关于北戴河健康城浅层地热能开发利用及前景探讨

杜 旭 国联江森自控绿色科技（无锡）有限公司

1 前言

健康城项目区位于北戴河新区。根据北戴河新区的规划定位，探索适应新区的低碳环保、安全高效的能源技术，实现近期和远期相结合的综合能源规划方案，发展可再生能源，形成清洁、高效的能源体系。鼓励如浅层地热资源等技术。

2 目的与任务

本次设计3眼不同深度地埋孔，对施工成孔的地埋孔进行热响应测试，取得项目所在地单孔换热能力参数，结合项目建筑冷热负荷情况及实际可能布孔区域，给出该项目建设地源热泵系统的适宜性评价结论，为后续地源热泵系统设计提供准确的设计参数和依据。

3 自然地理条件

项目区地点位于河北省秦皇岛北戴河新区，东到滨海新大道、南至文博街、西至锦绣路、北至规划路。

北戴河新区位于秦皇岛市区西部沿海，新区与北戴河区隔戴河相望，总面积425.8km2，海岸线长82km。北起洋河、南到滦河、西至沿海高速、东到渤海。

北戴河新区区域地势具有西北高东南低的特点：北部属燕山山脉东段，西部（缸山海拔127m）、北部和东部为剥蚀低山、残丘。平原地形略向海倾斜，北部山前海拔高程为30m～50m，东南部海拔高程为3m～15m，地形坡度为0.9‰。

项目区所在北戴河新区区内水系比较丰富，河流众多。自北向南依次有戴河、洋河、汤河、大蒲河、滦河等，除滦河发源于河北省张家口外，其余均起源于燕山山脉，具有山溪性河流的特点：流程短、落差大，汛期洪水量大、河水暴涨暴落，旱季水量骤减以至干涸。由于河流落差大、冲刷力强，河流河床堆积物较粗，多以砂和砾石为主。河流在入海处河口段，由于海洋水动力作用大于河流冲积作用，常常造成河口壅水，使得河口砂嘴后退，形成葫芦形态。

气候条件：项目区属于暖温带大陆性半干旱半湿润的季风气候，气候特点是四季分明、温度适中、光照充足、雨热同季、降水集中，灾害性天气常有发生，春旱、夏涝、秋爽、冬干。年平均日照时间在2700h～2850h 之间，年平均气温8.8℃～11.3℃之间，盛夏日平均气温22℃～25℃之间，年平均降水量650mm～750mm。由于濒临渤海，空气湿度较大，年平均湿度65%左右。全年以偏西风为最多，春季风速最大，盛夏平均风速较小。

4 工作方案简述

本次工作采用资料收集、整理与分析、地质调查、实地钻探、现场测试相结合的工作方法，具体技术路线如下。

（1）资料收集及分析：收集项目区及周边地区地质、水文地质、钻探、物探资料，并对所收集资料进行综合整理、分析和研究。

（2）地质踏勘：对项目区及周边地区进行地质调查，重点是根据以往工程勘查资料，了解地层可钻性及施工风险项，为勘探孔布设提供依据。本项目区砂层覆盖较厚，无构造显示，要求现场技术人员根据相关地质资料及实地勘察分析，结合后续施工勘探孔情况，给出合理的设计孔深。

（3）勘探孔钻探：在项目区拟布地埋孔区域内施工3 眼地源勘探孔，孔深及下管类型分别为150m单U型PE管、150m双U型PE管、250m双U型PE管。

（4）地质体换热能力测试：在钻探好的3 眼勘探孔内下入PE 管换热器，进行现场地埋管换热器的换热量和地质体的容积比热容测试，给出项目区地埋管换热器的延米平均换热量以及地质体的容积比热容，为地埋管换热器设计提供基础参数。

（5）在资料收集、地质踏勘、实地钻探及测试的基础上进行综合分析研究，查明项目区地层结构和水文地质条件，评价地埋管地源热泵换热系统及地下水地源热泵换热系统的换热能力及地质体蓄热排热能力，论证建设地源热泵系统的适合性和可行性，并从地质条件出发，讨论建设地源热泵系统的风险性及可实施性。

本次布设地源勘探孔3 眼，孔深分别为150m、150m、220m。用于热响应测试。

5 勘探孔钻探工作成果

本次勘探孔在孔位选定过程中，结合地质分析结果，同时考虑后期可布孔区位置，最终开孔在未来设计埋孔区周边位置，可保证测试数据的可参考性。本次设计布置3 眼勘探孔，勘探孔编号依次为KT-1、KT-2、KT-3。

通过对KT-1、KT-2、KT-3 实际钻探记录分析，项目区地层情况概况如下：

0m～1.5m回填土层；1.5m～45m淡红色粗中砂；45m～70m粗中砂夹泥；70m～95m粗砂层，95m～120m粗砂层夹粘泥；120m～140m 粗砂层，灰色白色颗粒；140m～180m 粗砾砂层含泥，180m～220m为粗砾砂层。

综上所述得出：

（1）可利用的布孔区域整体上可钻性较好，但地层相对松散，长时间等待容易导致塌孔，设计150m孔深成孔率可行，且单孔施工周期一般不大于6h。

（2）钻进孔深大于150m 后，施工进尺逐渐变慢，至220m后单根钻进时间约30min，井筒稳定性变差，存在塌孔风险。

6 地质体换热能力测试

我公司采用了恒定工况法（即模拟热泵机组实际运行工况试验正常工况与峰值工况时地埋孔换热器的换热能力）开展测试工作。通过测试取得项目所在地的地质体换热能力。

GB 50366—2009《地源热泵系统工程技术规范》（2009 年修订版）对岩土热响应试验的要求，计算KT-1勘探孔取热、排热量，结果如下：

夏季：设计工况换热量中供回水温度25℃/30℃,换热量73.27W/m；尖峰工况换热量供回水温度30℃/35℃,换热量84.28W/m。

冬季：设计工况换热量中供回水温度10℃/7℃,换热量41.13W/m；尖峰工况换热量供回水温度7℃/4℃,换热量43.56W/m。

考虑到变温层对垂直地埋管换热器的换热能力有一定的影响，综合KT-1 勘探孔的换热量计算值，推荐地埋管换热器的设计工况夏季换热量为80W/m，冬季换热量为45W/m。

7 推荐地源热泵系统设计方案

根据物探勘查成果和实际勘探孔钻探成果，推荐垂直地埋管设计参数如下：

（1）钻孔深度：150m；

（2）钻孔直径：152mm；

(3)PE管深度：150m；

（4）PE管形式：双U型；

（5）PE管外径：32mm；

（6）PE管内径:26mm；

（7）PE管耐压强度：1.6MPa；

（8）钻孔间距：5m；

（9）回填方式：钻孔岩屑回填。

热物性测试的结果表明，该埋孔区域的换热效果一般，为节约系统初期投资，同时考虑到尖峰冷热负荷具有时间短的特性，本报告推荐采用“尖峰工况换热量”计算地埋管换热器数量。根据报告推荐值，地埋管换热器尖峰工况换热量夏季为80/m，冬季为45W/m。

地埋管数量计算过程见表1。

表1 地埋管数量计算一栏表

注：空调系统热泵机组COP按4.6考虑，EER按6.6考虑。

如果布设1620 眼地埋管换热器，建议布孔间距为5m，地埋管换热器布置场地围合面积约为40500m2。