地源热泵工程地质勘查在实际工程中的应用

刘志刚

(青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032)

1 引 言

地埋管地源热泵系统是以岩土体为低温热源，由热泵机组、地埋管换热系统和末端系统组成的供热、空调系统。它是以可再生的低温地热能为冷热源进行供热、制冷的新型能源利用方式，与使用煤、气、油等常规能源供暖空调方式相比，具有清洁、高效、节能的特点。为充分了解工程项目的地质条件、地层热物性参数、换热孔的换热能力、地层热恢复能力等参数，要进行有针对性的地源热泵工程地质勘查工作，为地源热泵系统的可行性论证和设计提供依据。

2 勘查工作

2.1 工作目标及内容

勘查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评价、浅层地热能开发利用评价，为拟建工程项目提供设计依据。

主要内容如下：

(1)测试孔钻探，查明岩土层岩性结构、地下水位、地温场分布特征；

(2)现场热响应试验，获取岩土热物性参数，包括岩土初始平均温度、稳定热流、稳定工况测试；

(3)场区浅层地热能评价。

2.2 技术路线

勘查、评价工作在搜集、整理、分析已有资料的基础上，以现场勘探、测试为主，辅以一定的工程地质、水文地质调查的技术路线，具体的勘查测试技术路线如图1所示。

2.3 确定勘探孔位

勘探孔位及数量的确定，可以根据场地条件和业主要求确定，一般是选择在空调设备安装区域。

图1 技术路线图

2.4 钻探

工程采用的钻机一般为ZW-500型水井钻机，阿特拉斯XHR-350型空压机，13W-160型泥浆泵，钻凿1眼 120 m深测试孔，1眼 110 m深测试孔，钻凿过程中对地层岩性进行编录，孔径为Φ150。钻井机照片如图2所示，现场钻井如图3所示。

图3 钻探照片

3 热响应测试

3.1 勘探孔成孔

测试孔钻凿完成后下入HDPE(高密度聚乙烯)双U管，PE内径为 26 mm，壁厚 3 mm。钻孔采用水泥砂浆回填。现场回填如图4所示。

图4 现场回填照片

(1)材料选择

管材选用伟星管业的高密度聚乙烯管(HDPE管)，技术参数如表1所示。双U埋管能够在一定程度上提高地埋管换热器的换热量，节约占地面积，项目后期采用双U埋管可能性较大，为了使测试更加接近未来的使用条件，本次测试亦采用双U管埋设。勘查区地层以基岩为主，因此本次勘探孔回填料选用水泥砂浆，水泥与砂的混合比例为3∶7。

HDPE管技术参数表 表1

(2)下管、回填施工过程

现场检查：HDPE管运达现场后，对管材的端口做好封闭，防止杂土、杂物进入。质检员查验管材合格证、规格型号，现场对长度、壁厚、外径等进行检验。

清洗打压：每个U型接头熔接成功后，进行清洗打压试验。用干净的自来水冲洗后进行打压(1.2 MPa，如图5所示)，带压观测 15 min以上，无渗漏、无破裂，压力下降不超过3%，检验合格。打压试验完成后，每组双U型换热管的管口立即密封，并且保持管内的打压水。

图5现场打压、下管、回填(灌浆)照片

下管：4根PE管均匀平稳下入(如图5(a)所示)，下管时保压下管，下入过程中与地面垂直的地上管段不小于 1 m。

注浆回填：采用水泥砂浆注浆法(如图5(b)所示)，将注浆导管随PE管一同下至孔底。通过注浆泵将水泥砂浆注入孔底，待水泥砂浆溢出地面，将注浆导管拔出，完成注浆。

打压：灌浆完毕后，再进行一次打压试验，打压 0.6 MPa，带压观测 0.5 h以上，无渗漏、无破裂，压力下降不超过3%，即为合格。

3.2 现场热响应测试

在勘探孔成孔后，由于回填的水泥砂浆在凝固过程中放热，根据相关规范规定需进行10天地层温度恢复期，10天后开始进行现场热响应测试。测试内容包括对1#、2#勘探孔进行岩土初始温度测试、稳定热流测试、稳定工况(冬、夏季工况)测试。现场热响应测试如图6所示，各项工作完成时间如表2所示。

图6 现场热响应测试照片

勘探孔热响应测试完成时间统计表 表2

3.3 测试设备

现场热响应测试采用CR24T12/4型浅层地热能冷、热响应测试车(如图7所示)、BHD-06FS05/2型便携式热响应测试仪(如图8所示)和DTM08-NA/2型地层温度监测仪。

测试设备可完成稳定热流测试(岩土体热物性参数测试)、稳定工况测试(冬、夏季地埋管换热器放热和吸热能力测试)，岩土初始平均温度测试(可采用无功循环法、地埋管水温平衡法和埋设传感器法)以及岩土温度的恢复测试等测试工作。测试设备选用高精度传感器，流量计精度等级为0.25级，温度传感器精度为A级，经计算测试设备整体最大测试误差为±3.5%。

图7 CR24T12/4型浅层地热能冷、热响应测试车

图8 DTM08-NA/2型地层温度监测仪

4 工作的主要成果

4.1 场区地层分布及地下水特征

拟建场区内地层结构简单，层序清晰，第四系主要由全新统人工填土层组成，下伏基岩主要为燕山晚期粗粒花岗岩，局部穿插有细粒花岗岩脉及煌斑岩脉，其中填土层较薄，约 0.4 m～4.0 m。1#测试孔 3 m～12 m为强风化花岗岩，12 m～110 m为微花岗岩，2#测试孔 3 m～14 m为强风化花岗岩，14 m～15.5 m为中风化花岗岩，15.5 m～120 m为微花岗岩，地层可钻性差。

场区勘探深度内见有地下水。地下水类型为基岩裂隙水，主要赋存于基岩各风化带中，勘查过程中实测稳定水位埋深 3.60 m～6.30 m，标高 15.46 m～18.58 m。场区地下水主要补给源为大气降水，排泄方式以地下径流为主。

4.2 现场热响应试验结果

(1)岩土初始温度

岩土初始平均温度测试采用垂直埋设温度传感器法，垂直埋设温度传感器法是将温度传感器下入不同的深度，记录不同深度的地层温度，分析岩土体温度的方法。如图9和图10分别为1#和2#测试孔埋设温度传感器温度曲线。经计算1#测试孔的岩土初始平均温度为15.67℃，2#测试孔的岩土初始平均温度也为15.76℃，即可得出当地的岩土初始平均温度为15.72℃。

图9 1#测试孔埋设温度传感器温度曲线

图10 2#测试孔埋设温度传感器温度曲线

(2)稳定热流测试

稳定热流测试是利用测试设备向地埋管换热器提供恒定热流，通过监测地埋管换热器的进、出水温度的变化和流量数据，对数据分析处理计算后得到岩土体的平均导热系数。如图11为稳定热流测试曲线。

图11 稳定热流测试曲线

(3)稳定工况测试(夏季)

稳定工况(夏季工况)测试即夏季地埋管换热器的吸热能力测试，利用测试设备稳定地建立夏季地埋管换热器的运行工况，在工况稳定的情况下测定地埋管换热器的换热量，从而确定每延米地埋管换热器的吸热能力。

图12 稳定工况(夏季工况)测试曲线

如图12为稳定工况(夏季工况)测试曲线，取2016年9月21日15：30～22日17：27数据为有效数据，在有效数据区间内，地埋管换热器进水温度为35.2℃，设定值为35℃，偏差小于0.3℃；流量为 1.4 m3/h，设定值为 1.4 m3/h，偏差小于 0.1 m3/h；实际测定地埋管换热器出水温度平均值为30.7℃，换热量为7.35 kW，换热孔深 110 m，因此单位延米地埋管换热器换热功率为 66.77 W/m。

(4)稳定工况测试(冬季)

稳定工况(冬季工况)测试即冬季地埋管换热器的排热能力测试，利用测试设备稳定地建立冬季地埋管换热器的运行工况，在工况稳定的情况下测定地埋管换热器的换热量，从而确定每延米地埋管换热器的排热能力。

图13 稳定工况(冬季工况)测试曲线

如图13为稳定工况(冬季工况)测试曲线，取2016年9月19日7：27～20日13：45数据为有效数据，在有效数据区间内，地埋管换热器进水温度为5.1℃，设定值为5℃，偏差小于0.3℃；流量为 1.4 m3/h，设定值为 1.4 m3/h，偏差小于 0.1 m3/h；实际测定地埋管换热器出水温度平均值为8.11℃，换热量为 5.07 kW，换热孔深 116 m，因此单位延米地埋管换热器换热功率为 43.74 W/m。

(5)温度恢复测试

《浅层地热能勘查评价规范》中5.4.4要求：每次加热(冷)负荷停止后，应继续观测回路的进出口温度，至温度稳定(变化幅度小于0.5℃)为止，观测时间不少于 12 h。本次勘查工作在稳定热流测试间以及稳定工况冬、夏季工况测试间进行了 48 h左右的温度恢复测试，并利用地温监测仪对温度进行监测。通过监测数据可以看出经过 48 h恢复后温度基本恢复到原始地层温度。

(6)地埋管换热功率

在稳定工况测试中，通过监测地埋管换热器的进、出水温度的变化和流量数据以及通过数据计算出的勘探孔换热功率，对数据分析处理计算后得到地埋管换热器传热系数。

通过分析勘探孔稳定工况(冬、夏季工况)测试数据计算得出逐时的地埋管换热器传热系数，根据地埋管换热器传热系数的变化趋势取得相对稳定的数据对其求平均得出整个工况测试过程的平均地埋管换热器传热系数。勘探孔夏季工况测试数据分析并计算得出地埋管换热器传热系数为 3.86 W/mK，勘探孔冬季工况测试数据分析并计算得出地埋管换热器传热系数为 4.75 W/mK。

5 浅层地热能评价

5.1 现场热响应试验结果

(1)勘查孔100 m内岩土初始平均温度为15.72℃。

(2)勘探孔岩土平均综合导热系数为 2.67 W/mK。

(3)夏季测试工况下，地埋管换热器进水温度35.2℃，流量 1.4 m3/h，地埋管换热器出水温度为30.7℃，单位延米地埋管换热器换热功率为 66.77W/m。

(4)冬季测试工况下，地埋管换热器进水温度5℃，流量 1.4 m3/h，地埋管换热器出水温度为8.11℃，单位延米地埋管换热器换热功率为 43.74 W/m。

(5)夏季工况地埋管换热器平均传热系数为 3.86 W/mK，冬季工况地埋管换热器平均传热系数为 4.75 W/mK。

5.2 适宜性评价

勘查区第四系不超过5 m，第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水富水性一般，因此不适合采用地下水换热方式。

对于地埋管换热方式，浅层地热能适宜性分区主要考虑岩土体特征、地下水的分布和渗流情况、地下空间利用等因素。(竖直)地埋管换热系统适宜性分区主要指标如表3所示。

(竖直)地埋管换热适宜性分区 表3

根据现场勘查工作，勘查区第四系厚度小于5 m，下伏基岩为花岗岩，地下水位 18 m，根据表3勘查区属于较适宜区。

根据现场热响应测试结论，勘查孔岩土平均综合导热系数为 2.67 W/mK，换热性能好，适宜采用(竖直)地埋管换热方式。

勘查区地层以基岩为主，由于地层坚硬钻进时间长，其钻探成本比松散第四系地层高。

5.3 资源评价结论

勘查区面积为14 074.3 m2，以2#勘查孔作为勘查区代表地层，计算勘查区浅层地热能静态储量为1.79×109kJ/℃，地层温度每变化1℃释放或吸收的热量相当于标准煤 61 t。

勘查区绿化和广场用地占规划总建设用地的36.3%，约为 5 109 m2，若地埋管布孔间距取 5 m，则单孔占地面积为 25 m2，经计算，绿地和停车场可布换热孔数量为204眼。勘查区可开采资源量夏季工况(地埋管进水温度35℃，流量 1.4 m3/h)为 1 635 kW，冬季工况(地埋管进水温度5℃，流量 1.4 m3/h)为 1 070 kW，可为 20 438m2建筑提供夏季制冷(负荷指标取 80 W/m2)和 21 400 m2建筑提供冬季供暖(负荷指标取 50 W/m2)，满足建筑需求。

6 结 语

传统常规能源的使用，必定会造成空气的日渐污染及气候的变化。伴随着经济的发展，国家提倡创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，深入推进能源革命，并推动新能源的开发及利用，太阳能、风能、地热能等新能源将得到广泛的应用。地源热泵工程地质勘查工作对于场区地热能开发的可行性提供设计依据，对于其他新能源的开发也是具有指导作用。