關(guān)于北戴河健康城淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用及前景探討

杜 旭 國聯(lián)江森自控綠色科技（無錫）有限公司

1 前言

健康城項(xiàng)目區(qū)位于北戴河新區(qū)。根據(jù)北戴河新區(qū)的規(guī)劃定位，探索適應(yīng)新區(qū)的低碳環(huán)保、安全高效的能源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近期和遠(yuǎn)期相結(jié)合的綜合能源規(guī)劃方案，發(fā)展可再生能源，形成清潔、高效的能源體系。鼓勵(lì)如淺層地?zé)豳Y源等技術(shù)。

2 目的與任務(wù)

本次設(shè)計(jì)3眼不同深度地埋孔，對施工成孔的地埋孔進(jìn)行熱響應(yīng)測試，取得項(xiàng)目所在地單孔換熱能力參數(shù)，結(jié)合項(xiàng)目建筑冷熱負(fù)荷情況及實(shí)際可能布孔區(qū)域，給出該項(xiàng)目建設(shè)地源熱泵系統(tǒng)的適宜性評(píng)價(jià)結(jié)論，為后續(xù)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)和依據(jù)。

3 自然地理?xiàng)l件

項(xiàng)目區(qū)地點(diǎn)位于河北省秦皇島北戴河新區(qū)，東到濱海新大道、南至文博街、西至錦繡路、北至規(guī)劃路。

北戴河新區(qū)位于秦皇島市區(qū)西部沿海，新區(qū)與北戴河區(qū)隔戴河相望，總面積425.8km2，海岸線長82km。北起洋河、南到灤河、西至沿海高速、東到渤海。

北戴河新區(qū)區(qū)域地勢具有西北高東南低的特點(diǎn)：北部屬燕山山脈東段，西部（缸山海拔127m）、北部和東部為剝蝕低山、殘丘。平原地形略向海傾斜，北部山前海拔高程為30m～50m，東南部海拔高程為3m～15m，地形坡度為0.9‰。

項(xiàng)目區(qū)所在北戴河新區(qū)區(qū)內(nèi)水系比較豐富，河流眾多。自北向南依次有戴河、洋河、湯河、大蒲河、灤河等，除灤河發(fā)源于河北省張家口外，其余均起源于燕山山脈，具有山溪性河流的特點(diǎn)：流程短、落差大，汛期洪水量大、河水暴漲暴落，旱季水量驟減以至干涸。由于河流落差大、沖刷力強(qiáng)，河流河床堆積物較粗，多以砂和礫石為主。河流在入海處河口段，由于海洋水動(dòng)力作用大于河流沖積作用，常常造成河口壅水，使得河口砂嘴后退，形成葫蘆形態(tài)。

氣候條件：項(xiàng)目區(qū)屬于暖溫帶大陸性半干旱半濕潤的季風(fēng)氣候，氣候特點(diǎn)是四季分明、溫度適中、光照充足、雨熱同季、降水集中，災(zāi)害性天氣常有發(fā)生，春旱、夏澇、秋爽、冬干。年平均日照時(shí)間在2700h～2850h 之間，年平均氣溫8.8℃～11.3℃之間，盛夏日平均氣溫22℃～25℃之間，年平均降水量650mm～750mm。由于瀕臨渤海，空氣濕度較大，年平均濕度65%左右。全年以偏西風(fēng)為最多，春季風(fēng)速最大，盛夏平均風(fēng)速較小。

4 工作方案簡述

本次工作采用資料收集、整理與分析、地質(zhì)調(diào)查、實(shí)地鉆探、現(xiàn)場測試相結(jié)合的工作方法，具體技術(shù)路線如下。

（1）資料收集及分析：收集項(xiàng)目區(qū)及周邊地區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)、鉆探、物探資料，并對所收集資料進(jìn)行綜合整理、分析和研究。

（2）地質(zhì)踏勘：對項(xiàng)目區(qū)及周邊地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，重點(diǎn)是根據(jù)以往工程勘查資料，了解地層可鉆性及施工風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，為勘探孔布設(shè)提供依據(jù)。本項(xiàng)目區(qū)砂層覆蓋較厚，無構(gòu)造顯示，要求現(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料及實(shí)地勘察分析，結(jié)合后續(xù)施工勘探孔情況，給出合理的設(shè)計(jì)孔深。

（3）勘探孔鉆探：在項(xiàng)目區(qū)擬布地埋孔區(qū)域內(nèi)施工3 眼地源勘探孔，孔深及下管類型分別為150m單U型PE管、150m雙U型PE管、250m雙U型PE管。

（4）地質(zhì)體換熱能力測試：在鉆探好的3 眼勘探孔內(nèi)下入PE 管換熱器，進(jìn)行現(xiàn)場地埋管換熱器的換熱量和地質(zhì)體的容積比熱容測試，給出項(xiàng)目區(qū)地埋管換熱器的延米平均換熱量以及地質(zhì)體的容積比熱容，為地埋管換熱器設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

（5）在資料收集、地質(zhì)踏勘、實(shí)地鉆探及測試的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析研究，查明項(xiàng)目區(qū)地層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件，評(píng)價(jià)地埋管地源熱泵換熱系統(tǒng)及地下水地源熱泵換熱系統(tǒng)的換熱能力及地質(zhì)體蓄熱排熱能力，論證建設(shè)地源熱泵系統(tǒng)的適合性和可行性，并從地質(zhì)條件出發(fā)，討論建設(shè)地源熱泵系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)性及可實(shí)施性。

本次布設(shè)地源勘探孔3 眼，孔深分別為150m、150m、220m。用于熱響應(yīng)測試。

5 勘探孔鉆探工作成果

本次勘探孔在孔位選定過程中，結(jié)合地質(zhì)分析結(jié)果，同時(shí)考慮后期可布孔區(qū)位置，最終開孔在未來設(shè)計(jì)埋孔區(qū)周邊位置，可保證測試數(shù)據(jù)的可參考性。本次設(shè)計(jì)布置3 眼勘探孔，勘探孔編號(hào)依次為KT-1、KT-2、KT-3。

通過對KT-1、KT-2、KT-3 實(shí)際鉆探記錄分析，項(xiàng)目區(qū)地層情況概況如下：

0m～1.5m回填土層；1.5m～45m淡紅色粗中砂；45m～70m粗中砂夾泥；70m～95m粗砂層，95m～120m粗砂層夾粘泥；120m～140m 粗砂層，灰色白色顆粒；140m～180m 粗礫砂層含泥，180m～220m為粗礫砂層。

綜上所述得出：

（1）可利用的布孔區(qū)域整體上可鉆性較好，但地層相對松散，長時(shí)間等待容易導(dǎo)致塌孔，設(shè)計(jì)150m孔深成孔率可行，且單孔施工周期一般不大于6h。

（2）鉆進(jìn)孔深大于150m 后，施工進(jìn)尺逐漸變慢，至220m后單根鉆進(jìn)時(shí)間約30min，井筒穩(wěn)定性變差，存在塌孔風(fēng)險(xiǎn)。

6 地質(zhì)體換熱能力測試

我公司采用了恒定工況法（即模擬熱泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況試驗(yàn)正常工況與峰值工況時(shí)地埋孔換熱器的換熱能力）開展測試工作。通過測試取得項(xiàng)目所在地的地質(zhì)體換熱能力。

GB 50366—2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（2009 年修訂版）對巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)的要求，計(jì)算KT-1勘探孔取熱、排熱量，結(jié)果如下：

夏季：設(shè)計(jì)工況換熱量中供回水溫度25℃/30℃,換熱量73.27W/m；尖峰工況換熱量供回水溫度30℃/35℃,換熱量84.28W/m。

冬季：設(shè)計(jì)工況換熱量中供回水溫度10℃/7℃,換熱量41.13W/m；尖峰工況換熱量供回水溫度7℃/4℃,換熱量43.56W/m。

考慮到變溫層對垂直地埋管換熱器的換熱能力有一定的影響，綜合KT-1 勘探孔的換熱量計(jì)算值，推薦地埋管換熱器的設(shè)計(jì)工況夏季換熱量為80W/m，冬季換熱量為45W/m。

7 推薦地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)物探勘查成果和實(shí)際勘探孔鉆探成果，推薦垂直地埋管設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）鉆孔深度：150m；

（2）鉆孔直徑：152mm；

(3)PE管深度：150m；

（4）PE管形式：雙U型；

（5）PE管外徑：32mm；

（6）PE管內(nèi)徑:26mm；

（7）PE管耐壓強(qiáng)度：1.6MPa；

（8）鉆孔間距：5m；

（9）回填方式：鉆孔巖屑回填。

熱物性測試的結(jié)果表明，該埋孔區(qū)域的換熱效果一般，為節(jié)約系統(tǒng)初期投資，同時(shí)考慮到尖峰冷熱負(fù)荷具有時(shí)間短的特性，本報(bào)告推薦采用“尖峰工況換熱量”計(jì)算地埋管換熱器數(shù)量。根據(jù)報(bào)告推薦值，地埋管換熱器尖峰工況換熱量夏季為80/m，冬季為45W/m。

地埋管數(shù)量計(jì)算過程見表1。

表1 地埋管數(shù)量計(jì)算一欄表

注：空調(diào)系統(tǒng)熱泵機(jī)組COP按4.6考慮，EER按6.6考慮。

如果布設(shè)1620 眼地埋管換熱器，建議布孔間距為5m，地埋管換熱器布置場地圍合面積約為40500m2。