莊樹裕

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福建福州 350000)

碳酸鹽地區(qū)巖土熱物性測試分析

莊樹裕

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福建福州 350000)

通過現(xiàn)場巖土熱物性測試試驗，測試研究了雙U形豎直埋管與樁基螺旋盤管兩種類型換熱器在碳酸鹽巖地區(qū)的換熱能力，并對測試結(jié)果進行了對比分析，指出兩者結(jié)合更有利于地源熱泵技術(shù)在碳酸鹽地區(qū)的推廣與應(yīng)用。

巖土熱物性參數(shù)，導熱系數(shù)，雙U形豎直埋管，樁基螺旋盤管

0 引言

地源熱泵技術(shù)［1］是一種開發(fā)利用中低溫地熱資源的有效方法，具有低耗高效、綠色環(huán)保及可再生利用地熱資源的特點，是21世紀最有發(fā)展前景的50項高新技術(shù)之一，在歐、美和日本等發(fā)達國家早已廣泛推廣，在國內(nèi)也成為空調(diào)行業(yè)研究的熱點。我國地源熱泵系統(tǒng)在京津冀遼等華北和東北部地區(qū)運行效果良好，已獲得較廣泛推廣。目前，地源熱泵技術(shù)在地層以碳酸鹽巖為主的地區(qū)的研究與應(yīng)用，還沒有參考案例，國內(nèi)有關(guān)此方面的資料甚少，從而影響該技術(shù)在該地區(qū)應(yīng)用推廣。

1 測試的環(huán)境

研究區(qū)域現(xiàn)場巖層為單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀為傾向241°，傾角68°，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)白云巖。場地出露地層為第四系填土、紅粘土。場地地下水主要為大氣降水向下滲漏在上部土層中形成的上層滯水以及基巖裂隙水，地下水水量不豐富。

2 測試試驗原理

淺層巖土熱物性原位測試儀［2］的工作原理：在將要埋設(shè)地熱換熱器的現(xiàn)場進行鉆孔，測試井深與實際工程設(shè)計井深一致，在鉆孔中埋設(shè)地下熱交換器并按設(shè)計要求回填。測試時，地下埋管換熱器和測試儀的循環(huán)管道相連形成封閉的管路，然后啟動加熱設(shè)備連續(xù)運行數(shù)十小時，利用溫度、流量等各種傳感器測量管路中不同位置循環(huán)流體的溫度、流量以及加熱器、水泵和設(shè)備總功率，得到傳熱模型所需數(shù)據(jù)，利用傳熱模型對數(shù)據(jù)進行處理，得到巖土熱物性參數(shù)，繼而對地埋管進行換熱計算，達到測試目的。測試儀結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

測試儀外觀如圖2所示。

3 巖土熱物性測試結(jié)果

3．1 大地初始溫度

在測試初始階段，首先對大地原始溫度進行測試，開啟水泵循環(huán)直到測試流體的進出水溫度趨于恒定，該溫度值即為地下?lián)Q熱器埋深范圍內(nèi)的巖土層的原始平均溫度［3］。測試得出樁基埋管地下?lián)Q熱器埋深范圍內(nèi)的巖土層的原始平均溫度為22．1℃，如圖3所示。雙U埋管地下?lián)Q熱器埋深范圍內(nèi)的巖土層的原始平均溫度為20．6℃，如圖4所示。

圖1 測試儀結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 測試儀

3．2 巖土導熱系數(shù)

開啟電加熱后，初期供回水溫差變大，當運行24 h以后，進出井口的水溫溫差逐漸趨于穩(wěn)定，地下熱交換器和土壤的熱交換基本達到平衡［4］。整個測試情況如圖5，圖6所示。

圖3 樁基螺旋盤管換熱器周圍巖土溫度曲線

圖4 雙U豎直換熱器周圍巖土溫度曲線

圖5 樁基埋管

圖6 雙U埋管

開始加熱流體時，地下溫度開始變化較快;隨著加熱時間的增加，地下溫度變化趨于平穩(wěn)，流體與巖土層的換熱近似達到平衡。整個溫度曲線無明顯波動、變化，這時對進出水溫度曲線進行擬合，得到換熱器周圍巖土的熱物性參數(shù)。整個試驗過程測試到的數(shù)據(jù)可以用軟件進行數(shù)據(jù)分析。計算結(jié)果錄入表格，導熱系數(shù)如表1所示。

表1 巖土導熱系數(shù)

3．3 單孔換熱量

換熱孔的換熱量是與換熱管內(nèi)的流體特性、換熱管的材料特性、周圍巖土的巖性及巖土的賦水情況、回填料的特性、土壤的原始溫度及換熱管內(nèi)流體的溫度等諸多因素有關(guān)，這些因素都直接影響著整個巖土換熱器的換熱能力，由于地下的巖土結(jié)構(gòu)及分布比較復雜，只有通過測試試驗孔井綜合傳熱系數(shù)來衡量整個換熱孔的換熱性能［5］。通過軟件分析數(shù)據(jù)，計算結(jié)果如表2，表3所示。

表2 樁基螺旋盤管換熱器制冷(制熱)模式下?lián)Q熱情況

表3 雙U埋管換熱器制冷(制熱)模式下?lián)Q熱情況

4 測試結(jié)果分析

1)巖土導熱系數(shù)。綜合樁基螺旋盤管換熱器和雙U垂直埋管換熱器測試數(shù)據(jù)得到該區(qū)域的淺層巖土熱物性參數(shù)，該區(qū)域平均導熱系數(shù)約為3．05 W/(m·K)，且鉆孔深度越大，巖土導熱系數(shù)越大。因此考慮地熱換熱器換熱效率，宜采用較深的鉆孔。

2)換熱器的埋設(shè)成本。進行該項測試前，利用打孔設(shè)備鉆孔，在碳酸鹽巖地區(qū)打深孔過程比較艱難，成本比較高，而在現(xiàn)有的建筑孔樁內(nèi)進行埋設(shè)換熱器，不用打孔，成本較低，且節(jié)約換熱器埋設(shè)的占地面積。

3)誤差的主要原因分析。測試前地下溫度場已受到干擾。鉆孔過程中對地下溫度場將產(chǎn)生較為明顯的影響;回灌封孔后穩(wěn)定的時間不夠長：測試(加熱)前地埋管內(nèi)循環(huán)水溫度有別于地埋管周圍巖土層溫度等。這些都將導致測試初始條件與計算模型初始條件的不一致，從而導致模型誤差。

5 結(jié)語

1)碳酸鹽巖地區(qū)巖土的平均導熱系數(shù)較大，有較強的地下?lián)Q熱能力，利用地源熱泵系統(tǒng)有較好的地質(zhì)條件。2)在碳酸鹽巖地區(qū)利用地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)工程的具體條件合理選擇雙U形豎直埋管和樁基盤管換熱器，雙U形豎直埋管換熱器換熱效率高，鉆孔成本高，進而增加初投資的費用;而樁基盤管換熱器更為經(jīng)濟，但是換熱效率低，可以考慮在鉆孔條件有限的情況下作為換熱器埋設(shè)的補充。兩者的相互結(jié)合合理利用更有利于地源熱泵技術(shù)在碳酸鹽巖地區(qū)的推廣與應(yīng)用。

［1］徐 偉．地源熱泵工程技術(shù)［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001：89-94．

［2］孫友宏，王慶華，陳昌富．地層熱物性原位測試方法及儀器［J］．供熱制冷，2008(11)：31-33．

［3］于明志，方肇洪．用于現(xiàn)場測量深層巖土導熱系數(shù)的簡化方法［J］．熱能動力工程，2003，18(5)：512-515．

［4］趙 軍，段征強，宋著坤．基于圓柱熱源模型的現(xiàn)場測量地下巖土熱物性方法［J］．太陽能學報，2006，9(9)：934-936．

［5］李曉東，李雨桐，于明志．基于地源熱泵的巖土熱物性測試儀的研制與應(yīng)用［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2004(9)：28-29．

On analysis of rock-soil thermal properties tests in carbonate areas

ZHUANG Shu-yu

(Fujian Institute of Geological Survey，F(xiàn)uzhou 350000，China)

According to the measurement tests of the field rock-soil thermal properties，the paper tests and studies the heat-transfer of the two typical heat exchangers，the double U-tube heat exchanger and pile foundation spiral coil，and their heat exchanging capacities in carbonate areas，undertakes the comparative analysis of the tested results，and points out the combination of the two methods can enhance the extension and utility of the ground-source heat pump in carbonate areas．

rock-soil thermal properties parameter，heat conductivity coefficient，double U-tube heat exchanger，pile foundation spiral coil

TU459．9

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.003

1009-6825(2013)10-0070-02

2013-01-14

莊樹裕(1979-)，男，工程師