合肥市阳光花园住宅小区浅层地热能勘查评价

摘要：合肥市阳光花园住宅小区中央空调拟采用地源热泵系统，为查明场地地质背景条件，施工了一眼200m深的水文地质勘探井和2眼各100m深的地埋管热响应测试孔。本文根据勘查、试验结果，结合场地条件，确定了浅层地热能开发利用方案，并采用热储法对场地浅层地热能资源进行了评价，希望为其它场地浅层地热能勘查评价提供借鉴。

关键词：热储层；水源热泵；土壤源热泵；竖直埋管；热储法

0 引 言

浅层地热能是指蕴藏在地表以下一定深度范围内（

1拟建工程概况

阳光花园住宅小区位于合肥市东至路与望江路交叉口，为一近南北走向的长条状地块，拟建五栋高层住宅，并附有3-5层社区用房。总建筑面积74300m2，其中高层住宅面积为32400m2，商业用房8400m2，幼儿园1200m2，地下室9600m2。制冷工况负荷：2436kW，制热工况：1628kW。

2 地质条件与系统选择

阳光花园住宅小区地形较为平坦，仅局部有微小起伏，地面高程38.22~40.67m。第四系松散层厚36m左右，岩性均为粘性土；下伏白垩系张桥组[1-2]，岩性主要为棕红色泥质砂岩，本次200m深的勘查钻孔揭露该层厚度164m，单井出水量70m3/d，因水量贫乏，中央空调不宜采用地下水源热泵系统[7]。抽水试验测得地下水温度为18.5℃，考虑到冬季和夏季地温与气温温差均在10℃左右，适宜采用土壤源热泵系统对小区浅层地热能进行开发。

土壤源热泵系统主要是通过在地下一定深度内埋设PE管，再通过管中循环的液体与岩土体进行热交换获取浅层地热能。

埋管方式有两种：一种是水平埋管，一种是竖直埋管。如果有足够宽敞的场地，一般可考虑水平埋管，施工难度相对较低，工程成本相对较低；如果场地有限，只能考虑竖直埋管，一般情况下需要钻机凿孔，工程成本相对较高。阳光花园因受场地限制，只能选择竖直埋管。

3岩土体热响应测试

为确定垂直埋管的深度和钻孔的数量，需对岩土体的热物性参数进行测试。本次勘查在场地内施工两个100m深的测试孔，孔径160mm，分别下入两根U型HDPE管，管径32mm，灌浆回填封孔，埋管深度分别为97m和98m。采用闭式加热设备（图1），向U型管注水并通电给岩土体加热，记录进出水温度数据，再通过专业数据分析软件求取岩土体的导热系数等参数。

实验得出1号实验孔的地下岩土体初始平均温度为18.49℃，2号实验孔的地下岩土体初始平均温度为18.51℃，两孔测试曲线形态基本一致，见图2。

通过对1、2号实验孔地下水换热器内的水加热，获得水温随时间变化曲线，两孔所测曲线形态也基本一致，见图3。通过专业软件分析，得出1号实验孔地下岩土体平均导热系数为2.101w/m/k；2号实验孔地下岩土体平均导热系数为2.090w/m/k。

图1 热响应实验原理图

Fig1 The hot response experiment principle chart

图2 实验孔岩土体原始温度测定曲线

Fig2 The observation curve of temperature with time in rock-soil of the testing borehole

图3实验孔地下换热器内水温随加热时间的变化曲线图

Fig3 The observation curves of temperature with time in the water heating process in the pipe heat exchanger system in the testing borehole.

4、孔间距与地埋管长度的确定

为避免孔与孔之间的“热短路”，据规范[3]要求，孔间距一般控制在3~6m。综合考虑阳光花园场地范围、可能的埋管深度以及换热效率，选取钻孔间距为5.0m。

地埋管总长度可根据换热量多少，依据《地源热泵系统工程技术规范》[4]附录B计算确定，但因计算公式很复杂，本次采用按相同依据编写的Ground Loop Design专业软件进行计算，求得竖直地埋管换热器总长度为52705.83m。

5、孔深与钻孔数量的确定

相关研究表明，钻孔越深，孔内支管间的热短路越明显[5]，当钻孔深度超过200m时，热短路加剧，换热量基本不会随深度增加而变大[6]，因此钻孔深度一般选取在40~150m之间。

阳光花园住宅小区可布孔区域仅有14253m2，为节省施工费用，尽可能减少钻孔深度，按5m孔间距，采用下列公式计算单个钻孔深度和所需施工钻孔数量：

Lh =Lc/ NA=N×5m×5m

式中：Lh―钻孔深度（m）；

Lc―地埋管总长度（m）；

N―钻孔个数（个）；

A―布孔区面积（m2）。

则：

Lh=Lc×25/A=52705.83×25/14253

=92.45m

则：

N=Lc/L=52705.83/92.45=570(个)

6、浅层地热能资源评价

经综合考虑，选用热导率法对阳光花园竖直埋管地源热泵系统可采浅层地热能资源进行评价。

单孔换热功率[3]计算公式：

式中：D单孔换热功率（W）；

λ1-地埋管材料的热导率（W/(m•℃)），PE管为0.42 W/(m•℃) [8]；

λ2-换热孔中回填料的热导率 (W/(m•℃))，取1.5 W/(m•℃)；

λ3-换热孔周围岩土体的平均热导率 (W/(m•℃))，取2.096 W/(m•℃；

L-地埋管换热器长度 (m)，取140m；

r1-地埋管束的等效半径 (m)，双U为管内径2倍，取26mm；

r2-地埋管束的等效外径米(m)，等效半径r1加管材壁厚，取29mm；

r3-换热孔平均半径(m) ，取80mm；

r4-换热温度影响半径(m)，取孔间距的一半，2.5m；

t1-地埋管内流体的平均温度(℃)，取31.5℃；

t4-温度影响半径之外岩土体的温度 (℃) ，取18.5℃。

根据热导率计算公式得单孔地热能可利用量为4.432kW。本工程最多可布置钻孔570个，用钻孔总数乘以单孔地热能可利用量即得出该小区浅层地热能可利用总量，计算结果为2526.24kW。

8、经济效益分析

单位面积成本：该小区的浅层地热能完全能满足其供热和制冷需求，为保证空调系统能长期高效运行，必须保持热储层内的能量平衡，即空调系统制冷工况下向热储层排放的热量与制热工况下从热储层吸收的热量相等，超出部分（808kW）采用水环热泵机组进行补充。综合考虑所选设备、材料和设计方面的差异，该小区地源热泵辅助用电中央空调系统(24小时供应热水)投资估算在每平米250元左右。

与普通中央空调相比，虽然初投有所增加，但每年可节省约44.43吨标准煤，每年可节省运行费用约25.46万元，四年即可收回投资差额部分。

9、结 论

阳光花园住宅小区200m以浅的地层结构为第四纪粘土层（35m左右）下伏白垩纪红色砂岩层(165m左右)，地下水贫乏，中央空调不宜采用地下水源热泵系统。

该小区100m以浅的岩土体基础温度为18.5℃，冬夏两季的热储层与大气温差10℃左右，受场地范围限制，最终确定采用垂直埋管土壤源热泵系统。

通过地下岩土体热响应试验测试，测得平均导热系数为2.096W/m/k，确定钻孔间距为5m，孔径160mm，计算确定单个钻孔深度为150m，钻孔总数为351－570个，住宅小区浅层地热能可资利用量为2526.24kW，在保持热储层吸放热平衡的情况下，相比普通空气源热泵系统每年可节省约44.43吨标准煤，运行费用可减少约25.46万元。注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。