地埋管換熱影響巖土體傳熱因素及熱影響范圍分析

胡彩萍

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014)

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地埋管換熱影響巖土體傳熱因素及熱影響范圍分析

胡彩萍

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014)

該文介紹了地埋管換熱器傳熱模型，對(duì)影響地下巖土體傳熱的地埋管換熱功率、持續(xù)時(shí)間、熱泵機(jī)組運(yùn)行的方式與模式、換熱器規(guī)格、管外回填材料以及地質(zhì)-水文地質(zhì)條件等因素進(jìn)行了探討，認(rèn)為周圍巖土體熱響應(yīng)范圍大小與換熱功率大小和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短、管外回填材料和周圍巖土體導(dǎo)熱性能高低呈正相關(guān)性，熱泵機(jī)組間歇運(yùn)行方式有利于地溫場(chǎng)的及時(shí)恢復(fù)，冬季制熱夏季制冷模式能削弱單一負(fù)荷聚集產(chǎn)生的熱影響程度，同等能條件下雙U型De32地埋管較單U型De25地埋管熱影響范圍要大。由于地埋管換熱器吸熱或放熱不平衡而引起的冷熱量累積效應(yīng)，滲流速度越大，熱影響范圍則越大。濟(jì)南東部碎屑巖區(qū)某模擬夏季工況試驗(yàn)表明，其他條件相同的前提下，8kW換熱功率持續(xù)運(yùn)行，以換熱孔為中心，巖體溫度響應(yīng)速率和影響幅度與徑向距離成負(fù)相關(guān)性，距離越近，響應(yīng)速率和影響幅度越大，反之就越?。?7天后，地埋管換熱器熱影響范圍大于5m。

淺層地?zé)崮?；地埋管；熱影響范圍；熱響?yīng)速率；影響因素

0 引言

地埋管地源熱泵系統(tǒng)是一種利用淺層地?zé)崮苓M(jìn)行供暖和制冷的高效、節(jié)能、環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)輸入少量的高品位電能實(shí)現(xiàn)低溫位向高溫位熱能的轉(zhuǎn)移。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國(guó)家各級(jí)政府對(duì)可再生清潔能源利用和節(jié)能減排工作的重視與加強(qiáng)，各種鼓勵(lì)政策陸續(xù)出臺(tái)，淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用空前興起，地埋管熱泵系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。但前期場(chǎng)地勘察的忽視和缺失以及相關(guān)研究的落后，使地埋管熱泵工程設(shè)計(jì)，特別是地埋管換熱器間距設(shè)計(jì)存在極大盲目性。埋管間距過(guò)大，雖能獲得較高的換熱效率，但常會(huì)受到建設(shè)工程場(chǎng)地空間條件的限制；間距過(guò)小，再加之管群平面布置、換熱器長(zhǎng)度、規(guī)格及回填材料等選擇不合理，則會(huì)在不同單個(gè)換熱器間極易造成熱短路，或以換熱器為中心造成冷熱負(fù)荷堆積，從而改變埋管區(qū)的地下溫度環(huán)境，直接影響系統(tǒng)效能。而要確定合理的地埋管間距，必須以分析具體熱泵工程所在場(chǎng)地的換熱器熱影響范圍因素為前提。能否科學(xué)分析巖土體熱傳導(dǎo)影響因素，準(zhǔn)確掌握地埋管換熱狀態(tài)下熱傳導(dǎo)影響因素和熱影響范圍，不僅直接決定了地埋管換熱器間距和數(shù)量，影響工程初期投資，更甚者則對(duì)整個(gè)熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效果造成影響[1-2]。

1 地埋管換熱器傳熱模型

進(jìn)行地埋管換熱器影響范圍因素研究，需以建立傳熱模型為基礎(chǔ)。該文地埋管換熱器傳熱模型是基于系列解析解和疊加原理的地埋管換熱器的傳熱模型為基礎(chǔ)的準(zhǔn)三維非穩(wěn)態(tài)模型[3-4]。大大減少了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兴龅暮?jiǎn)化假設(shè)，用函數(shù)表達(dá)式定量地反映出地埋管換熱器各種幾何和物理參數(shù)以及巖土體熱物性參數(shù)對(duì)傳熱的影響，精確地反映加熱工況下任一時(shí)刻和空間位置的溫度響應(yīng)，以此分析熱影響范圍和影響程度。

1.1 鉆孔外周圍巖土體的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型

該模型用于巖土體的溫度響應(yīng)計(jì)算。 利用線熱源模型求出在單孔熱響應(yīng)作用下τ時(shí)刻在柱坐標(biāo)系中的點(diǎn)M(ρ,z)處的過(guò)余溫度響應(yīng)公式(1)：

(1)

計(jì)算多個(gè)鉆孔地埋管換熱器在階躍加熱下對(duì)巖土體引起的過(guò)余溫度響應(yīng)，可分別計(jì)算每個(gè)鉆孔在該位置處引起的過(guò)余溫度響應(yīng)θi(r，z,τ)，然后求和公式(2)：

(2)

其中:ri是相對(duì)坐標(biāo);τ是階躍加熱的時(shí)間。

1.2 雙U型管鉆孔內(nèi)準(zhǔn)三維傳熱模型

鉆孔內(nèi)固體材料的軸向?qū)岷雎圆挥?jì)，模型稱為準(zhǔn)三維模型。雙U型管每個(gè)支管內(nèi)循環(huán)流體的質(zhì)量流率記為M，流體的定壓比熱記為c。4個(gè)支管中的熱量平衡可分別寫作公式(3)：

(3)

其中：正負(fù)號(hào)取決于流體流動(dòng)的方向，即流體向下流動(dòng)時(shí)取負(fù)號(hào)，向上流動(dòng)時(shí)取正號(hào)。

假定單位鉆孔深度上的熱流密度為q1，鉆孔深度為H，管內(nèi)循環(huán)流體質(zhì)量流率為M，循環(huán)流體定壓比熱為c。對(duì)于串聯(lián)布置的雙U型地埋管換熱器，鉆孔內(nèi)的熱阻為公式(4)：

(4)

其中：Θ″為流體的無(wú)量綱出口溫度。

將導(dǎo)得的流體出口溫度代入(式4)，即可得到地埋管換熱器的鉆孔內(nèi)熱阻。

利用上述模型，進(jìn)行條件概化和參數(shù)賦值，求得鉆孔各個(gè)支管內(nèi)循環(huán)流體沿鉆孔深度方向的溫度變化關(guān)系式，精確地確定地埋管鉆孔的傳熱熱阻和傳熱量，分析熱傳導(dǎo)規(guī)律和地溫場(chǎng)特征。

2 巖土體傳熱影響因素分析

地埋管地源熱泵系統(tǒng)采用閉式循環(huán)與埋管區(qū)地下環(huán)境間進(jìn)行冷熱量交換，從而改變地埋管換熱器周圍巖土體溫度場(chǎng)。研究顯示，能量交換這一吸熱、放熱過(guò)程引起的巖土體傳熱與地埋管換熱功率、持續(xù)時(shí)間、熱泵機(jī)組運(yùn)行的方式與模式、換熱器規(guī)格、埋管間距、管外回填材料以及地質(zhì)—水文地質(zhì)條件等因素密切相關(guān)。

2.1 換熱功率與持續(xù)時(shí)間

地埋管換熱器對(duì)周圍巖土體的熱響應(yīng)范圍(半徑)大小與換熱功率和持續(xù)時(shí)間相關(guān)，且呈正相關(guān)性。

依據(jù)山東建筑大學(xué)刁乃仁等[5]研究資料分析，單個(gè)地埋管孔換熱器按1kW持續(xù)取熱，距離地埋管鉆孔群或單個(gè)換熱器越近的巖土體，其溫度降低越快，降低的幅度也大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，熱影響向遠(yuǎn)端傳遞，約40天以后降低趨勢(shì)減緩。若以相對(duì)溫降幅度為2%(實(shí)際溫降約0.3℃)作為巖土體熱影響范圍邊界的確定依據(jù)，2天時(shí)，熱影響半徑為0.5m；7天后，半徑增大為1m，50天半徑約2.8m，持續(xù)運(yùn)行120天后，半徑約為4.8m，距離地埋管換熱器0.5m與5m遠(yuǎn)處的巖土溫度分別比初始溫度降低了2℃和0.3℃。

取熱功率增大，巖土體的熱響應(yīng)規(guī)律與之前相似，但響應(yīng)強(qiáng)烈程度增強(qiáng)，熱影響范圍、同距離熱影響幅度也相應(yīng)地增大。取熱功率4kW運(yùn)行2天，熱影響半徑為1m；7天后，半徑增大為1.7m，50天半徑約5.5m，120天后，距離換熱器0.5m與5m處的巖土溫度分別降低了8℃和1℃左右。從以上分析可看出，不同換熱功率、不同持續(xù)時(shí)間作用下的巖土體的熱影響范圍是不同的。

2.2 運(yùn)行方式和模式

運(yùn)行方式分為連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行2種。連續(xù)運(yùn)行指在某一時(shí)間段(一般是一個(gè)完整的制冷期或制熱期)內(nèi)熱泵機(jī)組不間斷地運(yùn)行狀態(tài)。也有的文獻(xiàn)將冬夏季運(yùn)行而春秋季停止視為間歇運(yùn)行[6-9]，該文不采用此類觀點(diǎn)，而將只要冬夏季連續(xù)運(yùn)行而不論春秋季是否停止的情況作為連續(xù)運(yùn)行看待。連續(xù)運(yùn)行的建筑如住宅、賓館、酒店等，一個(gè)取暖季和制冷季內(nèi)全天24h運(yùn)行。間歇運(yùn)行指熱泵機(jī)組一個(gè)完整的制冷期或制熱期內(nèi)有所間斷而不連續(xù)的狀態(tài)。有的熱泵機(jī)組一晝夜內(nèi)夜間運(yùn)行、日間停止，如部分居民樓，部分業(yè)主白天上班，家中無(wú)人，不開熱泵機(jī)組，待晚上回到家后再啟動(dòng)；辦公樓則白天上班時(shí)間機(jī)組運(yùn)行，下班后則關(guān)停，還有的辦公樓，周一至周五晝夜不停運(yùn)行，周六和周日關(guān)停；展館類建筑則只在開館時(shí)才運(yùn)行，閉館期間大部分關(guān)停。運(yùn)行模式該文大致分為3種，單冬季制熱模式，如我國(guó)東北地區(qū)，夏季天氣涼爽基本不用熱泵制冷；單夏季制冷模式，如海南、廣東等我國(guó)南方地區(qū)，冬季氣溫高，也基本不會(huì)利用熱泵制熱；第3種是冬季制熱夏季制冷模式，如山東、河南等我國(guó)中部地區(qū)，冬季制熱時(shí)間與夏季制冷時(shí)間大致相當(dāng)。

間歇運(yùn)行方式在熱泵機(jī)組關(guān)停時(shí)段內(nèi)[10-12]，聚集在巖土體中的冷熱負(fù)荷逐步向周圍地下環(huán)境釋放，地溫在一定程度上有所恢復(fù)，呈周期性波動(dòng)規(guī)律；以地埋管換熱器為軸心，靠近軸部，因熱影響幅度大，地溫短時(shí)恢復(fù)明顯，沿徑向方向，由近及遠(yuǎn)，溫度受間歇性運(yùn)行影響幅度逐漸降低，熱泵機(jī)組關(guān)停、啟動(dòng)對(duì)其影響的遲滯性越明顯，因此間歇運(yùn)行方式，有利于地溫場(chǎng)的及時(shí)恢復(fù)，地埋管換熱器熱影響范圍??；而連續(xù)運(yùn)行方式，換熱器持續(xù)不斷地向地下環(huán)境輸入冷氣或熱量，冷熱負(fù)荷不停聚集，并不斷向外圍擴(kuò)散，因此熱影響范圍不斷擴(kuò)大[13-15]。從運(yùn)行模式看，單一制冷或制熱模式，或雖為冬天制熱夏季制冷模式，但熱泵建筑工程從冬季地下吸取的熱量和夏季向地下排放的熱量嚴(yán)重不平衡，都會(huì)造成多余的熱量(或冷量)在地下不停積累，影響范圍逐步擴(kuò)大。地下水滲流條件較弱的地區(qū)，一年周期內(nèi)地溫恢復(fù)主要靠熱泵機(jī)組關(guān)停期巖土體自我恢復(fù)能力，冬季制熱夏季制冷模式，冷熱負(fù)荷在一定程度上能夠相互抵消，從而削弱單一負(fù)荷聚集產(chǎn)生的熱影響程度，長(zhǎng)期看，影響范圍也會(huì)相對(duì)較小。

2.3 換熱器規(guī)格

豎直U 型地埋管換熱器按其結(jié)構(gòu)分為雙U 型和單U 型2種，二者對(duì)傳熱的影響表現(xiàn)在鉆孔內(nèi)傳熱熱阻和換熱能力不同，直接關(guān)系到地埋管換熱器熱影響范圍的大小[16-18]。刁乃仁等[4]進(jìn)行的豎直地埋管換熱器設(shè)計(jì)及系統(tǒng)優(yōu)化研究表明，其他條件相同的前提下，雙U 型比單U 型鉆孔內(nèi)熱阻小30%左右，換熱能力提高7～20%，熱影響范圍與熱阻大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與換熱能力呈正相關(guān)關(guān)系。目前，淺層地?zé)崮芄こ讨谐Ｓ玫呢Q直地埋管材料為聚乙烯(PE)，直徑主要有De25和De32兩種，工程多采用單U32型或雙U25型，還有部分工程采用雙U32型。管徑大，管內(nèi)循環(huán)液與管壁的接觸面積大，換熱效率相應(yīng)提高，一般來(lái)講，De32比De25換熱能力大5%±，熱影響范圍前者也較后者大。

2.4 管外回填材料

回填材料選擇對(duì)保證地埋管換熱性能極其重要，材料導(dǎo)熱性能不良，鉆孔內(nèi)熱阻大，同等條件下，所需的換熱器長(zhǎng)度將會(huì)增大，初投資費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)增加，對(duì)熱量交換而言，回填物導(dǎo)熱系數(shù)越大，地埋管換熱效率也越高。目前作地埋管回填材料較多的有水泥砂漿、石英砂、膨潤(rùn)土及其不同比例混合物等(也有采用工程場(chǎng)地原土)，膨潤(rùn)土—水混合物導(dǎo)熱系數(shù)通常較小，只有0.65～0.9 W/m·℃，水灰比0.6的純水泥0.97 W/m·℃±，膨潤(rùn)土—石英添加劑混合物導(dǎo)熱系數(shù)1～2.42W/m·℃，水泥基回填物(水泥、石英砂、膨潤(rùn)土、水、堿水劑等混合物，1999年Allan等人研制)導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)2.161 W/m·℃，CS(添加粉煤灰、膨脹劑的水泥砂漿，陳衛(wèi)翠等實(shí)驗(yàn)研究)2.34 W/m·℃±[7]。對(duì)地埋管換熱器熱影響范圍來(lái)講，回填材料導(dǎo)熱性能越好，同等條件下，熱影響范圍就越大。

2.5 地質(zhì)—水文地質(zhì)條件

2.5.1 地質(zhì)條件影響

地質(zhì)條件對(duì)地埋管換熱器熱影響范圍的作用主要表現(xiàn)在巖土體熱傳導(dǎo)率的大小上，其次是孔隙(裂隙)率和含水率。熱影響范圍與熱導(dǎo)率大小呈正相關(guān)性。一般而言，巖土體熱導(dǎo)率越高，導(dǎo)熱性能越好，同等條件下熱量傳遞速率越快，由換熱器徑向向外，傳遞的距離越遠(yuǎn)，熱影響的范圍越大。典型巖石中，密度和硬度較大的變粒巖、花崗巖、砂巖等熱導(dǎo)率較高，多大于2.6W/m·℃，此類巖石地區(qū)地埋管換熱器熱影響范圍較大，閃長(zhǎng)巖、灰?guī)r熱導(dǎo)率次之，粉土及粘性土類最小，一般多小于1.7W/m·℃，2250多個(gè)樣本統(tǒng)計(jì)平均值1.6W/m·℃左右，就單個(gè)地埋管換熱器來(lái)講，第四紀(jì)松散層地區(qū)熱交換影響范圍相比前兩類最小。由于水和空氣熱導(dǎo)率較低，分別為0.599W/m·℃和0.023W/m·℃(淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范，DZ/T 0225-2009，附錄B)，所以，地質(zhì)體中，結(jié)構(gòu)疏松、孔隙(裂隙)率越大、含水率越高，地質(zhì)體導(dǎo)熱性能越差，熱影響范圍越小。

表2 典型巖性熱導(dǎo)率室內(nèi)測(cè)試值

2.5.2 水文地質(zhì)條件影響

含水層厚度和滲流速率為2個(gè)重要的影響因素。地下水滲流，有利于減弱或消除由于地埋管換熱器吸熱或放熱不平衡而引起的冷熱量累積效應(yīng)[19]，冷熱負(fù)荷迅速以水流為載體向遠(yuǎn)處傳遞，滲流速度越大，熱影響范圍則越大，反之則??；含水層厚度越大，對(duì)冷熱量交換功率影響越大。地下水流對(duì)熱影響范圍的影響，以夏季工況為例，滲流速度越大，地埋管換熱器單位井深換熱量越高，換熱器出口溫度降低，進(jìn)出口管內(nèi)循環(huán)液溫差越大，埋管區(qū)換熱達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間就越短。當(dāng)?shù)叵滤魉購(gòu)?m/y增大到480m/y時(shí)，單位井深換熱量從39.7W/m增加到69.1W/m，增加了73.6%[8]。相同滲流速率條件下，影響范圍大小還與地下水滲流方向有關(guān)，地下水流動(dòng)消弱了埋管垂直于滲流方向上的熱影響，而增強(qiáng)了沿滲流方向的熱影響[9]，使得沿滲流方向，熱影響范圍增大，且下游大于上游，滲流速率越大，下游方向熱影響范圍越大，上游及其他方向熱影響范圍則相對(duì)越小(圖1)。對(duì)管群來(lái)講，滲流對(duì)熱影響范圍大小還與地下水流向與地埋管陣列軸向有關(guān)，據(jù)山東建筑大學(xué)刁乃仁等[5]研究，當(dāng)滲流方向不與管群陣列軸向垂直時(shí)，地下環(huán)境溫度場(chǎng)不再保持中心對(duì)稱。因此，地埋管換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，管群長(zhǎng)軸方向與地下水流方向相垂直最有利于管群冷熱負(fù)荷的消散，有利于換熱器與地下環(huán)境間的熱量交換。

圖1 滲流作用下熱影響范圍形態(tài)圖

3 熱響應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了解持續(xù)換熱狀態(tài)下單個(gè)地埋管換熱器熱影響范圍，分析地下水滲流對(duì)地質(zhì)體熱傳導(dǎo)性能的作用，在山東省淺層地溫能研究推廣中心進(jìn)行了一組熱響應(yīng)試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地質(zhì)—水文地質(zhì)條件

熱響應(yīng)試驗(yàn)場(chǎng)地位于濟(jì)南市章丘區(qū)西部，工業(yè)三路以東，場(chǎng)地120m深度內(nèi)地層為一套古生界二疊紀(jì)石盒子群砂泥巖組合，砂巖泥巖比約2∶1。其中砂巖以黃綠色中粗、細(xì)粒砂巖以及灰色粉砂巖為主，J4鉆孔揭露厚度分別為12.4m，38.3m和15.9m；泥巖，紫紅—棕紅色，厚度為31m；泥質(zhì)粉砂巖，灰—暗灰色，厚13m(圖2)。

1—中粗砂巖；2—細(xì)砂巖；3—粉砂巖；4—泥質(zhì)粉砂巖；5—泥 巖；6—推斷斷層 圖2 試驗(yàn)場(chǎng)地質(zhì)剖面圖

地下水為碎屑巖類裂隙水，含水層巖性為砂巖，單井涌水量15～20m3/h，礦化度 400mg /L左右，水化學(xué)類型為SO4·CO3-Ca型，水位埋深34.4～35.7m，地下水總體流向自西向東，再轉(zhuǎn)向北，水力坡度5%±。

3.2 場(chǎng)地巖石熱物性及熱響應(yīng)特征

場(chǎng)地地層主要巖性為砂巖和泥巖，J4孔共采集24組樣品，每組3件，取3件樣品測(cè)試結(jié)果的平均值作為研究數(shù)據(jù)。山東省地質(zhì)科學(xué)研究院負(fù)責(zé)密度、孔隙率、含水率3個(gè)物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)試；山東省建筑大學(xué)熱能學(xué)院負(fù)責(zé)熱導(dǎo)率、比熱容2個(gè)熱物性指標(biāo)的測(cè)試，測(cè)試儀器為瑞典Hot Disk TPS-2500S熱物性分析儀，導(dǎo)熱系數(shù)0.01～400W/m·K，比熱≤5MJ/m3·K，溫度15～1000K，測(cè)試時(shí)間1～640 S，重復(fù)性<±1%，精度<±2%。測(cè)試結(jié)果如表3。

表3 場(chǎng)地主要巖性物性與熱物性特征值

3.3 測(cè)試孔及地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置

該次野外試驗(yàn)以J4為加熱測(cè)試孔，該孔直徑150mm，內(nèi)置雙U型聚乙烯(PE100)地埋管，外徑32mm，壁厚3mm，埋管長(zhǎng)度100m，管外回填料為中砂。

在測(cè)試孔北側(cè)分別距離1.2m，1.6m和2.0m處設(shè)立3個(gè)監(jiān)測(cè)孔，每個(gè)孔均在30m深度埋設(shè)一支Pt1000Pa溫度傳感器(精度0.01℃)，編號(hào)分別為T6,T9,T12。測(cè)試孔東側(cè)地下水流下游4.0m和西側(cè)地下水流上游5.0m處50m深度各埋設(shè)一支鉑溫度傳感器，編號(hào)分別為T3和T1(圖3)。

圖3 地溫?zé)犴憫?yīng)試驗(yàn)布置圖

3.4 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試

熱響應(yīng)測(cè)試在J4孔中進(jìn)行。模擬夏季工況連續(xù)運(yùn)行模式，設(shè)定溫度35℃(加熱功率8kW左右)，持續(xù)不斷向巖層中輸入熱量，系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)液為自來(lái)水，流量1.5m3/h。對(duì)管內(nèi)出入流體及T1,T3,T6,T9,T12進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，20道巡檢儀檢錄，間隔3分鐘，數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)。測(cè)試歷時(shí)47天。

3.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

地埋管熱量傳遞方式為準(zhǔn)三維非穩(wěn)態(tài)，以熱源為柱狀軸心向外圍輻射傳導(dǎo)。J4換熱器為柱狀熱源，熱量持續(xù)不斷向周圍巖層傳導(dǎo)，隨著時(shí)間的推移，以熱源為中心，不同方位、不同距離處溫度傳感器產(chǎn)生響應(yīng)，但響應(yīng)速率和幅度有所不同(表4、圖4、圖5)，并呈現(xiàn)出一定規(guī)律。

表4 溫度傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 T6,T9,T12溫度傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

圖5 T1,T3溫度傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

(1)其他條件相同的前提下，以特定的換熱功率持續(xù)運(yùn)行，以換熱孔為中心，巖體溫度響應(yīng)速率和影響幅度與徑向距離成負(fù)相關(guān)性，距離越近，響應(yīng)速率和影響幅度越大，反之就越小。靠近熱源，巖土體的溫度響應(yīng)迅速，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，熱干擾逐漸向遠(yuǎn)端巖土傳遞；起始巖土溫度響應(yīng)幅度較大，以后趨勢(shì)減緩，換熱逐漸進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定階段。

T6-T12傳感器均埋設(shè)于地下水位之上，且T6 傳感器距離熱源最近，最先監(jiān)測(cè)到溫度變化，響應(yīng)速率0.22m/d，影響幅度也最大，47天后溫度升高0.7℃。T12 傳感器距離熱源較遠(yuǎn)，響應(yīng)速率0.13m/d，47天后升高0.4℃。T9 傳感器位置介于T6和T12之間，響應(yīng)速率和47天后升高溫度值分別0.16m/d和0.5℃。距離對(duì)熱響應(yīng)的影響規(guī)律明顯。

(2)巖體溫度熱響應(yīng)速率和影響幅度與地下水流方向有關(guān)，但有時(shí)受構(gòu)造影響較大。

T1和T3溫度傳感器均埋設(shè)于水位以下的巖層中。試驗(yàn)場(chǎng)地地下水主要流動(dòng)方向由西向東， T3傳感器位于下游，距離熱源4m，T1位于水流上游，距離熱源5m。地下水作為熱量傳遞的一種載體，在巖石裂隙中流動(dòng)加快了能量的傳遞和擴(kuò)散，理論上，在水流下游且距離熱源距離近的T3，受地下水流動(dòng)影響，其溫度響應(yīng)速率應(yīng)大于在水流上游且距離熱源較遠(yuǎn)的T1，也就是T3應(yīng)先于T1監(jiān)測(cè)到溫度發(fā)生變化，且相同時(shí)段內(nèi)溫度變化幅度T3也應(yīng)大于T1。但實(shí)際情況卻是T1約376h后監(jiān)測(cè)到溫度升高，響應(yīng)速率0.32m/d，47天后升高0.5℃。而T3約572h后才監(jiān)測(cè)到溫度升高，響應(yīng)速率0.17m/d，47天后升高近0.2℃。不管是溫度響應(yīng)速率還是變化幅度，T1均高于T3。

物探結(jié)果顯示，J4與T1之間有條NNW向斷層存在，上述現(xiàn)象可得到合理解釋。一是由于巖石破碎，斷層破碎帶成為地下水強(qiáng)徑流帶，周圍廠區(qū)或居民區(qū)地下水開采，斷層西部地下水由西向東流至此后可能發(fā)生轉(zhuǎn)向，斷層兩側(cè)地下水均產(chǎn)生不同程度地向斷層匯聚，J4熱源向T3方向傳遞的熱量受到地下水滲流影響；二是斷裂東西兩盤垂向滑動(dòng)即使產(chǎn)生較小斷距，砂巖和泥巖互層的組合特征，也會(huì)造成斷層兩側(cè)不同巖性因錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生直接對(duì)接，使斷層具有阻水性質(zhì)，熱傳導(dǎo)過(guò)程中降低或完全消除了地下水流的作用。

(3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，模擬夏季工況連續(xù)運(yùn)行模式下，47天后地埋管換熱器熱影響范圍大于5m，監(jiān)測(cè)器溫度初期升高速率較快，后期逐漸趨于穩(wěn)定。因此，相似水文地質(zhì)條件下，地埋管換熱器設(shè)計(jì)間距易大于5m。

4 結(jié)論與建議

(1) 影響地埋管熱泵系統(tǒng)巖土體傳熱性能的因素很多，熱影響范圍的大小既和單個(gè)換熱器分擔(dān)的冷熱負(fù)荷、熱泵機(jī)組運(yùn)行方式與模式有關(guān)，又與換熱器的規(guī)格、埋管間距、管外回填材料以及地質(zhì)—水文地質(zhì)條件等因素有關(guān)。對(duì)整個(gè)淺層地?zé)崮芄こ虂?lái)講，管群的熱影響范圍和對(duì)地質(zhì)環(huán)境熱影響程度還受管群平面布置形狀、換熱器材質(zhì)等影響。上述因素綜合作用，影響著地下環(huán)境溫度場(chǎng)的空間分布，關(guān)系著工程能否高效、節(jié)能和持久運(yùn)行，地埋管熱泵工程設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視。

(2) 熱響應(yīng)試驗(yàn)表明，距離試驗(yàn)孔越近，熱響應(yīng)速率和影響幅度越大；8kW功率持續(xù)加熱，47天后距離試驗(yàn)孔1.2m，1.6m，2m處監(jiān)測(cè)孔地溫分別升高0.7℃，0.5℃和0.4℃，位于地下水流上游5m處監(jiān)測(cè)孔地溫升高0.5℃；相似水文地質(zhì)條件下，地埋管換熱器熱影響范圍大于5m。鑒于該試驗(yàn)場(chǎng)選址時(shí)，沒(méi)有預(yù)料到場(chǎng)區(qū)內(nèi)有斷層存在，關(guān)于構(gòu)造對(duì)巖體熱傳導(dǎo)的影響缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，J3數(shù)據(jù)分析不具有普遍性；同時(shí)由于選址前試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)及附近水井?dāng)?shù)量少，依照區(qū)域水文地質(zhì)條件分析試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)地下水流向時(shí)出現(xiàn)偏差，J6,J9,J12三個(gè)地溫監(jiān)測(cè)孔沒(méi)有布置在地下水主要徑流方向上，數(shù)據(jù)參考價(jià)值大打折扣。

(3) 熱影響范圍試驗(yàn)場(chǎng)選址時(shí)應(yīng)首先排除構(gòu)造的存在，廠區(qū)內(nèi)地層分布盡量一致，地下水流向和水位埋藏明確。在水流方向的上下游以及垂直于地下水流向的方向上、距離試驗(yàn)孔不同距離上、地下水位上下均應(yīng)布設(shè)溫度傳感器，分析特定功率下巖土體熱傳導(dǎo)速率和影響范圍以及地下水流在熱傳導(dǎo)過(guò)程中的作用。溫度傳感器埋置深度應(yīng)大于恒溫帶的深度，垂向位置應(yīng)控制主要含水層，兼顧隔水層，同一含水層或隔水層在不同方向上均應(yīng)控制；地下水流下游溫度監(jiān)測(cè)孔與試驗(yàn)孔的距離應(yīng)適當(dāng)增大，最遠(yuǎn)孔與試驗(yàn)孔的距離以大于當(dāng)?shù)卦礋岜霉こ搪窆荛g距的1.5～2倍為宜。

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Analysis on Heat Transfer Factors and Thermal Influence Rangeof Rock and Soil Influenced by Heat Rransfer in Underground Pipe

HU Caiping

(No.1 Exploraiton Institue of Geology and Mineral Resources, Shandong Jinan 250014, China)

In this paper, heat transfer model of buried pipe heat exchanger system has been introduced. Heat transfer power and the duration of the buried pipe, the mode of operation of heat pump unit, the specification of the heat exchanger, the external backfill material and geological and hydrogeological conditions, the heat transfer of underground rock mass have been studied. It is regarded that the range of thermal conductivity in the surrounding rock masses is positively correlated with the level of heat exchanger power, the length of the duration of thermal conductivity, the material of the external backfill and the heat conduction performance of the surrounding rock masses. The intermittent operation of heat pump unit is beneficial to the timely restoration of geothermal field. Winter heating and summer cooling mode can weaken the thermal influence of single load aggregation. The thermal influence of the double U-type De32 buried pipe is larger than of the single U-type De25 buried pipe under the same energy condition. The seepage action of groundwater is conducive to weaken or eliminate the cumulative effect of heat which is caused by the disequilibrium of the absorption or desorption of heat of the buried pipe exchanger. With stronger seepage action of groundwater comes lager range of thermal impact. A simulated summer working condition tests that the 8w heat transfer power is continuously running under the same condition as other conditions in the clastic rock area of eastern Jinan. It is showed that with the center of heat transfer hole, the temperature response rate and influence amplitude of rock mass are negatively correlated with radial distance, the nearer the distance, the greater the response rate and the impact amplitude, the less the converse will be, the more the thermal impact range of the buried pipe heat exchanger is greater than 5m in 47days.

Shallow geothermal energy; buried pipe; thermal influence range; thermal response rate; influencing factors

2017-02-10；

2017-05-16；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

濟(jì)南市淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)(1212011220835)

胡彩萍(1976—)，女，山東萊西人，高級(jí)工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；E-mail:caipinghu126@126.com

TU831

B

胡彩萍.地埋管換熱影響巖土體傳熱因素及熱影響范圍分析[J].山東國(guó)土資源，2017,33(8)：51-57. HU Caiping. Analysis on Heat Transfer Factors and Thermal Influence Range of Rock and Soil Influenced by Heat Rransfer in Underground Pipe[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(8)：51-57.