何文君，向賢禮，李勇剛，李朝佳

(1.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局，貴州 貴陽(yáng) 550005;2.貴州理工學(xué)院 ，貴州 貴陽(yáng) 550004)

淺層地?zé)崮茏鳛橐环N清潔、無(wú)污染的可再生新型能源，在我國(guó)的華北、華東等沿海發(fā)達(dá)城市以得到廣泛應(yīng)用。在地處高原巖溶—侵蝕為主的貴州地區(qū)，碳酸鹽巖廣泛分布，巖溶發(fā)育，地下水分布極不均勻，第四系厚度薄，不適宜水平地埋管換熱系統(tǒng)和地下水換熱系統(tǒng)開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮?，但淺層地?zé)崮苜Y源潛力大，具備地源熱泵開(kāi)發(fā)利用的各項(xiàng)條件，適宜豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)的建造[1]，可進(jìn)行大力推廣。因此研究巖溶地層的熱物性參數(shù)，推廣地源熱泵技術(shù)在巖溶地區(qū)的應(yīng)用，有效獲取淺層地?zé)豳Y源，是一個(gè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。本文通過(guò)貴州省有色科技大樓副樓工程場(chǎng)地建造地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)利用實(shí)例，介紹了碳酸鹽巖中開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮艿姆椒ê统晒?jīng)驗(yàn)，為地埋管地源熱泵技術(shù)在巖溶地區(qū)推廣應(yīng)用提供技術(shù)性參考。

1 場(chǎng)地淺層地?zé)岬刭|(zhì)條件

貴州省有色科技大樓擬用端承樁基礎(chǔ)，副樓擬用淺層地?zé)崮芄岷椭评?。工程?chǎng)地位于貴陽(yáng)向斜東翼，近向斜昂起端，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。場(chǎng)地標(biāo)高1 086.5 m，巖層為單斜產(chǎn)出，傾向241°、傾角68°。場(chǎng)地第四系厚度分布不均勻，為0～8.5 m，下伏地層為三疊系下統(tǒng)安順組(T1a)白云巖，灰 -淺灰色、薄-中厚層狀。鉆探揭露淺部巖體節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，一般以溶孔、溶蝕裂隙發(fā)育為主，線巖溶率僅為9.6%;標(biāo)高1 050～1 045 m以下深部巖體的巖溶發(fā)育程度為中等發(fā)育，見(jiàn)洞隙率達(dá)23.8%，巖溶發(fā)育形態(tài)主要以溶洞為主，揭露最大溶洞高為 1.00 m，一般溶洞高 0.50～0.80 m，局部溶洞連通性較好，多數(shù)溶洞呈半充填狀態(tài)，充填物為軟塑 -流塑狀粘土。

場(chǎng)地地下水潛水位標(biāo)高為1 001.00 m，以上主要為賦存于包氣帶巖石空隙、巖溶裂隙中的重力水;以下主要為賦存于飽水帶巖石中的巖溶裂隙水，其空間分布、賦存狀態(tài)取決于巖溶、裂隙發(fā)育程度等，具各向異性。

場(chǎng)地淺層熱儲(chǔ)層巖性單一，巖體熱物性參數(shù)與石灰?guī)r相當(dāng)，導(dǎo)熱率較高，較適宜豎直地埋管換熱建設(shè)。溶蝕洞穴中的泥質(zhì)充填物對(duì)導(dǎo)熱率不利，地下水有利于提高導(dǎo)熱率。經(jīng)場(chǎng)地地溫測(cè)量，0～35 m為變溫層，35 m以下為恒溫層。恒溫層的溫度為16.7℃ ～17.6℃;變溫層的溫度受大氣溫度影響較大，夏季，低于大氣溫度5℃ ～10℃，冬季，高于大氣溫度約3℃ ～8℃。

2 場(chǎng)地?zé)嵛镄詼y(cè)試成果

場(chǎng)地巖土體的綜合熱導(dǎo)系數(shù)是地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得的熱物性參數(shù)更能真實(shí)、可靠地反映工況條件。

考慮到本建筑工程后期部署雙U垂直地埋管的場(chǎng)地面積不足問(wèn)題，試驗(yàn)增做樁埋螺旋盤(pán)管換熱器的巖土熱物性測(cè)試。螺旋盤(pán)管的樁孔徑為 Φ1 200 mm，孔深8 m，盤(pán)管間距10～12 cm，樁周土為硬塑 -可塑狀紅粘土，嵌巖深度為0.8 m。垂直埋管孔采用并聯(lián)式垂直雙 U地埋管換熱器類(lèi)型，孔深 100 m，孔徑 Φ150 mm。

用線源理論[2]，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，結(jié)合本地區(qū)氣候條件及測(cè)試工況(夏季)，綜合熱導(dǎo)系數(shù)測(cè)試成果見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地巖土體熱物性測(cè)試參數(shù)成果表

表中巖體熱物性測(cè)試成果表明:

1)雙U垂直埋管的熱物性測(cè)試獲得的白云巖綜合熱導(dǎo)系數(shù)值為3.12 w/(m·℃)，高于規(guī)范[3]中石灰?guī)r熱導(dǎo)系數(shù)2.010 w/(m·℃)。

2)紅粘土層中樁螺旋盤(pán)管的熱物性測(cè)試獲得的綜合熱導(dǎo)系數(shù)值為 1.49 w/(m·℃)，高于規(guī)范[3]中粘土 1.110 w/(m·℃)的熱導(dǎo)系數(shù)。

3)巖體綜合熱導(dǎo)系數(shù)不僅受換熱器類(lèi)型影響較大，而且與地層巖性、風(fēng)化程度、巖溶發(fā)育程度、地下水滲流等有關(guān)。

4)碳酸鹽巖分布區(qū)，雖巖溶裂隙發(fā)育，但巖體仍然具有有較強(qiáng)的地下?lián)Q熱能力，其綜合熱導(dǎo)系數(shù)高于泥巖、頁(yè)巖，因此本場(chǎng)地適宜建造地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

3 換熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工

為充分利用有限場(chǎng)地，確保最大采集地埋管換熱量，本場(chǎng)地采用基礎(chǔ)樁(能量樁)與垂直換熱孔有效組合見(jiàn)圖1。依據(jù)規(guī)劃，垂直換熱器孔布置于科技大樓北部出入口綠化帶，面積為30 m×30 m，呈不規(guī)則狀，垂直埋管孔平面間距4～5 m，共布署實(shí)施26孔，采用高密度聚乙烯材質(zhì)的并聯(lián)式垂直雙U地埋管換熱器類(lèi)型，單孔孔深40～85 m，總進(jìn)尺為1 750.5 m，完成下置雙 u埋管總長(zhǎng)為6 694 m，埋管總長(zhǎng)度1 700 m。

樁埋管換熱器是將地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器PE管埋于建筑物混凝土樁基中，使其與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合。樁埋螺旋盤(pán)管是將換熱器，在建筑物混凝土樁基施工時(shí)，以螺旋式盤(pán)繞安裝于基樁鋼筋籠外側(cè)，并隨同鋼筋籠一起下入樁孔中，利用灌注混凝土樁進(jìn)行埋設(shè)，不改變樁基施工順序。盤(pán)管間距為10～12 cm，本工程共利用22顆樁安裝盤(pán)管，埋設(shè)螺旋盤(pán)管總長(zhǎng)5 200 m。

圖1 基礎(chǔ)樁(能量樁)與垂直換熱孔有效組合布置圖

4 場(chǎng)地淺層地?zé)崮茉u(píng)價(jià)

4.1 場(chǎng)地淺層地?zé)崮艿撵o儲(chǔ)量計(jì)算

依據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，本場(chǎng)地淺層地?zé)崮艿撵o儲(chǔ)量估算方法，采用體積法計(jì)算法，分別計(jì)算包氣帶和包水帶中的單位溫差儲(chǔ)藏的熱量，然后合并計(jì)算評(píng)價(jià)范圍內(nèi)地質(zhì)體的熱儲(chǔ)性能[3]。

計(jì)算式中，白云巖體密度(ρs)、巖體骨架比熱容(CS)、巖體的孔隙率、含水量、水密度、空氣密度、空氣比熱容等參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及參照規(guī)范取值，計(jì)算面積(M)分 M1區(qū)、M2區(qū)，M1為垂直埋管布置區(qū)，計(jì)算厚度為換熱孔控制深度，計(jì)算面積取埋管邊界外延4m圈定的平面面積;M2為樁埋螺旋盤(pán)管布置區(qū)，計(jì)算厚度取值最大埋樁樁長(zhǎng)，計(jì)算面積取樁埋管邊界外延4 m圈定的平面面積。由此，建造場(chǎng)地淺層地?zé)崮艿撵o儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 場(chǎng)地淺層地?zé)崮艿撵o儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果表

4.2 熱泵系統(tǒng)的換熱量計(jì)算

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)熱物性測(cè)試成果，雙U垂直地埋管的白云巖平均導(dǎo)熱系數(shù)取值3.12 W/m℃，樁基螺旋盤(pán)管的紅粘土平均導(dǎo)熱系數(shù)取值1.49 W/m℃。

因此，由26孔雙U垂直埋管和22顆基樁螺旋盤(pán)管共同建造的地埋管換熱系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算成果如表3、表4:

表3 樁基螺旋盤(pán)管參數(shù)計(jì)算成果表

表4 雙U垂直地埋參數(shù)計(jì)算成果表

由表3、表4，地源熱泵系統(tǒng)的室外換熱器采用基礎(chǔ)樁螺旋盤(pán)管換熱器和雙u埋管換熱器聯(lián)合進(jìn)行取熱和放熱，不考慮水平埋管換熱器產(chǎn)生的熱量，整個(gè)系統(tǒng)理論總制冷量約為212.7 kW，總制熱量約為 147.2 kW。

4.3 熱泵系統(tǒng)服務(wù)面積

依據(jù)建筑類(lèi)型，結(jié)合貴陽(yáng)地區(qū)氣候條件，取用夏季制冷負(fù)荷估算指標(biāo)為90 W/m2，冬季制熱負(fù)荷估算指標(biāo)為70 W/m2，通過(guò)計(jì)算:本場(chǎng)地淺層地?zé)崮艿卦礋岜孟到y(tǒng)總服務(wù)面積為2 100～2 360 m2。能滿足建筑面積為2 000 m2的科技大樓副樓(5F)建造空調(diào)系統(tǒng)要求。

5 系統(tǒng)運(yùn)行情況評(píng)價(jià)

地下水的滲流對(duì)巖石熱交換有顯著影響[4]，不僅體現(xiàn)在增加換熱器的熱交換能力上，也體現(xiàn)在有效降低冷熱負(fù)荷不平衡上[5]。

本場(chǎng)地穩(wěn)定地下水位埋藏較深，垂直埋管和樁螺旋盤(pán)管分布空間基本上位于包氣帶中，因此場(chǎng)地?zé)峋庠u(píng)價(jià)未考慮地下水滲流影響因素。

冬季工況下，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行觀測(cè)成果可知:進(jìn)出口水溫差 3.4℃ ～3.7℃，場(chǎng)地巖土恒溫層溫度約為 15.6℃，依據(jù)回水溫度基本穩(wěn)定時(shí)的出入口溫差計(jì)算[3]，冬季總吸熱量 Q為115 kw。按冬季采集淺層地?zé)崮芪鼰崃刻鞌?shù)90 d計(jì)，累計(jì)可利用的熱能量[6]為 1.49 × 109kJ。

計(jì)算結(jié)果表明，工程場(chǎng)地?zé)岜孟到y(tǒng)冬季運(yùn)行時(shí)，場(chǎng)地巖土吸熱負(fù)荷值比設(shè)計(jì)理論值小，且系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)換熱器的吸熱量遠(yuǎn)小于場(chǎng)地淺層地?zé)崮艿撵o儲(chǔ)量。

由此可見(jiàn)，本場(chǎng)地建造地埋管式熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在現(xiàn)場(chǎng)巖體物熱性試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，參數(shù)取用真實(shí)、可靠、有效，地下埋管換熱器的換熱/制冷效果比較穩(wěn)定，夏、冬的冷熱均衡。

6 主要成果

(1)本工程場(chǎng)地建造的熱泵系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，在地下水源熱泵系統(tǒng)受到制約的高原巖溶地區(qū)，特別是碳酸鹽巖廣泛分布的貴州地區(qū)，巖溶一般至中等發(fā)育的白云巖，具有較強(qiáng)的地下?lián)Q熱能力，采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)采淺層地?zé)崮苓M(jìn)行供熱/制冷是適宜的。

(2)本場(chǎng)地地質(zhì)單元的白云巖熱導(dǎo)系數(shù)測(cè)試值成果說(shuō)明，巖體綜合熱導(dǎo)系數(shù)受換熱器類(lèi)型(單U、雙U)影響較大。

(3)在樁長(zhǎng)和深度適宜的情況下，利用建筑物端承樁，采用鋼筋籠外(內(nèi))螺旋盤(pán)管類(lèi)型的換熱器采集淺層地?zé)崮軣o(wú)疑是節(jié)約投資、節(jié)省用地，值得研究。

7 需要說(shuō)明的問(wèn)題

(1)論文初步測(cè)定了巖溶區(qū)白云巖不同風(fēng)化程度、不同換熱裝置的熱導(dǎo)系數(shù)。數(shù)據(jù)表明白云巖的熱導(dǎo)系數(shù)較高，且受風(fēng)化程度、巖溶發(fā)育程度、地下水影響較大，有必要進(jìn)一步研究、獲取優(yōu)化開(kāi)采的依據(jù)。

(2)淺層地?zé)崮艿牟杉c熱導(dǎo)系數(shù)關(guān)系密切，而巖土體的熱導(dǎo)系數(shù)與巖土性質(zhì)、地下水的賦存情況、巖溶發(fā)育程度等。要準(zhǔn)確獲取巖土體的熱物性參數(shù) ，建議進(jìn)行巖土體熱物性單元?jiǎng)澐盅芯俊?/p>

(3)本應(yīng)用項(xiàng)目的換熱孔間距設(shè)計(jì)是否合理、冷熱負(fù)荷是否平衡，場(chǎng)地巖土體溫度變化是否適宜，有待進(jìn)一步監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。

[1]段啟杉，孟凡濤，等.貴陽(yáng)市淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景.地下水.2013，35(1).

[2]刁乃仁，方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù).北京:高等教育出版社.2006.

[3]淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范.DZ/T0225-2009.

[4]王慶鵬.地下水滲流對(duì)地源熱泵影響的研究[D].北京，北京工業(yè)大學(xué).2007.6.

[5]馬福一，劉亞鳳.地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡問(wèn)題分析.上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)(S30503).2010.

[6]地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范.GB/T11615-2010.