有關(guān)巖土地質(zhì)結(jié)構(gòu)熱物性對(duì)地下蓄能影響淺析

張莉

摘 要：地?zé)崮苁且环N新的潔凈能源，地?zé)豳Y源的有效利用是解決當(dāng)今能源耗竭的重要途徑和手段。文章通過(guò)對(duì)孔隙、巖溶裂隙型含水熱儲(chǔ)層及復(fù)合熱儲(chǔ)層賦存的分析，估算了研究區(qū)內(nèi)各熱儲(chǔ)溫度、地?zé)豳Y源總量、可利用地?zé)豳Y源量和地下熱水的熱流量，評(píng)價(jià)分析了總能量熱物理性參數(shù)及地?zé)崃黧w的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：地?zé)豳Y源；熱儲(chǔ)層；資源利用

本文對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)主要通過(guò)有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬。開展地下巖土體的傳熱蓄能研究，模擬試驗(yàn)場(chǎng)根據(jù)巖土熱物力性質(zhì)和地下水條件選擇兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)，分別為A試驗(yàn)場(chǎng)和B試驗(yàn)場(chǎng)。B試驗(yàn)場(chǎng)處于崗地（二級(jí)階地），換熱體為巖石，無(wú)地下水影響；A試驗(yàn)場(chǎng)處于長(zhǎng)江沖積一級(jí)階地上，換熱層主要為粘性土和砂層，有地下水。對(duì)地下水地源熱泵主要通過(guò)建立試驗(yàn)場(chǎng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行條件下巖、土、水體溫度變化，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開分析研究。監(jiān)測(cè)場(chǎng)選取甘肅某高層住宅地下水源熱泵系統(tǒng)。通過(guò)上述方式，分析巖、土、水體蓄能傳熱規(guī)律，定量分析巖土體蓄能量及變化，可為地埋管和地下水地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理提供參考，達(dá)到用好、用足淺層地溫能資源的目的。

一、地下蓄能定量評(píng)價(jià)方法分析

巖土層中蓄積能量通過(guò)公式Q=cm△T計(jì)算得出，水平方向上在依次分為多個(gè)圈層，垂直方向上分為多層，根據(jù)各圈、各層處物理、熱物理參數(shù)，不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)溫度變化值，即可估算出每圈層和整個(gè)換熱孔周邊一帶范圍內(nèi)的熱量蓄積量。以A試驗(yàn)場(chǎng)為例，在主孔中心、半徑為0.8m、1.5m、2.0m、2.5m處布置有監(jiān)測(cè)孔，每個(gè)監(jiān)測(cè)孔中按10m間隔預(yù)先埋置有測(cè)溫探頭，連續(xù)7天加熱時(shí)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)了該范圍內(nèi)地層溫度變化，即可進(jìn)行估算。具體計(jì)算時(shí)，由于表層5m溫度變化受氣溫影響較大，因此計(jì)算中將其忽略。將水平方向上每個(gè)監(jiān)測(cè)孔溫度分別代表影響半徑圓環(huán)范圍內(nèi)的平均溫度，在水平面上將其劃分為5個(gè)圓環(huán)范圍，分別為：0-0.4m，0.4-1.15m，1.15-1.75m，1.75-2.25m，2.25-2.5m；豎直方向上每10m監(jiān)測(cè)的溫度代表該點(diǎn)上下各5m厚度范圍的溫度，將不同深度范圍內(nèi)巖土體分為多層。建立一個(gè)5×4的圓環(huán)柱體模型，分別計(jì)算單個(gè)圓環(huán)柱體的蓄積能量。單個(gè)圓環(huán)柱體蓄能量=密度×體積×比熱容×溫差，最后分塊求和得出總的蓄能量，即5m直徑、40m深度換熱巖土柱體中的蓄能量。

上述方法可利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行后巖土層蓄能量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并且該方法同樣適用于地下水地源熱泵。

二、地質(zhì)結(jié)構(gòu)熱物性的數(shù)值計(jì)算

土壤內(nèi)部傳熱是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，它是一個(gè)有源傳熱過(guò)程，有時(shí)伴隨著熱濕遷移等現(xiàn)象。在傳熱數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，假設(shè)條件還包括：土壤性質(zhì)均勻； 巖土熱物性在研究溫度范圍內(nèi)變化可忽略； 不考慮由于溫度變化導(dǎo)致的熱濕遷移；各個(gè)單孔熱源屬于獨(dú)立中心對(duì)稱；交互熱作用符合疊加原則。在蓄能傳熱計(jì)算過(guò)程中，以熱流密度的形式（系統(tǒng)功率相對(duì)恒定的方式）進(jìn)行負(fù)荷加載。采取不同的換熱孔群數(shù)量或布置形態(tài)，探討各種蓄能工況。布置8×8豎孔地下?lián)Q熱器群（64個(gè)熱源），總的計(jì)算區(qū)域?yàn)?6m×96m，熱源布置區(qū)域?yàn)?8m×48m。豎孔間距為6m。由于熱源群布置具有對(duì)稱性，計(jì)算處理過(guò)程可選擇其中的四分之一區(qū)域。網(wǎng)格劃分遵守有限元網(wǎng)格劃分規(guī)則，即在計(jì)量變化幅度大的區(qū)域網(wǎng)格劃分較為密集，而變化幅度小的區(qū)域網(wǎng)格較為稀疏，從而兼顧計(jì)算速度和精度兩者之間的關(guān)系。對(duì)比兩種巖土溫度變化可知，具有良好導(dǎo)熱能力的花崗巖地質(zhì)條件，蓄能后溫度場(chǎng)發(fā)生了整體的上升，而導(dǎo)熱稍差的粘土在蓄能后土壤溫度場(chǎng)的溫度梯度相對(duì)較大，無(wú)法達(dá)到更好的熱量外圍擴(kuò)散，各換熱器之間仍保持熱作用獨(dú)立。粘土地質(zhì)條件由于導(dǎo)熱擴(kuò)散能力較低，在熱源井孔附近的溫度上升程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)花崗巖地質(zhì)條件溫度，形成較為嚴(yán)重的孔壁處熱淤積現(xiàn)象，導(dǎo)致溫度驟升。同時(shí)，粘土意味著在蓄能過(guò)程中需要更高品位的熱能，或者更高溫度的能量蓄能； 溫度高反映出沒有有效利用各地下?lián)Q熱器熱源周邊的空間，或者說(shuō)過(guò)大的間距，浪費(fèi)了地域空間。因此，低導(dǎo)熱能力的地質(zhì)條件更需要間歇蓄能控制。通過(guò)監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)，抽水井處八九月平均抽水溫度因熱貫通的影響，較初始換熱溫度分別上升約2.56℃和4.34℃。而夏季灌入地下的總能量為3.92×109kJ，換算成單口回灌井灌入的能量為9.80×108kJ，則可得到八九月份因熱貫通產(chǎn)生負(fù)作用的能量占整個(gè)夏季灌入總能量的比值為29.43%。夏季制冷運(yùn)行結(jié)束經(jīng)過(guò)過(guò)渡期，在冬季采暖運(yùn)行開始前，雖然綜合整個(gè)地層沒有明顯能量蓄積，但在含水層處溫度仍有相對(duì)小幅上升。熱量蓄積范圍內(nèi)整體地溫升高，冬季供暖需要從地下巖土體中取用熱量時(shí)，抽出的水溫高于初始溫度值，此時(shí)主機(jī)蒸發(fā)溫度較高，有利于提高機(jī)組冷凝熱，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，減小系統(tǒng)耗電量，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)更加節(jié)能。此種情形對(duì)淺層地溫能利用是有利的，應(yīng)充分利用巖土體中蓄積下來(lái)的、反季節(jié)需要的能量。

三、結(jié)束語(yǔ)

地下巖土地質(zhì)構(gòu)造熱物性參數(shù)決定傳熱能力和蓄能效果，在地下?lián)Q熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算確定中具有重要作用，它們的偏差對(duì)地下?lián)Q熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生直接的影響。地下巖土蓄能體的導(dǎo)熱系數(shù)決定了在蓄入周期內(nèi)能量的擴(kuò)散能力，較低導(dǎo)熱系數(shù)的巖土地質(zhì)構(gòu)造條件導(dǎo)致地下?lián)Q熱器熱源孔邊形成巨大的溫度剃度和能量淤積，要求更高品位的蓄熱能源。地下巖土蓄能體的體積比熱決定了在蓄入周期內(nèi)能量的存儲(chǔ)能力。熱容能力的降低導(dǎo)致區(qū)域溫度和孔邊溫度梯度上升，盡管熱流作用范圍和程度加大，但是需要更高品位的熱源能量。低體積比熱地下巖土蓄能體的溫度增加，卻不利于蓄存大規(guī)模的能量。

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