硕和骆祖江（2020）基于南通市的地质情况和现场热响应试验结果，研究了南通市浅层地热能开发利用的可行性。李少华等（2020）对杭州某地埋管地源热泵系统运行的监测数据进行了分析，对系统运行多年后的地温变化进行了预测。李锦堂等（2020）建立了岩土热响应试验动态仿真模型，量化分析了不同因素对模拟结果准确性的影响。杨卫波等（2007）通过构建地埋管传热模型，分析了各项热特性参数。刘志刚（2018）以青岛市某工程项目为实例进行了场地地源热泵工程适宜性及资源评价。张长兴等（2014）提出了非稳态热流工况下确定岩土热物性参数的方法。黄旺来等（2016）通过在苏州地区某地源热泵工程场地进行热响应试验，得到了多项热物性参数。刘春雷等（2014）开展不同热响应试验设备的原位热物性测试。王静茹等（2020）进行了浅层地源热泵热响应测试中影响因素的研究。刘晓茹（2008）从岩土体全年热平衡的角度，分析了地埋管地源热泵系统在工程应用中的可行性。茅靳丰等（2015）开展了地源热泵在地下工程的应用研究与展望。彭克等（2017）总结了国内外多能协同综合能源系统工程的现状。丁金虎和杨志贤（2018）构建了一种地源热泵与冰蓄冷协同冷暖系统。徐伟等（2018）对近零能耗建筑发展存在的问题进行了探讨。康磊等（2018）将地源热泵与空气源热泵进行了对比。隋学敏等（2017）分析了地源热泵与辐射供冷/暖系统结合的优势。潘俊和宋佳蓉（2017）对地埋管地源热泵系统在本溪地区的适宜性进行了评价。本次研究的区域位于西安市东郊幸福林带项目一工区D 段。项目总体工程为大规模城市空间地下综合体，大规模城市林带工程。项目建成后将成为城市绿色廊道、商贸副中心。该区的地源热泵工程开发利用还未有相关研究。并且按照《地源热泵系统工程技术规范》（GB 50366-2005）的要求。地源热泵系统方案设计前，应对浅层地热能资源进行勘查（徐伟等，2018）。因此对该区的地源热泵工程开发利用进行研究。

1 区域概况

1.1 项目位置及地貌

研究区位于西安东部，地貌上位于冲洪积扇区，在构造单元上属于西安凹陷，浐河断裂位于场地南侧，为隐伏断裂，深部倾向东北，倾角68°～75°，第四纪以来活动不明显。场地的地震烈度按“中国地震烈度区划图”划分，属Ⅷ度区。勘察场地周边附近发育有2 条地裂缝，缝间距约3 km，总体走向为NE50°～80°，倾向SE，倾角70°～85°。

1.2 气象特征

研究区位于关中盆地。气候的基本特征是冬季寒冷，夏季炎热，春季升温较快，秋季降温迅速，冷空气活动频繁，气温日差较大；干湿季节分明，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，年内降水主要分布在7～9 月，雨热同期。平均气温12.9～13.5℃，1 月份最冷，平均气温-0.9℃，7 月份最热，平均气温26.4℃。

1.3 研究目的及技术路线

（1）研究目的

研究目的是查明工程场地浅层地热能条件，进行场地浅层地热能开发利用评价和可行性研究，为该区域同类地源热泵工程项目及设计提供参考依据。

（2）技术路线

研究工作首先是收集和分析已有地质资料，其次是以现场勘探、测试等手段，技术路线如图1 所示。

图1 技术路线图

2 研究内容

2.1 勘探孔及钻探

采用HZ-200 型水文地质钻机，钻探1 口150 m深勘探孔，孔径为Φ110 mm；1 口150 m 深测试孔，孔径为Φ150 mm；勘探孔钻探过程中进行地层取心并对岩性进行编录。

2.2 热响应测试

（1）成孔及地埋管材质

测试孔孔径150 mm，孔深150 m，试验管材采用双U 型地源热泵专用管，材质为高密度聚乙烯（HDPE），外径32 mm，承压1.6 MPa。

（2）试压下管及回填

技术人员对运至试验现场的管材进行严格检查，查验规格型号、长度、外径及管材合格证。管材连接好后，进行清洗试压，试验压力为0.8 MPa，观测15 min 以上，无泄漏现象，稳压后压降不超过3%。经过试压检测，管材无砂眼存在，各连接处紧密，密封性良好，可以下入孔内进行试验。下管时采用保压下管，均匀平稳下入，下管过程中监测管内压力变化。结束后，未出现管内压力下降现象，表明管材各连接处未出现松动或管材断裂情况，管材露出地面1.0 m。采用粗砂对测试孔进行了二次回填，填砂量为1.5 m3。回填完成后，再次进行试压，试压压力0.6 MPa，观测30 min 以上，无泄漏现象，试压合格。

（3）热响应测试

测试内容包括对测试孔进行岩土初始温度测试、加热恒热流测试。现场热响应试验采用FTPT11 型地层热物性现场热响应测试仪（表1）。该测试仪由温度测试组件、流量测试组件、水箱组件、电加热器、循环泵、热泵机组（包括换热器、压缩机等部件、风冷器）、控制与记录组件、电源控件、管道等部件组成，分为主机和辅机2 个相对独立的装置，主机设备外形尺寸1.2 m×0.5 m×0.9 m，辅机设备外形尺寸1.0 m×0.6 m×0.9 m。测试仪主机设备内有循环系统、加热系统、控制系统、温度和测试系统等，可以独立完成非加热试验、加热恒功率试验、加热恒温度试验；辅机设备内主要是制冷机组，与主机设备串联完成制冷恒温度试验。

表1 现场地热响应试验内容

3 工作成果

3.1 研究区地层情况

勘探孔进行全孔取心分析，钻遇地层为第四系全新统、更新统冲洪积层和风积层，岩性主要有黄土、粉质粘土、粉土、中砂等。分层描述如下。

（1）上更新统（Q3）。灰黄色风积黄土，结构疏松、针孔发育、切面光滑，厚约15 m。褐红色古土壤：土质不均含锈黄色铁质，厚度约5 m。

（2）中更新统（Q2）。上部为冲洪积层，岩性为褐黄色粉质粘土，含黑色铁锰质结核，厚约20～30 m。卵砾石：粒径20～60 mm，最大60 mm，卵石占20%，厚度约6 m。中部为红褐色粉质粘土、粉土互层。厚约20～35 m。砂砾石：粒径10～20 mm，最大20 mm，厚度约4.7 m。下部为棕褐色粉土，含黑色铁锰质结核，厚约25 m。夹有黄褐色细沙，以石英长石为主，厚约2 m。

（3）下更新统（Q1）。岩性为棕褐色粉质粘土，含白色钙质结核，厚度约25 m。夹有棕褐色中砂，以石英长石为主，单层厚约1.5～10 m。

3.2 研究区水文地质情况

在区内所钻勘探孔测量初见水位埋深为16.8 m，稳定静水位埋深17.6 m。场地200 m 以内地下水类型主要为潜水和承压水。潜水为松散岩类孔隙水，化学类型为HCO3·SO4-Na 型。径流方向由西南向东北向浐河排泄，含水岩组为冲积砂砾卵石，较强富水。承压水为松散岩类孔隙水，化学类型为HCO3-Ca·Na 型。水位埋深80～100 m，含水岩组为冲洪积砂砾卵石，中等富水。

3.3 研究区岩土体热物性特征

在浅层地热能的开发利用过程中，岩土体的热物性特征对浅层地热能的开发利用有着至关重要的影响，尤其对地埋管换热器单位长度换热量指标影响非常大。因此地层岩土体热物性参数指标决定着地埋管的适宜性和经济性。采集具有代表性的10组样品，送实验室进行了岩土热物理试验测试，结果见表2。

岩土体热物性参数主要有岩土体的导热系数（图2）和比热容（图3），导热系数的大小可以反映岩土体的传热效率，比热容的大小可以反映岩土体单位体积每升降1℃可以吸收和放热的能力大小。拥有较大的导热系数和比热容的岩土体在浅层地热能利用中可以提高地埋管单位长度的换热效率和换热量，对工程有利；而拥有较小的导热系数和比热容的岩土体在浅层地热能利用中则会降低地埋管单位长度的换热效率和换热量，增加工程造价，对工程利用不利，因此对各岩土体的导热系数及比热容进行对比。

表2 场地岩土样品热物理指标

图2 场地岩土样品导热系数

图3 场地岩土样品比热容

根据试验孔取样分析结果，其中浅层黄土的导热系数最低为1.42 W/m·K；钻孔底层中砂的导热系数最高为2.20 W/m·K；卵砾石的导热系数为1.98 W/m·K；中层粉质粘土导热系数为1.43～1.99 W/m·K；中层粉土导热系数为1.65～1.89 W/m·K。经过计算勘探孔岩土平均综合导热系数为1.79 W/m·K。该场地的地层岩土体导热系数：中砂＞卵砾石＞粉土＞粉质粘土。根据勘探孔取样分析结果，其中古土壤和卵砾石的比热容较小为1.11 kJ/kg·K 和1.06 kJ/kg·K。粉土的比热容最大，为1.39～1.40 kJ/kg·K，平均为1.395 kJ/kg·K。粉质粘土的比热容为1.23～1.41 kJ/kg·K、平均为1.30 kJ/kg·K。中砂的比热容为1.21 kJ/kg·K。该场地的地层岩土体比热容：粉土＞粉质粘土＞中砂＞卵砾石。热物性测试结果显示，该区地层适宜开发利用浅层地热能。

3.4 热响应试验结果

（1）初始地温测量

初始地温采用热响应仪通过非加热试验来进行测试，即热响应试验仪进行无功率循环，使供水、回水温度逐渐达到稳定状态（24 h 内的温度变化小于1℃），以稳定状态下的供水、回水温度的平均值作为初始地温。

初始地温测试延续时间为48.5 h，稳定时间为37.5 h。测试结束后，初始地温为17.47℃。试验过程中回水温度、供水流量随时间的变化见图4。

（2）加热恒热流单U 型试验

图4 初始地温测试历时曲线图

图5 加热恒热流试验（7 kW，单U 型）历时曲线图

加热恒热流单U 型试验，功率7 kW，延续时间为96 h。1 月14 日20：00 达到稳定状态，稳定时间为37 h。试验结束后地温恢延续时间54 h，稳定时间15 h。试验结束后，供水温度为19.76℃，回水温度为19.75℃，供水流量为1.20 m3/h，试验历时曲线见图5。经过数据分析并计算，得出该工况下导热系数为1.51 W/m·K，冬季单米换热量为32.90 W/m，夏季单米换热量为46.25 W/m。

（3）加热恒热流双U 型试验

加热恒热流双U 型试验，功率7 kW，延续时间为66 h。1 月20 日5：00 达到稳定状态，稳定时间为28 h。试验结束后地温恢复时间73 h，稳定时间25 h。试验结束后，供水温度为19.78℃，回水温度为19.77℃，供水流量为1.20 m3/h，试验历时曲线见图6。经过数据分析并计算，得出该工况下导热系数为1.74 W/m·K，冬季单米换热量为37.29 W/m，夏季单米换热量为52.41 W/m。

图6 加热恒热流试验（7 kW，双U 型）曲线图

4 浅层地热能评价及开发利用

4.1 适宜性评价

根据区内勘查结果，勘查孔岩土平均综合导热系数为1.79 W/m·K，换热性能较好，可采用竖直地埋管换热方式。《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T0225-2009）给出了竖直地埋管适应性分区指标（表3）。根据现场勘查工作，场地勘查区符合表3 中较适宜区评判标准，研究区属于较适宜区。

表3 竖直地埋管适应性分区

4.2 资源评价及开发利用

经过计算研究区浅层地热能总热容量为9.65×108kJ/℃，研究区地埋管地源热泵系统换热功率为782.75 kW。考虑到热泵系统对输出负荷的扩大效应，地埋管系统地源端的设计功率为输出端的75%，研究区地源热泵系统冬季工况下可供暖总面积12884.7 m2。大于该区实际需供暖面积8000 m2，因此研究区浅层地热能地源热泵资源能够满足该区的供暖需求。

研究区需供暖面积8000 m2，总热负荷为640 kW，考虑到热泵系统对输出负荷的扩大效应，地埋管系统地源端的设计功率为输出端的75%，即480 kW。所需单孔深150 m 的地埋管换热孔99 个，换热孔间距＞4.0 m，所需占地面积约为1944 m2。本场地可利用空地面积为3150 m2，可以满足地埋管施工占地面积要求。根据上述测算和场地的地面情况，建议场地实际布孔99 个，钻孔位置见图7。

图7 研究区地埋管地源热泵系统钻孔位置示意图

5 结论

通过地源热泵工程地质勘查工作，查明了研究区的地质条件、地层热物性、换热孔的换热能力等参数。经过综合分析，研究区适宜进行地埋管式浅层地热能开发，该区的浅层地热能资源可以满足建筑换热需求。结合区内实际，提出了地埋管式浅层地热能开发利用建议，为该区地源热泵工程施工提供参考。对在该区域同类地质条件下，建设地源热泵工程有指导意义。