關于北戴河健康城淺層地熱能開發利用及前景探討

杜 旭 國聯江森自控綠色科技（無錫）有限公司

1 前言

健康城項目區位于北戴河新區。根據北戴河新區的規劃定位，探索適應新區的低碳環保、安全高效的能源技術，實現近期和遠期相結合的綜合能源規劃方案，發展可再生能源，形成清潔、高效的能源體系。鼓勵如淺層地熱資源等技術。

2 目的與任務

本次設計3眼不同深度地埋孔，對施工成孔的地埋孔進行熱響應測試，取得項目所在地單孔換熱能力參數，結合項目建筑冷熱負荷情況及實際可能布孔區域，給出該項目建設地源熱泵系統的適宜性評價結論，為后續地源熱泵系統設計提供準確的設計參數和依據。

3 自然地理條件

項目區地點位于河北省秦皇島北戴河新區，東到濱海新大道、南至文博街、西至錦繡路、北至規劃路。

北戴河新區位于秦皇島市區西部沿海，新區與北戴河區隔戴河相望，總面積425.8km2，海岸線長82km。北起洋河、南到灤河、西至沿海高速、東到渤海。

北戴河新區區域地勢具有西北高東南低的特點：北部屬燕山山脈東段，西部（缸山海拔127m）、北部和東部為剝蝕低山、殘丘。平原地形略向海傾斜，北部山前海拔高程為30m～50m，東南部海拔高程為3m～15m，地形坡度為0.9‰。

項目區所在北戴河新區區內水系比較豐富，河流眾多。自北向南依次有戴河、洋河、湯河、大蒲河、灤河等，除灤河發源于河北省張家口外，其余均起源于燕山山脈，具有山溪性河流的特點：流程短、落差大，汛期洪水量大、河水暴漲暴落，旱季水量驟減以至干涸。由于河流落差大、沖刷力強，河流河床堆積物較粗，多以砂和礫石為主。河流在入海處河口段，由于海洋水動力作用大于河流沖積作用，常常造成河口壅水，使得河口砂嘴后退，形成葫蘆形態。

氣候條件：項目區屬于暖溫帶大陸性半干旱半濕潤的季風氣候，氣候特點是四季分明、溫度適中、光照充足、雨熱同季、降水集中，災害性天氣常有發生，春旱、夏澇、秋爽、冬干。年平均日照時間在2700h～2850h 之間，年平均氣溫8.8℃～11.3℃之間，盛夏日平均氣溫22℃～25℃之間，年平均降水量650mm～750mm。由于瀕臨渤海，空氣濕度較大，年平均濕度65%左右。全年以偏西風為最多，春季風速最大，盛夏平均風速較小。

4 工作方案簡述

本次工作采用資料收集、整理與分析、地質調查、實地鉆探、現場測試相結合的工作方法，具體技術路線如下。

（1）資料收集及分析：收集項目區及周邊地區地質、水文地質、鉆探、物探資料，并對所收集資料進行綜合整理、分析和研究。

（2）地質踏勘：對項目區及周邊地區進行地質調查，重點是根據以往工程勘查資料，了解地層可鉆性及施工風險項，為勘探孔布設提供依據。本項目區砂層覆蓋較厚，無構造顯示，要求現場技術人員根據相關地質資料及實地勘察分析，結合后續施工勘探孔情況，給出合理的設計孔深。

（3）勘探孔鉆探：在項目區擬布地埋孔區域內施工3 眼地源勘探孔，孔深及下管類型分別為150m單U型PE管、150m雙U型PE管、250m雙U型PE管。

（4）地質體換熱能力測試：在鉆探好的3 眼勘探孔內下入PE 管換熱器，進行現場地埋管換熱器的換熱量和地質體的容積比熱容測試，給出項目區地埋管換熱器的延米平均換熱量以及地質體的容積比熱容，為地埋管換熱器設計提供基礎參數。

（5）在資料收集、地質踏勘、實地鉆探及測試的基礎上進行綜合分析研究，查明項目區地層結構和水文地質條件，評價地埋管地源熱泵換熱系統及地下水地源熱泵換熱系統的換熱能力及地質體蓄熱排熱能力，論證建設地源熱泵系統的適合性和可行性，并從地質條件出發，討論建設地源熱泵系統的風險性及可實施性。

本次布設地源勘探孔3 眼，孔深分別為150m、150m、220m。用于熱響應測試。

5 勘探孔鉆探工作成果

本次勘探孔在孔位選定過程中，結合地質分析結果，同時考慮后期可布孔區位置，最終開孔在未來設計埋孔區周邊位置，可保證測試數據的可參考性。本次設計布置3 眼勘探孔，勘探孔編號依次為KT-1、KT-2、KT-3。

通過對KT-1、KT-2、KT-3 實際鉆探記錄分析，項目區地層情況概況如下：

0m～1.5m回填土層；1.5m～45m淡紅色粗中砂；45m～70m粗中砂夾泥；70m～95m粗砂層，95m～120m粗砂層夾粘泥；120m～140m 粗砂層，灰色白色顆粒；140m～180m 粗礫砂層含泥，180m～220m為粗礫砂層。

綜上所述得出：

（1）可利用的布孔區域整體上可鉆性較好，但地層相對松散，長時間等待容易導致塌孔，設計150m孔深成孔率可行，且單孔施工周期一般不大于6h。

（2）鉆進孔深大于150m 后，施工進尺逐漸變慢，至220m后單根鉆進時間約30min，井筒穩定性變差，存在塌孔風險。

6 地質體換熱能力測試

我公司采用了恒定工況法（即模擬熱泵機組實際運行工況試驗正常工況與峰值工況時地埋孔換熱器的換熱能力）開展測試工作。通過測試取得項目所在地的地質體換熱能力。

GB 50366—2009《地源熱泵系統工程技術規范》（2009 年修訂版）對巖土熱響應試驗的要求，計算KT-1勘探孔取熱、排熱量，結果如下：

夏季：設計工況換熱量中供回水溫度25℃/30℃,換熱量73.27W/m；尖峰工況換熱量供回水溫度30℃/35℃,換熱量84.28W/m。

冬季：設計工況換熱量中供回水溫度10℃/7℃,換熱量41.13W/m；尖峰工況換熱量供回水溫度7℃/4℃,換熱量43.56W/m。

考慮到變溫層對垂直地埋管換熱器的換熱能力有一定的影響，綜合KT-1 勘探孔的換熱量計算值，推薦地埋管換熱器的設計工況夏季換熱量為80W/m，冬季換熱量為45W/m。

7 推薦地源熱泵系統設計方案

根據物探勘查成果和實際勘探孔鉆探成果，推薦垂直地埋管設計參數如下：

（1）鉆孔深度：150m；

（2）鉆孔直徑：152mm；

(3)PE管深度：150m；

（4）PE管形式：雙U型；

（5）PE管外徑：32mm；

（6）PE管內徑:26mm；

（7）PE管耐壓強度：1.6MPa；

（8）鉆孔間距：5m；

（9）回填方式：鉆孔巖屑回填。

熱物性測試的結果表明，該埋孔區域的換熱效果一般，為節約系統初期投資，同時考慮到尖峰冷熱負荷具有時間短的特性，本報告推薦采用“尖峰工況換熱量”計算地埋管換熱器數量。根據報告推薦值，地埋管換熱器尖峰工況換熱量夏季為80/m，冬季為45W/m。

地埋管數量計算過程見表1。

表1 地埋管數量計算一欄表

注：空調系統熱泵機組COP按4.6考慮，EER按6.6考慮。

如果布設1620 眼地埋管換熱器，建議布孔間距為5m，地埋管換熱器布置場地圍合面積約為40500m2。