典型氣候帶地埋管地源熱泵運行對地溫場的影響分析

賈子龍 鄭佳 杜境然 劉愛華 李娟 李富

摘? 要：我國的淺層地溫能開發利用以寒冷地區和夏熱冬冷地區應用最為廣泛，利用方式以地埋管地源熱泵系統為主。其中寒冷地區北京、天津、河北等省市發展規模較大，夏熱冬冷地區江蘇和浙江兩地發展規模較大。本文選取寒冷地區和夏熱冬冷地區規模較大、具有代表性的地埋管地源熱泵工程開展了地溫場的監測，分析了地溫場的監測數據。結果表明，受氣候帶的影響建筑物的供暖和制冷情況會有所差異，但其所使用的地源熱泵系統運行對地溫場的影響非常有限，不會因氣候帶的差異而有所差別。

關鍵詞：淺層地溫能;地埋管地源熱泵;氣候帶;地溫場;監測數據

中圖分類號：P314;X141? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：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

我國淺層地溫能資源開發利用起步較晚，但是近年來發展十分迅速。2010年，我國淺層地溫能年利用量已高居全球第二（丁宏偉等，2016），2015年更一躍成為世界淺層地溫能利用量最大的國家，地源熱泵當前的發展速度已領跑世界。全國31個省市區均有淺層地溫能開發利用工程項目，80%的項目集中在華北和東北南部地區，包括北京、天津、河北、遼寧、河南、山東等省市。

據統計，截至2016年，我國淺層地溫能應用建筑面積約4.78億m2，替代標煤1505萬噸，占全國能源消費總量的0.463%，每年可節約標煤806萬噸，減排二氧化碳1792萬噸、二氧化硫12.76萬噸，經濟環境效益顯著。

按照現行國家標準《民用建筑熱工設計規范》（GB 50176-2016）中建筑熱工設計分區的有關規定，我國氣候帶可劃分為5個地區，分別是嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和溫和地區。從目前淺層地溫能開發利用的情況來看，其應用主要以寒冷地區、夏熱冬冷地區應用最為廣泛。

本次研究選取了寒冷地區和夏熱冬冷地區的規模較大的地埋管地源熱泵項目進行分析，論證在典型氣候帶的條件下地埋管地源熱泵系統運行是否會對地溫場產生不可逆的影響。

1 典型氣候帶淺層地溫能利用情況

（1）寒冷地區

寒冷地區主要位于我國華北及西北地區，包括遼寧、北京、天津、河北、山東、山西、河南、山西、寧夏、甘肅、新疆等省市自治州，其最顯著的氣候特點是夏季炎熱，冬季寒冷，且干旱少雨。建筑冬夏均有冷熱量的需求，淺層地溫能的開發利用以夏季制冷（3個月），冬季供暖（4～5個月）為主。

以北京市為例，截至2012年底北京市地源熱泵項目數量已達到1042個，實現供暖面積3276萬m2。地下水地源熱泵項目876個，實現供暖面積2506萬m2;地埋管地源熱泵項目157個，實現供暖面積702萬m2;地表水地源熱泵項目9個（不包括污水源熱泵項目），實現供暖面積68萬m2。其淺層地溫能資源開發利用項目以公共建筑為主，建筑類型包括辦公樓、商業建筑、工業廠房、教學樓、居民建筑、旅館酒店、衛生建筑以及文化與體育建筑等，其中辦公和商業建筑、居民建筑以及教育建筑所占比例較大，約占總服務面積的83%。地源熱泵項目規模不等，1～10萬m2的建筑居多，利用規模較大的可達幾十萬平方米（圖1）。

天津市第一個淺層地溫能開發利用工程項目于2000年建成，利用面積500m2。經過10年的發展，淺層地溫能開發利用工程數量和利用面積均有大幅度增加。據統計，截至2010年，天津的地源熱泵項目數量達到174個，應用建筑面積約為294.79萬m2。其中地埋管地源熱泵項目132個，占總數量的75.86%，利用面積174.87萬m2;地下水地源熱泵項目42個，占總數量的24.14%，利用面積111.5萬m2。在地下水地源熱泵項目中，開采方式主要為對井采灌、多井采灌，并以回灌量確定開采量。

河北省淺層地溫能開發的工程主要集中在石家莊和保定，邢臺、承德、張家口的工程數量次之。根據調查，到2010 年底，河北省地源熱泵應用建筑面積約920萬m2（陳國安等，2013）。其中石家莊、保定、邢臺、邯鄲、廊坊、衡水、滄州、張家口、承德和秦皇島10個城市的應用面積約占河北省總的應用面積的一半，約490萬m2。據不完全統計，至2010年底，這10個重點城市地源熱泵利用工程約202個，其中地下水式利用工程159 個，地埋管式利用工程43個。

陜西省具有豐富的淺層地溫能資源，自2006年以來先后在關中、陜南和陜北地區開發利用淺層地溫能的單位已經有150余家，淺層地溫能的開發利用面積已達1153萬m2（孟陽，2017）。

（2）夏熱冬冷地區

夏熱冬冷地區主要位于我國長江中下游地區，包括上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川等省市的大部分地區以及貴州東北、福建北部等地區，其顯著的氣候特點是夏天熱，冬天冷，而且常年濕度很高，建筑冬夏均有冷熱量的需要。淺層地溫能的開發利用以夏季制冷（約4個月）和冬季供暖（約3個月）為主。

以杭州為例，據統計，截至2012年，杭州已有地源熱泵項目73個，建筑總面積455.6萬m2。其中地埋管地源熱泵項目68個，地下水地源熱泵項目5個。單個項目利用面積最小的為中國計量學院地源熱泵實驗室，空調面積64m2，最大的為杭州新火車東站，建筑面積32萬m2。在杭州市區淺層地溫能開發利用建筑類型中，別墅類項目最多，共33個，總面積222.73萬m2，其次為住宅小區，共11個，總面積101.56萬m2，其它建筑29個，總面積131.27萬m2（圖2）。

南京自2009年列為全國首批可再生能源建筑應用示范城市以來，淺層地溫能的開發利用逐漸提速，開發應用領域擴展到政府公共建筑、辦公大樓、商業廣場及一般民用住宅等領域。據統計，南京淺層地溫能應用面積每年均以40萬m2的速度在增長，截至2013年9月，已有141處淺層地溫能開發利用工程，應用面積已經超過600萬m2（鄂建等，2015）。

2 寒冷區淺層地溫能開發利用對地溫場影響分析

據典型氣候帶淺層地溫能利用情況分析結果，目前，淺層地溫能主要以地埋管地源熱泵為主，并且正朝著集中化、規模化的方向發展。隨著項目服務建筑面積的增加，地埋管數量也會隨之增加。本文結合實際工程案例分析，當地埋管群達到一定程度是否會對地溫場造成不可逆的影響。

北京地區選擇的工程項目建筑規模較大，且在項目實施過程中布設了地溫場監測孔， 2015-2017年取得了比較完整且準確的監測數據。

（1）項目概況

該項目位于北京地區，占地面積6公頃，建筑結構為框架剪力墻，主體建筑地上3～21層，地下2層，總建筑面積221426m2，其中包括公寓131130 m2，賓館4976 m2，商場5531 m2，電影院2515 m2，幼兒園3000 m2，天橋4764 m2，地下室55000 m2。該地埋管地源熱泵項目系統總冷負荷7890kw，總熱負荷9100kW（其中生活熱水負荷2500kW），項目共計布設垂直地埋孔635個，孔徑為150mm，孔深100m。

（2）水文地質條件

該項目位于永定河沖洪積平原的二級階地上，新生界厚度600～700m，下伏基巖白堊系。第四系厚度130m左右，巖性結構屬于多層砂礫石層及少數砂層，下伏第三系。含水層厚度自西向東逐漸變薄，巖層顆粒逐漸變細。據抽水試驗結果，靜水位大于25m，降深5m時，單井出水量不低于2500m3/d。含水層透水性較好、徑流較強，水文地質條件較好（衛萬順等，2010）。

（3）地源熱泵系統監測成果分析

該項目地埋管埋置于建筑物下，布置監測孔情況為：E、H為換熱監測孔，F、G為換熱影響監測孔，位于換熱孔中心區域，監測孔布設水平示意圖見圖3。

本次研究對2015年3月13日-2017年9月21日的監測數據進行了分析。

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與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換熱監測孔

換熱監測孔E孔和H孔溫度監測數據曲線圖（圖4、圖5）可以看出，其不同深度的溫度曲線變化幅度和變化趨勢大體相同，表現出冬季溫度較低，過渡季溫度緩慢上升，夏季溫度較高的趨勢。從連續3年冬季監測數據來看，冬季最低溫度達到接近8℃，夏季最高溫度達到35℃，全年溫度變化幅度較大。

通過對過渡季監測點的地溫場平均溫度與初始平均溫度對比（表1），在2015-2016年的3個過渡季中各監測點溫度值最變化最大溫差是0.4℃，最小是0℃。反映出該項目過渡季地溫場基本可以恢復到原始地溫場。

②換熱影響監測孔

F孔和G孔作為換熱影響監測孔受到了換熱孔的影響（圖6、圖7），溫度變化趨勢與換熱孔一樣，隨著冬夏季系統對地下的排取熱而出現波動，表現出冬季溫度較低，過渡季溫度緩慢上升，夏季溫度較高的趨勢，但溫度波動幅度較小，全年溫度變化不超過3℃。經過過渡季的恢復，溫度基本可以恢復到接近原始地溫。

對各監測點運行后的的平均溫度與初始平均溫度作對比可以看出（表2），運行之后地溫場的平均溫度普遍高于初始平均溫度，但是增幅比較小，溫度最高增幅0.48℃，最低增幅0.03℃。

3 夏熱冬冷區淺層地溫能開發利用對地溫場影響分析

蘇州地區作為夏熱冬冷區的典型地區，本次選擇的項目規模較大，且建筑類型為商業住宅，具有很好的代表性。

（1）項目概況

該項目位于蘇州地區，項目建筑為商業住宅，建筑面積共為35萬m2，地埋管數量1160個，深度為120m，全部布置在地下車庫下。項目采用空調形式為地源熱泵+真空燃氣鍋爐/冷卻塔調峰，其中地源熱泵按冬季熱負荷56%進行配置。

（2）地層條件

該項目位于蘇州市姑蘇區，第四系分布廣泛，厚度可達180m，卵石層少見。地下200m范圍內分布有潛水、第一承壓含水層、第二承壓含水層及第三承壓含水層，總體含水層較厚，土層含水層較厚，土層含水率高，屬于地埋管換熱系統適宜區（楊榮等，2012）。

從項目區域鉆孔情況來看，孔口標高約為5m，穩定水位-5.7m，鉆孔揭露119m，第四系巖性主要為黃粘土、粉質粘土、粉土和粉質砂巖，其中黃粘土累計厚度7m，粉質粘土累計厚度45m，粉土累計厚度18m，粉質砂巖累計厚度49m。

（3）地源熱泵系統監測成果分析

項目共計布設2眼換熱影響監測孔，獲取了2016年4月29日-2017年3月14日的監測數據。

從圖8、圖9中看出，在一個年度的運行過程中，2眼換熱影響監測孔不同深度的地層溫度隨季節性變化較小，并沒有產生不可逆的熱積累現象。

對各監測點運行后的的平均溫度與初始平均溫度作對比可以看出（表3），1號孔運行之后地溫場的平均溫度普遍低于初始平均溫度，溫度降低值在0.52℃～0.01℃之間。2號孔運行之后地溫場的平均溫度普遍高于初始平均溫度，溫度最高增幅0.72℃，最低增幅0.02℃。

4 結論

（1）從項目類型上看，寒冷地區淺層地溫能開發利用項目主要為單位辦公樓、商場等公共建筑，夏熱冬冷地區淺層地溫能開發利用項目主要集中在別墅、住宅等民用住宅領域。

個別工程的應用面積達到了數十萬平方米以上，單體項目應用呈現出集中化、規模化的趨勢。

（2）寒冷地區和夏熱冬冷地區，雖然建筑供暖制冷的時間由于地區氣候差異有所不同，但是整體而言，地溫場溫度的變化都在1℃以內，說明淺層地溫能開發利用項目并沒有對區域地溫場產生不可逆的熱積累現象。

（3）本次選取的兩個典型項目所在地區均為第四紀地層，厚度均大于100m。北京項目所在地區第四系具有典型多層巖土體結構，組成物質主要為粘性土層和砂層互層。300m內的第四系含水層在垂向概化4個含水層組。蘇州項目所在地區第四系多以粘性土間夾砂性土層組成，淺層地下水垂向分布有3個含水層組。項目所在地區均屬于北京市和蘇州市淺層地溫能開發利用適宜區。地溫場監測數據分析結果表明，項目的運行并沒有對地溫場產生大的影響。因此淺層地溫能開發項目，需要做好前期地質調查工作，在適宜區進行開發利用。

（4）兩個典型項目的運行對地溫場的影響雖然有限，但是北京地區的項目由于運行時間較長，地溫場溫度有增高的趨勢。后期還需對該項目開展監測，進一步掌握地溫場的變化趨勢。

參考文獻

陳安國， 馬樂樂， 周吉光， 2013. 河北省淺層地溫能開發利用現狀、問題與對策研究[J]. 石家莊經濟學院學報， 36（4）： 50-53.

丁宏偉， 魏莉莉， 尹政，? 2016. 淺層地溫能系統的國內外研究與應用現狀綜述[J]. 甘肅地質， 25（4）： 61-68.

鄂建， 陳明珠， 楊露梅， 等， 2015. 南京淺層地溫能開發利用現狀研究[J]. 地質學刊， 39（2）： 339-342.

孟陽， 2017. 關中地區地熱產業發展現狀及前景研究[D]. 長安大學.

衛萬順， 鄭桂森， 欒英波， 2010. 北京平原區淺層地溫場特征及其影響因素研究[J]. 中國地質， 37（6）： 1733-1739.

楊榮， 李曉昭， 吳文博， 等， 2012. 蘇州市淺層地熱能應用潛力評估與研究[J]. 可再生能源， 30（8）： 74-77.