一个土地整理工作中的地源热泵应用课题研究

张艳斌 刘芳存

摘要：本课题旨在通过浅层地热能资源调查研究和地源热泵技术利用适宜性研究，查明土地开发整理项目区的地温能源分布特征、资源量、地源热泵提取地温热能的适宜性及其各项技术参数。为土地开发整理的综合规划设计、长期发展战略和制定相关管理政策提供依据，达到科学、合理、慎重、有效地提高土地整理后的土地高效利用之目的。

关键词：土地整理、地源热泵、浅层地质构造、热响应试验

Abstract:吀栀爀漀甀最栀 suitability investigation on猀栀愀氀氀漀眀 geothermal energy resources and ground source heat pump technology , find out the land development and consolidation of geothermal energy distribution characteristics of the project, the resources, the ground source heat pump geothermal heat extraction of suitability and other technical parameters. For land development and comprehensive planning and design, long-term development strategy and formulate relevant management policy provides the basis, to the scientific, reasonable and careful, effectively improve after the land consolidation of the purpose of efficient utilization of land.

Key Words: land consolidation, ground source heat pump, shallow geological structure, thermal response test

中图分类号：P618.130.2 文献标识码：A文章编号：

1、课题立项背景

土地整理的工作目前还只是停留在把碎块的土地整合、加大水利电力设施的配套力度，提高土地利用率，使低产田变为高产田的初级目的上，没有把土地整理与土地资源充分开发利用相结合。据查，目前还没有土地整理与浅层地热资源相结合的相关报导。

因此，天津市开垦征地事务中心、天津市国土资源和房屋管理局地热管理处和天津华北地质勘查局组成研究小组，提出在土地整理过程中进行地温热能资源调查和地源热泵技术利用适宜性研究，旨在为土地整理过程中进行都市型农业规划、预设地源热泵系统预留地块时提供技术参数和建设依据，避免土地整理完成后再进行地温能开发所造成的土壤结构破坏。

2、课题工作地点

本课题研究区位于位于天津市宁河县潘庄镇齐心庄村西土地开发整理地块内。工作区地理座标为：东径117°22′33″～117°21′53″，北纬39°20′40″～39°21′30″，土地整理面积约1.7平方公里（图1）。齐心庄区域上属于天津平原东北部，区内地势低平，地面坡度为1/5000～1/10000，北高南低，一般地面高程在 2.5m～3.5m之间。地貌上为冲积平原前缘与滨海冲积平原交错带，地势平坦，表层土的组成物质主要为砂质粘土-粘土。

3、课题的主要工作内容

3.1课题计划及主要工作内容

本项目于2009年3月向天津市国土资源和房屋管理局科教处提交申请，于4月29日批准并开始实施。合同规定完成时间为2010年6月。

具体进度如下：

1、2009年4-6月，收集资料、编写设计、施工方案；

2、2009年7-9月，野外地质调查、咨询；

3、2009年10-12月，工程地质钻探、采样、岩性野外和室内试验；

4、2010年1-3月，地源热泵热交换试验站施工、测试、观测等。

5、2010年4-6月，室内资料整理研究，编写报告，验收、提交。

3.3工作内容之二：钻孔内原位热响应试验

埋地换热器钻孔有效深度为120m, 钻孔直径约为250mm， De32型双U埋地换热器（HDPE），采用了中粗砂砂浆作为回填材料。经测定，回填材料密度为2600kg/m3，导热系数为2.45±0.1W/(mK)，平均比热为850J/(kgK)。测试工作在钻井回填完成数周之后进行，此时土壤温度已经基本恢复至未受扰动前的自然初始状态（图6）。

钻孔布置：试验孔●←5m→观测孔（取样、测温孔）◎←5m→试验孔●。

在本次钻孔实验中，进行了取热和排热工况各两种不同流量下的运行测试，具体数据详见图8。在图8中，显示出了不同取热和排热工况下，进出口流体温度以及地下换热量随时间的变化关系。可以明显看出，在所测试的四种工况中，换热量随温差的变化而明显上下波动，在运行初期两小时内波动较大，随后波动量逐渐稳定。

根据上述埋地换热器稳态运行数据统计,可以绘制出地下换热量q 随埋地换热器管内流体平均温度的tf变化关系，如图9所示。可以看出，此关此关系呈线性变化规律（R^2>0.9），與理论结果吻合较好，说明本次实验结果比较可靠。一般而言，曲线斜率越大，土壤的热传导性能越好，地下换热量越大。具体而言，钻孔地下换热量满足以下实验方程：

通过以上方程，即可以掌握埋地换热器在不同运行温度下的地下换热量，从而为地源热泵系统的进一步优化设计提供指导依据。根据曲线变化斜率K=5.9498，通过TRT 2.0软件还可以计算获得土壤导热系数：

W/(m℃)

3.4工作内容之三：原位测试分析小结

通过以上钻孔的地下换热测试情况及相关结果分析，可以得到下列结论：

1）、项目所在地增温层地温分布满足以下关系：

其中，增温层的地温梯度约为5.35℃/百米，属于地温异常范围。试验后经过3个月观测，地温无明显变化（见表7）。

2）、在冬季测试时，埋地换热器管群附近的土壤初始平均温度为15.69℃。

3）、钻孔的地下换热量随流体平均温度的变化关系满足以下实验方程：

4）、钻孔附近土壤的导热系数分别为W/(m℃)，土壤具有较好的热存储能力，适宜于建设冷、热负荷相差不大的地源热泵系统工程。

4、地源热泵系统在温室大棚中的应用分析

4.1浅层地热能资源量估算

本次试验孔为120m，由表6可知，每孔冬季平均换热量=38.38(W/m)×120m÷1000=4.61 kW，每孔夏季平均换热量=63.97(W/m)×120m÷1000=7.68 kW。

方案模拟有一块已经平整好的场地，具体形状及尺寸布置见下图，场地周边为道路或水渠等其他辅助设施。整个场地长205米，宽47.5米，建有大棚8个，单个大棚占地面积约1000m2（长度为100m，宽度为10m），相邻两个大棚间距为5米和2.5米，总占地面积9737.5平方米，其中大棚占地面积8000平方米，土地利用率为82%；设计地埋管换热孔网度5m×5m，单孔影响面积为25m2，可布置换热孔420个。

温室供暖负荷天津地区采取100w/m2热指标，则每个温室需100kw热负荷。根据计算每个温室的热负荷，钻取22个120m深地源热泵换热井即可满足要求，而实际平均可钻孔约52孔。

根据上述数据可知，每个温室大棚的地热资源量除了满足自身需要外，还有较大的富余量，每棚多出142KW或142 W/平方米，这些地热资源可以集中起来用于其他方面。

4.2、经济效益论证

温室大棚采暖方式采取风机盘管供暖方式，如种植作物土壤温度有特殊要求的也可结合地下埋管温床供暖。风机盘管除供暖外还可增加温室内空气流动利于植物生长。在控制最适宜温度为18～25℃时，一个采暖冬季的用电运行费需1.5万元左右，而相对于夏季，需要投资用电运行费是冬季的60%。

根据村民的介绍，齐心庄目前已建成的单墙斜面式简易塑料大棚的造价为11～12万元/每栋。预计年产值6万元/每栋，两季生产菌类作物，生产成本与利润大约是4：6开，3-4年可回收投入成本。

菌类作物是低温性作物，主要是每年3-5月份和9-11月份生产。如果采用地源热泵系统，可保证四季生产，且在恒温、恒湿条件下，预计年产量是该类大棚的2.5-3倍，即产值可达15万元以上，利润9万元左右，减去冬、夏两季运行的总电费2.5万元，相对来说，利润翻番，回收投入成本周期减少一倍以上。

依据前面的数据分析，温室供暖负荷天津地区采取100w/m2热指标，每个温室需100kw热负荷，需钻取22个120m深地源热泵换热井，整套施工、设备及建设安装费用需30万元左右。显然，增加地源热技术对于单墙斜面式简易塑料大棚来说，一次性投资比较高，加上大棚的保湿性差，运行电费也会相对偏高，对于种植低品质的作物时，投资回报周期会较长，在当前农村经济水平还不高的情况下，这种较大的投资、回报周期长的项目如果单纯由农民投资，其不太容易被农民所接受。

采用四面保温墙的温室，大棚造价约20万元左右，加上地源热泵加温床系统，总体造价约50万元，可一年四季有收获，对于中高档的农业作物来说，年产值不低于15万元，运行电费成本会大大降低，回收成本周期可相对缩短。地源热泵系统的室外设施的寿命为30-50年，热泵机组系统的寿命为25年，室内末端系统也能持续10年以上。

此外，如果将规划整理好后的一整块或几块土地进行全面统一设计，建立起集中式大型地源热泵集热站，在保证大棚供暖的前提下，充分利用剩余的地热资源，向附近的民宅或厂矿企业等部门供冷、供热，同时收取部分费用，用来弥补大棚生产的运行费用，可实现在高度挖掘使用地热资源的同时，减低农民的负担。

5、地源热泵系统在农村住宅等项目中的综合应用分析

根据目前天津地区的地源热泵系统使用情况，结合土地整理规划，初步提出一些解决农村地源热泵系统应用推广办法。

第一，根据土地整理规划的具体范围，确定优先建立大型地源热泵换热站的方案，在满足农业系统使用地热资源的前提下，将余热向农户提供冬季采暖、夏季供冷。对于新农村建设中集中搬入楼房的集中采暖用户，可优先考虑集中式地源热泵制冷制热站系统，同时也可考虑集中提供地源水，分户采用小型户式地源热泵机组的形式。地源部分系统的投资可控制在90元/平方米，热泵机组部分系统的投资可控制在80元/平方米，末端系统应优先考虑地板采暖系统，这样末端系统的投资可控制在40～70元/平方米，整体投资可控制在210～240元/ 平方米之内。而对于新农村建设中保持单体农家小院的用户，应优先考虑地源热泵系统，系统的总投资可控制在300元/平方米之内。

第二，针对不同建筑结构的农村用户，应因地制宜，戶内末端可采取多种形式。比如：对于以采暖为主的建筑，可考虑采用地板采暖的方式，初投资小，采暖效果好。对于冷暖均有需求的用户，末端应根据建筑及装修的要求，既可采用传统中央空调中的风机盘管，也可采用家用空调中壁挂机和柜机的形式，既可明装，也可暗装，完全根据用户的需求。

第三，从使用上，由于家用空调的普及，因此可以参照家用空调的模式，既可采用遥控器来控制热泵机组及末端的启停和温度控制，也可以采用三速开关的形式来进行控制。目的在于使得操作更加简单、易懂。

第四，呼吁政府对于采用地源热泵的农村用户给予一定扶持政策。无论是温室大棚系统，还是农村冬季取暖，地源热泵系统使用的时段大部分在夜间，因此，希望政府有关部门能够考虑出台给予农村用户以和城市用电采暖用户一样的峰谷电价政策，并给予一定量的一次性投资补贴。如果这一政策能够实施，将极大地促进农民采用地源热泵系统的积极性。

6、结论

该课题于2010年8月通过了天津市国土资源和房屋管理局科教处组织的专家评审，并开始推广实施，创造了良好的经济效益和社会效益。

【个人简历】张艳斌、出生于（1972年—），大学本科，汉族，居住地天津市河东区，现任职于天津华北地质勘查局，工作岗位是天津华勘地热工程有限公司总工，研究方向地勘行业的企业管理和浅层地热能的应用。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。