1、目录目录l一、地质基础知识l二、热物性测试l三、浅层地温能开发利用适宜区划分l四、浅层地温能资源量计算一、地质基础知识一、地质基础知识l1、土分类及命名 土主要分成碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土。 碎石土、砂土属于粗粒土，按粒径级配分类。 粉土、粘性土属于细粒土，按塑性指数分类。碎石土分类表碎石土分类表土的名称颗粒形状颗粒级配漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒质量超过总质量的50%块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒质量超过总质量的50%碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量的50%角砾棱角形为主注;定名时，应根据颗粒级配由大到
2、小以最先符合者确定砂土：粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50%，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量50%的土。砂土透水性好。粉土：粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过不超过总质量的50%，且塑性指数等于或小于小于1010的土。粘性土：塑性指数大于大于1010的土，防水性能好，不易被水冲蚀流失，具有较大粘聚力。松散沉积物是由大小不等的颗粒组成的，固体颗粒构成土的骨架，其间布满相互贯通的孔隙。孔隙中被水和空气充填。孔隙度：土样中所有孔隙空间体积之和与该土样体积的比值。一般土的孔隙度为2050%。孔隙度主要取决于分选程度及颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结、充填情况也影响孔隙度。分选程
3、度好，颗粒均匀，孔隙度大。分选程度差，颗粒大小悬殊，孔隙度小。颗粒形状不规则，棱角明显，孔隙度也大。3分选不良的，含泥、砂的砾石；4经过部分胶结的砂岩；（孔隙水）1分选良好，排序疏松的砂； 2分选良好，排列紧密的砂；（孔隙水）5具有结构性孔隙的粘土；6经过压缩的粘土；（束缚水）7、8具有溶隙及溶穴的可溶岩（裂隙水）l2、地下水分类地壳表层十余公里范围内，都或多或少存在着空隙，这就为地下水的赋存提供了必要的空间条件。按维尔纳茨基（）的形象说法，“地壳表层就好象是饱含着水的海绵”。将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类，即：松散岩石中的孔隙坚硬岩石中的裂隙可溶岩石中的溶穴地下水是
4、一种重要的地质营力，其主要作用是应力的传递者与热量及化学组分的传输者。地下水通过循环实现了热量及化学组分的传输，经常与环境发生物质、能量与信息的交换，时刻处于变化之中上层滞水：上层滞水：当包气带存在局部隔水层（弱透水层）时，局部隔水层（弱透水层）上会积聚具有自由水面的重力水。潜水：潜水：饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水。潜水没有隔水顶板，或只有局部的隔水顶板。潜水的表面为自由水面，称作潜水面；从潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层的厚度。潜水面到地面的距离为潜水埋藏深度。承承 压压 水：水：充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水。b潜水；c承压水地下水分类表地下水分类表11 温度
5、温度 20夏天夏天地表地表深度深度200 m200 m221415 m22 m冬天冬天3、地温场分布及特点地温场是地球表面及近地表处的温度场，主要取决于太阳辐射热和内热的均衡。 由变温带、常温面、恒温带（增温带）组成。地温场的分布地温场的分布时间时间垂向垂向影响因素影响因素变温带变温带(1-15m)地温有着日、季节、多年、乃至世纪的变化。 地温是时间的函数增、降温交替变化，时增时降太阳能和大地热流共同影响范围常温面常温面不随时间变化，深度一定的地温特征值。中国已测得常温面深度在1530m间，其温度一般比当地年平均气温高12。地球内部的热能与上覆变温带的影响在这一带内处于相对的平衡恒温带恒温带(
6、20m)常年恒定随深度递增，地温是深度的函数，通常每百米温度升高2.53，在地热田或地热异常区可达到每百米48。 大地热流影响范围地温场特点地温场特点l浅层地温是指常温面的温度，因为它不随深度和时间的变化而变化，因此用它代表某地区的浅层地温场特征。l它和当地的年平均气温相近。浅层地温随纬度或高程的增加而下降，反之上升。l在中纬度地区冬夏都有需求，两季都有可利用的温差。在低或高纬度地区仅能在单季节使用，可利用温差较小。温度()深度(米)恒温恒温( (垂向增温垂向增温) )带带常温面常温面变温带变温带每月地温场垂直分布曲线每月地温场垂直分布曲线北京地区浅层地热不同深度变化曲线北京地区浅层地热不同深
7、度变化曲线北京地区浅层地热不同月份变化曲线北京地区浅层地热不同月份变化曲线l岩土体正因存在于地球表层，受大气温度和地球热传导多重影响，在一定深度内处于动态的热量平衡，地温接近年平均气温，其季节性温差形成自然资源。l浅层地温能开发利用会暂时打破岩土体原来的热平衡，形成温度异常，导致地下水的循环及热量的传递的加快，一段时期后一定深度温度场将得到恢复或形成新的平衡。浅层地温能本质浅层地温能本质地埋管换热系统（热传导）二、热物性测试方法二、热物性测试方法传热的三种方式分别为传导、对流、辐射。地下水换热系统（热对流）岩土体热物性：岩土体导热系数、比热、热扩散率等。换热量与岩土体热物性、换热温差等有关换热
8、量与地下水流速、利用温差等有关 目前常见的岩土体热物性参数测试方法：录井查表法录井查表法取样测试法取样测试法现场热响应法现场热响应法 其中取样法测试法常用于区域勘查和资源评价；现场热响应法是现阶段工程上广泛采用的测试方法。 热响应法即是给受测物体已知的热负荷，观测其温度变化（响应）的方法。分为实验室标本测试和现场热响应测试。测试结果是加热量与温度响应的函数关系（可以类比其它响应试验方法），也可以通过模型计算得到热物性参数。载 荷 （ t)位 移 (mm)端 承磨 擦24682550单 桩0抽 水 量（ m3/h)降 深 (m)裂 隙 水孔 隙 水51050100单 井0热 负 荷（ w/m)温
9、 降 ( )102050100单 孔0每延米换热功率（w)单桩承载力试验单井抽水试验单井换热试验1、实验室测试：（1 1）取样：）取样：样品可通过钻孔取芯，也可野外露头取样，岩石样品需要做成规划形状，土壤样品要求取非扰动原状样（密度、含水率不变） （2 2）常用室内测试方法：）常用室内测试方法： 探针法适合测松散和塑性样品 热盘法适用规则固体和颗粒样品 红外扫描法对样品形状、硬度没要求（3 3）测试结果：）测试结果：如果取样位置分布合理、有足够的样品数量，样品具有代表性。样品测试结果通过分类统计可以做为区域内某种岩石的特征值，这是现场热响应测试得不到的，在区域勘查中是不可取代的。2、现场热响应
10、测试： （1 1）方法：）方法： 采用人工热（冷）源向岩土体中连续加热（冷）并记录传热介质的温度变化和循环量来测定岩土体热传导性能的试验。现场热响应测试需要在加热过程中记录一组地埋管换热器进出水温度平均值随时间变化的数据。（2 2）测试结果：）测试结果：记录的数据通过与传热模型的计算结果相拟合，可得到孔周围岩土体的热导率等相关物性参数，可利用各种传热分析方法进行地埋管换热器设计。现场测试结果是一个包含着多种岩土体的热传导和热对流的综合参数。是特定地质条件下，多种岩土体的平均值。可通过多级试验得到不同工况下的单孔换热能力或者求出传热系数，也可以在一个单一岩石的露头上用小装置测量得到单一岩性的热物
11、性。名称参数粘粘 土土 重粉质粘土重粉质粘土 粉质粘土粉质粘土 粘质粉土粘质粉土 砂质粉土砂质粉土 含水率（%）33.39 27.19 23.49 22.85 22.50 孔隙比 0.94 0.77 0.67 0.66 0.65 密度（g/cm3） 1.95 1.96 2.02 2.01 2.01 热导率W/（mK） 1.77 1.80 1.86 1.71 1.91北京平原区钻孔取样热物性测试统计表注：样品采自8个钻孔中300个原状样岩性粘土细砂中砂粗砂砂砾热导率（W/m）1.511.771.861.952.02.22.32.52.62.8不同岩性热导率 地点钻孔深度(m)加热功率(kw)初始
12、温度()循环液平均温度()地埋管材料热导率(W/m)回填料热导率(W/m)周围岩土体平均热导率(W/m)换热功率（KW） 现场测试理论计算星湖园 100 1213.441.70.421.81.6586.89立水桥1211216.543.60.421.81.699.027.92现场热响应试验与理论计算换热功率对比现场热响应试验与理论计算换热功率对比星湖园测试孔：星湖园测试孔：在温升28.3的情况下，每延米换热量80w/m。传热系数K是2.8。可推算当管内平均温度为30 时（温升16.6 ），每延米换热量16.62.846.5w/m。立水桥测试孔：立水桥测试孔：在温升27.1 的情况下，每延米换热
13、量75w/m。传热系数K是2.77。可推算当管内平均温度为30 时（温升13.5 ），每延米排热量13.52.7737.4w/m。可推算当管内平均温度为7 时（温降9.5 ），每延米取热量9.52.7726.3w/m。34323212113211rrln21rrln21rrln21t -tt -tRRRLQ)(t -t11ttfRRqLQsbr每延米换热量：式中：为钻孔外岩土的导热热阻)16(412sssbisscdER KRRLQsb1t -t1由上式可得： K为换热孔的传热系数，是特定条件下测试孔的每延米热阻的倒数。经过实测可得K，反推热阻。双U的K值可为4 w/（m）左右 ，换热孔的每延
14、米总热阻为0.25 m/w。其中孔内单U的热阻为0.158，双U的为0.117。例如：河北省衡水市某工地（双U）测得K4.65 w/（m），Rb=0.108；得到的Rs=0.107,总的热阻为0.215。北京市北清路某工地（单U）测得K3.4w/（m），R0.29m/w。北京市星湖园工地（双U）测得K2.8 w/（m），R0.357m/w。细颗粒地层，地下水换热作用较小。山西太原市西部某工地（双U）K6.3 w/（m），R0.16，热阻小是因为105米内砂卵石层厚32米。（单U）测得K5.5 w/（m），现场换热试验拟合得的地层平均热导率是2.6w/（m ）。KRRRLQ32111t -t北京
15、立水桥试验孔试验孔基本情况：试验孔基本情况：（1）120m双U。分别在钻孔内的30123m处安装温度传感器6个。（2）4月份空载循环8天，温度下降0.4 ，日变幅度0.1 ，末期稳定在17.9 。（3）加热8天，加热电功率是8kw，实际加热量6.8kw，末期的平均温度稳定在34.9，温升了17 ，每延米换热量56.7w/m，K=3.3w/ （m ），每延米的总热阻R0.303m/w从长时间换热试验所得的几点启发：（1）用长时间空载的方法，可以得到地层的平均温度。温度稍有下降，说明在空循环的过程中，地面上的管保温不好，把空气中的冷负荷带到了试验中了，但影响非常小。水泵的功耗产生的热负荷并没有给循
16、环水起到加热作用。（2）在长达9天的近220个小时的加热过程中，在加热功率不变的情况下，末期管内循环水的温度略有上升，平均每天上升0.20.3 。说明孔外热影响半径加大引起的热阻在逐渐增加。（3）停止加热后，管内温度迅速下降，48小时内下降了12（70%）。6天下降了16 （94%）。说明停止加热10天左右（加热时间为9天）是可以完全恢复到地层原始温度。说明该地区这种颗粒细地下水径流不是很强的地层条件下，地层也没有明显储能。 （4）距离U型管转折端下方2米处的传感器反映出，该处的地温没有受到换热孔加热和恢复的影响，始终稳定在18.1。说明热量向下传递速度很慢。从加热到停止加热46天后还没有传递
17、到下方2米处。也许加热的试验热流主要是向水平或向上传递。引申的几点思考引申的几点思考（1 1）孔间干扰的问题）孔间干扰的问题从线源的热扩散半径和浅层地表的温度长期监测看，单孔在土壤中传热的热影响半径达到3m需要23个月的时间。在供暖和制冷期的高峰时段，换热孔间并没有发生干扰。以单孔试验代替群孔试验估算最不利气候条件下的井群的换热能力是可行的。（2 2）地层储热能的问题）地层储热能的问题如果想利用地层储热能力反季节利用，大多数情况下得在孔群的上部和四周进行保温。否则不可能在三个月后仍保留10%的温度利用价值。（3 3）在工程设计中深度（换热孔长度）方面的考虑）在工程设计中深度（换热孔长度）方面的
18、考虑南方以散热为主的地区，中、浅部散热效率较高，所以埋管深度不宜大于80m。北方地区以取热为主的地区，主要靠深部取热，所以埋管深度应大于100m。（4 4）平面上的考虑）平面上的考虑在平面上由于边缘孔换热效果较好，所以应增加换热区域周长，增加形状的复杂系数，边缘上多布孔，最外一排孔可适当加密。尽量采用距型网格。例如55m不如38m的布置方案好，排孔逐渐向面热源过渡。三、开发利用适宜区划分三、开发利用适宜区划分分区：分区：地下水热泵适宜区、较适宜区、不适宜区地下水热泵适宜区、较适宜区、不适宜区 地埋管热泵适宜区、较适宜区、不适宜区地埋管热泵适宜区、较适宜区、不适宜区分区因素：分区因素： 地下水：
19、含水层累计厚度地下水：含水层累计厚度(m(m）、地下水位、渗透性等）、地下水位、渗透性等 地埋管：松散层总厚度地埋管：松散层总厚度(m)(m)、岩土热物性、地层可钻性等、岩土热物性、地层可钻性等分区因素不同，所以不同开发利用方式适宜区不同。分区因素不同，所以不同开发利用方式适宜区不同。开发适宜性分区：开发适宜性分区：开发适宜性分区：开发适宜性分区：四、浅层地温能资源量计算四、浅层地温能资源量计算资源评价应计算浅层地温能资源评价应计算浅层地温能热容量热容量和和换热功率换热功率l地下热容量（地下热容量（shallow geothermal capacityshallow geothermal ca
20、pacity ）：在浅层岩土体、：在浅层岩土体、地下水和地表水中储藏的单位温差热量。地下水和地表水中储藏的单位温差热量。l地下换热功率（地下换热功率（ heat Exchanger powerheat Exchanger power）：从浅层岩土体、地）：从浅层岩土体、地下水和地表水中单位时间内交换的热量。下水和地表水中单位时间内交换的热量。地下水热泵适宜区可利用量计算地埋管热泵适宜区可利用量计算热容量计算可利用量地下热容量地下热容量( (体积体积比热容比热容) )区域评价计算体积：区域评价计算体积：为适宜和可能开发利用浅层地温能的土地面积为适宜和可能开发利用浅层地温能的土地面积( (主要为城
21、镇主要为城镇规划用地等规划用地等), ), 评价区面积乘土地利用系数。深度：特定的评价评价区面积乘土地利用系数。深度：特定的评价深度。深度。场地评价计算体积：场地评价计算体积：为具体工程地下换热的影响面积。深度为具体工程地下换热的影响面积。深度:2 :2米至工程深度米至工程深度(100(100150m) 150m) 。热容量 采用体积法计算，分包气带和包水带进行。计算公式如下：包气带：包气带：Q QR R = = Q Q S S + + Q Q W W + + Q QA A 式中：式中： Q R地热能储存总量，kJ，（1kcal= 4.1868kJ）； Q S岩土体中的热储存量，kJ； Q W
22、岩土体所含水中的热储存量，kJ； Q A岩土体中所含空气中的热储存量，kJ。其中，Qs = SCS (1)MdT ； QW = W CW M d T ； QA = AC A ( )M d T 。 在含水层和相对隔水层中，地热能储存量按下式计算：在含水层和相对隔水层中，地热能储存量按下式计算： Q QR R = Q = QS S + Q + QW W 式中：式中： Q R地热能储存总量，kJ，（1kcal= 4.1868kJ）； Q S岩土体中的热储存量，kJ； Q W岩土体所含水中的热储存量，kJ； 其中，Qs = SC S (1)MdT ； QW=W CW M d T ；热容量这里涉及的参数
23、主要为：这里涉及的参数主要为： S S 岩土体密度（岩土体密度（kg/mkg/m）；）；C CS S岩土体比热容岩土体比热容(kJ(kJkg)kg)； 岩土体的孔隙率（或裂隙率）；岩土体的孔隙率（或裂隙率）；MM计算面积计算面积(m(m2 2) )，评价区域面积；，评价区域面积；dd为包气带厚度及水面至为包气带厚度及水面至150m150m厚度；厚度； TT利用温差利用温差()()； 岩土体的含水量。岩土体的含水量。 计算评价整个评价区在取热期的平均可取热量，计算评价整个评价区在取热期的平均可取热量，是采用合理的利用方案，通过非取热期的地温恢复和是采用合理的利用方案，通过非取热期的地温恢复和制冷
24、期存热，能够达到多年热均衡的浅层地温能的换制冷期存热，能够达到多年热均衡的浅层地温能的换热功率。热功率。 在浅层地温能适宜性分区的基础上，分别计算在浅层地温能适宜性分区的基础上，分别计算地下水换热系统和地埋管换热系统适宜区浅层地温能地下水换热系统和地埋管换热系统适宜区浅层地温能换热功率。换热功率。区域浅层地温能换热功率区域浅层地温能换热功率地埋管换热功率计算 （单孔正演）（单孔正演）1 1- -地埋管材料的热导率地埋管材料的热导率(W/mk)(PE(W/mk)(PE管为管为0.42 W/mk)0.42 W/mk)；2 2- -钻孔中回填料的热导率钻孔中回填料的热导率(W/mk)(W/mk)；3
25、 3- -钻孔周围岩土体的平均热导率钻孔周围岩土体的平均热导率(W/mk)(W/mk)；L-L-钻孔有效换热长度钻孔有效换热长度(m)(m)；r r1 1- -地埋管束的等效半径地埋管束的等效半径(m)(m)，单，单U U为管内径的为管内径的 倍，双倍，双U U为管内径为管内径 倍；倍；r r2 2- -地埋管束的等效外径地埋管束的等效外径(m)(m)，等效半径，等效半径r1r1加管材壁厚；加管材壁厚；r r3 3- -钻孔平均半径钻孔平均半径(m)(m)；r r4 4- -换热温度影响半径换热温度影响半径(m)(m)，可通过现场换热试验时设观测孔求取；，可通过现场换热试验时设观测孔求取；t
26、t1 1- -地埋管内流体的平均温度；地埋管内流体的平均温度；t t4 4- -温度影响半径之外岩土体的初始温度。温度影响半径之外岩土体的初始温度。34323212141rrln1rrln1rrln1)t -L(t2D24 通过上式得到单孔地热能，然后乘以区域可钻孔数。 Q可=D*n 钻孔一般按网格布置，布孔间距根据经验确定，若按常规（平均）情况以5m5m网格布置热交换孔，则可钻孔数区域面积*土地利用系数25m2，即得评价区（地源热泵工程区）的总地热能（W）。 地下水热泵适宜区换热功率的计算方法计算评价地下水循环利用量，需要考虑：计算评价地下水循环利用量，需要考虑： 技术约束：回灌能力技术约束：回灌能力 环境约束：抽、灌地下水产生地质环境问题。环境约束：抽、灌地下水产生地质环境问题。 经济约束：抽灌系统的经济合理性经济约束：抽灌系统的经济合理性根据地下水循环利用量，计算合理温差条件下地热根据地下水循环利用量，计算合理温差条件下地热能可利用量。能可利用量。式中： qw地下水循环利用量，m3/d T温差，51016. 1WWwhCTqQ地下水换热功率计算 用上式计算出单井可提取利用的能量，然后确定用上式计算出单井可提取利用的能量，然后确定出单位面积可钻井数，结合土地利用情况计算。出单位面积可钻井数，结合土地利用情况计算。 Q Q可 = Q= Qh n n
