1、土壤源热泵空调实用指南第二章 地源热泵地质勘查土壤源热泵空调实用指南第2章 地源热泵地质勘查2.1地质勘查的基本准则2.1.1勘查等级（一）勘查等级的划分根据地质环境条件复杂程度与建设项目重要性，地源热泵地质勘查分为三级，其划分如表2.1所示。表2.1 地源热泵系统地质勘查分级表项目重要性地质环境条件复杂程度复杂中等简单重要建设项目一级一级二级较重要建设项目一级二级三级一般建设项目二级三级三级（二）项目重要性分级地源热泵空调系统建设项目的重要性根据供热面积和项目性质综合确定，具体按表2.1.2；同一建设项目包含不同工程类型子项时，应以其中重要性分级最高的来确定。（三）场地分级建设项目拟建场区地
2、质环境条件复杂程度的确定，应符合下列要求：1 在基础资料不够充分时，可参考有关区划图确定；2 基础资料较为充分时，可依据地形地貌、地层情况、水文地质条件及地下障碍情况，按表2.2划分，并应符合下列要求：、 4个分类要素中有一项符合复杂程度，确定为地质环境条件复杂；分类要素中有三项符合简单程度，确定为地质环境条件简单；、其它确定为地质环境条件复杂程度中等；、基本特征中有一项符合即可代表复杂程度分级中的分类要素。表2.2 建设项目重要性分类表项目分类重要建设项目较重要建设项目一般建设项目建筑工程单体建（构）筑物楼层不小于30层，或高度不小于100m 楼层1530层，或高度50100m楼层小于15层
3、，或高度小于50m群体建筑（包括居住区开发建设）建筑面积不小于10万m2，或地源热泵供热面积不小于8万m2建筑面积510万m2，或地源热泵供热面积48万m2建筑面积小于5万m2，地源热泵供热面积小于4万m2工业建筑（包括冶金、化工、机电、船舶、汽车等）建筑面积不小于10万m2，或地源热泵供热面积不小于8万m2建筑面积510万m2，或地源热泵供热面积48万m2建筑面积小于5万m2，地源热泵供热面积小于4万m2特殊工程航天、军工等重要设施（不包括单纯的办公、住宿等基建工程）公共与民用建筑机场航站楼、铁路车站、轮船客运站建筑面积不小于10万m2，或地源热泵供热面积不小于8万m2建筑面积510万m2，
4、或地源热泵供热面积48万m2建筑面积小于5万m2，地源热泵供热面积小于4万m2体育场馆（座位）不小于5000，且地源热泵供热面积不小于1万m220005000，且地源热泵供热面积500010000m2小于2000，且地源热泵供热面积小于5000m2文化活动中心、影剧院（座位）不小于1500，且地源热泵供热面积不小于3000m25001500，且地源热泵供热面积10003000m2小于500，且地源热泵供热面积小于1000m2医院（床位数）不小于500，且地源热泵供热面积不小于2000m2300500，且地源热泵供热面积10002000m2小于300，且地源热泵供热面积小于1000m2学校（在校
5、人数）不小于2000，且地源热泵供热面积不小于2000m210002000，且地源热泵供热面积20001000m2小于1000，且地源热泵供热面积小于1000m2电力工程核电工程核电站火力、水力发电厂单机容量不小于200MW，且地源热泵供热功率不小于80 MW单机容量50200MW，且地源热泵供热功率2080 MW单机容量小于50MW，且地源热泵供热功率小于20 MW风力、垃圾发电厂单机容量不小于10MW，且地源热泵供热功率不小于5 MW单机容量310MW，且地源热泵供热功率13 MW单机容量小于3MW且地源热泵供热功率小于1MW表2.3 地质环境条件复杂程度分类表复杂程度分类要素基本特征复杂
6、地形地貌涉及两种以上地貌类型；或地面坡度大于10度，或地面标高相差10m以上，或陡坡高差5m以上地层情况埋藏有多种成因和土性的地层，接触关系复杂；或地层界面埋深高差每百米在5m以上，或微构造发育水文地质条件同时分布有多个含水层和隔水层；或含水、隔水透镜体发育；或建设场地及周围地表水与地下水有水力联系；或承压含水层水头高度在地面以上地下障碍情况覆土厚度不小于5m；或场区处于10年以内的促淤吹填地区；或场地内暗浜、空洞等不良地质现象发育中等地形地貌涉及两种地貌类型；或地面坡度大于5度，或地面标高相差5m以上，或陡坡高差3m以上地层情况埋藏有多种成因和土性的地层，接触关系较复杂；或地层界面埋深高差每
7、百米在35m以上，或微构造稍发育水文地质条件同时分布有两个相隔的含水层；或含水、隔水透镜体较发育；或建设场地及周围地表水与地下水有弱的水力联系；或承压含水层水头高度在地面以下03m地下障碍情况覆土厚度不小于15m；或场区处于10年以上促淤吹填地区；或场地内暗浜、空洞等不良地质现象较发育简单地形地貌地形简单、地貌类型单一；且地面坡度小于5度，且地面标高相差小于5m，或陡坡高差3m以下地层情况地层埋藏条件和接触关系简单；且地层界面埋深高差每百米在3m以下，且微构造不发育水文地质条件只有单一的隔水层或含水层，透镜体不发育；且建设场地及周围地表水与地下水没有水力联系；且承压含水层水头埋深在3m以下地下
8、障碍情况覆土厚度小于1m；且场区处于10年以上促淤吹填地区；且场地内暗浜、空洞等不良地质现象不发育2.1.2勘查阶段（一）勘查阶段的划分地源热泵勘查分为地源热泵可行性勘查和地源热泵详细勘查两个阶段。地源热泵可行性勘查可与区域浅层地热能调查相结合进行，地源热泵详细勘查必须单独进行。（二）各阶段勘查的目的可行性勘查的目的为：在水文地质、工程地质勘查的基础上，采用综合勘查方法技术，查明拟建场区的地质背景及浅层地源热泵条件，评价地源热泵的可行性，提出可持续开发利用的建议，并预测地源热泵建设可能产生的环境影响。详细勘查的目的为：在地源热泵可行性勘查、区域浅层地热能调查的基础上，进行物探、坑探、钻探、取样
9、试验和原位测试等工作，详细查明拟建场地的地热地质、水文地质、工程地质条件；确定岩土体的孔隙率（裂隙率）、含水量、密度等物理力学参数；查明包气带岩土体和含水层的结构、厚度、埋藏状况，地下水位、水量、水质状况及其动态变化等条件；查明地温分布、水温分布及其动态，确定恒温带的温度和深度、大地热流值；实测岩土体热物性参数（热导率和比热），为地源热泵工程设计和施工提供详细的地质参数。（三） 各阶段勘查的主要任务可行性勘查的主要任务为：采用综合勘查方法技术，查明拟建场地地热地质背景及浅层地热条件，确定可开发的地区及合理开发量，对浅层地热能综合利用进行评价，提出可持续开发利用的建议，并预测开发利用产生的环境影
10、响。详细勘查的主要任务为：（1） 查明拟建场地岩土层的岩性、结构、埋藏分布状况及岩土体的含水率、颗粒级配、密度等物理参数；（2） 查明地下水的静水位、径流方向、流速、水力坡度等赋存条件以及水温、水质等状况；（3） 查明岩土层的导热性能、换热效率等热物性参数，查明恒温带的深度和温度，获取土壤换热器每延米的换热量，确定岩土层换热能力，条件许可时确定不同换热量对地温场的影响；（4） 确定土壤换热器换热孔的钻进深度及合理间距，建议最佳的钻井机具和确定最佳的填料，提出埋管方式、施工方案等方面的其他建议；（5） 明确钻进施工难度，为合理安排施工工期提供依据。2.1.3地质勘查方案布置的基本原则1 勘查前应
11、充分调查收集和利用拟建场区已有的地热地质、工程地质、水文地质、水井、勘探孔及当地地温、气象、水文及冻土层资料，调查场地地表和地下空间状况，初步判断地源热泵系统建设的地质条件，为编制勘查方案提供依据；2 场地较小且场地条件简单的工程，当场地或其附近已有地源热泵可行性勘查资料，且能够获得其岩土层热物性资料时，可根据实际情况直接引用现有资料，无需进行施工勘查；场地地形地貌复杂，岩土种类较多、不均匀、性质变化较大时，应增加取土数量或现场测试工作量；3 应注意地质勘查各种方法在工作量上的综合利用，以及勘查工作量转化为生产的综合利用，避免浪费；4 布置勘查工作时应充分考虑勘查对工程自然环境的影响，防止对地
12、下管线、地下工程和自然环境的破坏。钻孔、坑探、钎探和探槽完工后应妥善回填。2.2地质勘查的基本方法2.2.1地质勘查的主要方法和主要工作内容地源热泵地质勘查的方法主要有场地调查和地质勘探两大方面，其中地质勘探又分为地质钻探、坑探、槽探、地球物理勘探、室内试验和原位测试等方面，分述如下：（一）场地调查的主要工作内容拟建场区的工程状况调查的主要内容为地质钻探和工程施工实施的地面和地下空间条件，工作方法为实地调查和野外实际观测，其具体内容为：（1）场地规划面积、形状及坡度；（2）场地已有建筑和规划建筑物的占地面积及其分布；（3）场地内树木植被、池塘、排水沟及架空输电线、电信电缆的分布；（4）场地内已
13、有的、计划修建的地下管线和地下构筑物的分布及其埋深；（5）场地内已有水井位置、井径、井类型、井的结构、井深度、井层剖面、井出水量、水位、水温和水质等。（二） 地质钻探的主要工作内容地质勘探（坑探、槽探）是地源热泵地质勘查的最主要手段之一，是查明拟建场地岩土及地下水的性质和分布，采取岩土试样或进行现场测试的必要手段。，地质钻探、坑探、槽探和地球物理勘探等工艺不同，各有适用性，勘探方法的选取上应符合勘查目的和岩土的特性。地质钻探（含坑探、槽探和室内试验）的主要工作内容为：1、 查明拟建场地岩土层的岩性、结构、埋藏分布状况及岩土体的含水率、颗粒级配、密度等物理参数；2、 通过取样试验，测试岩土试样的
14、热容、导热系数等热物理参数，推导岩土层的导热性能和换热效率；3、 查明拟建场地地表水和地下水的类型以及水位、水头等埋藏条件，查明浅部土层的渗透系数；4、 查明拟建场地内暗浜、厚填土等不良地质现象的分布范围及其深度。（三）地球物理勘探的主要工作内容地球物理勘探简称物探，是通过使用物探仪器测定地下岩土的物理参数，并以此推断出地下岩土的性质、构造、温度、水文地质等特性的一种探测手段。地源热泵勘查中地球物理勘探一般采用视电阻率测井方法，其主要工作内容为：1、 查明含水层的分布及其深度、厚度等；2、 查明地下水的矿化度和咸、淡水区的分布范围；3、 钻孔的地层剖面和咸、淡水区的分界面4、 地下水水位、流向
15、、渗流速度及其与地表水的水力联系。（四） 原位测试的主要工作内容按照地下换热系统开路和闭路的区分，地源热泵地质勘查的原位测试也分为开路原位测试和闭路原位测试。其中开路原位测试主要指进行地下水抽去和回灌的水文地质试验，闭路原位测试一般指闭路地下换热器的热响应测试。开路系统水文地质试验的主要工作内容为：1 进行抽水试验，测定钻井的实际出水量；2 进行回灌试验，测定钻井的渗透系数；3 测量井水水温，确定水温变化范围；4 取水样进行水质分析试验；5 进行水流方向试验，测定水流方向及水力坡度。闭路系统的热响应测试通过采集记录在闭式环路内的液体的循环过程中的，进/出仪器的温度、流量和加热器/压缩机的加热功
16、率等参数，来进行分析计算土壤的热物性参数，其主要工作内容有：1 测量岩土层的初始温度，确定恒温带的深度；2 测量试验孔取、放热总传热量；3 测量试验孔的综合热传导系数；4 推导测试孔的换热效率。闭路系统的热响应测试的具体操作和数据处理方法详见第五章。2.2.2工作量布置（一）勘查范围的确定当拟建场地或其附近已有地质资料时，宜先在现有地质资料的基础上，根据地埋管总长、埋管深度以及埋管间距等参数估算换热区面积，地源热泵系统的地质勘查范围宜大于拟定换热区，并按不同的勘查等级分别划定；当拟建场地及其附近没有可参考的地质资料时，勘查范围宜按勘查等级确定。场地调查中对于场地面积、形状、坡度、建筑物、植被、
17、池塘、水沟及架空和地下管线、地下构筑物、水井等的调查，以及地质勘探、地球物理勘探等勘查手段的工作范围，可按表2.4确定；对于地表水、地下水的调查则宜按其发育范围作区域调查。表2.4 地源热泵系统地质勘查范围表勘查手段地质勘查等级一级二级三级场地调查1km2或换热区外扩100m0.5km2或换热区外50m0.1km2或换热区外扩20m地质勘探10000m2或换热区外扩20m5000m2或换热区外扩10m1000m2或换热区外扩5m地球物理勘探10000m2或换热区外扩20m5000m2或换热区外扩10m1000m2或换热区外扩5m暂未定换热区的，勘查范围宜按目标建筑周围可能埋管区域为中心，按“小
18、周长”原则，采用圆型、方型等小周长形状布置勘查范围，除非条件特殊，一般不宜采用长条形、弯曲形等大周长方案布置勘查范围。（二）勘探孔（槽）、物探测井的数量和深度的确定及平面布置1、 勘探孔（槽）和物探测井数量的确定对于竖直地埋管换热系统，其供给建筑面积小于3000m2时，应至少布置1个钻孔；大于10000m2建筑面积时，应至少布置2个钻孔；需考虑土壤换热器的影响半径时，应至少布置3个钻孔。对于竖直埋管换热系统，宜进行至少2以上孔的物探测井。对于水平地埋管换热系统，其供给小于10000 m2建筑面积时，应至少挖4个探槽；供给建筑面积大于20000 m2时，应至少每10000m2挖2个探槽。2、 勘
19、探孔（槽）和物探测井深度的确定对于采用水平地埋管换热器系统的槽探（坑探或钎探），探槽深度应根据场地形状确定，一般应超过埋管深度1m。对于采用竖直地埋管换热器的钻探，钻孔深度应比设计最深的热交换器至少深5m。物探测井深度一般应达到钻孔底以深3m。3、 勘探孔（槽）的平面布置勘探孔（槽）宜对照勘查范围，按其外轮廓均匀布置。对于总数为2、3、4、5个勘探孔（槽）的工程，可对应采用长边”I”字型、三角形、四边形、“梅花”形布置；6个以上的勘探孔可按网格型或其他方式均匀布置。（三）取样和室内试验数量的确定地质勘探时应根据各勘探井中的不同土层和深度进行取样，取样数量须满足室内试验要求，并保证每个基本土层至
20、少有6个不扰动试验子样。（四）原位测试数量的确定原位测试中的开路水文试验和闭路热响应测试宜在钻探的钻孔内进行，以节约试验成本。原位测试点的数量应根据岩土层结构、均匀性和设计要求确定，对于一级工程，宜选取至少3个孔进行测试；对于三级工程，可只选用2个勘探孔进行测试；二级工程视具体情况可取2个以上勘探孔进行测试。开路水文试验应对主要含水层都进行抽取和回灌试验，闭路热响应测试宜根据设计方案，模拟实际运行条件开展试验，加热功率变化的次数根据试验目的确定，应至少为2次；每一加热功率下，应至少变流量2次，每次加热测试应做停止加热的地温恢复测试。2.3地质勘查的技术要求2.3.1 地质钻探的一般要求勘探施工
21、参照岩土工程勘察规范（GB500212001）和岩土工程勘察外业操作规程执行，主要技术措施如下：1) 由于场地浅层杂填土易坍塌影响钻进或取土质量，应下护孔套管，护孔套管应保持垂直，插入深度应超过需隔离土层下0.5m。2) 每回次进尺不超过2.0m，钻进过程中各项深度数据均用尺丈量，必要时加密取样，进行土性描述，保证分层精度。3) 钻进时一般采用自然造浆钻进，遇砂层较厚时，应人工制备泥浆护壁，泥浆密度控制在1.101.15。当提升钻具和临时钻停时，孔内应压满泥浆，防止孔壁坍塌。水冲钻进时,应手扶钻杆,感觉土层的软硬变化,并将变化及时记录。4) 取土方法采用活塞式取土器压入取土，或重锤少击法取土，
22、砂土采用环刀法取样。土样取出后，应立即擦干、石蜡密封，并粘贴好土样标签。取水样量为1000ml，水样灌装后加入6g大理石粉，并立即加盖密封，做好标识。土样在3天内，水样在1天内送达试验室。2.3.2室内试验的一般要求室内试验将现场采集的试样在实验室中通过一定的方法进行测试，从而获得其一般物性参数以及热物性参数值。室内试验法测量试样的物性数值较为准确，但是由于岩土体在取样、送样、制样等过程中有所扰动，其物理指标已有所改变。同时，由于岩土体属于多孔介质，其热物性指标不仅与地理位置以及当地地层构造有关，还与地下含水层等密切相关，已有结果表明，仅土体壤的导热系数就与试样的温度、密度、空隙比、饱和度等因
23、素有关。由于室内试验法中的岩土体离开了原工程地，故而对现场因素造成的影响考虑不够全面。采取的土试样应符合下列要求：a) 采取土试样点的数量应根据岩土层结构、均匀性和设计要求确定；b) 每一场地每一主要土层的原状土试样不宜少于1件（组）；c) 土试样质量应为级以上。土试样质量分级参照岩土工程勘察规范（GB500212001）；d) 土试样采取的工具、方法及保管运输参照岩土工程勘察规范（GB500212001）；e) 岩石试样可利用钻探岩芯制作，采取的毛样尺寸应满足试块加工的要求。室内试验包括物理性质试验和水理性试验，分述如下：（1）物理性质试验内容包括W、G，粘性土WL、Wp及砂土、粉性土的颗粒
24、分析等，对颗粒分析试验提供颗粒分析曲线、土的不均匀系数d60/d10及d70等。（2）水理性试验包括室内渗透试验和水质分析，渗透试验提供土层水平向、垂直向渗透系数Kv、Kh；水质分析提供各阴阳离子含量等。2.3.3 原位测试的一般要求（一） 开路系统的水文地质试验的一般要求水文地质试验施工工艺流程如图2-1所示，其一般的技术要求如下：（1）测放孔（井）位：根据井点平面布置，使用全站仪测放井位，井位测放误差小于30cm。当布设的井点受地面障碍物影响或施工条件影响时，现场可作适当调整。（2）护孔管埋设：护孔管应插入原状土层中，管外应用粘性土封堵，防止管外返浆，造成孔口坍塌，护孔管应高出地面1030
25、cm。（3）钻机安装：钻机底座应安装平稳，大钩对准中心，大钩、转盘、与孔中心应成三点一线。（4）钻进成孔：开孔时轻压慢转，以保证开孔的垂直度。钻进时一般采用自然造浆钻进，遇砂层较厚时，应人工制备泥浆护壁，泥浆密度控制在1.101.15。当提升钻具和临时钻停时，孔内应压满泥浆，防止孔壁坍塌。钻进时按指定钻孔、指定深度内采取土样，核对含水层深度、范围及颗粒组成。（5）清孔换浆：钻至设计标高后，将钻具提升至距孔底2030cm处，开动泥浆泵清孔，以清除孔内沉渣，孔内沉淤应小于20cm，同时调整泥浆密度至1.10左右。（6）下管：直接提吊法下管。下管前应检查井管及滤水管是否符合质量要求，不符合质量要求的
26、管材须及时予以更换。下管时滤水管上下两端应设置扶正器，以保证井管居中，井管应焊接牢固，下到设计深度后井口固定居中。（7）回填滤料：采用动水投砾。先将钻杆提至滤水管下端，井管上口加闷头密封，从钻杆内泵送泥浆，使泥浆由井管和孔壁之间上返，并逐渐调小泵量，待泵量稳定后开始投放滤料。投送滤料的过程中，应边投边测投料高度，直至设计位置为止。（8）止水与回填：降压井：应在投砾工作完成后，在止水段投送优质粘土止水，止水高度应高于基坑底面。投送止水粘土时应控制每次的投放量，防止搭桥而影响止水效果。止水段以上采用普通粘土或砂回填。（9）洗井：采用活塞和空压机联合洗井法。先采用活塞法洗井，通过钻杆向孔内边注水边拉
27、动活塞，以冲击孔壁泥皮，清除滤料段泥砂，待孔内泥砂基本出净后改用空压机洗井，直至水清砂净为止。（10）安装抽水设备：成井施工结束后，下入井泵并联接真空管路、排设排水管道、安装真空泵、接通电源，安装完毕后进行安装效果检查。（11）抽水：先采用真空泵与潜水泵交替抽水，真空抽水时管路系统的真空度不小于0.06MPa，以确保真空抽水的效果。（12）水位、水量观测静水位观测：抽水前对现场的所有试验井进行静止水位观测，测出实际承压水、微承压水水头高度值。观测频率1次/小时，2层、3层静水位观测时间不少于8小时，2层观测时间不小于6小时，连续4个小时测的水位值相同，可认为静止水位稳定。抽水时水位观测：静止水
28、位观测结束后，开泵进行抽水试验，试验中抽水井及观测井同步观测地下水位，观测频率为：开泵后第1，2，3，4，6，8，10，15，20，25，30，60，90，（分钟），以后每30分钟观测一次水位。恢复水位观测：恢复水位观测自停止抽水后进行，于停泵后第1，2，3，4，6，8，10，15，20，25，30，60，90，（分钟），以后每30分钟观测一次水位；抽水井和观测井时间同步，直至水位恢复到自然静止水位为止。水量观测：抽水过程中同时进行抽水井的出水量观测，采用水表进行流量计量。观测频率为每30分钟一次，观测精度：0.1m3。（13）回灌：洗井及降水运行时排出的水，通过管道或明渠排入场外市政管道中。
29、（二） 闭路系统的热响应测试的一般要求闭路系统的热测试分为成孔、安装、试验三个阶段。成孔阶段的一般技术要求参照本章水文试验，安装和试验阶段的一般要求参照第五章。2.4勘查报告基本内容1.前言 1.1工程概况（包括拟建建筑的名称、性质、主要技术要求，工程地点、建设单位和设计单位等） 1.2勘查技术要求及目的（对本次勘查所需达到的目的进行简述） 1.3执行的规范、规程及标准（说明勘查实施中执行的主要技术标准） 1.4勘查工作量、布置依据（说明勘查方案确定的原则与依据，施工中使用的仪器、设备和方法，完成的钻探、原位测试及室内试验工作量，勘查方案及变更情况等）1.5高程系统及引测依据（说明勘探孔测放的
30、依据、勘探孔标高的测量等） 2.场地的地质条件 2.1地形、地貌（包括场地现状、地表起伏、地貌类型、地面标高等） 2.2地基土的构成与特征（提供地层特性表，分层标识层序编号，并详尽描述土的颜色、矿物成分、颗粒形状、湿度、状态、密实度、包含物、均匀性，及土层的分布范围、埋藏深度、厚度和变化等特征） 2.3地基土的物理力学性质指标（提供土层一般物性和热物性综合参数表， 图2-1 水文试验成井施工工艺流程图对主要参数进行数理统计，提供平均值、均方差、变异系数等，并进行参数的分析和选用） 2.4地下水（明确地下水类型、埋藏条件、水位、水头、流速、流向、水力坡度、补给来源、地基土的渗透性等） 2.5不良地质现象（包括厚层填土、暗浜、地下障碍物等的性状、埋深及分布范围等，并阐述不良地质现象对本工程将产生的不良影响，建议采取的处理措施等） 3.物探测井 3.1 测试方法（物探测井采用的方法、仪器，测试） 3.2 测试结果（测井的物性指标及其评价） 4原位测试 4.1试验方案（开路水文试验或闭路热响应试验的平面布置、施工工艺、试验方法） 4.2试验结果（开路水文试验或闭路热响应试验所取得的物性参数及其热传导性能公式的推导）5分析评价 5.1场地物性指标及其热性质对热泵换热系统效果的评价 5.2施工和运营对周围环
