現(xiàn)場(chǎng)巖土熱物性參數(shù)的影響因素分析

石凱波，王景剛，鮑玲玲，侯松寶，曹 輝

現(xiàn)場(chǎng)巖土熱物性參數(shù)的影響因素分析

石凱波，王景剛，鮑玲玲，侯松寶，曹 輝

（河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

對(duì)邢臺(tái)市一試驗(yàn)井分別進(jìn)行3d和2d的熱響應(yīng)試驗(yàn)，研究加熱功率、測(cè)試時(shí)長(zhǎng)、土壤初始溫度對(duì)巖土熱物性參數(shù)的影響。結(jié)果表明，同一測(cè)試孔在不同的加熱功率下的巖土熱物性參數(shù)存在差異；測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為48～64 h時(shí)測(cè)得的巖土熱物性參數(shù)比較穩(wěn)定；土壤初始溫度越高，巖土熱擴(kuò)散系數(shù)越小。

熱響應(yīng)試驗(yàn)；加熱功率；測(cè)試時(shí)長(zhǎng)；土壤初始溫度

1 單孔熱響應(yīng)試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于邢臺(tái)南宮市。試驗(yàn)孔參數(shù)見表1。

1.1 地層結(jié)構(gòu)

巖土的熱物性參數(shù)與地層的密度、含水率、孔隙比、地下水滲流[6-7]等因素有關(guān)。根據(jù)邢臺(tái)地礦局提供的資料，該地區(qū)地面以下150 m深度的土樣主要以粘土、粉粘、粉土為主。含水率在14.2%～36.9%范圍內(nèi)，密度在1.84～2.15 g/cm3范圍內(nèi)，孔隙比在0.488～1.039范圍內(nèi)。

1.2 測(cè)試裝置與流程

測(cè)量裝置主要部件由功率可調(diào)的電加熱器、循環(huán)水泵、加熱水箱、溫度測(cè)量裝置、流量測(cè)量裝置、信號(hào)變送裝置、數(shù)據(jù)采集與處理裝置等構(gòu)成（圖1）。測(cè)量裝置中的管路與埋管換熱器地下回路相接，循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)流體在回路中循環(huán)流動(dòng)，流體經(jīng)過加熱器加熱后流經(jīng)地下回路與地下巖土進(jìn)行換熱。

表1 試驗(yàn)孔的相關(guān)情況Tab.1 Relevant information of the test boreholes

圖1 試驗(yàn)測(cè)試裝置示意圖Fig.1 The testing device diagram

測(cè)量裝置中的管路與埋管換熱器，在地埋管內(nèi)注滿循環(huán)水，保持電加熱器處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟循環(huán)水泵，使地埋管的進(jìn)出口水溫達(dá)到穩(wěn)定。此時(shí)，地埋管的進(jìn)出口水溫的平均值即為大地初始溫度。啟動(dòng)相應(yīng)功率的電加熱器并保持功率恒定，持續(xù)加熱直到地埋管進(jìn)出口溫度基本穩(wěn)定，并穩(wěn)定一段時(shí)間。測(cè)試結(jié)束后先關(guān)閉電加熱器，再關(guān)閉循環(huán)水泵。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

共直流母線分布式系統(tǒng)具有穩(wěn)定性更高,容量更大,為分布式發(fā)電提供了很好的模式,有很好的發(fā)展前景。因此其控制方法[2-3]、能量管理策略[4-5]等正成為研究熱點(diǎn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]介紹的方法，采用線熱源模型處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。U型管內(nèi)流體平均溫度與測(cè)試時(shí)間變化關(guān)系式可表示為

流體與U型管壁的對(duì)流換熱熱阻：

U型管的導(dǎo)熱熱阻：

U型管外壁與鉆孔壁之間的導(dǎo)熱熱阻：

流體與型管壁間的對(duì)流換熱系數(shù)為：

式中：Tf—地埋管進(jìn)出口平均水溫，℃；Q—加熱功率，W；λ—土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；H—鉆孔深度，m； α—土壤的熱擴(kuò)散率，(m2/s)；rb為鉆孔的半徑，m；γ為歐拉常數(shù)，取0.577 2；Rb—U型管內(nèi)流體與鉆孔壁間的總傳熱熱阻，(K?m)/W；λp、λb分別為U型管和回填料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)；λl流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)；T0—土壤初始溫度，℃；di、d0分別為型管的內(nèi)、外徑，m；n是鉆孔內(nèi)型管的管數(shù)，對(duì)于單U型管n=2，對(duì)于雙U型管n=4。

其中：

由式（8）可得巖土導(dǎo)熱系數(shù)和容積比熱容的計(jì)算式：

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 土壤初始溫度測(cè)試

考慮到鉆孔以及回填等過程對(duì)土壤初始溫度的擾動(dòng)作用，本次試驗(yàn)中在土壤初始溫度完全恢復(fù)后才開始進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)工作。下管并回填完畢后，讓埋管內(nèi)的水靜止48 h后，開啟循環(huán)水泵，待地埋管進(jìn)出口溫度逐漸趨于穩(wěn)定，并記錄地埋管的進(jìn)、出口溫度，取其兩者平均后的溫度為地層原始溫度。本次試驗(yàn)測(cè)得的土壤初始溫度為17.2℃，如圖2。

圖2 孔1#土壤初始溫度變化曲線Fig.2 Soil initial temperature of well 1#

2.2 加熱功率對(duì)巖土熱物性參數(shù)的影響

分別以表1的加熱功率對(duì)邢臺(tái)地區(qū)的測(cè)試孔進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)，由于測(cè)式初期不穩(wěn)定，舍棄前6個(gè)小時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)，利用加熱6 h后的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)兩個(gè)恒定功率進(jìn)出口水平均溫度與時(shí)間進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合，圖3為流體平均溫度在這兩個(gè)工況下與時(shí)間的對(duì)數(shù)關(guān)系曲線?，F(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)熱物性參數(shù)結(jié)果見表2。

現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示，較大功率計(jì)算出的巖土熱物性參數(shù)越大。這與Witte[10]在建立地下水滲流條件下進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試，得出在地下無滲流水時(shí)，不同功率有地下水滲流條件時(shí)，隨著加熱功率的增大，得出的巖土熱物性參數(shù)也逐漸增大。根據(jù)邢臺(tái)地礦局提供的資料，該地區(qū)含水率在14.2%～36.9%范圍內(nèi)，地下水流速一般為1.0～1.3 cm/d。對(duì)比分析可得出在有地下水滲流地區(qū)宜采用不同的功率進(jìn)行測(cè)試，取不同功率測(cè)試出的參數(shù)平均值作為該地區(qū)的巖土熱物性參數(shù)結(jié)果，以減小地下水滲流帶來的影響。

2.3 不同功率測(cè)試時(shí)長(zhǎng)對(duì)巖土熱物性參數(shù)的影響

以8 h為間隔選擇不同的測(cè)量時(shí)間對(duì)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)得出的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值擬合，根據(jù)公式（9）計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)，其結(jié)果如圖4所示。當(dāng)加熱功率為3 kW時(shí)，在開始的48 h內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，且遞減趨勢(shì)明顯，在48 h之后巖土熱物性參數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)加熱功率為4.5 kW時(shí)，在開始的32 h內(nèi)，巖土熱物性參數(shù)遞減趨勢(shì)明顯，之后，巖土熱物性參數(shù)趨于穩(wěn)定。由此可見，加熱功率越大，使現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間越短。因此建議現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)的測(cè)試時(shí)間控制在48～64 h范圍為宜。

表2 孔1#的現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 In-situ thermal response of well 1#

圖3 孔1#流體平均溫度與時(shí)間的對(duì)數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 Curves of fuild average temperature to logarithmic time of well 1#

圖4 孔1#加熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)熱物性參數(shù)的影響Fig.4 Influence of heating length on thermophysical parameters of well 1#

圖5 孔1#熱擴(kuò)散系數(shù)隨土壤初始溫度變化Fig.5 Influence of initial temperature to thermal diffusion coefficient of well 1#

2.4 土壤初始溫度對(duì)巖土熱物性參數(shù)的影響

本文采用線熱源模型處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由式（9）可知，導(dǎo)熱系數(shù)與土壤初始溫度取值無關(guān)。當(dāng)土壤初始溫度測(cè)量出現(xiàn)誤差時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值不變，熱擴(kuò)散系數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。對(duì)孔1#進(jìn)行誤差分析，其土壤初始溫度為17.2℃，3 kW計(jì)算出的導(dǎo)熱系數(shù)為1.94 W/(m·K)，4.5 kW計(jì)算出的導(dǎo)熱系數(shù)為2.5 W/(m·K)，其他參數(shù)不變，分別令土壤初始溫度為16.8℃、17℃、17.2℃、17.4℃、17.6℃。運(yùn)用公式（9）計(jì)算出兩個(gè)功率下熱擴(kuò)散系數(shù)與土壤初始溫度關(guān)系曲線如圖5。

由圖5可以看出，熱擴(kuò)散系數(shù)隨著土壤初始溫度的升高而減小。通過公式（9）計(jì)算可以看出土壤初始溫度發(fā)生0.2℃偏差時(shí)，則會(huì)對(duì)熱擴(kuò)散系數(shù)產(chǎn)生20%的影響。因此，利用線熱源模型計(jì)算巖土熱擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，需要準(zhǔn)確測(cè)量土壤初始溫度。

3 結(jié)論

1）在現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)中，同一測(cè)試孔在不同加熱功率數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比中，較大功率得出的巖土熱物性參數(shù)值較高，這主要是由于地下水滲流的緣故，對(duì)于地下有流動(dòng)水的地區(qū)，適合采用不同加熱功率測(cè)試，取其平均值作為最終的巖土熱物性參數(shù)。

2）熱擴(kuò)散系數(shù)隨著土壤初始溫度測(cè)量值的升高而減小，且計(jì)算出土壤初始溫度每偏差0.2℃，熱擴(kuò)散系數(shù)會(huì)發(fā)生20%偏差。

3）現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試起始階段，巖土熱物性參數(shù)隨測(cè)試時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，較大加熱功率減小的更為明顯。且加熱功率越大，巖土熱物性參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短。

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（責(zé)任編輯 王利君）

Analysis of infiuence factors for in-situ thermophysical parameters of rock and soil

SHI Kaibo，WANG Jinggang，BAO Lingling，HOU Songbao，CAO Hui
(College of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Engineering, Hebei Handan, 056038, China)

Based on the thermal response tests of 3-day and 2-day in a test well in Xingtai, the effects of heating power, testing time and initial soil temperature on the thermophysical parameters of rock and soil were studied. The results show that under the same test area, different heating powers have different results. The measured thermophysical parameters of rock and soil are relatively stable when test time vary from 48 to 64 hours. The higher the initial soil temperature is, the smaller thermal diffusion coefficient of rock and soil is.

thermal respond test；heating power；testing time；initial soil temperature

TU831

A

1673-9469（2017）02-0066-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.013

2016-12-30 特約專稿

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E2015402139）；河北省教育廳科學(xué)技術(shù)處資助項(xiàng)目（QN2014064）

石凱波（1990-），男，河北邯鄲人，碩士，從事地源熱泵理論技術(shù)方面的研究。