典型气候带地埋管地源热泵运行对地温场的影响分析

贾子龙 郑佳 杜境然 刘爱华 李娟 李富

摘  要：我国的浅层地温能开发利用以寒冷地区和夏热冬冷地区应用最为广泛，利用方式以地埋管地源热泵系统为主。其中寒冷地区北京、天津、河北等省市发展规模较大，夏热冬冷地区江苏和浙江两地发展规模较大。本文选取寒冷地区和夏热冬冷地区规模较大、具有代表性的地埋管地源热泵工程开展了地温场的监测，分析了地温场的监测数据。结果表明，受气候带的影响建筑物的供暖和制冷情况会有所差异，但其所使用的地源热泵系统运行对地温场的影响非常有限，不会因气候带的差异而有所差别。

关键词：浅层地温能;地埋管地源热泵;气候带;地温场;监测数据

中图分类号：P314;X141     文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2019）03-0081-06

Influence of Geothermal Field by Operation of Ground Source Heat Pump with Underground Pipe in Typical Climate Zone

JIA Zilong， ZHENG Jia， LI Juan， LIU Aihua， DU Jingran， LI Fu

（Beijing Geothermal Research Institute， Beijing 102218）

Abstract： Based on the present situation of shallow geothermal energy development and utilization in China， this paper studies the shallow geothermal energy development and utilization， which is most widely used in cold areas， or in the areas with hot summer and cold winter in China. The main mode of utilization is ground source heat pump system with buried pipes. In the cold areas， the geothermal energy are mainly utilized in Beijing， Tianjin and Hebei， and in the areas with hot summer and cold winter， the geothermal energy are mainly utilized in in Jiangsu and Zhejiang. Based on the division of climate zones， the large-scale and representative ground source heat pump projects in above two climatic zones are selected to monitor the geothermal field， which monitoring data are analyzed. The results show that the buildings’ heating and cooling will be greatly affected by climate zones. But the influence of ground source heat pump system on geothermal field is very limited and will be no difference between climatic zones.

Keyword： shallow geothermal energy; ground-coupled heat pump; climatic zone; geothermal field; monitoring data

0 引言

我國浅层地温能资源开发利用起步较晚，但是近年来发展十分迅速。2010年，我国浅层地温能年利用量已高居全球第二（丁宏伟等，2016），2015年更一跃成为世界浅层地温能利用量最大的国家，地源热泵当前的发展速度已领跑世界。全国31个省市区均有浅层地温能开发利用工程项目，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。

据统计，截至2016年，我国浅层地温能应用建筑面积约4.78亿m2，替代标煤1505万吨，占全国能源消费总量的0.463%，每年可节约标煤806万吨，减排二氧化碳1792万吨、二氧化硫12.76万吨，经济环境效益显著。

按照现行国家标准《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-2016）中建筑热工设计分区的有关规定，我国气候带可划分为5个地区，分别是严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。从目前浅层地温能开发利用的情况来看，其应用主要以寒冷地区、夏热冬冷地区应用最为广泛。

本次研究选取了寒冷地区和夏热冬冷地区的规模较大的地埋管地源热泵项目进行分析，论证在典型气候带的条件下地埋管地源热泵系统运行是否会对地温场产生不可逆的影响。

1 典型气候带浅层地温能利用情况

（1）寒冷地区

寒冷地区主要位于我国华北及西北地区，包括辽宁、北京、天津、河北、山东、山西、河南、山西、宁夏、甘肃、新疆等省市自治州，其最显著的气候特点是夏季炎热，冬季寒冷，且干旱少雨。建筑冬夏均有冷热量的需求，浅层地温能的开发利用以夏季制冷（3个月），冬季供暖（4～5个月）为主。

以北京市为例，截至2012年底北京市地源热泵项目数量已达到1042个，实现供暖面积3276万m2。地下水地源热泵项目876个，实现供暖面积2506万m2;地埋管地源热泵项目157个，实现供暖面积702万m2;地表水地源热泵项目9个（不包括污水源热泵项目），实现供暖面积68万m2。其浅层地温能资源开发利用项目以公共建筑为主，建筑类型包括办公楼、商业建筑、工业厂房、教学楼、居民建筑、旅馆酒店、卫生建筑以及文化与体育建筑等，其中办公和商业建筑、居民建筑以及教育建筑所占比例较大，约占总服务面积的83%。地源热泵项目规模不等，1～10万m2的建筑居多，利用规模较大的可达几十万平方米（图1）。

天津市第一个浅层地温能开发利用工程项目于2000年建成，利用面积500m2。经过10年的发展，浅层地温能开发利用工程数量和利用面积均有大幅度增加。据统计，截至2010年，天津的地源热泵项目数量达到174个，应用建筑面积约为294.79万m2。其中地埋管地源热泵项目132个，占总数量的75.86%，利用面积174.87万m2;地下水地源热泵项目42个，占总数量的24.14%，利用面积111.5万m2。在地下水地源热泵项目中，开采方式主要为对井采灌、多井采灌，并以回灌量确定开采量。

河北省浅层地温能开发的工程主要集中在石家庄和保定，邢台、承德、张家口的工程数量次之。根据调查，到2010 年底，河北省地源热泵应用建筑面积约920万m2（陈国安等，2013）。其中石家庄、保定、邢台、邯郸、廊坊、衡水、沧州、张家口、承德和秦皇岛10个城市的应用面积约占河北省总的应用面积的一半，约490万m2。据不完全统计，至2010年底，这10个重点城市地源热泵利用工程约202个，其中地下水式利用工程159 个，地埋管式利用工程43个。

陕西省具有丰富的浅层地温能资源，自2006年以来先后在关中、陕南和陕北地区开发利用浅层地温能的单位已经有150余家，浅层地温能的开发利用面积已达1153万m2（孟阳，2017）。

（2）夏热冬冷地区

夏热冬冷地区主要位于我国长江中下游地区，包括上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川等省市的大部分地区以及贵州东北、福建北部等地区，其显著的气候特点是夏天热，冬天冷，而且常年湿度很高，建筑冬夏均有冷热量的需要。浅层地温能的开发利用以夏季制冷（约4个月）和冬季供暖（约3个月）為主。

以杭州为例，据统计，截至2012年，杭州已有地源热泵项目73个，建筑总面积455.6万m2。其中地埋管地源热泵项目68个，地下水地源热泵项目5个。单个项目利用面积最小的为中国计量学院地源热泵实验室，空调面积64m2，最大的为杭州新火车东站，建筑面积32万m2。在杭州市区浅层地温能开发利用建筑类型中，别墅类项目最多，共33个，总面积222.73万m2，其次为住宅小区，共11个，总面积101.56万m2，其它建筑29个，总面积131.27万m2（图2）。

南京自2009年列为全国首批可再生能源建筑应用示范城市以来，浅层地温能的开发利用逐渐提速，开发应用领域扩展到政府公共建筑、办公大楼、商业广场及一般民用住宅等领域。据统计，南京浅层地温能应用面积每年均以40万m2的速度在增长，截至2013年9月，已有141处浅层地温能开发利用工程，应用面积已经超过600万m2（鄂建等，2015）。

2 寒冷区浅层地温能开发利用对地温场影响分析

据典型气候带浅层地温能利用情况分析结果，目前，浅层地温能主要以地埋管地源热泵为主，并且正朝着集中化、规模化的方向发展。随着项目服务建筑面积的增加，地埋管数量也会随之增加。本文结合实际工程案例分析，当地埋管群达到一定程度是否会对地温场造成不可逆的影响。

北京地区选择的工程项目建筑规模较大，且在项目实施过程中布设了地温场监测孔， 2015-2017年取得了比较完整且准确的监测数据。

（1）项目概况

该项目位于北京地区，占地面积6公顷，建筑结构为框架剪力墙，主体建筑地上3～21层，地下2层，总建筑面积221426m2，其中包括公寓131130 m2，宾馆4976 m2，商场5531 m2，电影院2515 m2，幼儿园3000 m2，天桥4764 m2，地下室55000 m2。该地埋管地源热泵项目系统总冷负荷7890kw，总热负荷9100kW（其中生活热水负荷2500kW），项目共计布设垂直地埋孔635个，孔径为150mm，孔深100m。

（2）水文地质条件

该项目位于永定河冲洪积平原的二级阶地上，新生界厚度600～700m，下伏基岩白垩系。第四系厚度130m左右，岩性结构属于多层砂砾石层及少数砂层，下伏第三系。含水层厚度自西向东逐渐变薄，岩层颗粒逐渐变细。据抽水试验结果，静水位大于25m，降深5m时，单井出水量不低于2500m3/d。含水层透水性较好、径流较强，水文地质条件较好（卫万顺等，2010）。

（3）地源热泵系统监测成果分析

该项目地埋管埋置于建筑物下，布置监测孔情况为：E、H为换热监测孔，F、G为换热影响监测孔，位于换热孔中心区域，监测孔布设水平示意图见图3。

本次研究对2015年3月13日-2017年9月21日的监测数据进行了分析。

制冷季：2015年4月25日-2015年9月27日，2016年4月30日-2016年9月18日，2017年4与19日-2017年9月21日。

供暖季：2015年11月6日-2016年3月18日，2016年11月6日-3月23日。

①换热监测孔

换热监测孔E孔和H孔温度监测数据曲线图（图4、图5）可以看出，其不同深度的温度曲线变化幅度和变化趋势大体相同，表现出冬季温度较低，过渡季温度缓慢上升，夏季温度较高的趋势。从连续3年冬季监测数据来看，冬季最低温度达到接近8℃，夏季最高温度达到35℃，全年温度变化幅度较大。

通过对过渡季监测点的地温场平均温度与初始平均温度对比（表1），在2015-2016年的3个过渡季中各监测点温度值最变化最大温差是0.4℃，最小是0℃。反映出该项目过渡季地温场基本可以恢复到原始地温场。

②换热影响监测孔

F孔和G孔作为换热影响监测孔受到了换热孔的影响（图6、图7），温度变化趋势与换热孔一样，随着冬夏季系统对地下的排取热而出现波动，表现出冬季温度较低，过渡季温度缓慢上升，夏季温度较高的趋势，但温度波动幅度较小，全年温度变化不超过3℃。经过过渡季的恢复，温度基本可以恢复到接近原始地温。

对各监测点运行后的的平均温度与初始平均温度作对比可以看出（表2），运行之后地温场的平均温度普遍高于初始平均温度，但是增幅比较小，温度最高增幅0.48℃，最低增幅0.03℃。

3 夏热冬冷区浅层地温能开发利用对地温场影响分析

苏州地区作为夏热冬冷区的典型地区，本次选择的项目规模较大，且建筑类型为商业住宅，具有很好的代表性。

（1）项目概况

该项目位于苏州地区，项目建筑为商业住宅，建筑面积共为35万m2，地埋管数量1160个，深度為120m，全部布置在地下车库下。项目采用空调形式为地源热泵+真空燃气锅炉/冷却塔调峰，其中地源热泵按冬季热负荷56%进行配置。

（2）地层条件

该项目位于苏州市姑苏区，第四系分布广泛，厚度可达180m，卵石层少见。地下200m范围内分布有潜水、第一承压含水层、第二承压含水层及第三承压含水层，总体含水层较厚，土层含水层较厚，土层含水率高，属于地埋管换热系统适宜区（杨荣等，2012）。

从项目区域钻孔情况来看，孔口标高约为5m，稳定水位-5.7m，钻孔揭露119m，第四系岩性主要为黄粘土、粉质粘土、粉土和粉质砂岩，其中黄粘土累计厚度7m，粉质粘土累计厚度45m，粉土累计厚度18m，粉质砂岩累计厚度49m。

（3）地源热泵系统监测成果分析

项目共计布设2眼换热影响监测孔，获取了2016年4月29日-2017年3月14日的监测数据。

从图8、图9中看出，在一个年度的运行过程中，2眼换热影响监测孔不同深度的地层温度随季节性变化较小，并没有产生不可逆的热积累现象。

对各监测点运行后的的平均温度与初始平均温度作对比可以看出（表3），1号孔运行之后地温场的平均温度普遍低于初始平均温度，温度降低值在0.52℃～0.01℃之间。2号孔运行之后地温场的平均温度普遍高于初始平均温度，温度最高增幅0.72℃，最低增幅0.02℃。

4 结论

（1）从项目类型上看，寒冷地区浅层地温能开发利用项目主要为单位办公楼、商场等公共建筑，夏热冬冷地区浅层地温能开发利用项目主要集中在别墅、住宅等民用住宅领域。

个别工程的应用面积达到了数十万平方米以上，单体项目应用呈现出集中化、规模化的趋势。

（2）寒冷地区和夏热冬冷地区，虽然建筑供暖制冷的时间由于地区气候差异有所不同，但是整体而言，地温场温度的变化都在1℃以内，说明浅层地温能开发利用项目并没有对区域地温场产生不可逆的热积累现象。

（3）本次选取的两个典型项目所在地区均为第四纪地层，厚度均大于100m。北京项目所在地区第四系具有典型多层岩土体结构，组成物质主要为粘性土层和砂层互层。300m内的第四系含水层在垂向概化4个含水层组。苏州项目所在地区第四系多以粘性土间夹砂性土层组成，浅层地下水垂向分布有3个含水层组。项目所在地区均属于北京市和苏州市浅层地温能开发利用适宜区。地温场监测数据分析结果表明，项目的运行并没有对地温场产生大的影响。因此浅层地温能开发项目，需要做好前期地质调查工作，在适宜区进行开发利用。

（4）两个典型项目的运行对地温场的影响虽然有限，但是北京地区的项目由于运行时间较长，地温场温度有增高的趋势。后期还需对该项目开展监测，进一步掌握地温场的变化趋势。

参考文献

陈安国， 马乐乐， 周吉光， 2013. 河北省浅层地温能开发利用现状、问题与对策研究[J]. 石家庄经济学院学报， 36（4）： 50-53.

丁宏伟， 魏莉莉， 尹政，  2016. 浅层地温能系统的国内外研究与应用现状综述[J]. 甘肃地质， 25（4）： 61-68.

鄂建， 陈明珠， 杨露梅， 等， 2015. 南京浅层地温能开发利用现状研究[J]. 地质学刊， 39（2）： 339-342.

孟阳， 2017. 关中地区地热产业发展现状及前景研究[D]. 长安大学.

卫万顺， 郑桂森， 栾英波， 2010. 北京平原区浅层地温场特征及其影响因素研究[J]. 中国地质， 37（6）： 1733-1739.

杨荣， 李晓昭， 吴文博， 等， 2012. 苏州市浅层地热能应用潜力评估与研究[J]. 可再生能源， 30（8）： 74-77.