淺層地?zé)崮芄┡谵r(nóng)村的應(yīng)用前景分析

孟 甲，趙躍倫，史啟朋,，袁成軍，宋帥良，劉 肖，喬 月

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地勘局第二地質(zhì)大隊)，山東 濟寧 272100；2.濟寧市土地資產(chǎn)事務(wù)中心,山東 濟寧 272000；3.山東省地?zé)崆鍧嵞茉纯辈殚_發(fā)工程研究中心，山東 濟寧 272100)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，能源需求的總量將會越來越大，引發(fā)的環(huán)境問題會更加突出，這必將相應(yīng)對我國實行經(jīng)濟、能源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展帶來極大的困難[1]。

淺層地?zé)崮苁且环N廣泛存在于地殼淺部(一般認(rèn)為0～200 m，溫度低于25 ℃)的可再生清潔能源，近年來，其在建筑制冷管及供暖方面得到廣泛應(yīng)用，我國淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用已有二十余年歷史，使用地源熱泵系統(tǒng)的主要為城市高層建筑，取得了較為顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益；其利用方式目前主要分為兩種：地埋管地源熱泵、地下水地源熱泵，其中豎直地埋管地源熱泵在居民及公用建筑中應(yīng)用較為廣泛。

近年來，運行費用相對低廉、效益較穩(wěn)定的淺層地?zé)崮埽鳛檩o助制冷供暖能源，越來越普遍的被諸多國家應(yīng)用于條件適宜的城鎮(zhèn)、及新農(nóng)村的建設(shè)中；如城市低層新建筑區(qū)、城鄉(xiāng)交界處的獨立住宅、低層連棟別墅群、鄉(xiāng)間農(nóng)舍以及城郊小型商區(qū)或賣場等空間，其相應(yīng)技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展已相當(dāng)成熟；相較之下，我國雖已積累不錯成績，但在民間商用推廣上仍相對欠缺[2]；本文結(jié)合實例闡述了淺層地?zé)崮茉谵r(nóng)村的一種具有可行性的應(yīng)用模式，對其在農(nóng)村的推廣應(yīng)用具有借鑒意義。

1 工程概況及區(qū)域自然背景條件

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用工程依托前蔣村“鄉(xiāng)村CBD”建設(shè)項目開展，該項目位于山東省魚臺縣西南部，用地面積4 835 m2，建筑面積1 026.55 m2，為單層建筑物，魚臺縣位于我國中部黃泛平原東部，東經(jīng)116°23′～116°49′，北緯34°53′～35°10′，屬暖溫帶季風(fēng)型半濕潤大陸性氣候，年平均氣溫13.7 ℃，7月平均氣溫27.4 ℃，1月平均氣溫-1.3 ℃[3](圖1)；包氣帶厚度一般小于5 m[4]，最大凍土深度0.23 m，地下水、地表水資源均較為豐富, 松散沉積物厚度大于200 m，巖性以粉質(zhì)粘土、粘土、粉細(xì)砂為主，該巖土類型含水率較高，據(jù)以往研究結(jié)果，在其他因素不變的條件下粉質(zhì)粘土熱導(dǎo)率隨著含水量的增大而增大[5]，對豎直埋管地源熱泵的應(yīng)用較為有利。

圖1 魚臺縣月平均氣溫和降水

2 淺層地?zé)崮芸辈?/h2>

2.1 地層結(jié)構(gòu)

依規(guī)范[6-7]要求，在熱泵工程建設(shè)之前，首先在擬定建設(shè)場地內(nèi)施工一眼120 m勘查試驗鉆孔，對場地地層進(jìn)行了勘查，鉆孔完工后，首先對鉆孔溫度進(jìn)行了測量，可以看出，鉆孔內(nèi)溫度在深度20 m以下隨深度增加而增加，求得增溫帶地溫變化梯度約為3.09 ℃/100 m(圖2)。

圖2 勘查孔地層結(jié)構(gòu)及垂向地溫曲線示意

2.2 熱響應(yīng)試驗

當(dāng)熱響應(yīng)試驗來的時間足夠長時，根據(jù)線熱源理論[8-9]推導(dǎo)，可得：

(1)

熱擴散率是熱導(dǎo)率與巖土體積比熱容的比值[10]

a=λ/c

(2)

式中λ——換熱孔圍巖的熱導(dǎo)率/W·m-1；

Q——地埋管換熱量/kW；

k——恒功率排熱現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗的地埋管進(jìn)、出水管內(nèi)平均水溫半對數(shù)曲線的擬合直線斜率；

H——地埋管換熱長度/m；

a——巖土擴散率/m2·s-1；

c——巖土體積比熱容/MJ·(m3·℃)-1。

開展無負(fù)荷、6 kW恒功率排熱、7 ℃恒溫度排冷三個模式的熱響應(yīng)試驗(圖3)，結(jié)合對孔內(nèi)采集的原狀巖土樣進(jìn)行實驗室熱物性測試分析數(shù)據(jù)及上述公式，可計算求取冬季、夏季工況下單孔換熱量、延米換熱量、平均地溫以及熱導(dǎo)率、熱擴散率、體積比熱容等巖土熱物性參數(shù)(表1)。

表1 場地?zé)嵛镄詤?shù)

圖3 熱響應(yīng)試驗曲線

3 勘察成果轉(zhuǎn)化

3.1 工程概況

前蔣村位于魚臺縣魚城鎮(zhèn)東北部，黨群活動中心建設(shè)項目用地面積4 835 m2，建筑面積1 026.55 m2，供暖面積941.68 m2，為單層建筑物。主要建設(shè)兩委辦公室、黨群工作展示室、黨群活動室、黨群事務(wù)公開室和民生服務(wù)大廳、多功能活動廳、餐飲中心、購物中心、健康中心、衛(wèi)生中心和文化健身活動廣場、綠蔭民生休憩廣場，滿足健康生活之需。

3.2 工程設(shè)計及建設(shè)

該建設(shè)項目實際供暖面積941.68 m2，考慮到建設(shè)項目為單層建筑，建筑物較分散，故夏季采暖負(fù)荷取94.2 W/m2，供暖負(fù)荷取75.3 W/m2，據(jù)前期勘查試驗結(jié)果，可計算出工程所需豎直埋管長度1 860.63～2 029.89 m，設(shè)計換熱孔孔深120 m，18眼，下入φ32 mm雙U型PE管，埋管總長度2 160 m，滿足預(yù)計最大需求，室內(nèi)末端部分采用臥式暗裝風(fēng)機盤管(圖4～圖6、表2)。

表2 設(shè)備配置表

圖4 熱泵系統(tǒng)平面圖

圖5 室外連接水平埋管示意圖

圖6 熱泵系統(tǒng)機房平面示意圖

3.3 工程運行

經(jīng)初步運行與調(diào)試，該淺層地?zé)崮艹晒D(zhuǎn)化工程建設(shè)完成的全套系統(tǒng)經(jīng)試運行正常后，2019年底移交前蔣村委會使用；次年1～3月熱泵系統(tǒng)正式投入使用，進(jìn)行供暖；據(jù)監(jiān)測顯示，該系統(tǒng)1月份處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)，經(jīng)估算，滿負(fù)荷狀態(tài)下該系統(tǒng)供暖用電量約為8 055 kW·h/月，供暖期按120 d計，滿負(fù)荷狀態(tài)下，該系統(tǒng)每年供暖期用電量約為32 220 kW·h/a。

3.4 效益分析

采用費用年值法[11]，以系統(tǒng)壽命35年計，計算得前蔣村地源熱泵系統(tǒng)折合出投資費用為38.34元/m2/a，年維修費用為3.51元/m2/a，地源熱泵可視為無人操作，無人工費；因建筑功能原因，前蔣村“鄉(xiāng)村CBD”主要用電時間集中在白天，當(dāng)?shù)夭捎梅骞入妰r，據(jù)其1～4月份實繳電費及用電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其用電電價平均約為0.63元/kW·h，該系統(tǒng)1月份滿負(fù)荷運行時，電費為5 066.60元，合單位面積取暖用電(燃料)費用21.50元/m2/a，故該系統(tǒng)取暖費用年值約為63.36元/m2/a；據(jù)“中國電力知庫”統(tǒng)計的電價數(shù)據(jù)計算，我國目前進(jìn)行冬季供暖省份[12]的平均電價約為0.49元/kW·h，因而豎直埋管型地源熱泵系統(tǒng)在農(nóng)村的推廣使用過程中運行費用仍有下降空間。

依相關(guān)規(guī)范[13-14]，與傳統(tǒng)燃煤取暖相比，前蔣村“鄉(xiāng)村CBD”采用的地埋管地源熱泵系統(tǒng)每供暖季可減少當(dāng)?shù)毓┡济毫考s32.83 t，減少二氧化硫排放558 kg，氮氧化物排放197 kg，二氧化碳排量78 321 kg，粉塵排放262 kg，灰渣3 282 kg，年節(jié)約環(huán)境治理費用9 260元，將為當(dāng)?shù)貛砻黠@的生態(tài)環(huán)境效益，以及一定的經(jīng)濟社會效益。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)運行，前蔣村地源熱泵系統(tǒng)在運行狀況良好，說明在農(nóng)村單層分散式公用建筑中使用地源熱泵系統(tǒng)供暖在技術(shù)上是可行的。

(2)前蔣村地源熱泵系統(tǒng)供暖面積941.68 m2滿負(fù)荷運行期間建筑耗平均耗電量34.22 kW·h/m2，費用合21.50元/m2，長期來看經(jīng)濟上可行。

(3)前蔣村“鄉(xiāng)村CBD”為農(nóng)村公共建筑，人流量較大，同時采暖房屋為平房，且較為分散，存在諸多因素增加供暖耗能，在該類系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)村居民住宅等增加能耗因素相對較少的建筑時，供暖節(jié)能效果將更為顯著。