魯西地區(qū)不同巖性地層熱響應(yīng)試驗結(jié)果淺析

史啟朋，吳曉華，姜福紅，李霖，宋帥良，吳延明，孟甲

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州 272100)

0 引言

近年來隨著地源熱泵技術(shù)的成熟及國家對環(huán)境保護(hù)工作的重視，淺層地溫能這種清潔環(huán)保的可再生能源在現(xiàn)代城市建筑中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]，2007年底全國利用淺層地溫能供暖制冷的建筑面積8000萬m2，2012年4月底超過2.4億m2，2014年底達(dá)到3.6億m2。淺層地溫能開發(fā)利用在快速發(fā)展的同時，也存在著工程設(shè)計參數(shù)不足和監(jiān)督管理機制不健全等制約因素[3-4]。

為研究巖土體熱物性參數(shù)特征，李少華等[5]對嘉興市一試驗孔分別進(jìn)行連續(xù)15d和6.25d的巖土熱響應(yīng)試驗，研究了測試時間、舍棄初始時間、加熱功率對埋管深度范圍內(nèi)巖土體導(dǎo)熱系數(shù)測試的影響；畢文明等[6]在室內(nèi)搭建了一套地埋管換熱器綜合微縮實驗臺，開展了干砂、飽和砂及飽和砂在不同滲流速度下?lián)Q熱參數(shù)研究；韓斯東等[7]引入分布式光纖測溫系統(tǒng)，進(jìn)行了試驗場區(qū)巖土體分層熱物性測試，取得了一定的研究成果。這些研究僅局限于特定的巖土層，目前缺少不同水文地質(zhì)單元，不同巖土體熱物性能參數(shù)的對比試驗研究。

因此，進(jìn)行不同水文地質(zhì)單元，不同巖土體熱響對比試驗，求取熱物性參數(shù)[8-9]，對指導(dǎo)類似地區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用工程應(yīng)用，合理利用淺層地溫能資源具有重要意義。

1 地?zé)岬刭|(zhì)概況

1.1 區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件

魯西地區(qū)主要分布黃河沖洪積平原、山前沖洪積平原和中低山丘陵等水文地質(zhì)單元[10-11]，各水文地質(zhì)單元地?zé)岬刭|(zhì)條件如下：

(1)黃河沖洪積平原。 位于京杭運河以西地區(qū)，地貌類型為沖洪積平原及沖湖積平原，第四系較發(fā)育，由東向西厚度逐漸增加，最大厚度大于300m，下伏新近紀(jì)碎屑巖。恒溫帶埋深20～25m，溫度15.5～16.0℃。大地?zé)崃髦禐?6.0～79.0mW/m2，地溫梯度為2.5～4.0℃/hm，埋深100m處平均地溫17.0～19.0℃。含水巖組顆粒較細(xì)，巖性為粉土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂—粉細(xì)砂。含水層厚度15.25～52.09m，滲透系數(shù)2～3m/d。

(2)山前沖洪積平原。 位于京杭運河以東的山前平原地區(qū)，地貌類型為沖洪積平原，第四系平均厚度在150m左右，下伏新近紀(jì)、石炭-二疊紀(jì)和奧陶紀(jì)地層。恒溫帶埋深為23～30m，溫度16.3℃左右。大地?zé)崃髦禐?2.0～68.0mW/m2，地溫梯度為1.20～3.0℃/100m，埋深100m處平均地溫16～18℃。含水巖組顆粒較粗，巖性主要為粉質(zhì)粘土、粘土、中粗砂。含水層平均厚度32m左右，井孔單位涌水量大于500m3/d·m。

(3)中低山丘陵區(qū)。 位于泰安—萊蕪—棗莊—臨沂一帶基巖山區(qū)，地貌類型以丘陵山地為主，其次為山間平原與山前沖積平原。地層巖性以寒武—奧陶紀(jì)碳酸鹽巖及太古宇花崗巖、變質(zhì)巖為主，區(qū)內(nèi)第四系不發(fā)育，厚度普遍小于30m。恒溫帶埋深受地層巖性的影響，碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)約25m，太古宇花

崗巖、變質(zhì)巖發(fā)育區(qū)約22m，溫度12.0～13.5℃。大地?zé)崃髦禐?5.0～60.0mw/m2，地溫梯度為2.5～4.3℃/hm，埋深100m處平均地溫15～18℃。地下水類型以碳酸鹽巖巖溶裂隙水及花崗巖、變質(zhì)巖裂隙水為主，在山間平原及山前沖積平原區(qū)分布有松散巖類孔隙水。

1.2 試驗場地水文地質(zhì)條件

RS2和RS3試驗孔位于黃河沖洪積平原區(qū)，地層巖性主要為粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂等；RS4孔位于山前沖洪積平原，地層巖性以粘土、粉質(zhì)粘土、中砂為主；RS6、RS7和K13孔位于中低山丘陵區(qū)，RS6孔地層巖性為花崗巖；RS7和K13地層巖性為粉質(zhì)粘土、灰?guī)r，RS7孔位于羊莊盆地巖溶水徑流排泄區(qū)，裂隙巖溶發(fā)育，地下水流徑流速度較快*山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東省淺層地?zé)崮苷{(diào)查評價(魯西)報告，2012年。*山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，臨沂、棗莊、濟(jì)寧、菏澤、泰安市淺層地溫能調(diào)查評價報告，2016年。[12]，各試驗孔水文地質(zhì)條件見表1。

表1 試驗孔地層水文地質(zhì)條件

2 試驗設(shè)備及場地工程布置

2.1 試驗設(shè)備

該次熱響應(yīng)試驗采用天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院生產(chǎn)的FTPT1-1型地層熱響應(yīng)測試儀進(jìn)行。該儀器由主機循環(huán)泵、電加熱器、水箱、溫度和流量測試組件、控制與記錄組件、電源控制、管道等部件組成，可完成無負(fù)荷循環(huán)試驗、加熱恒功率等試驗。

2.2 場地工程布置

RS2試驗孔位于菏澤市鄆城縣鄆城鎮(zhèn)，孔徑180mm，下管類型PE32雙U，下置深度120.9m，回填料為中粗砂，場地淺層地下水位埋深3.762m。RS3試驗孔位于菏澤市成武縣成武鎮(zhèn)，孔徑180mm，下管類型PE32雙U，下置水深度120.5m，場地淺層地下水位埋深2.609m。RS2和RS3試驗孔目的層位為黃河沖洪積平原粉土、粉質(zhì)粘土及粉細(xì)砂等。

RS4試驗孔位于濟(jì)寧兗州興隆莊鎮(zhèn)，孔徑180mm，下管類型PE32雙U，下置深度100.5m，回填料為中粗砂，場地淺層地下水位埋深5.622m。試驗孔目的層位為汶泗河沖洪積平原粉質(zhì)粘土、粘土及中粗砂等。

RS6試驗孔位于濟(jì)寧泗水泗張鎮(zhèn)，孔徑180mm，下管類型PE32雙U，下置深度70.0m，回填料為中粗砂，場地淺層地下水位埋深13.410m。試驗孔目的層位為花崗巖。

RS7試驗孔位于棗莊滕州羊莊鎮(zhèn)，孔徑180mm，下管類型PE32雙U，下置深度100.0m，回填料為中粗砂，場地淺層地下水位埋深9.504m。試驗孔目的層位為灰?guī)r、泥灰?guī)r。K13試驗孔位于濟(jì)南市高新區(qū)港溝街道辦事處,孔徑180mm，下管類型PE32雙U，下置深度120.5m，回填料為中粗砂，試驗孔目的層位為灰?guī)r、泥灰?guī)r。

3 工藝流程及參數(shù)的影響因素分析

3.1 試驗工藝流程

(1)該次熱響應(yīng)試驗是在試驗孔鉆探成孔，PE32雙U地埋管打壓測試，下管、回填礫料，再次試壓和管口密封靜止48h后進(jìn)行。以RS4孔的巖性地層為例，試驗工藝流程詳見圖1。

(2)試驗時將熱響應(yīng)測試儀主機與地埋管相連接，組成一個閉合回路，向回路內(nèi)注入干凈的自來水，接入三項五線380V電源，開啟主機水泵讓系統(tǒng)循環(huán)，檢查系統(tǒng)是否漏水。

圖1 熱響應(yīng)試驗工藝流程圖

(3)進(jìn)行加熱4kW測試，加熱負(fù)荷和流量基本保持恒定(波動范圍在±5%)，換熱管內(nèi)傳熱介質(zhì)流速不應(yīng)低于0.2m/s，實時記錄回路中傳熱介質(zhì)的流量和溫度，數(shù)據(jù)采集頻率為1次/min。地埋管換熱器出水溫度1h內(nèi)變化小于1℃后，觀測時間不少于24h后試驗結(jié)束。

(4)測試結(jié)束后，先關(guān)閉電加熱器和水泵，再關(guān)閉系統(tǒng)，斷開電源，將系統(tǒng)與地埋管連接斷開，排干凈系統(tǒng)內(nèi)的水，封閉地埋管的管口。

3.2 熱物性參數(shù)的影響因素分析

不同巖土體熱物性參數(shù)大小及影響因素與測試設(shè)備儀表的精度、測試方法、數(shù)據(jù)分析模型、回填材料、巖土體類型和地下水徑流條件等相關(guān)。

測試設(shè)備中的溫度傳感器、流量計、功率計等精度和可靠性是影響試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要因素；穩(wěn)定熱流或穩(wěn)定工況測試方法，獲取的試驗數(shù)據(jù)差別較大；線熱源理論模型或圓柱熱源理論模型分析數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果各有不同；回填材料對地埋管換熱器換熱性能也有著顯著的影響，回填材料是多孔介質(zhì)，孔隙之間空氣的導(dǎo)熱率最小，因此，回填材料顆粒愈大，孔隙度愈小，導(dǎo)熱率愈大。反之，回填料顆粒愈小，孔隙愈大，導(dǎo)熱率愈小。

另外，巖石地層的導(dǎo)熱性越強，所處地下水徑流循環(huán)速度越快，試驗孔巖土體熱物性參數(shù)值就越大。

該次開展的6組熱響應(yīng)試驗采用的測試儀器，測試方法及數(shù)據(jù)分析模型相同，回填料均為中粗砂，顆粒大，導(dǎo)熱率大，且各孔回填料粒徑基本相同，可有效避免或減少因測試設(shè)備、測試方法、數(shù)據(jù)分析模型、回填材料的不同對試驗結(jié)果帶來的影響，得到巖土體真實的熱物性參數(shù)。

4 試驗方法及結(jié)果分析

4.1 試驗方法

國內(nèi)外針對巖土體熱物性測試和地埋管換熱器換熱特性測試做了大量理論研究及試驗工作，目前常用的測試方法是由Mogensen提出的熱響應(yīng)方法(TRT)。這種方法是對測試孔中的U型管施加一個恒定的熱流，通過獲取熱流的加熱功率，U型管進(jìn)出口流體溫度及流量等參數(shù)，計算巖土體熱物性參數(shù)。地埋管換熱器的熱響應(yīng)特性試驗在理論上可以歸結(jié)為在一定熱流邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題。其數(shù)學(xué)解析主要有2種模型：①基于線熱源理論的線模型；②基于圓柱熱源理論的柱模型。該次試驗所用設(shè)備設(shè)計和計算方法均采用Hart和Couvillion建立的線熱源理論數(shù)學(xué)模型[13-15]，根據(jù)該理論模型，地埋管換熱器進(jìn)出水口平均溫度值計算公式為：

(1)

式中：Tf—隨時間變化的地埋管換熱器進(jìn)出水口平均溫度(k)；Q—單孔換熱量(W)；H—垂直埋管深度(m)；λ—巖土體平均熱導(dǎo)率[W/(m·k)]；a—熱擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；t—測試時間(s)；r—鉆孔半徑(m)；γ—歐拉常數(shù)(取0.5772)；Rb—鉆孔熱阻(m·k/W)；T0—地層初始溫度(k)。

公式(1)可寫為線性形式，即：

Tf=klnt+m

(2)

(3)

(4)

單孔換熱量計算公式：

Q=G×△t/0.86

(5)

式中：Q—地埋管每小時產(chǎn)生的熱量kW；G—地埋管循環(huán)水流量(m3/h)； △t—地埋管進(jìn)出水口溫差(℃)。

根據(jù)各試驗孔的測試數(shù)據(jù)，繪制Tf隨lnt變化曲線，求取其斜率(k)，由(2)～(5)式可計算巖土體的平均熱導(dǎo)率λ和每延米換熱量。

4.2 試驗結(jié)果

熱響應(yīng)試驗加熱功率均為4kW，試驗孔地埋管換熱器進(jìn)出水口溫度隨時間變化情況見圖2。

圖2 試驗孔進(jìn)出水口溫度隨時間變化曲線圖

圖3 試驗孔擬合曲線圖

根據(jù)加熱4kW測試數(shù)據(jù)繪制Tf(進(jìn)出水口平均溫度)隨lnt的變化曲線，并選擇測試換熱穩(wěn)定狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合圖及擬合方程式見圖3。每延米換熱量(W/m)和平均熱導(dǎo)率(W/m·k)計算結(jié)果見表2。

通過對試驗孔地質(zhì)條件和試驗測試結(jié)果綜合分析，初步試驗結(jié)果表明：每延米換熱量(W/m)和平均熱導(dǎo)率(W/m·k)花崗巖>灰?guī)r>粉質(zhì)粘土、中粗砂>粉土、粉細(xì)砂。在巖溶地下水富水性強，徑流速度快的地段灰?guī)r平均熱導(dǎo)率>花崗巖。熱導(dǎo)率現(xiàn)場試驗結(jié)果與同類巖石樣品試驗室測定結(jié)果大小規(guī)律基本一致。

4.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)該次試驗測試結(jié)果和試驗孔處水文地質(zhì)條件，試驗孔每延米換熱量和平均熱導(dǎo)率存在如下特點：

表2 每延米換熱量、平均熱導(dǎo)率計算結(jié)果

(1)第四系山前沖積平原粉質(zhì)粘土、中粗砂地層每延米換熱量和平均熱導(dǎo)率大于黃河沖洪積平原粉土、粉細(xì)砂地層。

(2)低山丘陵區(qū)基巖每延米換熱量和平均熱導(dǎo)率均大于第四紀(jì)松散層，花崗巖大于灰?guī)r。

(3)相同水文地質(zhì)單元，地下水富水性強、徑流速度快的地段，鉆孔每延米換熱量和平均熱導(dǎo)率大。

5 結(jié)論及建議

(1)魯西黃河沖積平原粉土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂地層，山前沖洪積平原粉質(zhì)粘土、粘土、中細(xì)砂地層，中低山丘陵灰?guī)r和花崗巖地層，平均每延米換熱量分別為36.47W/m，37.70W/m，41.57和62.14W/m;平均熱導(dǎo)率分別為1.49W/m·k,1.93W/m·k,3.18W/m·k和2.65W/m·k。

(2)每延米換熱量和平均熱導(dǎo)率第四系山前沖洪積平原粗顆粒的粉質(zhì)粘土、中粗砂大于黃河沖洪積平原細(xì)顆粒的粉土、粉細(xì)砂；花崗巖大于灰?guī)r，灰?guī)r大于第四系松散層。熱導(dǎo)率現(xiàn)場試驗結(jié)果與同類巖石樣品試驗室測定結(jié)果大小規(guī)律基本一致，現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗測試結(jié)果可靠性強。

(3)相同水文地質(zhì)單元，地下水富水性強、徑流速度快的試驗孔每延米換熱量和平均熱導(dǎo)率大。

魯西地區(qū)不同巖性地層熱響應(yīng)試驗結(jié)果，可為該區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用工程設(shè)計、淺層地溫能調(diào)查評價和開發(fā)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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