天津市淺層地熱能存在的熱堆積問題及解決方法探討

岳麗燕，孟令軍，趙蘇民，盧寶，黃賢龍

（1.天津地熱勘查開發設計院，天津 300250；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300200）

天津市淺層地熱能存在的熱堆積問題及解決方法探討

岳麗燕1，孟令軍2，趙蘇民1，盧寶1，黃賢龍1

（1.天津地熱勘查開發設計院，天津 300250；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300200）

通過對天津市淺層地熱能地質環境動態監測系統獲得的地埋管換熱器周圍溫度場動態變化數據的歸納分析，得出以下結論：大部分地源熱泵工程能滿足建筑供暖制冷需求，地埋管換熱器周圍土壤在運行一個制冷供暖周期后能恢復到原始地溫，不會對地質環境產生影響；一小部分地源熱泵不能滿足建筑制冷供暖需求，地埋管出水溫度不能達到設計要求，換熱器周圍土壤溫度出現持續的升高，在下一個制冷供暖周期不能恢復到原始地溫，存在熱堆積問題。在分析存在問題的基礎上，提出以下可行解決方法：增加換熱孔間距、調整換熱孔群布置方式、地埋管與抽水井耦合開發利用、復合式供暖制冷系統以及深淺間隔布置的換熱孔設計方式。

淺層地熱能；地埋管換熱器；冷熱不均衡；熱堆積

目前天津市的淺層地熱能開發利用已具有一定的規模和數量，但是關于淺層地熱能開發利用中的地質環境問題研究甚少，項目組通過地源熱泵工程運行狀況跟蹤調查和淺層地熱能動態監測數據分析發現，某些工程有明顯的上部建筑供暖、制冷“出力不足”，下部地埋管換熱器周圍土壤溫度不能恢復到原始地溫的現象，通過查閱研究文獻以及向暖通專業研究人員咨詢，得出目前針對這種現象的研究工作主要集中在上部建筑[1]，很少涉及到地下地埋管換熱器這個地源熱泵系統中最重要的一部分。本次研究工作主要是針對地下的地埋管換熱器存在問題。筆者以天津市某地源熱泵工程為例，通過分析該工程歷經4年的地質環境動態監測數據，分析該工程出現的問題，結合工程實際應用和理論研究找到出現問題的根本原因，并提出系統的解決方法，為新建和待維修地源熱泵工程提供技術指導。

1 地埋管地源熱泵基本原理

淺層地熱能是指地表以下一定深度范圍蘊藏在巖土體、地下水中具有開發利用價值的熱能。其本質是利用一定深度內年平均地溫與季節氣溫之差（圖1）和巖土體與地下水具有蓄熱、導熱的特性，通過熱泵技術進行開發利用。

熱泵技術原理是將淺層地熱能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季作為熱泵制冷的冷源，通過輸入少量的高品位能源（如電能），在冬季把淺層地熱能中的熱量“取出”來，提高溫度后，供給室內采暖，在夏季把室內的熱量集中后，釋放到地層中，使室內的溫度降低。

地埋管地源熱泵系統是利用地埋管地下換熱系統，采用埋設垂直管、水平管或向地表水拋設管路等多種方式，通過管內循環水源介質與管外土壤進行熱交換，直接從淺層土壤取熱或向其排熱，減少了地熱轉換熱水和冷水過程中的熱損失，同時不受地下水開采的限制，推廣范圍更廣、更靈活。

2 地埋管地源熱泵工程現狀

目前，全國31個省、市、自治區均有淺層地熱能開發利用工程，每年淺層地熱能供暖制冷的建筑面積呈階梯式增長，北京奧運村、國家大劇院和上海世博會等一些國家標志性建筑物都使用了地源熱泵系統。項目比較集中的地區有北京、河北、河南、山東、遼寧、天津，80%的項目集中在華北和東北南部地區[2]。

從2016年2月26日召開的京津冀協同發展地質工作研討會上獲悉，地質調查評價表明，京津冀規劃區13個地級以上城市淺層地熱能每年可開采量折合標準煤9 200萬噸。若采用熱泵系統開發利用淺層地熱能，可實現建筑物夏季制冷35億m2，冬季供暖29億m2。目前京津冀地區采用淺層地熱能供暖制冷面積8 500萬m2，占全國利用淺層地熱能供暖制冷總面積的20%，是我國淺層地熱能開發程度最高、用于建筑物供暖制冷規模最大的地區之一。

據調查統計，近幾年來天津市地埋管地源熱泵系統工程數量和利用面積呈快速增長趨勢，截止2015年12月已建設224個系統工程，利用面積626萬m2（圖2），大多采用雙U型埋管方式，換熱孔深度為100～120 m，埋管間距4～5 m。各系統工程的開發應用規模差異較大，有的小型工程如天津地熱院淺層地熱能開發利用試驗基地只鉆鑿21眼換熱孔，大型工程鉆鑿換熱孔數量甚至達到3 000～4 000眼，通過分析地質環境監測數據可知，大型工程整體系統運行效果不如中小型，個別出現系統COP（熱泵的能效循環系數）降低的趨勢。

3 存在的主要問題分析

3.1 主要問題

根據近幾年已有的地埋管地源熱泵系統地溫監測數據分析，某些工程運行中出現了長期熱不平衡和換熱孔周圍熱堆積問題，主要表現為系統在運行幾年或更長時間后，出現地埋管區域地下巖土體年平均溫度持續升高，夏季可用換熱溫差逐漸降低，使整個換熱系統從地下換取的熱量越來越少，為滿足室內制冷負荷的要求，不得不增加熱泵機組耗電量，整個系統COP降低的現象。

天津某大型地埋管地源熱泵工程于2011年冬季開始供暖運行，建筑供暖制冷面積40.24萬m2，鉆鑿3786眼120 m雙U換熱孔，孔距4.8 m，換熱孔在一個區域內集中分布，共布設5眼地溫監測孔，包括1眼換熱監測孔1#，位于換熱孔群中心位置；3眼影響半徑監測孔，位于1#孔周圍，距1#孔的距離分別為1 m、2 m、2.4 m；1眼地溫背景值監測孔，位于換熱孔群南部邊界外5 m處，各監測孔垂向每10 m布置一個測溫點[3]，可監測換熱孔和換熱孔間以及換熱孔群外圍地溫變化情況，為度量換熱孔群內地溫變化提供數據支持。

從歷年地溫背景值監測數據可得出，該工程所在地恒溫層位于25～45 m深，工程運行期間地溫背景值監測孔地層溫度沒有受到換熱孔群換熱的影響，本論文選取換熱監測孔位于恒溫層40 m深處地溫監測數據進行分析（圖3），可得出2011年11月至2015年11月運行4個制冷供暖周期后，該深度地層溫度呈逐年增長的趨勢。

從該工程換熱孔間影響半徑監測孔40 m深歷年地溫變化趨勢圖（圖4）可以看出，換熱孔間1 m、2 m、2.4 m地層溫度隨著地源熱泵系統的運行也出現周期性的升降，說明換熱孔換熱影響半徑已達到2.4 m，該工程設計換熱孔間距不能滿足實際負荷需求。

在制冷季隨著熱量向遠處的衰減，正常情況應該是距換熱孔2.4 m處的地溫變化應小于2 m處的地溫變化，但實際監測數據正好相反，說明制冷季相鄰的兩換熱孔在中間2.4 m處出現了熱量疊加，即換熱孔間出現了熱突破。供暖季沒出現這種情況，說明建筑物供暖期熱負荷小于制冷期冷負荷，按照供暖期熱負荷設計地埋管換熱孔間距偏小，隨著地源熱泵系統的運行，會逐漸出現夏季制冷效果不佳，整個系統COP逐漸降低。

同樣隨著地下平均溫度的不斷升高，該工程在相同運行周期內地埋管出口溫度也呈現上升趨勢，說明地下平均溫度的持續變化確實對地埋管的換熱產生了影響，為獲得相同的制冷量，在制冷季節需要提高地埋管入口溫度，而這將顯著降低機組的性能系統，增加系統能耗。

3.2 原因分析

當地埋管地源熱泵系統夏季向地下注入的熱量和冬季從地下提取的熱量不平衡嚴重到一定程度時，由于淺層巖土體導熱系數低，熱量傳輸能力有限，積累的熱量在運行一個供暖制冷周期后難以散失，堆積在換熱孔周圍，造成換熱孔周圍巖土體溫度持續升高。這主要是由于地埋管換熱器的實際傳熱過程是一個復雜的非穩態傳熱過程，它以巖土體導熱為主，但同時還包括了土壤多孔介質中的空氣、地下水的對流以及遷移傳熱，因此巖土體的熱物性、含水層厚度、土壤初始溫度、埋管材料、管徑和流體流速等都對地埋管換熱器的傳熱過程產生影響[4]。另外，長期運行空調逐時負荷的變動等諸多微觀因素也影響換熱器的傳熱過程，很難搭建符合實際情況的模擬軟件模型，如此長模擬時間對于實際情況的偏差也難以控制[5]。為獲得地埋管地源熱泵工程地埋管換熱孔群實際的地溫變化情況，選取天津市典型工程，按照相關技術規程建立地埋管換熱孔地質環境監測系統[3]。

經過對地下換熱孔群地溫和地上熱泵機組運行情況的長期監測以及大量調查研究工作，得知出現這種熱量不平衡除上面提到的不可控因素外，更多的是工程建設和運行中的可控因素造成的，主要有以下幾種情況：

（1）地埋管地源熱泵系統工程前期勘查不到位，沒有做現場熱響應試驗，沒有準確的場地淺層巖土體熱物性參數和換熱孔單孔換熱能力數據，只是單純的估算一個換熱孔每延米換熱量，用于設計整個工程地埋管數量，以至于出現地埋管數量和實際建筑物冷熱負荷不符。

（2）建設方為節省工程初投資，地埋管數量布置過少，不能滿足上部建筑物供暖制冷負荷，使得長期運行后地下換熱器出力不足，整體運行特性變差。

（3）工程建設場地較小，不能滿足地埋管換熱器合理間距的布置，從而減小了地埋管換熱器間距，使得單個地埋管換熱器的傳熱半徑減小，使持久運行特性降低。

（4）熱泵機組與地埋管換熱器組群設計不匹配，造成局部土壤溫升過高。

（5）地源熱泵系統運行管理人員缺乏相關專業知識，不能按照上部建筑物實際逐時負荷變化及時調整地源熱泵系統運行模式。

3.3 解決方法

地埋管地源熱泵的冷熱不均衡問題并不是技術上的難題，完全可以通過系統的合理設計和規范化的運行管理進行規避。對于制冷供暖負荷較大的工程，有以下解決方法：

（1）增加地埋管換熱器的孔間距，孔群外5 m處地溫背景值溫度穩定，設計換熱孔間距大于5 m，擴大熱傳導半徑，從而減小地埋管換熱器單位深度承擔的設計負荷。

（2）調整換熱孔群布置方式，可將一個大的換熱孔群拆分成幾個小的換熱孔群。

（3）同時，有研究者提出在有地下水滲流存在的砂土中，滲流對整個溫度場的影響很大。相同熱負荷條件下，滲流的存在能大大增強地下埋管換熱器的換熱能力，在工程設計和施工中，充分考慮到地下水滲流的影響，將會降低熱泵工程的初投資，提高其經濟性[6]。而天津平原地區淺部地層巖性主要為黏土和粉砂互層，地下水滲流條件差，地下水自然對流和遷移能夠帶走的熱量很少，工程建設中可采用地埋管與抽水井耦合使用，抽水時的水位差可形成一種人工地下水流場，當這種人工地下水流場達到一定程度即可帶走地埋管換熱器周圍堆積的冷熱量，可解決地埋管周圍冷熱堆積不平衡問題。湖北某辦公樓地源熱泵系統項目室外換熱器采用垂直鉆孔U型地埋管與新型單井高效換熱技術，避免了地下土壤能量不平衡，從而保證地源熱泵系統長時間連續運行的穩定性和可靠性[7]。

（4）針對建筑供暖制冷負荷相差較大的工程，應減小冷熱負荷不平衡率，可采取通過設置系統調峰、采用熱泵機組熱回收技術等復合式制冷供暖系統。另外，針對夏季負荷較大的工程，若工程場地足夠大，可根據巖土體垂向溫度變化規律，可設計深淺間隔分布的換熱孔，夏季換熱孔全部使用，冬季只使用深換熱孔，淺換熱孔由于巖土體平均溫度較低，加之夏季雨水多，地下水位上升快，淺層巖土體導熱能力增強，可使整個換熱孔群的換熱效率提高，解決換熱孔附近冷熱堆積問題。

4 結論

（1）天津市地埋管地源熱泵運行時間不長，尚未暴露出嚴重的冷熱不均衡問題。1年的地溫累計溫升可能只有1℃的量級，對熱泵機組和系統換熱效率影響不大，但是如果不積極解決問題，5年或10年的持續溫升會造成系統運行效果不佳，嚴重的甚至使整個系統癱瘓，無法達到制冷供暖的目的。

（2）影響土壤冷熱不均衡的因素很多，主要是工程建筑物冷熱負荷差異和地埋管換熱器的布置間距。因此，解決地埋管換熱器熱不均衡的主要方法是優化設計減小空調系統冬夏累計負荷差，同時適當增加地埋管換熱器的間距，在換熱孔群中增加新型單井換熱系統，改變傳統的地埋管布置方式。

（3）采用復合式供暖制冷系統是解決地埋管換熱器周圍冷熱不均衡問題較理想的方法，針對不同地埋管地源熱泵系統工程冷熱負荷特點，制定運行周期內取放熱平衡方案，同時按照相關技術規范，布置有效的地質環境監測系統和相應的調節控制措施。

（4）加強地埋管地源熱泵系統的運行管理，根據建筑物實時負荷特點，相應的調節熱泵運行模擬，以達到最優能源配置效果。

[1]許世雄.冷卻塔復合式地源熱泵系統控制策略研究及實現[D].上海：東華大學，2014.

[2]衛萬順，李寧波，冉偉彥，等.中國淺層地溫能資源[M].北京：中國大地出版社，2010.

[3]天津地熱勘查開發設計院.DB12/T 608—2015天津市淺層地熱能地質環境監測技術規程[S].天津：天津市市場和質量監督管理委員會，2015.

[4]岳麗燕.垂直地埋管換熱性能影響因素分析[D].北京：中國地質大學（北京），2012.

[5]畢文明，岳麗燕.地埋管換熱性能綜合微縮試驗研究[J].水文地質工程地質，2014，41（1）：144-148.

[6]李斌.熱滲共同作用下的地下埋管換熱器實驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006.

[7]游鋒，陳國友，李海峰.地埋管與新型單井耦合換熱技術實例分析[J].建筑節能，2013 12（41）：20-22.

Abstract：During the 1/50 000 regional geological survey in the Beishan area,Inner Mongolia,we measured the profile of the Chijinbao Formation in the Sandaomingshui area,which was thought to be Jurassic stratum by former rechearchers，and we found that it is a suit of gray,green-gray fine clastic rocks and purple-gray coarse clastic rocks with low marurity.A large number of fossils such as bivalves,gastropods,ostracods,plants and large reptiles were found in this formation,and they were divided into several combinations.Bivalves:Sphaeriumcf.jeholense(Grabau)-Arguniella subcentralisChernyshev,the age of Early Cretaceous;Gastropods:Lioplacodes gansuensisPan-Sinorificium yumenensisGuo,the age of Early Cretaceous;Ostracods:theCyprusa-Mongolocypris-Lycopterocyprisassemblage,mainly in Early Cretaceous;Cycads:Nilssonia sinensisYabe& Oishi combination,the age of Early Cretaceous;Ginkgoitessp.,Representative,the era of Early Cretaceous.With comprehensive analysis,we suggested that this suit of stratum belongs to Early Cretaceous.

Key words：Beishan;Inner Mongolia;Chijinbao formation;fossils;Early Cretaceous

The cold&heat accumulation problem and solution methods of the shallow geothermal resource in Tianjin

YUE Li-yan1,MENG Ling-jun2,ZHAO Su-min1,LU Bao1,HUANG Xian-long1

(1.Tianjin Geothermal Exploration and Development-Designing institute,Tianjin 300250，China
2.Bei Fang Investigation,Design&Research CO.LTD,Tianjin 300222，China)

With the number of shallow geothermal energy engineerings increasing,the shallow geothermal geological environmental dynamic monitoring system was established in Tianjin,which can get temperature change data around ground heat exchanger.The dynamic monitoring data analysis showed that most engineerings can meed the building need of heating&cooling,and the soil temperature around ground heat exchanger can restore to the original after a heating&cooling heating cycle,which will not impact on geological environment.A small part engineerings can't meet the building demand of heating&cooling in the operation,and the water temperature of the buried pipe in and out can't meet the design requirements,soil temperature around ground heat exchanger in continuous rise or fall.It can't restore to the original before the next heating&cooling heating cycle. There are cold&heat accumulation problems around the buried tube heat exchanger.The paper based on analysising many factors which affect the problems,developed different solutions for the different cumulative heating and cooling load model of buildings,which can avoid cold&heat accumulation problem and improve the thermal efficiency and service life of the system.

shallow geothermal energy;buried pipe heat exchanger;cold&heat imbalance;cold&heat accumulation

Sedimentary characteristics and age of the Early Cretaceous Chijinbao formation in the Sandaomingshui of Beishan area，Inner Mongolia

ZHANG Jin-Long1,PAN Zhi-long1,CHEN Chao1,2,ZHANG Gui-feng1,ZHANG Huan1, LI Qing-zhe1,WANG Shuo1,ZHANG Li-guo1,ZHANG Yun-Qiang1,3

(1.Hebei institute of Regional Geological and Mineral Resource Survey,Hebei Langfang 065000,China；
2.China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China；3.China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

P314

A

1672－4135（2017）01－0076-05

2016-07-04

國家科技支撐計劃課題“天津市生態城地源熱泵高效利用技術研究與示范（2013BAJ09B04）”

岳麗燕（1986-），工程師，2012年畢業于中國地質大學水資源與環境學院，長期從事深、淺層地熱研究工作，E-mail：yueliyan00120@126.com。