上海地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)巖土熱物性參數(shù)測試分析

金宗川

（上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200093）

地源熱泵所利用的是地表淺層熱能，主要來自于地下水或者土壤中所蘊(yùn)涵的熱能，通過輸入少量的高位能源（如電能）將低溫位能向高溫位能轉(zhuǎn)移或高溫位能向低溫位能轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。

上海市地下水位高，屬典型的飽和軟土地區(qū)，淺層約130m深度范圍內(nèi)的地基土主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成，地下巖土層溫度場平均地溫保持在16～20℃左右，其蘊(yùn)藏的地?zé)豳Y源相對較為豐富。地源熱泵系統(tǒng)主要通過循環(huán)介質(zhì)在封閉的地埋管中流動(dòng)，以利用地下土水中儲存的熱能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的熱能交換，以利用地下清潔能源。

巖土體熱物性參數(shù)是地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，一般可利用簡化模型數(shù)值計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)估計(jì)及熱、冷響應(yīng)試驗(yàn)獲得。由于地下巖土體的復(fù)雜性，不同巖土體的熱物性參數(shù)相差較大。目前國內(nèi)外巖土體熱物性參數(shù)測試應(yīng)用較多的方法是恒熱流法（恒定功率）及恒溫法（恒定溫度）模擬夏季、冬季工況進(jìn)行原型試驗(yàn)，以得到較為可靠的巖土體熱物性參數(shù)。

上海地下溫度場沿深度有一定的變化，受不同區(qū)域地層組合的影響，地?zé)豳Y源的利用有一定的差別。在飽和深厚的軟土條件下采用單U、雙U，串聯(lián)、并聯(lián)的地埋管選型和埋設(shè)方式對換熱性能也有一定的影響。對熱物性測試參數(shù)的合理分析和利用，對指導(dǎo)地源熱泵設(shè)計(jì)和提高地?zé)?/p>

利用效率具有重要意義。

1 測試原理

地埋管地源熱泵系統(tǒng)的換熱是一個(gè)三維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，計(jì)算過程十分復(fù)雜。而實(shí)際工程中較多采用簡化了的線熱源模型。假定鉆井處于不受熱擾動(dòng)影響的溫度場內(nèi)，且經(jīng)過一定的時(shí)間，可得到鉆井散出熱量的熱擴(kuò)散率，則可用簡化了的線熱源公式計(jì)算土壤導(dǎo)熱系數(shù)，通過測量溫度、流量進(jìn)行反向推算土壤傳熱性能。其基本原理如下[1-2]：

式中，E1為指數(shù)積分，實(shí)際測試中 相對于r往往很小，故t可近似為：

其中歐拉常數(shù)r= 0.5772。

測量土壤熱交換器中流體的溫度，得到流體和鉆孔壁面溫度的關(guān)系式：

故流體溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)式可以寫為：

通過計(jì)算溫度與自然對數(shù)時(shí)間曲線的斜率 可以得到溫度的響應(yīng)規(guī)律：

其中Tf為管內(nèi)水的平均溫度，℃；Tb為鉆孔壁面溫度，℃；T0為巖土初始溫度，℃；r為鉆井半徑，m；H為鉆井深度，m；Rb為熱阻，m·K/W；a為熱擴(kuò)散率，m2/s；t為測試時(shí)間，s；Q為換熱功率，W。

其中C為常溫下水的比熱容，為4.1868 kJ/kg·℃；G為地埋管內(nèi)水的流量，m3/s；ρ為循環(huán)液的密度，水的密度為1000 kg/m3；ΔT為進(jìn)出水溫差，℃。

2 測試方法簡述

利用上述測試原理，按圖1所示的地源熱泵測試系統(tǒng)流程圖，選用相應(yīng)的測試設(shè)備并進(jìn)行地埋管原型地源熱泵熱物性參數(shù)的測試工作。

圖1 地源熱泵測試系統(tǒng)流程圖Fig.1 Chart of ground source heat pump test system

地源熱泵地埋管周邊回填材料主要采用膨潤土與水泥混合物孔底壓漿封填，上部采用黃沙人工回填。循環(huán)系統(tǒng)采用水作為流動(dòng)介質(zhì)。模擬冬、夏兩季的原型地源熱泵測試工作在埋管安裝完畢至少48小時(shí)后進(jìn)行，兩次試驗(yàn)間隔48小時(shí)以上。

模擬夏季空調(diào)制冷試驗(yàn)時(shí)，采用恒熱流法（恒定功率）熱響應(yīng)測試，通過控制加熱量、水壓力及水流量，保持加熱功率恒定，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后的溫度控制在35～37℃左右，流速控制在0.5～0.7m/s，連續(xù)測試時(shí)間不少于48小時(shí)。

模擬冬季空調(diào)制熱試驗(yàn)時(shí)，采用恒溫法（恒定溫度）冷響應(yīng)測試，通過壓縮機(jī)制冷和冰塊輔助制冷，控制進(jìn)水溫度保持在5～7℃左右，流速控制在0.5～0.7m/s，并連續(xù)測試，直至進(jìn)出水溫差達(dá)到穩(wěn)定，連續(xù)測試時(shí)間不少于48小時(shí)。

3 地下溫度場的測量分析

對地下巖土體初始平均溫度的測量采用外置鉑電阻溫度傳感器，溫度誤差控制在±0.1℃，傳感器和導(dǎo)線按深度定位綁固在地埋管的外壁表面，通過在預(yù)定深度埋設(shè)溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對地下巖土體任意深度的溫度測量，同時(shí)可以對后期系統(tǒng)運(yùn)行期間的溫度場進(jìn)行監(jiān)控。

統(tǒng)計(jì)上海地區(qū)多個(gè)地源熱泵測試的巖土體初始溫度測試結(jié)果，其隨深度分布散點(diǎn)圖見圖2。

從圖2分析，地下巖土體初始溫度隨深度具有線性增加趨勢，在不同深度段呈現(xiàn)不同特點(diǎn)：

（1）地下約0～4m深度段受太陽輻射、大氣溫度和人工活動(dòng)影響較明顯，平均溫度約為16～18℃，24小時(shí)測試周期內(nèi)有一定的溫度變化，一年四季受氣候變化也有溫度變化。

圖2 巖土體初始溫度隨深度分布散點(diǎn)圖Fig.2 The distribution plot of temperature of underground with depth

（2）地下4～30m深度段，地下年平均溫度基本保持為17～18℃，受外熱層和深部地?zé)釋佑绊懀瑤r土體平均溫度具有一定的離散性。

（3）地下30m以下深度，巖土體溫度達(dá)18～20℃，由于其熱能基本來自地球內(nèi)部，隨著深度增加，溫度逐漸升高。

通過對地下巖土體初始溫度和溫度場的實(shí)際測試分析，對其主要影響因素有如下討論：

（1）測試誤差：巖土體初始平均溫度測試對地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要，其測量結(jié)果受測試儀器精度、測讀誤差等影響。地下巖土體溫度在一個(gè)測試周期內(nèi)，是一個(gè)相對穩(wěn)定值，在測試中對于數(shù)據(jù)變化幅度較大的測溫點(diǎn)，應(yīng)分析其可能受到的場地及周邊環(huán)境的影響，剔除場地內(nèi)或周邊短時(shí)間異常情況的影響，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確。

（2）地下水流動(dòng)：地下水的流動(dòng)可以改變周圍土體的溫度場。在上海地區(qū)地下水土處于飽和狀態(tài)，在周圍無人工引起的水力坡降情況下，一般可不考慮地下水的徑向流動(dòng)，相應(yīng)對地埋管周邊溫度場無影響。但在受周邊工程降水、地下水水力聯(lián)系影響下，其對地埋管周邊溫度場有一定的影響。

（3）地埋管周邊溫度場：在某工程的地源熱泵測試過程中，在距離試驗(yàn)地埋管1m、3m處分別設(shè)置監(jiān)測孔T2和T3，并分別在8m、40m深度處埋設(shè)溫度傳感器，監(jiān)測地源熱泵地埋管在試驗(yàn)放熱、吸熱過程中巖土體的溫度場變化情況，測試結(jié)果見圖3。

地埋管在48小時(shí)放熱、吸熱過程中監(jiān)測點(diǎn)的溫度基本保持恒定，地下巖土體的溫度場并沒有變化，主要原因是本次單孔測試放熱量、吸熱量小，且運(yùn)行時(shí)間相對于地源熱泵系統(tǒng)后期常年運(yùn)行而言相對較短。根據(jù)已有研究成果，在經(jīng)過地源熱泵長期放熱和吸熱情況下，地下溫度場會發(fā)生一定的改變。長期間歇運(yùn)行的豎直地埋管的熱干擾距離一般在3m左右，當(dāng)?shù)芈窆荛g距達(dá)到6m時(shí)，基本已無熱干擾影響。

圖3 地埋管放熱(a)與吸熱(b)過程中溫度場的變化Fig.3 The variation curves of temperature during heat (a)and cold (b) release process of buried pipes

4 土層結(jié)構(gòu)及性質(zhì)對換熱性能的影響

研究表明：土層結(jié)構(gòu)和含水性能對地埋管換熱性能具有直接影響。根據(jù)不同土層結(jié)構(gòu)和含水量的導(dǎo)熱系數(shù)測定，一般飽和的砂土導(dǎo)熱性能要高于干燥的砂土，含水量高的黏性土導(dǎo)熱性能要高于含水量低的黏性土，顆粒粗的砂土導(dǎo)熱性能要高于顆粒細(xì)的砂土，因此不同的地層組成和含水量對測試結(jié)果影響較大，往往不同地區(qū)的測試結(jié)果差異反映了不同地區(qū)的土層結(jié)構(gòu)和含水性能差異。

上海地區(qū)考慮地埋管成孔、埋設(shè)、經(jīng)濟(jì)性等因素，地源熱泵的利用深度一般在80～120m左右，在此深度范圍內(nèi)地層組成根據(jù)其土層特點(diǎn)、成因類型、土層性質(zhì)等分成兩個(gè)地質(zhì)分區(qū)：即正常地層沉積區(qū)和古河道地層沉積區(qū)，兩種分區(qū)的標(biāo)志土層是有無第⑥層暗綠色粘性土分布。研究兩種地質(zhì)分區(qū)地源熱泵換熱性能還在于不同分區(qū)土層結(jié)構(gòu)、土層性質(zhì)對換熱性能的影響。

圖4所示是正常地層沉積區(qū)和古河道地層沉積區(qū)的兩種典型代表土層。對正常地層沉積區(qū)130m地埋管深度范圍內(nèi)飽和粘性土厚度為28m，飽和粉（砂）土厚度為102m，土層導(dǎo)熱系數(shù)的當(dāng)量值為1.662W/m·K。對古河道地層沉積區(qū)106m地埋管深度范圍內(nèi)飽和黏性土厚度50m，飽和粉（砂）土厚度為56m，土層導(dǎo)熱系數(shù)的當(dāng)量值為1.595W/m·K。

正常地層分區(qū)和古河道分區(qū)的地層組成主要區(qū)別在于飽和黏性土和飽和粉（砂）性土在全孔深度上的占比不同，相應(yīng)全孔深度的導(dǎo)熱系數(shù)當(dāng)量值也有所差別。但由于上海地區(qū)自上而下土層基本處于飽和狀態(tài)，飽和黏性土隨含水量增加、孔隙比變大情況下土層導(dǎo)熱系數(shù)的變化并不明顯，飽和粉（砂）性土隨含水量增加、孔隙比變大情況下土層導(dǎo)熱系數(shù)稍有增大的趨勢。

表1中相對應(yīng)上述兩種不同分區(qū)的I2、I6工程實(shí)測單U地埋管地源熱泵測試單位延米換熱能力分別為64W/m和64.6W/m，兩者差別不大，說明在上海地區(qū)雖然不同地質(zhì)分區(qū)土層組成、土性差異，但由于地下土層豐富地下水的存在使地源熱泵測試單位延米換熱能力的影響并不顯著。

5 地埋管埋設(shè)及選型對換熱性能影響

地埋管是地源熱泵利用地?zé)豳Y源主要采用的技術(shù)手段，是地源熱泵設(shè)計(jì)的重要組成部分，也是設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的因素。目前地埋管主要采用聚乙烯管（PE100），管外徑一般在Φ25～Φ32mm，分單U和雙U地埋管類型，雙U情況下分串聯(lián)和并聯(lián)兩種類型（圖5）。

圖5 地埋管示意圖Fig.5 Sketch map of buried pipe

將上海地區(qū)完成的多個(gè)工程地埋管地源熱泵測試成果匯總?cè)绫?所示。

5.1 單U和雙U的選型分析

表1中I2工程對比測試了單U和雙U兩種地埋管類型地源熱泵換熱參數(shù)，測試孔1＃及2＃距離6m，地層組成一致，埋設(shè)方法相同。對1?？准??？走M(jìn)行了熱性能測試，測試曲線見圖6。試驗(yàn)計(jì)算得到127m深的單U、雙U型地埋管每米孔深的平均換熱能力分別為64.0W/m、73.7W/m。

表1 地埋管換熱性能測試成果匯總表Table 1 Summary of the test results of the heat transfer performance of the buried pipe

圖6 放熱過程進(jìn)出水溫度曲線Fig.6 The curves of inlet and outlet temperature during exothermic process in single U pipe (a) and double U pipe (b)

在相同的鉆孔深度、地層組成情況下，由于雙U型管增加了孔內(nèi)的傳熱面積，使孔內(nèi)傳熱熱阻降低，導(dǎo)熱系數(shù)增大，根據(jù)本次實(shí)測雙U型DN32管導(dǎo)熱系數(shù)比單U型DN32管大27.9%。同一測試條件下，雙U管較單U管單位管長換熱能力提高約15%左右。

對比相同測試條件下的多個(gè)工程雙U、單U管的測試成果，雖然雙U管得到相對較高的單位管長的換熱能力，一般提高約10%～15%左右，但是相應(yīng)增加了較多的管材，同時(shí)成孔成本和埋設(shè)難度增加，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能上沒有非常明顯的優(yōu)勢。

5.2 地埋管不同規(guī)格的影響

表1中Ⅱ3工程對比相同地層、相同測試條件下DN32單U管較DN25單U管的換熱性能，理論上管徑大增加了孔內(nèi)的傳熱面積，使孔內(nèi)傳熱熱阻降低，根據(jù)計(jì)算單U型DN32管傳熱面積比單U型DN25管大21.5%，測試結(jié)果單位管長換熱能力提高約5～10%左右。增加地埋管的換熱面積提高其單位管長換熱能力是地源熱泵設(shè)計(jì)提高地?zé)崂玫囊环N方法。

5.3 地埋管的埋設(shè)深度影響

表1中多個(gè)工程在地層組成類似，地埋管選型相同情況下，地埋管的埋深不同，對比其地源熱泵的換熱性能測試結(jié)果，一般地埋管埋深越大，相應(yīng)平均單位孔深的換熱能力越大，主要原因：上海地區(qū)深部（約70～130m）土層以第⑨、⑩、⑾層密實(shí)砂土和硬塑粘性土為主，相應(yīng)土層導(dǎo)熱系數(shù)高，換熱能力強(qiáng)。另外地埋管埋設(shè)深度增加了換熱介質(zhì)在地埋管中流動(dòng)時(shí)間，提高了換熱能力。

地埋管的埋設(shè)深度受不同地區(qū)土層差異、施工工藝、施工效率和成本限制，上海軟土地區(qū)一般地埋管埋設(shè)深度在80～110m左右較為合理。

6 結(jié)論

地源熱泵熱物性參數(shù)主要通過恒熱流法熱響應(yīng)及恒溫法冷響應(yīng)測試得到，本文通過對上海地區(qū)多個(gè)工程的地源熱泵熱物性參數(shù)測試結(jié)果，結(jié)合上海地區(qū)土層構(gòu)成、土性特點(diǎn)、地下水條件、地埋管選型等進(jìn)行對比分析，對指導(dǎo)地源熱泵設(shè)計(jì)和地?zé)豳Y源有效利用具有重要的指導(dǎo)意義。

上海地區(qū)蘊(yùn)藏的地?zé)豳Y源較為豐富，在0～120m深度范圍地下巖土體初始溫度在16～20℃，隨深度具有線性增加趨勢，在不同深度段受太陽輻射和深部地?zé)嵊绊懗尸F(xiàn)分層特點(diǎn)。地下巖土層的溫度場受周邊人工降水、水力聯(lián)系等影響，地埋管地源熱泵長期運(yùn)行情況下會引起地下巖土層周邊溫度場的改變。

上海是典型的飽和軟土地區(qū)，分正常地層和古河道地層沉積區(qū)，不同地質(zhì)分區(qū)內(nèi)土層結(jié)構(gòu)、土層性質(zhì)不同其導(dǎo)熱系數(shù)也不同。但由于上海地區(qū)自上而下土層基本處于飽和狀態(tài)，飽和黏性土、粉（砂）性土隨含水量增加、孔隙比變大情況下土層導(dǎo)熱系數(shù)的變化并不明顯。地下土層豐富地下水的存在使不同地質(zhì)分區(qū)地源熱泵測試單位延米換熱能力的差別不明顯。

在飽和深厚的軟土條件下，根據(jù)多個(gè)工程的地源熱泵測試結(jié)果對比分析：相同測試條件下的雙U、單U管的測試成果，單位管長的換熱能力提高約10%～15%左右。相同測試條件下DN32單U管較DN25單U管的換熱性能，單位管長換熱能力提高約5%～10%左右。上海地區(qū)采用單U或雙U并聯(lián)，埋深80～110m左右的地埋管較為經(jīng)濟(jì)合理。