不同巖性條件下垂直地埋管熱響應(yīng)測試對比與分析

吳佃亮 周波 張學(xué)斌 聶玉朋 劉自寬 王濤 畢棟威 何召永 魏海紅

摘要：近年來，山東省在魯西北、魯中南及魯東地層區(qū)開展了大量的垂直地埋管熱響應(yīng)測試工作，獲取了大量地埋管換熱器巖土熱物性參數(shù)，為開展不同巖性條件下地埋管換熱器換熱特性的對比分析提供了基礎(chǔ)型數(shù)據(jù)支撐。針對山東省主要地層條件，為全面比較分析不同巖類條件下地埋管換熱器換熱特性方面的差異，本次選取同等深度、孔徑及垂直換熱器型號的沂源縣、聊城市及日照市測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。由于當(dāng)時的現(xiàn)場熱響應(yīng)測試只對巖土體的初始地溫及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測試，根據(jù)換熱模型得出夏季單孔換熱量，因此，本篇文章對巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)及夏季換熱量進(jìn)行對比分析，根據(jù)測試數(shù)據(jù)得出不同巖性熱物性參數(shù)差異。根據(jù)已有的測試數(shù)據(jù)，基巖地質(zhì)對比碎屑、第四系松散巖類，因其所具有的高熱擴(kuò)散性對地埋管換熱器換熱效果有促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；地埋管換熱器；熱響應(yīng)試驗；熱物性參數(shù)

1.引言

地源熱泵具有節(jié)能、環(huán)保、無污染，節(jié)省建筑面積，經(jīng)濟(jì)效益高，使用壽命長等優(yōu)勢，越來越受到各級政府及市場的重視，巖土體熱物性特征作為地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)性依據(jù)，其科學(xué)性、準(zhǔn)確性及合理性關(guān)系到地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效能。因此，科學(xué)掌握巖土體的熱物性特征，選取科學(xué)合理的參數(shù)對地源熱泵工程的建設(shè)具有非常重要的意義。巖土體的熱物性特征受氣候條件、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、水文地質(zhì)條件等綜合影響，不同巖性條件下表現(xiàn)特征各異。目前，現(xiàn)場熱響應(yīng)測試作為獲取巖土體熱物性參數(shù)及地埋管換熱能力的主要技術(shù)手段，山東省近年來在第四系松散巖類區(qū)、碳酸鹽巖類區(qū)、花崗巖類區(qū)開展了較多理論與實驗工作，基于上述背景，本文選取部分?jǐn)?shù)據(jù)著重對上述巖類地區(qū)的巖土熱物性參數(shù)及地埋管換熱能力開展對比與分析，分析主要影響因素，旨在對山東省具有相同巖性地層條件下的地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化提供一定的參考。

2.測試孔成孔條件分析

2.1鉆孔地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析

本次選取山東聊城、沂源、日照的3眼垂直地埋管換熱孔熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)作為研究對象，將上述鉆孔的編號依次命名為Y1、Y2、Y3，以上3組鉆孔成孔深度120m，孔徑150mm。

Y1測試孔地處山東省西部、地貌類型為黃泛沖積平原，地勢平坦，測試孔深度120m，巖性為第四系松散巖類，以粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂為主，地層厚度大于120m，地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水，主要含水層為粉砂、粉細(xì)砂，含水層厚度21m，涌水量約500m3/d～1000m3/d。

Y2測試孔地處山東省中南部，沂源縣悅莊鎮(zhèn)西，深度120m，沂源縣的南部，地處地形低洼的溝谷地帶，地勢較低，巖性以砂、泥沙巖、頁巖夾薄層灰?guī)r為主，局部含礫石層，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，地下水類型主要為碎屑巖類裂隙水，裂隙含水層，水量很小，單井涌水量<100m3/d。

Y3測試孔地處山東省東南部，日照市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)奎山街道相家臺村北，深度120m，測試孔西側(cè)為黃海，地形為微弱切割強(qiáng)剝蝕丘陵區(qū)，地勢較高，巖性主要為不同時期的花崗巖、變質(zhì)巖等，局部風(fēng)化裂隙較發(fā)育，地下水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙中，涌水量受區(qū)內(nèi)風(fēng)化帶厚度影響較大。

2.2鉆孔成孔工藝分析

測試孔的成孔工藝對地埋管換熱能力具有重要影響，測試孔的成孔工藝主要包括測試孔的鉆探、地埋管換熱器的安裝、礫料回填等，根據(jù)地層結(jié)構(gòu)地埋管換熱孔的鉆探工藝各不相同。見表1。

3.現(xiàn)場熱響應(yīng)測試原理

試驗巖土體平均地溫測試采用無功循環(huán)法，其原理是在不向地埋管換熱器加載冷、熱量的情況下，使水在地埋管內(nèi)形成循環(huán)，循環(huán)時間不少于24h，在循環(huán)水的溫度達(dá)到穩(wěn)定時（1h內(nèi)溫度變化不超過0.3℃，并且穩(wěn)定時間不少于12h），認(rèn)為循環(huán)水與巖土體達(dá)到熱平衡，認(rèn)定該溫度即為巖土初始平均溫度。

巖土體導(dǎo)熱系數(shù)試驗采用穩(wěn)定熱功率法，其試驗原理是通過設(shè)置電加熱器加熱功率的方式（加熱功率設(shè)置為6kW）對地埋管內(nèi)的水體加載熱量，使水體在地埋管內(nèi)形成循環(huán)，時間不少于48h，在循環(huán)水溫度達(dá)到穩(wěn)定時（1h內(nèi)溫度變化不超過0.5℃，并且穩(wěn)定時間不少于24h），認(rèn)為此時循環(huán)水與巖土體達(dá)到熱平衡，利用穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)計算出巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)。

4.數(shù)據(jù)處理與分析

利用測試儀器的數(shù)據(jù)軟件實時采集地埋管進(jìn)出口水溫、循環(huán)水流量、測試功率、電流、電壓等數(shù)據(jù)，利用采集數(shù)據(jù)可計算出不同時刻的進(jìn)出口水溫溫差、進(jìn)出口水溫平均溫度、排熱量等數(shù)據(jù)。

4.1初始地溫數(shù)據(jù)分析

通過無功循環(huán)方法測定測試孔的初始地溫，測試時將地埋管進(jìn)水出水管路接入設(shè)備外接水管，通過設(shè)備內(nèi)的循環(huán)水泵，將管內(nèi)的水在設(shè)備水管與地埋管內(nèi)循環(huán)流動，水流循環(huán)24h后，通過專用數(shù)據(jù)分析軟件對地埋管回水溫度進(jìn)行分析，見表2。

由表2測試數(shù)據(jù)可知，初始地溫由大到小為Y1、Y3、Y2，其中Y1巖性為第四系松散巖類，導(dǎo)熱能力差，熱儲能力相應(yīng)好，初始溫度要明顯高于基巖地區(qū)。Y2巖性為碎屑巖類相比于Y3基巖類初始溫度略低，主要考慮碎屑巖類地區(qū)由于巖石風(fēng)化裂隙較發(fā)育，水流條件好于基巖地區(qū)，儲熱能力略差，相應(yīng)的初始溫度低。

4.2穩(wěn)定功率測試數(shù)據(jù)分析

在穩(wěn)定功率的情況下，通過對循環(huán)液加熱，并持續(xù)不斷地向測試孔內(nèi)釋放熱量，測試鉆孔的導(dǎo)熱能力，測試時將地埋管換熱器的進(jìn)出水口接入測試設(shè)備的進(jìn)出水口，循環(huán)液流經(jīng)設(shè)備內(nèi)的加熱器，提高循環(huán)液溫度，通過依據(jù)儀器上安裝的數(shù)據(jù)采集軟件實時采集的地埋管進(jìn)出口水溫、循環(huán)水流量等數(shù)據(jù)，計算出不同時刻的進(jìn)出口水溫溫差、進(jìn)出口水溫平均溫度、排熱量等數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，如表3所示。

以上數(shù)據(jù)反映Y1測試孔地埋管進(jìn)回水溫度最高，主要是第四系松散巖類導(dǎo)熱效果與基巖相比較差，熱擴(kuò)散慢，儲熱好，溫差也相對較小，Y2相較于Y3溫差稍低，主要是碎屑巖類地區(qū)巖石風(fēng)化裂隙較發(fā)育，水流條件好于基巖地區(qū)，溫差低于基巖地區(qū)；Y3地埋管進(jìn)回水溫度明顯較低，但是其進(jìn)回水溫差明顯較高，是因為巖石熱擴(kuò)散性較好，熱交換能力較好。

利用線性傳熱模型，用曲線擬合法，可算出導(dǎo)熱系數(shù)λ。

由表4可知，聊城擬合公式中，斜率m =2.1518，截距b=2.5016，結(jié)合公式（5），可以計算出聊城測試孔巖土導(dǎo)熱系數(shù)為λ1=1.72W/（m·℃），同理，結(jié)合表5中沂源和日照的擬合公式，可以得出其巖土導(dǎo)熱系數(shù)分別為：沂源λ2=2.23W/（m·℃），日照λ3=2.69W/（m·℃）。

5.結(jié)果分析

（1）第四系松散巖類地區(qū)，巖性導(dǎo)熱系數(shù)相較于基巖地區(qū)低，熱擴(kuò)散能力小，熱阻大，熱交換速度慢，但儲熱條件好，初始地溫高，地埋管回水溫度高，進(jìn)回水溫差小。

（2）碎屑巖類地區(qū)，由于巖石風(fēng)化裂隙較發(fā)育，水流條件好于第四系松散巖類與基巖地區(qū)，導(dǎo)熱系數(shù)高于第四系松散巖類地區(qū)，溫差低于基巖地區(qū)。

（3）基巖地區(qū)巖石導(dǎo)熱系數(shù)較高，熱阻低，具有高熱擴(kuò)散性，換熱效率較高，換熱速度較快，這對地埋管換熱器的換熱起到積極作用。

（4）測試孔測試達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，換熱效果主要受巖土初始溫度影響，但后期穩(wěn)定階段，主要影響地埋管換熱器換熱能力的是巖土導(dǎo)熱系數(shù)和鉆孔熱阻。巖土導(dǎo)熱系數(shù)越大，鉆孔熱阻越小，進(jìn)出口溫差就越大。

（5）現(xiàn)場熱響應(yīng)測試條件是一定的，有條件的，本次測試工作是在特定的測試條件下進(jìn)行的，如果后期改變測試條件，排熱工況下單位孔深換熱量是不相同的，所以設(shè)計單位不能簡單地把單位孔深換熱量作為設(shè)計依據(jù)應(yīng)用于地下?lián)Q熱系統(tǒng)設(shè)計中。

6.結(jié)論

（1）對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，得到聊城（Y1）測試孔巖土導(dǎo)熱系數(shù)1.72W/（m·℃），單位孔深換熱量49.1W/m；沂源（Y2）測試孔巖土導(dǎo)熱系數(shù)2.23W/（m·℃），單位孔深換熱量53.9W/m；日照（Y3）測試孔巖土導(dǎo)熱系數(shù)2.69W/（m·℃），單位孔深換熱量61.8W/m。

（2）基巖地質(zhì)條件一般具有較高的熱擴(kuò)散性，導(dǎo)熱系數(shù)較高，單孔換熱能能力強(qiáng)，對地埋干換熱器換熱效果有促進(jìn)作用，適宜在基巖地區(qū)建設(shè)地源熱泵工程。

（3）地埋管換熱器換熱效果主要受不同巖性的導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）影響。

（4）地源熱泵工程的設(shè)計與建設(shè)應(yīng)結(jié)合建筑物的使用條件進(jìn)行綜合分析，科學(xué)合理選用巖土熱物性參數(shù)，確保地源熱泵工程具有高效的運(yùn)行效果。

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