某工程项目浅层地能测试与评价

田继民,戈瑞梅

(1.沧州东方工程设计咨询有限公司,河北沧州 061001;2.河北大元建业集团有限公司,河北沧州 061000)

某工程项目浅层地能测试与评价

田继民1,戈瑞梅2

(1.沧州东方工程设计咨询有限公司,河北沧州 061001;2.河北大元建业集团有限公司,河北沧州 061000)

以某工程项目地源热泵测试与评价为例,说明其工作方案与评价,以及应提高的热物性参数,为设计人员提供第一手资料和数据。

土地源热泵;测试与评价;热物性参数

土壤源热泵是利用少量电能从土壤中提取低品位热能的机械装置。在国家大力提倡节能和环保技术的今天,这种节能的空调技术越来越被广大的业主所采纳,应用越来越多。但是只有对土壤中浅层地能进行正确的测试与评价,设计人员进行正确的设计,才真正能够为业主带来良好的经济效益和社会效益。

沧州某工程项目规划总建筑面积7.28万m2,建设有科技研发大厦、个性化标准孵化车间和员工公寓等。室内末端系统设计为低温热水地板辐射采暖和风机盘管中央空调系统,计划采用节能、环保的地源热泵系统,以满足整个园区建筑冬季采暖、夏季制冷的要求。

1 工作方案

目前,项目所在区域周边使用地源热泵系统的应用项目不多、运行参数不完整,针对浅层地能应用的地质、水文调查工作较少,监测数据和地质资料不多,不确定因素较多,需开展详实的调查工作。根据工作区域特征,制定勘察工作方案。

1)搜集该地区的已完成相关项目资料、数据,了解项目区有关自然地理条件、区域地质条件等参数,并进行分析、研究和整理。

2)在项目区钻凿1个测试孔,孔深135 m,通过钻凿测试孔,取得该地基础地质资料,查明该地区地质剖面,并确定该地区具备地层可钻性,确定包气带、饱水带厚度,评价资源总量。

3)测试孔钻凿完成后下入PE管,使用最新开发的浅层地热能热、冷测试车进行换热孔换热能力测试,并对测试数据分析整理,确定换热孔布置区域的单孔换热量,确定换热孔数量。

4)调查该项目建设区的场地条件,为地埋管钻凿施工可行性以及换热孔布置方案确定提供参考。

5)通过对搜集的水文地质资料、野外钻探调查、测试孔换热能力测试的结果以及项目区场地条件加以分析,评价项目采用地源热泵系统的地质条件可行性。

2 浅层地热地质条件

2.1 工作区浅层地热地质条件

工作区及其附近基岩在工作区范围内有一定的均一性和规律性,主要为粘砂、细砂与卵砾石互层。地层含水量较多但含水层颗粒较细。表1为工作区内的勘探孔地质状况,很好的反映了项目所在地135 m内的地层岩性。

表1 勘探孔地质状况

2.2 浅层地热资源量评价

根据储量法对地质体储存的热能进行计算,计算面积按规划面积34 388 m2计算,地质体厚度按135 m计算,其中包气带厚度按18 m计算,储能为0.6×1012J,饱水带厚度按117 m计算,储能为1.04×1013J。地质体中135 m以内温度变化1℃可以释放或吸收的热能为1.1×1013J。

2.3 热泵系统全年从土壤吸热量计算

科技园总规划面积34 388 m2,总热负荷3 820 kW,冷负荷为1 680 kW。

地源热泵机组制冷能效比(EER)取5.0,则地源热泵系统夏季向岩土体排放的总热量为

地源热泵机组制热性能系数(COP)取4.0,则地源热泵系统从岩土体吸收的总热量为

全年采暖期按135 d计算,热泵机组全天运行,全负荷使用系数取0.63,热泵机组从岩土体吸收的总热量为

采暖期地源热泵从岩土体吸收的总热量为2.1×1013J,地质体计算温度降低约1.9℃。

夏季综合服务区制冷天数取90 d,热泵机组每天运行9 h,全负荷使用系数取0.8,则夏季制冷季热泵机组向岩土体排放的总热量为

一个制冷季地源热泵向岩土体排放的总热量为4.7×10J,制冷季地源热泵向岩土体计算温度升高约0.42℃。

全年地源热泵从岩土体吸收的总热量为Q=Q1-Q2=1.63×1013J,而地质体中135 m以内温度变化1℃可以释放或吸收的热能为1.1×1013J,因此地源热泵运行一年岩土体计算温度降低约为1.48℃。

考虑地下水流动对地层散热的影响,135 m以下岩土的地热传导,以及热泵系统的间歇期,均有利于地层温度的恢复,总体上地埋管系统对项目区域整体地温场影响不大。

3 浅层地质条件可行性评价

3.1 地质条件可行性评价

通过本次测试工作,对该项目所在地地层情况有了进一步的掌握,岩性主要为砂质粘土、细砂,含有数层砂砾石。135 m深换热孔施工较为容易,成本较低,适合采用地源热泵系统进行冬季供暖。

3.2 测试孔测试结论

土壤换热能力测试采用浅层地热能热、冷测试车,该测试车可进行冬季吸热工况的模拟测试,其测试方法是通过控制水流量和压缩机变频出力,使进入地埋管换热器的水温恒定在设定的温度值,从而测定冬夏运行工况下的岩土换热能力。该测试车的温度输出控制能力优于传统的电加热测试设备,它能够输出温度与设定的温度偏差在0.3℃,而且温度可任意设定,使用灵活,方便,满足各种条件下的热泵地埋管测试。

本次测试选择的冬季运行工况分别为:设定冬季地埋管进水温度2℃,流量1.5 m3/h。在该试验条件下,换热稳定后,冬季地埋管进/出水温度为2.1/5.0℃,换热量为5.06 kW,折合每延米换热量为38.9 W;设定夏季地埋管进水温度35℃,流量2.0 m3/h。在该试验条件下,换热稳定后,夏季地埋管进/出水温度为35.0/ 31℃,换热量为9.3 kW,折合每延米换热量为71.56 W(详见图1和图2)。

根据测量的温度、流量、功率,本报告采用圆柱热源理论模型结合参数计算法来计算土壤导热系数。根据实验数据,计算地下土壤平均导热系数为1.7 W/(m◦K)。

3.3 建议换热孔布孔方案

本项目总体规划占地面积34 388 m2,场地空间条件比较紧凑,但地质结构有利于地埋管的换热。根据以上所述内容,提出以下换热孔设计建议方案。

1)拟建换热系统的方式。综合分析项目区的地质条件及场地条件,并从经济效益和环境效益等方面综合考虑,本项目适宜采用竖直双U地埋管形式,设计孔深130 m,孔径220～240 mm左右。

2)建议布孔方案。该项目的热负荷参数为地源热泵负担的热负荷3 820 kW。根据项目区域的浅层地热地质条件,为减少换热孔的钻凿数量,获取最大地能利用,建议换热孔深度为130 m,设计孔间距4 m。按夏季换热孔换热量计算换热孔数量为398个,按冬季换热孔换热量计算换热孔个数567个,建议布孔数不少于580个。考虑到本项目换热孔为块状布置,换热孔设计间距适当取大,为4 m×4 m,单孔占地面积16 m2。

4 结论

1)通过以上论述可以看出该工作区地层可钻性好、导热性较好,另外建设场地有足够的空间布设换热孔,场地条件适宜施工,因此,项目区对于建设地源热泵系统的地质条件可行性评价为适宜。

2)该项目设计换热孔钻凿135 m深时,地层平均初始温度为14.0℃。在设计条件下每延米平均换热量冬季为38.9 W/m,夏季为71.56 W/m。地层导热系数平均值为1.7 W/(m◦K)。

3)该项目设计换热孔孔深130 m,孔径240 mm,孔距是4 m,采用双U垂直埋管形式,建议换热孔数量不少于600个。

4)据热负荷和冷负荷计算全年从岩土体吸收的总热量为1.63×1013J,计算温度降低1.48℃,考虑地层散热,以及热泵系统的间歇运行期,均有利于地层温度的恢复,故总体上地埋管系统对地层温度的影响不大。

[1] 美国制冷空调工程师协会.地源热泵工程技术指南[M].徐伟等,译.北京:中国建筑工业出版社,2001.

[2] 刁乃仁,方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社,2006:211.

[3] GB50336-2005,地源热泵系统工程技术规范[S].

(责任编辑:高桂芝)

The Test and Evaluation of Shallow Geothermal Energy of a Poject

TIAN Ji-min1,GE Rui-mei2
(1.Cang zhou Dongfang Engineering Design and Construction Limited Company,Cang zhou 061001,China; 2.Hebei Dayuan Construction Group Limited Company,Cangzhou 061000,China)

Taking the ground-source heat pump testing and evaluation of a project as an example,this article shows the work of program,evaluation and thermal parameters which should be increased.Those conclusions will be first-hand information and data provided for the designers.

grouand-source heat pump;test and evaluation;thermophysical parameters

T K529

A

1008-3782(2010)01-0009-04

2010-01-12

田继民(1965-),男,河北卢龙人,国家注册公用设备(暖通)工程师,沧州东方工程设计咨询有限公司高级工程师。