0 引言

地热能是贮存于地球内部的一种巨大能源，主要来源于地球重力分异、潮汐摩擦、化学反应和放射性元素衰变所释放的能量等（中国产业调研网， 2003^①）。浅层地热能是地球浅表地热能，一般指在地表下20~200 m、主要来源于太阳辐射的热能。地源热泵技术是绿色环保、节能高效的能源利用技术，它是通过深埋于地下的管路系统，采用热泵原理，通过输入少量的高位电能，实现低位热能向高位热能转移与建筑物完成热交换的一种技术，被广泛应用于建筑工程、苗圃等建设的供暖、制冷。

近20年来国内浅层地热能开发利用发展迅速。截至2019年底，中国浅层地源热泵供能建筑面积已超过 8.58×10⁸ m²（John and Aniko，2021），居世界第一位，主要应用于中国北方非碳酸盐岩地层中，其技术已臻于成熟。至2020年底，贵州全省在建及已投入使用地源热泵供暖制冷面积大于1500×10⁴ m²，主要分布于贵阳、遵义、凯里、铜仁等地区。“十四五 ”期间，贵州新增地源热泵应用建筑面积 2000×10⁴ m²（贵州省能源局，2021^②），产业发展空间大，前景广阔。而对于中国南方地区，特别是贵州碳酸盐岩区，地源热泵起步较晚，一些关键性的技术问题有待探究、创新和解决；积极加强贵州地源热泵技术研究，对促进贵州地热能产业创新发展、推进国家节能减排、实现“双碳”国际承诺、有效应对全球气候变化等方面可为政府提供技术支撑。

1 贵州地质环境条件

贵州位于上扬子古陆块，由川中前陆盆地（中生代）、扬子陆块南部被动边缘褶冲带、雪峰山基底逆冲推带、南盘江—右江前陆盆地（T）4个次级大地构造单元组成（武国辉等，2006），国土面积 176167 km²，东西长约 595 km，南北宽约 509 km，地势西高东低，山脉众多，重峦叠峰，延绵纵横，山高谷深，地形起伏大，峰林、峰丛、槽谷、漏斗、伏流、洞穴等喀斯特地貌发育且分布广泛。贵州主要经历了武陵运动、雪峰运动、广西运动、印支运动、喜马拉雅运动和新构造运动，由于地壳运动使地球内部板块之间活动造成相互挤压、拉裂，形成系列复杂的地质构造，褶皱、断层纵横交错，岩体节理裂隙发育。贵州地层以海相沉积为主，自新元古界至第四系皆有出露，其中以碳酸盐岩分布最广，出露面积达 129600 km²，占73.57%，岩溶发育不均匀，岩性以石灰岩、白云岩及二者的过渡岩类为主，其矿物成分主要为方解石及白云石；贵州第四系覆盖层位于地表，层厚0～30 m，平均厚度不足10 m。

贵州地处亚热带季风气候区，冬无严寒、夏无酷暑，气候宜人，年平均气温 15℃左右，降水丰富，年平均降水量 1100～1400 mm，常年相对湿度在 70% 以上。贵州发育的长江、珠江两大流域，以苗岭为一级分水岭，以北属长江流域，以南属珠江流域，河网密度为 17.1 km/100 km²。贵州地下水资源丰富，资源量 259.95×10⁸ m³，占地表水资源量 （1062×10⁸ m³）的 24.5%。根据地下水赋存条件、岩石组合类型、水理性质和水力特征，贵州地下水分为碳酸盐岩溶水、基岩裂隙水和松散层孔隙水 3 种类型（贵州地方志编纂委员会，2019）。总体上，贵州山高坡陡、地层岩性复杂多变、极端气候频发、地质构造纵横交错、岩溶发育，地质环境复杂。

2 贵州浅层地热能资源概况

浅层地热能是一种新型资源，具有明显的资源属性（卫万顺等，2015）。贵州省浅层地热能资源丰富、储量大、分布广，勘查与开发利用程度低、开发潜力大、市场广阔。经估算，全省浅层地热能天然储量为92300×10⁸ MJ，年可采资源量折合3.15×10⁸ t 标煤，可供建筑供暖制冷面积 3.44×10¹⁰ m²（贵州省能源局，2021^②）。根据贵州区域地质、地热地质条件及地埋管地源热泵适宜性评价模型，对贵州省地埋管地源热泵的适宜性进行分区评价（图1；李强等，2020^③）。贵州地埋管适宜区及较适宜区建筑总面积为2143.85 km²（其中适宜区1779.40 km²，较适宜区364.45 km²）；区域总换热功率4260×10⁶ kW（其中适宜区 3690×10⁶ kW，较适宜区 570×10⁶ kW）。依据省内气候条件及规划建筑结构特征，按空调负荷供热/制冷指标 65 W/m² 计算，可供采暖及制冷面积达 710×10⁸ m² （其中适宜区 615×10⁸ m²、较适宜区 95×10⁸ m²）（李强等，2020^③）。据统计，贵州已开发利用的地埋管地源热泵系统供暖/制冷面积2.5×10⁶ m²，仅占万分之三点五。

1—地下水地源热泵适宜区及编号；2—地下水地源热泵较适宜区及编号；3—地埋管地源热泵适宜区及编号；4—地埋管地源热泵较适宜区及编号；5—市级行政；6—省界；7—地（州）市界线

3 贵州地源热泵技术应用发展历程与前景

贵州地源热泵技术应用试验始于2009年，贵州省有色地勘局率先利用原招待所 6 间客房（面积 100 m²）建立贵州首个地埋管地源热泵空调系统试验平台。试验获得成功，开创了地源热泵技术在贵州碳酸盐岩地区应用的先例（何文君等，2011^④）。 2011 年，贵州省有色地勘局在局职工食堂（面积 1650 m²）开展地埋管地源热泵空调系统试验研究，经10余年运行结果反应，其制热、制冷、节能效果显著。以上两次试验成功证明：在贵州碳酸盐岩地区采用地埋管地源热泵空调技术是可行的。由此，开启了在贵州碳酸盐岩地区开发利用地源热泵技术发展的序幕。但是，在推广利用中，存在不少困难，如主管部门不明确、缺乏顶层设计；引导宣传力度不足、人们认识差距大；区域经济落后、初始投资偏高；政策支撑不明显、业务拓展受到限制；地热基础工作滞后、专业技术能力不强；无系统运维技术数据、施工及管理经验不足等问题，致使10余年来，贵州地源热泵产业发展滞缓。据不完全统计，贵州先后实施地埋管地源热泵项目 50 余项，主要有“地表水+地埋管型”、“地埋管+空气源型”、“桩基盘管+地埋管型”3种形式，供热制冷面积约500×10⁴ m²，绝大部分项目运行效果良好。2021 年，《贵州省地热能产业发展“十四五”规划》出台，规划期全省新增地热能供暖（制冷）面积2000×10⁴ m²，“十四五”末全省累计达到 2500×10⁴ m²。为统筹推进贵州省地热能产业发展，省政府成立了“贵州省推进地热能产业发展工作专班”，必将推动贵州地热产业做大做强。

4 贵州地源热泵技术研究及应用成果

4.1 热响应试验关键环节的技术研究

对于地源热泵技术的研究，首先要从热响应试验开始。岩土热响应试验是地埋管地源热泵系统实施的前提，通过该试验可获得现场地质情况和岩土体热物性参数，用于指导地埋管换热系统的设计。岩土热物性参数是决定整个地源热泵系统经济性和节能性的关键指标，“当地下岩土的导热系数发生10%的偏差，则设计的地埋管长度偏差约为 4.5%～5.8%”（方肇洪等，2016）。因此，岩土热物性试验十分重要，值得高度重视。

4.1.1 试验钻孔的选择与确定

岩土热响应试验之前，应着重考虑2个问题：一是如何确定测试孔位置，主要考虑地质结构，尤其是地层结构不均匀场地，存在多种地层时，取其具有代表性地层和拟分布地埋管位置地层进行布孔； 对岩溶发育场地，尽量避开布孔，若无条件避开，可采取措施处理。二是如何确定测试孔数量，根据 《地源热泵系统工程技术规范（GB 50366-2005）》 （徐伟等，2009），当地埋管地源热泵系统的应用建筑面积在 3000～5000 m² 时，宜进行岩土热响应试验；当应用建筑面积大于等于 5000 m² 时，应进行岩土热响应试验（徐伟等，2009）。然而，在贵州碳酸盐岩地区，由于地层岩溶发育，碳酸盐岩具有对岩性的选择性、受构造控制的方向性、水动力条件的优先性、受新构造影响的持续性等特征，场地地质条件差异性大，按照上述规范布置试验孔，结果与实际偏差大。因此，在碳酸盐岩地区，应根据试验场地地层复杂程度进行综合考虑测试孔位置和数量，一般建筑场地，不少于 3 个测试孔，最后取其算数平均值作为试验值。

4.1.2 建立热物性参数计算模型

热物性参数（岩土综合导热系数及岩土比热容）的计算，一般利用反算法计算岩土热物性参数，但公式十分复杂，求值困难。为简化分析，可引进如下假设：（1）钻孔周围岩土是均匀（设计所需是平均参数）；（2）埋管与周围岩土的换热可认为是钻孔中心的一根线热源与周围岩土进行换热，沿长度方向传热量忽略不计（孔径较小，一般约 0.1 m，钻孔长度则大于50 m）；（3）埋管与周围岩土的换热强度维持不变（可以通过控制加热功率完成）。贵州贵阳、贵安新区、黔东南州大部分地层为碳酸盐系岩石，受构造、岩性、气候等因素控制，岩石节理、裂隙及岩溶发育程度不同，而且，地下水连同性已与节理、裂隙及岩溶有关，地质条件较复杂。为获得碳酸盐系岩石热物性指标，为地源热泵地埋管的设计提供依据，试验数据采用线源模型（Ingersoll and Plass，1948；Stephen，1992；Gehlin，1998），Ingersoll and Plass（1948）、Witte et al.（2002）假设埋管换热器周围岩土体为半无限大传热介质，将地埋管换热器视为无线长的线热源，且周围岩土体初始温度不变，不考虑径向传热。采用无限长线源模型对数曲线拟合方式分析，解析式为：

式（1）中：T_f为供回水的平均温度，单位为℃；T₀ 为初始平均温度，单位为℃；q为延米换热量，单位为 W/m；λ_g 岩土体导热系数，单位为W/（m·℃）；a 为岩土体热扩散率，单位为 m² /s；t为时间，单位为 s；r_b为钻孔半径，单位为 m；γ为欧拉常数，γ=0.5772；R_b为钻孔热阻，单位为m·K/W。

地埋孔换热器的延米换热量表征单位换热器深度能交换出的热量，即：

式（2）中：Q为换热孔交换出的热量，单位为J；L 为换热器深度，单位为m。

根据热学及质量流量公式：

式（3）中：c 为循环流体的比热容，单位为 J/ （kg·℃）；m为循环流体的质量，单位为kg；∆t为吸收或释放的温度，单位为℃；C_f为流体的体积比热容，单位为J/（m³ ·K）；Q_v为流体的体积流量，单位为m³ /s。

将式（3）带入式（2），不难得出：

式（4）中：T_in为供水温度，单位为℃；T_out为回水温度，单位为℃。

式（5）中：C_g 为岩土体体积比热容，单位为 J/ （m³ ·K）。

当 $\frac{at}{r_b^2}$≥ 5，且误差小于 10% 时（Gehlin，2002；Yoon and Kim，2019；Wang et al.，2023），式（1）可表达为：

令常数：

当q恒定时，可得式（6）一次线性方程：

将恒热流现场热响应测试的地埋管供、回水平均温度拟合为式（7）的对数曲线，得到斜率k和截距 b，即可算出岩土体的导热系数λ_g。

4.1.3 试验研究成果

贵州碳酸盐岩分布广泛，岩性以白云岩、石灰岩及其过度岩性为主。多年来，在贵州碳酸盐岩地区，开展多个岩土热响应试验（图2），采集大量试验数据，根据式（9）进行计算，得出具有代表性的贵州碳酸盐岩地区热响应试验成果指标（表1；姚哈达等，2018^⑤）。对试验成果指标进行综合分析、研究，得出碳酸盐岩地区地源热泵试验成果：（1）岩土体导热系数为2.26～4.97 W/m·℃，平均3.57 W/m·℃； 夏季延米换热量 65～92.12 W/m，平均 80 W/m；冬季延米换热量 42.80～75.35 W/m，平均 60 W/m；地层初始温度 16.15～22.10℃，平均 18℃（表2）；（2） 地源热泵换热孔的换热量是与换热管内的流体特性、换热管的材料特性、换热孔周围岩土性质、岩石节理裂隙及岩溶发育情况、岩石的赋水特征、回填材料及岩土体的初始温度、换热管内流体的温度等诸多因素有关；（3）地层导热系数，就碳酸盐系岩层而言，白云岩大于石灰岩，硅质成分高的白云岩、石灰岩导热系数值大于一般组分的白云岩、石灰岩； （4）碳酸盐岩晶粒越大，其导热系数值越大；（5）岩石导热系数与地层年代无直接关系，与地层岩性纯度有关，岩性越纯导热率越大，传热性能越好；（6） 地下水丰富且活动强烈的区域，岩石导热系数大于一般地区，地下水活动越强烈，热补、热排及热交换效果越好；（7）岩石储热能力与岩溶发育有关，岩溶愈发育，效果愈好；（8）贵州地层中，寒武系白云岩导热系数最高。

4.2 地埋管施工应用与研究

4.2.1 地埋管施工技术应用

贵州地埋管钻孔时应根据地层结构类型、岩体坚硬程度、节理裂隙及岩溶发育情况综合考虑钻探设备和施工工艺。碳酸盐岩属硬质岩类，地埋管钻探成孔时，加压振动大，易掉块、卡钻、埋钻，对钻头的选择和钻探压力与钻速控制要求高，特别是钻探冲洗液的选择、泥浆浓度配比尤为重要。当钻探成孔完成后，按照施工要求安装好管路，进行打压检测，合格后回填封孔（图3、图4、图5）。测试孔在回填之前，需安装热物性测试仪器，向地下输入恒定的热量，检测岩土的温度响应来推算出岩土热物性指标。

4.2.2 封孔材料的选择

浅层地热能地埋管封孔是地埋管换热器施工过程中的重要环节，对于保障地埋管换热器的性能有着重要的意义。封孔质量对于项目换热效果影响很大，也是地埋管地源热泵关键技术之一，事关项目节能效果和后期经济运行成本。在贵州碳酸盐岩地区，对封孔材料进行了多种试验和研究。最初采用砂浆混凝土回填封孔，砂、水、水泥比例为 3∶1∶1。由于水泥在凝固失水过程中，会缓慢放热，短时间测试结果偏大，若等砂浆混凝土放热完毕再测试，时间又较长，影响工期，逐步被淘汰。取而代之的是“原浆”封孔，即采用造孔钻探时所排出的岩粉浆回填封孔，其指标接近地层实际，效果非常好，被广泛采用。但是，由于局部地段岩溶强烈发育，地下管道贯通，造孔时“原浆”充填地下溶蚀裂隙、岩溶管道，甚至沿管道排泄场外，产生“原浆”返回孔口的数量不足问题，这种封孔方法没使用多久就停止了。在经过多次反复试验，最终选择热导率较高的石英砂、膨润土混合物，石英砂与膨润土按照 9∶1比例回填，效果好，有效解决上述问题。

1—中三叠统贵阳组；2—中三叠统边阳组；3—中三叠统花溪组；4—中三叠统青岩组；5—下三叠统安顺组；6—下三叠统大冶组和谷脚组；7— 下三叠统谷脚组；8—下三叠统大冶组；9—上二叠统吴家坪组和长兴组；10—上二叠统长兴组；11—上二叠统吴家坪组；12—中二叠统茅口组； 13—中二叠统栖霞组；14—上石炭统马平组；15—上石炭统黄龙组；16—上石炭统摆佐组；17—断层界线；18—地层界线；19—乡、镇、村；20— 乡（镇、街道）界线；21—现场热响应试验点及编号；22—相变线

4.3 地源热泵技术经济运行研究成果

根据贵州特殊地质环境，选择具有代表性的贵州某局科技大楼附楼酒店、贵州某地质队办公大楼、贵州某州直机关工委办公楼、贵州某职业技术学院新校区、贵州某学校新校区建设项目一期、贵州某科技园等地源热泵项目进行经济运行分析研究。常规中央空调系统以贵州某局科技大楼“水冷机组+燃气（煤气）锅炉”中央空调为研究对象。常规外挂式空调系统利用贵州某局所属除六总队外各地区城市的一总队～七总队实际数据进行统计分析，研究得出贵州部分地源热泵项目技术经济运行指标（表3、表4；刁理品等，2020^⑥）。

注：数据据姚哈达等，2018^⑤。

根据表3、表4数据，经综合分析研究，得出以下研究成果：

（1）一般住宅及办公区地源热泵初始投资 380～660元/m²（不含末端），建筑规模越大，初期投资成本越低。

（2）一般住宅及办公区：设计、热物性测试费占 5%，主机费占15%，地埋管材料和施工费占50%，其他费用占30%；别墅区：设计、热物性测试费占10%，主机费占25%，地埋管材料和施工费占45%，其他费用占20%。

注：数据据刁理品等，2020^⑥。

注：数据据刁理品等，2020^⑥。

（3）中国南方（如贵州）与北方相比，南方初始投资高于北方，主要是南方地埋管钻探成孔费用高，碳酸盐岩岩质坚硬，地埋管钻探成本高；其次是地层问题，由于南方大部分地区为岩溶地区，岩溶发育，钻探成孔时，常常需要试钻或施工处理，耗时耗材，有时还会出现钻孔报废现象。

（4）降低南方地源热泵初始投资有两个途径：一是政府出台激励机制，进行政策性补贴；二是创新钻探工艺及产业建设规模化，钻探费可由原来的 120～180元/m降到60～80元/m。

（5）贵州一般住宅及办公区地源热泵空调：1 m² 建筑面积所需供热制冷量需要 1m 有效钻探进尺的换热量。

（6）换热孔设计最佳参数：单孔钻探深度一般 120～150 m 为宜，具体根据地层结构确定；钻孔直径140 mm最佳，施工速度快，成本较低；地埋管两孔间的距离，一般4～6 m。

（7）经济运行指标对比分析成果：一般住宅及办公区地源热泵空调系统，常规外挂式空调系统以及“水冷机组+煤气锅炉”中央空调系统，在相同使用服务年限下，地热泵空调运行费用及运行成本远远低于其他空调系统（表5；刁理品等，2020^⑥）。

注：数据据刁理品等，2020^⑥。

5 结论与建议

5.1 结论

（1）贵州碳酸盐岩地区地源热泵热响应试验钻孔位置应根据场地地层分布及岩溶发育情况综合确定，试验孔数量一般不宜少于 3 个。地源热泵换热孔封孔选择石英砂、膨润土，且按 9∶1 回填效果最佳。

（2）贵州碳酸盐岩岩土体导热系数平均值 3.57 W/m·℃，夏季延米换热量平均值 80 W/m，冬季延米换热量平均值 60 W/m；1 m² 建筑面积所需供热制冷量大约需要1 m有效钻探进尺的换热量。岩土体导热系数与地层年代无关，与岩体晶粒程度、岩质纯度、地下水活动及岩溶发育状况有关，岩石晶粒越粗、岩性越纯，其导热系数值越大；地下水活动越强烈，其热补、热排及热交换效果越好；岩溶愈发育，岩石储热能力效果愈好。

（3）在贵州碳酸盐岩地区的一般建筑，地源热泵空调单位面积初始投资380～660元，设计与热物性测试费、主机费、地埋管材料与施工费、其他费分别约占 5%、15%、50%、30%，年单位面积运行费 16～26元，与岩性、面积等有关。

5.2 建议

鉴于贵州浅层热能产业开发利用现状，建议加强顶层设计，出台相关配套支持政策，有效解决地热能产业发展“瓶颈”问题，大力推进贵州地热能产业高质量发展。

注释

① 中国产业调研网.2023. 中国地热能行业现状分析与发展前景研究报告（2023年版）[R/OL]. 北京：产业研究网. www. cir. cn.

② 贵州省能源局 .2021. 贵州省地热能产业发展“十四五”规划[R].

③ 李强，吉勤克补子，冉宇进，田小林，方尚武.2020. 贵州省地热能产业发展战略路径研究[R]. 贵阳：贵州省能源局贵州省地矿局114地质大队，16‒36.

④ 何文君，李朝佳，李勇刚，张忠敏 .2011. 贵州省有色地勘局局招待所地埋管地源热泵空调系统试验报告[R]. 贵阳：贵州有色地质工程勘察公司，2‒6.

⑤ 姚哈达，杜江，解超，康豫鲁，赵振远，王定武，李生乾，羊永夫 .2018. 贵安新区直管区浅层地温能调查评价报告[R]. 贵阳：贵州有色地质工程勘察公司，50‒160.

⑥ 刁理品，杨胜兴，宋旭.2020. 贵州省有色和核工业地质局已建成浅层地温能项目技术数据及运行成本分析的调研报告[R]. 贵阳：贵州省有色金属和核工业地质勘查局，4‒10.

参考文献