浅层地热能供暖在农村的应用前景分析

2021-05-14赵跃伦史启朋袁成军宋帅良

节能技术 2021年2期

孟甲，赵跃伦，史启朋,，袁成军，宋帅良，刘肖，乔月

(1.山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)，山东济宁 272100；2.济宁市土地资产事务中心,山东济宁 272000；3.山东省地热清洁能源勘查开发工程研究中心，山东济宁 272100)

0 引言

随着我国经济不断发展，能源需求的总量将会越来越大，引发的环境问题会更加突出，这必将相应对我国实行经济、能源、环境可持续发展带来极大的困难[1]。

浅层地热能是一种广泛存在于地壳浅部(一般认为0～200 m，温度低于25 ℃)的可再生清洁能源，近年来，其在建筑制冷管及供暖方面得到广泛应用，我国浅层地热能开发利用已有二十余年历史，使用地源热泵系统的主要为城市高层建筑，取得了较为显著的环境效益和经济效益；其利用方式目前主要分为两种：地埋管地源热泵、地下水地源热泵，其中竖直地埋管地源热泵在居民及公用建筑中应用较为广泛。

近年来，运行费用相对低廉、效益较稳定的浅层地热能，作为辅助制冷供暖能源，越来越普遍的被诸多国家应用于条件适宜的城镇、及新农村的建设中；如城市低层新建筑区、城乡交界处的独立住宅、低层连栋别墅群、乡间农舍以及城郊小型商区或卖场等空间，其相应技术与设备的发展已相当成熟；相较之下，我国虽已积累不错成绩，但在民间商用推广上仍相对欠缺[2]；本文结合实例阐述了浅层地热能在农村的一种具有可行性的应用模式，对其在农村的推广应用具有借鉴意义。

1 工程概况及区域自然背景条件

浅层地热能开发利用工程依托前蒋村“乡村CBD”建设项目开展，该项目位于山东省鱼台县西南部，用地面积4 835 m2，建筑面积1 026.55 m2，为单层建筑物，鱼台县位于我国中部黄泛平原东部，东经116°23′～116°49′，北纬34°53′～35°10′，属暖温带季风型半湿润大陆性气候，年平均气温13.7 ℃，7月平均气温27.4 ℃，1月平均气温-1.3 ℃[3](图1)；包气带厚度一般小于5 m[4]，最大冻土深度0.23 m，地下水、地表水资源均较为丰富, 松散沉积物厚度大于200 m，岩性以粉质粘土、粘土、粉细砂为主，该岩土类型含水率较高，据以往研究结果，在其他因素不变的条件下粉质粘土热导率随着含水量的增大而增大[5]，对竖直埋管地源热泵的应用较为有利。

图1 鱼台县月平均气温和降水

2 浅层地热能勘查

2.1 地层结构

依规范[6-7]要求，在热泵工程建设之前，首先在拟定建设场地内施工一眼120 m勘查试验钻孔，对场地地层进行了勘查，钻孔完工后，首先对钻孔温度进行了测量，可以看出，钻孔内温度在深度20 m以下随深度增加而增加，求得增温带地温变化梯度约为3.09 ℃/100 m(图2)。

图2 勘查孔地层结构及垂向地温曲线示意

2.2 热响应试验

当热响应试验来的时间足够长时，根据线热源理论[8-9]推导，可得：

(1)

热扩散率是热导率与岩土体积比热容的比值[10]

a=λ/c

(2)

式中λ——换热孔围岩的热导率/W·m-1；

Q——地埋管换热量/kW；

k——恒功率排热现场热响应试验的地埋管进、出水管内平均水温半对数曲线的拟合直线斜率；

H——地埋管换热长度/m；

a——岩土扩散率/m2·s-1；

c——岩土体积比热容/MJ·(m3·℃)-1。

开展无负荷、6 kW恒功率排热、7 ℃恒温度排冷三个模式的热响应试验(图3)，结合对孔内采集的原状岩土样进行实验室热物性测试分析数据及上述公式，可计算求取冬季、夏季工况下单孔换热量、延米换热量、平均地温以及热导率、热扩散率、体积比热容等岩土热物性参数(表1)。

表1 场地热物性参数

图3 热响应试验曲线

3 勘察成果转化

3.1 工程概况

前蒋村位于鱼台县鱼城镇东北部，党群活动中心建设项目用地面积4 835 m2，建筑面积1 026.55 m2，供暖面积941.68 m2，为单层建筑物。主要建设两委办公室、党群工作展示室、党群活动室、党群事务公开室和民生服务大厅、多功能活动厅、餐饮中心、购物中心、健康中心、卫生中心和文化健身活动广场、绿荫民生休憩广场，满足健康生活之需。

3.2 工程设计及建设

该建设项目实际供暖面积941.68 m2，考虑到建设项目为单层建筑，建筑物较分散，故夏季采暖负荷取94.2 W/m2，供暖负荷取75.3 W/m2，据前期勘查试验结果，可计算出工程所需竖直埋管长度1 860.63～2 029.89 m，设计换热孔孔深120 m，18眼，下入φ32 mm双U型PE管，埋管总长度2 160 m，满足预计最大需求，室内末端部分采用卧式暗装风机盘管(图4～图6、表2)。

表2 设备配置表

图4 热泵系统平面图

图5 室外连接水平埋管示意图

图6 热泵系统机房平面示意图

3.3 工程运行

经初步运行与调试，该浅层地热能成果转化工程建设完成的全套系统经试运行正常后，2019年底移交前蒋村委会使用；次年1～3月热泵系统正式投入使用，进行供暖；据监测显示，该系统1月份处于满负荷运行状态，经估算，满负荷状态下该系统供暖用电量约为8 055 kW·h/月，供暖期按120 d计，满负荷状态下，该系统每年供暖期用电量约为32 220 kW·h/a。

3.4 效益分析

采用费用年值法[11]，以系统寿命35年计，计算得前蒋村地源热泵系统折合出投资费用为38.34元/m2/a，年维修费用为3.51元/m2/a，地源热泵可视为无人操作，无人工费；因建筑功能原因，前蒋村“乡村CBD”主要用电时间集中在白天，当地采用峰谷电价，据其1～4月份实缴电费及用电量统计数据，其用电电价平均约为0.63元/kW·h，该系统1月份满负荷运行时，电费为5 066.60元，合单位面积取暖用电(燃料)费用21.50元/m2/a，故该系统取暖费用年值约为63.36元/m2/a；据“中国电力知库”统计的电价数据计算，我国目前进行冬季供暖省份[12]的平均电价约为0.49元/kW·h，因而竖直埋管型地源热泵系统在农村的推广使用过程中运行费用仍有下降空间。

依相关规范[13-14]，与传统燃煤取暖相比，前蒋村“乡村CBD”采用的地埋管地源热泵系统每供暖季可减少当地供暖燃煤量约32.83 t，减少二氧化硫排放558 kg，氮氧化物排放197 kg，二氧化碳排量78 321 kg，粉尘排放262 kg，灰渣3 282 kg，年节约环境治理费用9 260元，将为当地带来明显的生态环境效益，以及一定的经济社会效益。