长沙市某区浅层地埋管岩土体热响应试验性能研究

2024-02-01韦启珍周星志陈贺伟

电力勘测设计 2024年1期

韦启珍，周星志，陈贺伟

（中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙 410007）

0 引言

长沙地处夏热冬冷地区，湿度大，随着当地经济发展和生活水平提高，人们对体感舒适度要求越来越高，对冷暖需求增加，这要求城区清洁能源开发需充分利用有限空间，如绿化带、地下室以及建筑间距等空间发展地埋管地源热泵技术。而地源热泵系统一般占初投资的1/2～1/3，为降低风险成本，当应用建筑面积5 000 m2以上时[1]，需要进行岩土热响应试验，获取关键岩土体导热系数，为科学合理地设计地埋管提供重要参数[2]。长沙作为省会城市，高新技术发展重心倾向河西区，受地质构造影响，地层结构较复杂，地层岩性和地下水条件横向差异较大，不同场地热物性参数相差也大。为了准确确定垂直双U埋管热泵系统所要求的深度与数量，获得导热系数和每延米换热量等热物理量和换热效果，开展本地区热响应试验研究，如图1所示，为实施能源低碳高效利用进行相关探索。但本次研究工作，未考虑在大量钻孔换热过程中存在热干扰和长时间持续运行下取得最大值，在使用或参考时，应结合实际情况酌情折减每延米换热量。

图1 热响应试验测试点分布示意图

1 工程地质条件

研究区区域构造主要为荣湾镇—沙泥断层，该断层全长23 km，断裂沿线发育有30～50 m挤压破碎带，见有硅化、片理化及构造透镜体，断面呈波状弯曲，向南东倾斜，倾角45°～50°。

经过前期研究区内钻探和综合调绘工作，揭示地层主要有素填土层、植物层、第四系新近冲积层、第四系冲积层及残积层，下伏元古界砂岩、板岩，主要矿物成分以黏土矿物、石英及云母为主，变余结构，板状构造，具有失水易干裂、浸水易软化特性，区内纵向地层数量多，地质条件复杂，场内已实施4个钻孔地层结构，见表1所列。研究区内地下水类型为上层滞水，赋存于素填土、植物层，含水性一般，为中等透水性地层，其他各地层含水性弱,属弱透水性地层，主要接受大气降水及生活用水补给，靠侧向径流及蒸发排泄，水位随季节变化。

表1 各钻孔地层结构 m

2 测试原理及方法

地埋换热器热响应测试，最早由MOGENSEN于1983年提出。但目前普遍流行的是假设钻孔周围岩土均匀，地埋管与周围岩土换热认为是钻孔中心一根线热源与周围岩土进行换热，沿长度方向传热量忽略不计，埋管与周围岩土的换热强度维持不变的前提下，采用国内外通用的线热源模型。

地埋管换热器与周围岩土的换热可分为钻孔内传热过程和钻孔外传热过程。相比钻孔外，钻孔内的几何尺寸和热容量均很小，可以很快达到温度变化相对比较平稳的阶段，因此埋管与钻孔内的换热过程可近似为稳态换热过程。埋管中循环水温度沿流程不断变化，循环水平均温度可认为是埋管出入口水温的平均值。钻孔外可视为无限大空间，地下岩土初始温度均匀，其传热过程可认为是线热源或柱热源在无限大介质中的非稳态传热过程。在额定加热功率条件下，采用国际地源热泵协会推荐的线源模型，计算换热器进出水平均温度，其表达式如式(1)所示[3]。

式中：Tf(rb,t)代表井壁rb处随时间变化的地埋管换热器进出水平均温度，℃；ql代表单位延米地埋管换热器换热功率，W/m；λ代表岩土体平均导热系数，W/(m·K)；α代表岩土体平均热扩散系数，m2/s；t代表时间，s；rb代表钻孔半径，m；γ代表常数，0.577 2；Rb代表钻孔内热阻，(m·K) /W；T0代表岩土初始平均温度，℃。

根据式(1)，可推导出利用稳定热流测试数据计算岩土体导热系数，如式(2)～式(4)所示。

式中：m代表对曲线拟合后在y轴上截距，℃。

试验采用具有精度高、运行稳定的测试仪器进行。测试时，功率设定范围2～6 kW，流量0～2 m3/h，温度0～100℃，采用恒功率(加热)测试，记录时间间隔1 min。通过测试仪中管路与地热换热器(PE管)地下回路相接，循环泵驱动循环液在回路中循环流动，循环液经过恒功率加热器加热后流经地下回路与地下岩土进行充分换热，连续运行48 h，测试原理如图2所示，所采用钻孔尺寸与回填材料参数见表2所列。测量得到进出口循环液温度、流量、加热功率等经信号变送传至数据记录仪，供后台进行数据处理[4]。

表2 测试钻孔参数表

图2 测试示意图

3 测试分析研究

3.1 初始地温测试

本次研究采用传感器法和水温平衡法测试岩土初始平均温度：①传感器法(无负荷循环法)测地层温度是测试孔安装完成后，先在PE管内充满水，然后对钻孔进行回填，不向地埋管换热器内循环水加载冷、热量，经过48 h后，PE管内的水与岩土体温度达到平衡，此时通过在PE管内下入传感器，每间隔5 m测试孔内不同深度温度；②地埋管水温平衡法是测试孔安装完成后在PE管内充满水静置48 h，PE管内的水与岩土体的温度达到平衡，通过水泵循环将管内的水泵出，同时监测水温的变化，通过管内水的温度分析岩土体温度。当进出口温度保持稳定不变或变化范围在传感器精度之内，取其平均值作为岩土体初始温度。

通过测试各孔不同深度温度，形成了图3、图4各钻孔温度剖面及岩土平均温度折线图，以测试地面为相对±0.0 m，测试期间考虑外部因素影响，从图形上看：ZK1～ZK4从地表以下至深度5～35 m 范围温度出现幅度较大波动，主要受太阳辐射及气候变化影响；5～50 m温度较为稳定，为恒温带，纵向深度变化较大，主要受地形高差及岩层变化影响；其下为增温带，增温带地温稳定上升，从18.3℃上升至19.7℃不等，增温段平均温度为18.5～19.5℃，全井段地温梯度每100 m约为0.83～2.17℃。从各钻孔实测地测数据总体来看，呈现一定规律性，上部恒温层厚度受覆盖层影响较小，主要受地下水位及基岩面影响较大，随着地下水位埋深增加，恒温层厚度也随之增大；在地下水位同条件下，恒温层厚度几乎不变。而地温增温率ZK1与ZK4接近、ZK2与ZK3接近，但两者相差较大，除直接受地下水位影响外，两者差异较大的次影响因素为强风化层风化界面厚度差别大、矿物成份有差异。

图3 点测温法测试钻孔温度剖面图

图4 岩土平均温度测试

为进一步确定初始地温，对钻孔埋管进行水泵循环，将管内水泵出，进行初始平均地温的测定。ZK1进出口水温在1 h内保持稳定，测试进出口温度基本稳定在19.4℃；ZK2进出口温度基本稳定在19.2℃；ZK3进出口温度基本稳定在18.5℃；ZK4进出口温度基本稳定在19.6℃。通过这2种方式对比，2次初始地温差值除ZK2外，均不超过1℃，初始地温相对比较符合长沙城区地温总体规律，尽管2种测试方法均有效，但从过程控制、测试便捷性及研究方法上，本次采用传感器法(无负荷循环法)。

3.2 热响应测试

利用测试设备向地埋管换热器提供恒定热流，稳定输入功率为5～6 kW[5]，对不同钻孔进行流量控制，流量变化段在0.85～0.9 m3/h和1.55～1.80 m3/h，通过监测地埋管换热器进、出水温度变化和记录流量数据，双比不同钻孔测试数据，分析评价岩土体平均(综合)导热系数。

根据线热源理论，将热响应测试地埋管换热器进出水平均温度数据做成对数曲线图，并通过曲线拟合结果计算系数k和岩土体导热系数λ。

通过图5、图6分析计算，ZK1曲线斜率k系数2.64；换热器平均换热功率ql=6.46 kW，岩土体导热系数λ为1.95 W/(m·K)，钻孔热阻为0.20(m·K)/W。ZK2曲线斜率k系数2.73；换热器平均换热功率ql=6.51 kW，岩土体导热系数λ为1.90W/(m·K)，钻孔热阻为0.20 (m·K)/W。ZK3曲线斜率k系数2.28；换热器平均换热功率ql=5.10 kW，岩土体导热系数λ为1.78W/(m·K)，钻孔热阻为0.23 (m·K)/W。ZK4曲线斜率k系数1.79；换热器平均换热功率ql=5.21 kW，岩土体导热系数λ为1.86 W/(m·K)，钻孔热阻为0.18(m·K)/W，详细计算结果见表3所列。

表3 测试计算结果表

图5 测试孔热响应地埋管循环水进出孔温度曲线图

图6 测试孔热响应试验数据拟合处理

图7 室内热物性参数测试

测试结果，岩土平均温度为18～20℃，热物性值低于2.0 W/(m·K)，说明地下岩土体的换热性能一般。但根据钻井情况揭示，上层滞水埋深最大约40 m，这有利于增强换热和长期换热性能稳定。

3.3 热物性测试

对土样热物性参数测试采用线热源模型，在额定加热功率的条件下，当探针外传热可视为以探针壁为柱面热源的无限大介质中的非稳态热传导时，其传热控制方程、初始条件和边界条件分别为：

式(5)～式(8)中：db代表探针直径，m；cs代表探针周围岩土体的平均比热容，J/(kg·℃)；T代表孔周围土体温度，℃；Tff代表无穷远处土体温度，℃；ρs代表岩土体的平均密度，kg/m3；t为时间，s。

对岩芯的热物性测试基于瞬态的测试理论，相比稳态的测试方法，可大大降低测试时间。瞬态的测试原理是根据经典物理学拉普拉斯变换，在无限的均匀介质中，与线热源相距r处的点的温度随时间的变化规律为：

式中：ql代表单位时间单位长度热源提供的热量；λ代表岩土体平均导热系数，W/(m·K)。

本次研究采取20组岩土样品，采用仪器ISOMET2114进行岩土热物性测试，详细测试成果见表4所列，得到不同深度岩土材料的导热系数、体积比热容、热扩散系数等参数。结合表1各地层结构分析，上部38.6 m以内，主要是第四系较松散地层，导热系数一般较小，下伏基岩较完整，孔隙被充填，导热系数有明显提高，从所取试样发现，导热系数基本不变，与热响应测试成果吻合。