彭逸平，龐炳乾，李 貴，史云杰

(江蘇省地質(zhì)工程有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引言

近年來(lái)，地源熱泵技術(shù)得到了大規(guī)模應(yīng)用，而淺層地溫能也被作為一種可再生的資源而被重視，對(duì)淺層地溫能資源可開(kāi)采量的評(píng)價(jià)也逐漸展開(kāi)。眾多學(xué)者、專(zhuān)家對(duì)淺層地溫能的有效開(kāi)發(fā)和可持續(xù)利用展開(kāi)了多方面的研究:有學(xué)者就淺層地溫能的評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)的重要性展開(kāi)了研究，總結(jié)了淺層地溫能儲(chǔ)存量及可開(kāi)采量的評(píng)價(jià)方法(韓再生等，2007);有的學(xué)者則就淺層地溫能的開(kāi)發(fā)利用對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)、研究、分析，認(rèn)為巖土體溫度場(chǎng)的變化與深度存在關(guān)系，地溫變化與系統(tǒng)的換熱功率也相關(guān)(高新宇等，2009);有的學(xué)者對(duì)開(kāi)展淺層地溫能評(píng)價(jià)的重要性及緊迫性進(jìn)行了探討，并對(duì)淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用中的關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)研究(衛(wèi)萬(wàn)順等，2009);等等?，F(xiàn)有的研究均是從評(píng)價(jià)的理論方法(許苗娟等，2009;王貴玲等，2011)及其開(kāi)發(fā)利用的影響出發(fā)，而對(duì)不同地質(zhì)情況下淺層地溫能的真正可利用量及其分布特點(diǎn)的探討則較少。筆者結(jié)合典型的工程實(shí)例，從不同地質(zhì)特點(diǎn)區(qū)域?qū)\層地溫能資源可開(kāi)采量的影響角度出發(fā)，分析蘇北平原區(qū)淺層地溫能的可開(kāi)采資源量，并重點(diǎn)探討可開(kāi)采資源量的不同評(píng)價(jià)方法的適宜性。

長(zhǎng)江下游平原區(qū)多由沖積而成，包括蘇南、蘇北平原區(qū)，杭嘉湖平原區(qū)等均具有相似的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，常具有較多的松散沉積物堆積，形成由黏性土、砂性土、砂、砂礫層組成的巖土層，常賦存有潛水和承壓水，地下水豐富，平原區(qū)的這些特點(diǎn)對(duì)淺層地溫能的賦存極為有利。就淺層地溫能資源開(kāi)發(fā)而言，在平原區(qū)使用地源熱泵技術(shù)具有成本低、易施工、效果好等優(yōu)點(diǎn);另外，蘇北平原區(qū)是我國(guó)夏熱、冬冷氣候的典型地區(qū)，具有全年冷熱負(fù)荷量差別較小、巖土體蓄熱、取熱易于平衡等特點(diǎn)。因此，在長(zhǎng)江中下游平原區(qū)大規(guī)模推廣地源熱泵技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

為了更加科學(xué)合理地開(kāi)采淺層地溫能資源，優(yōu)化地源熱泵技術(shù)的工程應(yīng)用，保證淺層地溫能資源的可持續(xù)利用，對(duì)可開(kāi)采資源量進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)顯得十分重要。以位于蘇北平原中心位置的某縣中心城區(qū)為例，展開(kāi)淺層地溫能可開(kāi)采資源量的評(píng)價(jià)，以探討平原區(qū)地下水式和地埋管式地源熱泵2種不同開(kāi)采方式下，淺層地溫能的可開(kāi)采資源量的評(píng)價(jià)方法，以便更科學(xué)、合理地評(píng)價(jià)資源，為開(kāi)發(fā)利用淺層地溫能資源提供規(guī)劃、設(shè)計(jì)及施工依據(jù)。

1 淺層地溫能可開(kāi)采資源量評(píng)價(jià)方法

目前，對(duì)于淺層地溫能可開(kāi)采資源量的評(píng)價(jià)主要從地下水式及地埋管式地源熱泵2個(gè)方面展開(kāi)，針對(duì)不同的評(píng)價(jià)內(nèi)容分別有不同的評(píng)價(jià)方法。地下水地源熱泵系統(tǒng)的開(kāi)采資源量評(píng)價(jià)方法主要有水熱均衡法及地下水水量折算法;地埋管地源熱泵系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法主要有換熱量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法及熱傳導(dǎo)法(圖1)。

圖1 淺層地溫能可開(kāi)采資源量評(píng)價(jià)框架圖

1.1 地下水地源熱泵可開(kāi)采資源量評(píng)價(jià)方法

1.1.1 水熱均衡法 水熱均衡法主要是根據(jù)質(zhì)量守恒及能量守恒來(lái)計(jì)算評(píng)價(jià)區(qū)的水、熱平衡情況，以了解地下水的水量及熱儲(chǔ)量變化情況。根據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0225—2009)，水、熱均衡法包括:

水均衡

式(1)中，qin為補(bǔ)給量，m3/d;包氣帶中主要包括降水入滲量、灌溉入滲量等，地下水主要包括降水入滲量、灌溉入滲量、渠系入滲量、河流入滲量、側(cè)向補(bǔ)給量、越流補(bǔ)給量等;qout為排泄量，m3/d，包氣帶中主要包括植物蒸騰量、土面蒸發(fā)量、下滲補(bǔ)給地下水的量等;地下水則主要包括潛水蒸發(fā)量、人工開(kāi)采量、側(cè)向排泄量、泉排泄量、河流排泄量、越流排泄量等;Δq為儲(chǔ)存量的變化量，m3/d。

熱均衡

式(2)中，Din為熱收入量，kW;在包氣帶中主要包括太陽(yáng)照射熱量、大地?zé)崃髁?、地表水向巖土體散發(fā)的熱量、側(cè)向傳導(dǎo)流入的熱量等;在地下水中則主要有太陽(yáng)照射熱量、大地?zé)崃髁?、?cè)向傳導(dǎo)流入的熱量等;恒溫帶下，熱收入項(xiàng)沒(méi)有太陽(yáng)照射熱量;Dout為熱支出量，kW;在包氣帶中主要包括向大氣散發(fā)的熱量、向地表水散發(fā)的熱量、側(cè)向傳導(dǎo)流出的熱量等;在地下水中則主要包括向大氣散發(fā)的熱量、水排泄帶走的熱量、側(cè)向傳導(dǎo)流出的熱量等;ΔD為熱儲(chǔ)存量的變化量，kW。

1.1.2 地下水量折算法 對(duì)于地下水地源熱泵適宜區(qū)淺層地溫能可開(kāi)采資源量的計(jì)算，較為常用的是地下水量折算法，其表達(dá)式如下。

式(3)中，D可為評(píng)價(jià)區(qū)淺層地溫能可開(kāi)采量(熱換功率)，kW;Dh為單井淺層地溫能可開(kāi)采量(換熱功率)，kW;n為可鉆抽水井?dāng)?shù);τ為土地利用系數(shù)。

式(4)中，Dh為單井淺層地溫能可開(kāi)采量(換熱功率)，kW;qw為單井出水量，m3/d;Δt為地下水利用溫差，℃;cw為水的比熱容，kJ/(kg·℃)。

水熱均衡法偏重于對(duì)淺層地溫能資源可利用量的保證程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，此方法需要對(duì)地下水、熱的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐;而地下水量折算法則能快速準(zhǔn)確地反映地下水地源熱泵利用淺層地溫能的資源量，因此較為常用。

1.2 地埋管地源熱泵可開(kāi)采資源量評(píng)價(jià)方法

1.2.1 換熱量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法 對(duì)于已經(jīng)取得綜合傳熱系數(shù)的情況，使用換熱量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法來(lái)對(duì)地埋管地源熱泵淺層地溫能可開(kāi)采資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)較為方便，其表達(dá)式如下:

式(5)中，Dq為評(píng)價(jià)區(qū)淺層地溫能可開(kāi)采資源量(熱換功率)，kW;D為單孔換熱量，kW;n為可鉆換熱孔數(shù);τ為土地利用系數(shù)，居民點(diǎn)、公共用地和其他用地面積占全部土地面積的比例。開(kāi)展地埋管熱泵工程時(shí)，還要考慮建筑布局、建筑負(fù)荷需求、建筑占地面積、資源承載力等因素。

式(6)中，λz為綜合傳熱系數(shù)，W/(m·℃);進(jìn)行換熱量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，計(jì)量地埋管換熱器的進(jìn)出水溫度、流量，在熱交換達(dá)到穩(wěn)定的條件下，計(jì)算得到鉆孔每延米在溫度變化1℃(循環(huán)液平均溫度與巖土體原始溫度比)時(shí)的換熱量即為巖土體的綜合傳熱系數(shù);Δt為溫差，即為U型管內(nèi)循環(huán)液平均溫度與巖土體原始溫度之差，℃;L為U型管地埋管換熱孔長(zhǎng)度，m。

1.2.2 熱傳導(dǎo)法 對(duì)于已經(jīng)取得巖土體熱導(dǎo)率等參數(shù)時(shí)，使用熱傳導(dǎo)法來(lái)計(jì)算地溫能可利用量則較為方便。沒(méi)有實(shí)測(cè)的熱導(dǎo)率值時(shí)，可利用前人測(cè)定值進(jìn)行計(jì)算，獲取計(jì)算區(qū)的平均熱導(dǎo)率λ值，W/(m·K)。在傳熱及換熱達(dá)到穩(wěn)定后，采用U形管進(jìn)行熱交換的單孔地溫能可按下式近似計(jì)算:

式(7)中，λ1為地埋管材料的熱導(dǎo)率，W/(m·K)，塑料管為0.42 W/(m·K);λ2為鉆孔中回填料的熱導(dǎo)率，W/(m·K);λ3為鉆孔周?chē)鷰r土體的平均熱導(dǎo)率，W/(m·K);L為鉆孔有效換熱長(zhǎng)度，m;r1為地埋管束等效半徑，m，單U為管內(nèi)徑1.41倍，雙U為管內(nèi)徑2倍;r2為地埋管束的等效外徑，m，等效半徑r1+管材壁厚;r3為鉆孔平均半徑，m;r4為換熱溫度影響半徑，m;t1為地埋管內(nèi)流體的平均溫度;t4為溫度影響半徑之外巖土體的初始溫度。

得到單孔地溫能后用式(8)可以得出資源量評(píng)價(jià)區(qū)域的總可利用量。

換熱孔一般按網(wǎng)格布置，布孔間距根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。

2 評(píng)價(jià)參數(shù)的獲取及評(píng)價(jià)結(jié)果

以蘇北某縣中心城區(qū)為例，進(jìn)行淺層地溫能資源量不同評(píng)價(jià)方法的對(duì)比，以得出最優(yōu)的評(píng)價(jià)方法。該縣中心城區(qū)的相關(guān)地質(zhì)勘查資料表明，100 m以淺的土層為全新世松散沉積物組成，為細(xì)—粗相間的沉積物，含水層總厚度在20 m左右，巖性為粉土及細(xì)、中砂為主。通過(guò)30 km2范圍內(nèi)的10個(gè)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試資料及室內(nèi)測(cè)試資料、工程案例，整理該地區(qū)的巖土基本熱物性參數(shù)，并進(jìn)行計(jì)算(圖2)。

圖2 蘇北某縣中心城區(qū)現(xiàn)場(chǎng)巖土熱物性測(cè)試典型曲線(xiàn)圖

2.1 評(píng)價(jià)參數(shù)的獲取

通過(guò)分析評(píng)價(jià)區(qū)的取樣測(cè)試結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、研究成果及文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定淺層地溫能資源量計(jì)算的基本參數(shù)值，如:巖土體的比熱容、天然密度、天然含水率及孔隙率等。對(duì)于巖土體的密度、比熱容及孔隙率，由筆者對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)的10個(gè)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試孔各地層的不同熱物性參數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，再對(duì)每個(gè)孔的加權(quán)平均值取算術(shù)平均值來(lái)獲得(表1)。

表1 蘇北某縣中心城區(qū)淺層地溫能資源量計(jì)算基本參數(shù)值

對(duì)于地下水資源量的評(píng)價(jià)按1 km×1 km為單位區(qū)域進(jìn)行初始參數(shù)提取，對(duì)于巖土體資源的評(píng)價(jià)則按5 m×5 m為單位區(qū)域進(jìn)行初始參數(shù)提取，先計(jì)算出單位面積區(qū)域的參數(shù)值及資源量。

2.2 地下水地源熱泵可開(kāi)采資源量評(píng)價(jià)

地下水地源熱泵適宜區(qū)可利用資源量計(jì)算有水熱均衡法與水量折算法，而水熱均衡法需要對(duì)地下水、熱的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐，所需相關(guān)的監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng);地下水量折算法則相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)，原理簡(jiǎn)單，可信度較高。因此，推薦選用地下水量折算法進(jìn)行地下水式地源熱泵可開(kāi)采資源量的評(píng)價(jià)計(jì)算。

土地利用系數(shù)為某一適宜區(qū)中居住用地、公共用地和其他用地面積占全部土地面積的比例。蘇北某縣中心城區(qū)淺層地溫能評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)草地、園地、居民點(diǎn)及工礦用地和未利用土地面積等占土地面積的34.16%，而開(kāi)展地下水地源熱泵工程時(shí)，還要考慮建筑布局、建筑負(fù)荷需求、建筑占地面積、資源承載力、地下水連通性及城區(qū)近遠(yuǎn)期規(guī)劃等因素的影響，取土地利用系數(shù)為10.25%(34.16% ×0.3=10.25%)。

采用公式(3)計(jì)算單井換熱功率，然后計(jì)算單位面積可鉆井?dāng)?shù)，結(jié)合土地利用系數(shù)計(jì)算單位面積可利用量，最后采用公式(4)計(jì)算區(qū)域可開(kāi)采利用量(表3)。

表2 地下水量折算法計(jì)算參數(shù)

表3 蘇北某縣中心城區(qū)地下水地源熱泵可利用量

2.3 地埋管地源熱泵可開(kāi)采資源量評(píng)價(jià)

地埋管適宜區(qū)地源熱泵可開(kāi)采資源量的評(píng)價(jià)方法有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法及熱傳導(dǎo)法來(lái)分別計(jì)算。巖土體的熱物性參數(shù)匯總在表中(表4)。

表4 蘇北某縣中心城區(qū)巖土體計(jì)算參數(shù)

續(xù)表4

2.3.1 換熱量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法評(píng)價(jià)結(jié)果 結(jié)合獲取的評(píng)價(jià)區(qū)巖土體的基本熱物性參數(shù)，以及式(5)、式(6)的計(jì)算方法，可得到換熱量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法的評(píng)價(jià)結(jié)果(表5)。

表5 評(píng)價(jià)區(qū)地埋管現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法地源熱泵可利用量

2.3.2 熱傳導(dǎo)法評(píng)價(jià)結(jié)果 首先，利用熱傳導(dǎo)公式計(jì)算單孔換熱功率。其次根據(jù)井間距確定單位面積可鉆孔數(shù)，結(jié)合土地利用系數(shù)及地溫能提取系數(shù)，即在用孔間距計(jì)算理想的單位面積可布井?dāng)?shù)的基礎(chǔ)上乘以土地利用系數(shù)和地溫能提取系數(shù)(參照地溫能提取系數(shù))，計(jì)算單位面積可利用量。最后，計(jì)算區(qū)域淺層地溫能可利用總量。根據(jù)已知的蘇北某縣地質(zhì)情況，在地埋管地源熱泵利用方式下，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)淺層地溫能的可利用量(表6)。

表6 評(píng)價(jià)區(qū)地埋管熱傳導(dǎo)法地源熱泵可利用量

2.3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合蘇北地區(qū)的實(shí)際工程案例，對(duì)不同評(píng)價(jià)方法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析。

蘇北地區(qū)的典型地下水地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)工程項(xiàng)目:某洗浴中心，空調(diào)面積3 000 m2，空調(diào)冷負(fù)荷300 kW，熱負(fù)荷240 kW，熱水溫度50℃;抽水井深 160 m，含水層埋深 80～120 m，出水量480 m3/d，共2口抽水井，抽水水溫17.5℃;此項(xiàng)目建成以來(lái)運(yùn)行良好，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況折算，其單井承擔(dān)換熱負(fù)荷量夏季約180 kW，冬季約為94 kW，與可開(kāi)采量理論計(jì)算換熱量相比，完全可以滿(mǎn)足本項(xiàng)目的實(shí)際換熱需求。因此，地下水量折算法在平原區(qū)資源量評(píng)價(jià)中具有很好的精度。

蘇北平原地區(qū)的典型地埋管地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)工程項(xiàng)目:某酒店，空調(diào)面積16 000 m2，需全年供應(yīng)55℃生活熱水，空調(diào)冷負(fù)荷1 900 kW，共400口100 dn32×3地埋管井，井深100 m，初始地溫為18.0℃，平均單井承擔(dān)換熱量為5 kW，此實(shí)際值與換熱量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法評(píng)價(jià)結(jié)果最為接近。因此，換熱量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法在平原區(qū)資源量評(píng)價(jià)中與工程實(shí)際具有較高的吻合度，可信度較高。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域淺層地溫能的理論概算和工程案例對(duì)比，得出以下3點(diǎn)結(jié)論。

(1)對(duì)于地下水地源熱泵可開(kāi)采資源量的評(píng)價(jià)方法，地下水量折算法具有很好的精度及可操作性，易于實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)。

(2)對(duì)于地埋管地源熱泵可開(kāi)采資源量的評(píng)價(jià)方法，換熱量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法具有很好的精度及可信性，其原始數(shù)據(jù)來(lái)源可靠，涉及參數(shù)較少，精度較高，具有很高的借鑒意義;而熱傳導(dǎo)法則由于涉及參數(shù)較多，其不確定因素較多，增 大了計(jì)算的誤差，在平原區(qū)資源評(píng)價(jià)中應(yīng)當(dāng)慎重選用。

(3)根據(jù)換熱量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法冬夏季單井換熱量的差異可以看出，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)階段，實(shí)際管井?dāng)?shù)量應(yīng)當(dāng)根據(jù)夏季、冬季不同的實(shí)際換熱能力來(lái)確定，并且實(shí)際換熱能力隨著利用溫差的不同而不同，因此，不應(yīng)籠統(tǒng)按照井深每單位延米換熱量全年恒定來(lái)估算，這樣會(huì)造成較大誤差，對(duì)于冬夏熱平衡策略中的輔助熱源的容量選取有較大影響。

以上從具體地質(zhì)特征與淺層地溫能開(kāi)采利用方式相結(jié)合的角度出發(fā)，論證了在平原區(qū)淺層地溫能可開(kāi)采資源量評(píng)價(jià)時(shí)，不同的開(kāi)采方式下，需要選用不同的評(píng)價(jià)方法才能取得較為精確的評(píng)價(jià)結(jié)果，這為平原區(qū)特別是蘇北平原地區(qū)的淺層地溫能資源量評(píng)價(jià)提供了新思路。

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