河北地區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)研究

王紅濤，劉自強(qiáng)，張子平，劉 偉，王建輝

（1.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省科學(xué)院能源研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

能源是社會發(fā)展和人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對能源的消耗越來越多，無論是工業(yè)生產(chǎn)還是人們對生活品質(zhì)要求的提高方面都對能源的依賴性越來越強(qiáng)，從而導(dǎo)致了能源的枯竭、環(huán)境污染等嚴(yán)重后果。開發(fā)利用可再生無污染的新能源的任務(wù)迫在眉睫。研究表明，地下10－200m 的深層土壤其溫度保持恒定，接近當(dāng)?shù)卮髿饽昶骄鶞囟?，而且基本不受外界環(huán)境影響，因此淺層地?zé)崾且环N真正的分布廣泛而且穩(wěn)定可靠的可再生資源［1］。淺層地能作為可再生能源的重要組成部分，因其埋藏淺、分布廣、開采容易、可再生、儲量大、清潔環(huán)保和可用性強(qiáng)等諸多特點(diǎn)，并借助于地源熱泵對其加以利用，目前廣泛用于城市建筑供暖、制冷行業(yè)，能有效緩解城市煤、電、氣等常規(guī)能源的供應(yīng)壓力，并能有效的改善大氣的環(huán)境［2］。

地源熱泵技術(shù)是目前利用地?zé)崮茏钣行У姆绞街?。利用淺層巖土體一年四季溫度穩(wěn)定的特點(diǎn)，地源熱泵在冬季把地能作為熱泵供暖的熱源，即把高于環(huán)境溫度的熱能取出來供給室內(nèi)采暖；夏季把地能作為空調(diào)的冷源，也就是把室內(nèi)的熱能取出來釋放到低于環(huán)境溫度的地源中。通常地源熱泵消耗1kW 的電量，用戶可以得到4kW 左右的熱量或冷量［3］，節(jié)能效果顯著，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，而且在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境的友好功能。

巖土熱物性參數(shù)是地源熱泵系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，地埋管換熱器與土壤單位埋深的換熱量又是考量系統(tǒng)運(yùn)行的效率的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，筆者以此為研究重點(diǎn)，結(jié)合河北省水文地質(zhì)條件和地下巖土成分構(gòu)造分析，通過實(shí)際工程舉例，總結(jié)之前積累的大量工程資料和案例，從經(jīng)濟(jì)性和換熱效果兩方面因素分析了該地區(qū)地埋管地源熱泵的適宜性，得到并不是所用的區(qū)域都適合做地埋管地源熱泵項(xiàng)目，在地源熱泵項(xiàng)目的實(shí)施前一定要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和適用性。同時也發(fā)現(xiàn)某些地區(qū)由于不合理的開采淺層熱能導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)效率的低下甚至是失敗的案例也是存在的［4］，所以為了河北省地源熱泵的更好的發(fā)展，對淺層地?zé)崮艿目辈樵u價以及地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)是必不可少也是有意義的。

1 河北地區(qū)簡介

1.1 河北省概況

河北省地處東經(jīng)113°27′～119°50′，北緯36°05′～42°40′之間。地處華北地區(qū)，北依燕山，南望黃河，西靠太行，東坦沃野，內(nèi)守京津，外環(huán)渤海，海岸線長487km，總面積達(dá)18.77 萬km2，總?cè)丝?800萬，現(xiàn)有11個地級市、23個縣級市、108個縣、6個自治縣、35個市瞎市。全省地勢由西北向東南傾斜，西北部為山區(qū)，丘陵和高原，期間分布有盆地和谷地，中部和東南部為廣闊的平原［5］。

根據(jù)我們現(xiàn)在掌握的資料，為了保證結(jié)論的準(zhǔn)確性，我們把河北省分為京津以南河北地區(qū)和京津以北河北地區(qū)兩部分，其中京津以南河北地區(qū)包括：廊坊、保定、石家莊、滄州、衡水、邢臺以及邯鄲地區(qū)，本文重點(diǎn)對該地域做主要研究。地域圖如圖1所示。

圖1 河北京津以南平原地理圖

1.2 河北地區(qū)地層分布特征

淺層地能資源蘊(yùn)藏在地下巖土體內(nèi)，其儲藏、運(yùn)移以及開采利用都受到區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)等諸多條件的制約，不同區(qū)域的資源利用方式和規(guī)模存在較大差異，因此，全面了解河北地區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件十分的重要。河北地區(qū)總體來講，第四紀(jì)沉積厚度大，自西向東厚度遞增，但也受基底構(gòu)造的控制，凹陷區(qū)和隆起區(qū)厚度有較大明顯的差異，以冀中凹陷的廊坊東南部及辛集北部最厚，達(dá)到了600m 左右［5］。

1.3 降水特征

河北省年平均降水量一般為450～650mm，降水集中分布在6～9月份，占全年降水量的70%左右。而這一地帶熱量比較充沛，而平均氣溫穩(wěn)定超過0℃以上的積溫4770～4930℃。從水熱平衡看，水少熱多。年日照時數(shù)2400～3100h。地面蒸發(fā)量超過降雨量，年均達(dá)1100～1800mm，最高達(dá)2000mm。區(qū)域內(nèi)年均溫和年降雨量由南向北隨緯度增加而遞減，比較符合地源熱泵有利熱源的條件［6］。

2 地源熱泵熱響應(yīng)試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

該測試裝置是河北省科學(xué)能源研究所自主研發(fā)的變頻熱泵式巖土熱物性測試儀，享有自主知識產(chǎn)權(quán)。儀器主要由熱泵機(jī)組、變頻器、循環(huán)水泵、連接管道和各種閥門組成。實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 變頻熱泵熱響應(yīng)試驗(yàn)測試儀實(shí)物圖

測試軟件采用Borland Delphi 7編程語言來編制，該軟件已通過國家軟件著作權(quán)登記。系統(tǒng)短小精悍，運(yùn)行穩(wěn)定，每一分鐘采集并記錄一次進(jìn)出水溫度及流量，并將所采集的數(shù)據(jù)適時的儲存到Access數(shù)據(jù)庫中，以備后續(xù)的分析處理。

2.2 測試原理

測試系統(tǒng)與地埋管連接，構(gòu)成閉式水循環(huán)。由循環(huán)水泵提供動力，水作為循環(huán)媒介與巖土進(jìn)行熱量交換。循環(huán)期間的水溫由溫度監(jiān)測裝置測量，水流量由流量測試裝置記錄，最終通過數(shù)據(jù)采集自控系統(tǒng)實(shí)時采集、顯示并保存進(jìn)出水溫度和水流量。為保證工程測試的準(zhǔn)確性，在地埋管換熱器與測試系統(tǒng)連接后，將儲水箱與地埋管注滿水，以排出系統(tǒng)內(nèi)的空氣。啟動水泵后對測試系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)檢查，確保測試系統(tǒng)無漏水，同時要及時排出殘留的空氣。測試開始后，使測試系統(tǒng)在未開啟電加熱裝置的情況下運(yùn)行一段時間，以測定未經(jīng)擾動的地下巖土溫度，然后開啟熱泵機(jī)組，通過變頻器分別對機(jī)組的加熱功率和供水溫度進(jìn)行控制，加熱水箱內(nèi)的循環(huán)水，持續(xù)運(yùn)行一定時間后，測試系統(tǒng)的進(jìn)、出水溫度。測試原理如圖3所示。

圖3 熱響應(yīng)試驗(yàn)測試儀原理圖

3 工程案例分析

3.1 工程勘查簡介

近年來，河北省地源熱泵技術(shù)檢測中心對河北地區(qū)做了上百個測試項(xiàng)目，積累了豐富的數(shù)據(jù)資料，我們選取了石家莊、保定、廊坊、衡水、滄州、邢臺、邯鄲等七個地級市結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ添?xiàng)目累計(jì)的資料。通過整理分析得到換熱孔地質(zhì)構(gòu)造、巖土導(dǎo)熱系數(shù)和單位埋深換熱量，對項(xiàng)目地區(qū)的地埋管地源熱泵的適宜性做了大致的分區(qū)。

下面以石家莊某項(xiàng)目為例具體分析。該項(xiàng)目位于石家莊南部，是一個大型的工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)園，擬采用地埋管地源熱泵技術(shù)。測試時間為2013年9月13—16號，采用河北省地源熱泵技術(shù)檢測中心和河北省科學(xué)院能源研究所聯(lián)合開發(fā)的土壤熱物性測試系統(tǒng)。該項(xiàng)目共計(jì)兩個測試孔，分布命名為1號井和2號井，兩孔距離為500m，鉆孔深度均為100m，采用原漿回填，鉆孔孔徑180mm，地埋管采用HDPE100／32的單U 型埋管。根據(jù)專業(yè)地質(zhì)勘查隊(duì)伍對項(xiàng)目地的實(shí)地勘查，我們得到現(xiàn)場采集的地質(zhì)構(gòu)造柱狀地質(zhì)圖如下：

圖4 測試孔柱狀地質(zhì)圖

從鉆孔取樣成分分析，勘察范圍內(nèi)所揭示的土層以第四紀(jì)新近沉積土、一般沉積土及老粘性土為主。該項(xiàng)目巖土具體構(gòu)造分布多如下：1號井，沙土層29m，粘土層40m，中砂含少量卵石層15m，泥卵石層9m，卵礫石層7m。2號井，沙土層36m，粘土層33m，中砂含少量卵石層13m，泥卵石層6m，卵礫石層7m。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

系統(tǒng)連接完畢后，分別采用恒功率測試法和恒溫測試法對地埋孔進(jìn)行測試［10～11］，以取得巖土導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和單位埋深換熱量；其中恒功率測試有效時間29h，恒溫法有效時間為2.5h。數(shù)據(jù)采集自控系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的時間間隔設(shè)置成60s。圖5和圖6是測試井進(jìn)出水溫度及溫差隨測試時間的變化曲線。

圖5 1號井供回水溫度隨時間變化曲線

圖6 2號井供回水溫度隨時間變化曲線

可以看到，測試儀器在工作狀態(tài)下，運(yùn)行穩(wěn)定溫度波動較小，1 號井進(jìn)出口平均溫度為30℃，平均溫差3.44℃，平均功率為5.38kW，流量為1.345m3／h 2 號井進(jìn)出口平均溫度30.6℃，平均溫差3.49℃，平均功率5.44kW，流量為1.410m3／h。

根據(jù)規(guī)范中線熱源傳熱模型求解巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)需要擬合進(jìn)出口平均溫度與測試時間對數(shù)的變化曲線，從而得到曲線的變化曲線，也就是k值。通過對本次數(shù)據(jù)處理的結(jié)得到1號井?dāng)M合曲線斜率的值為2.139，2號擬合曲線斜率為2.094。經(jīng)過軟件計(jì)算得到1號測試孔的巖土導(dǎo)熱系數(shù)為1.94W／m2·K，單位埋深的換熱量為53.9W，2 號測試孔巖土導(dǎo)熱系數(shù)為1.90W／m2·K，單位埋深換熱量為57.4W。所以該項(xiàng)目平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.92W／m2·K，單位埋深換熱量為55.6W。

圖7 平均溫度隨時間對數(shù)變化的曲線

3.3 河北地區(qū)勘查分析

河北省地源熱泵檢測中心對河北省內(nèi)做了大量的熱響應(yīng)試驗(yàn)測試，通過對這些數(shù)據(jù)的分析，掌握了各個地方巖土的地質(zhì)構(gòu)造成分、熱物理性質(zhì)和換熱特性。地質(zhì)勘查結(jié)果表明，在地層研究范圍內(nèi)主要是第四紀(jì)地層成分，河北地區(qū)偏西部包括石家莊、邢臺、邯鄲西部，主要以粘性土層、黃土狀亞粘土碎石層、砂礫石層構(gòu)成，一般厚度在5－30m，鉆孔的施工費(fèi)用比較高，但是巖石的綜合導(dǎo)熱系數(shù)和單位埋深的換熱量要比粘土層和砂土層的要高，分別在1.8～2.4W／m·K和50～70W；河北中東部包括保定、衡水、廊坊、滄州、邢臺及邯鄲偏東部地層成分主要以粘土層和砂土層為主，部分地區(qū)含有少量的卵石層，綜合導(dǎo)熱系數(shù)在1.6～2.0W／m·K，單位埋深的換熱量在45～60W。

4 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)分析

4.1 經(jīng)濟(jì)適宜性分析

影響地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)的經(jīng)濟(jì)性分析，我們都知道地埋管地源熱泵的初投資要比普通的中央空調(diào)／供熱系統(tǒng)的費(fèi)用要高，那么地埋管管材費(fèi)和鉆井費(fèi)用占到很大一部分，所以考慮地埋管地源熱泵的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。那么巖土的結(jié)構(gòu)、巖土體熱物理性質(zhì)參數(shù)等地質(zhì)條件；地下水含水層的分布、靜水位、流速等水文地質(zhì)條件；地溫、水質(zhì)等物理化學(xué)特征都會影響到實(shí)際工程對鉆孔的成孔難易程度，也就直接影響到地埋管的費(fèi)用。

表1 地埋管地源熱泵適宜性參考表

通過表1，可以看到地埋管地源熱泵的經(jīng)濟(jì)適宜性主要取決于項(xiàng)目當(dāng)?shù)貛r土的地質(zhì)構(gòu)造，不同的地質(zhì)巖層直接影響到每延米鉆井的費(fèi)用，進(jìn)而影響到項(xiàng)目的初投資。

4.2 換熱效率適宜性分析

影響地埋管地源熱泵適宜性的另一個重要因素就是熱泵系統(tǒng)換熱效率的問題，巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)越高，單位埋深的換熱量越大，那么對于地埋管地源熱泵的運(yùn)行效率會越高。地下巖土的初始溫度、單位埋深地埋管內(nèi)流體與周圍巖土體的換熱量都是設(shè)計(jì)到地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參考值，也會影響到系統(tǒng)的室外地埋井的數(shù)量和初投資問題等。河北地區(qū)巖土熱物性參考表如表2所示。通過表2可以看到，從巖土導(dǎo)熱系數(shù)和換熱量方面來考慮。巖土的綜合導(dǎo)熱系數(shù)存在以下規(guī)律：黏性土＜粉性土＜砂土＜巖性土。但從換熱量的角度考慮，地下巖土結(jié)構(gòu)巖石的含量總厚度越厚，綜合導(dǎo)熱系數(shù)越高，單位埋深的換熱量越高，但是單位鉆井米深的費(fèi)用會越高，所以在評價地埋管地源熱泵項(xiàng)目的時候，一定要多方面的考慮，綜合的評價項(xiàng)目的可實(shí)施性。

表2 河北地區(qū)巖土熱物性參考值

4.2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)

5 結(jié)論

針對地埋管地源熱泵技術(shù)這么多年在河北省的發(fā)展中所遇到的問題，對河北地區(qū)（主要指京津以南）經(jīng)行了大量的熱響應(yīng)測試的實(shí)驗(yàn)研究，收集了大量的數(shù)據(jù)資料，包括當(dāng)?shù)氐膸r土初始溫度，地埋管進(jìn)出口的溫度、功率、流量等數(shù)據(jù)。運(yùn)用規(guī)范中推薦的線熱源傳熱模型中“恒功率”和“恒溫法”分別對當(dāng)?shù)貛r土綜合導(dǎo)熱系數(shù)和單位埋深的換熱量進(jìn)行了計(jì)算，并結(jié)合該地地質(zhì)水文條件，分析在不同地質(zhì)構(gòu)造的情況下，兩者的變化規(guī)律。通過分析可以得到，評價地埋管地源熱泵適宜性的兩個主要：經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和系統(tǒng)運(yùn)行效率高低的指標(biāo)。結(jié)合兩個指標(biāo)的綜合性分析，河北省中部地區(qū)主要包括廊坊、衡水、滄州、唐山以及邢臺邯鄲的偏東部，地埋管地源熱泵的適宜性比較好。河北省西部山前平原部分、山間盆地以及山區(qū)，主要包括石家莊、邢臺以及邯鄲偏西部的地區(qū)地埋管地源熱泵的適宜性相對比較差。建議在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工前對該地進(jìn)行地質(zhì)勘查，根據(jù)建筑面積進(jìn)行熱響應(yīng)測試試驗(yàn)，以分析的結(jié)果為依據(jù)，從經(jīng)濟(jì)性和換熱效率兩方面決定地埋管地源熱泵的適宜性。通過本篇文章的研究，我們希望可以為河北省平原地區(qū)地源熱泵項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供一定的參考，對該地地埋管地源熱泵技術(shù)的的發(fā)展起到促進(jìn)的作用。

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