莊樹(shù)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(cè)試分析

莊樹(shù)裕

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福建福州 350000)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巖土熱物性測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)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(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)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(dǎo)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(kāi)發(fā)利用中低溫地?zé)豳Y源的有效方法，具有低耗高效、綠色環(huán)保及可再生利用地?zé)豳Y源的特點(diǎn)，是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的50項(xiàng)高新技術(shù)之一，在歐、美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家早已廣泛推廣，在國(guó)內(nèi)也成為空調(diào)行業(yè)研究的熱點(diǎn)。我國(guó)地源熱泵系統(tǒng)在京津冀遼等華北和東北部地區(qū)運(yùn)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(méi)有參考案例，國(guó)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(cè)試的環(huán)境

研究區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)地出露地層為第四系填土、紅粘土。場(chǎng)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(cè)試試驗(yàn)原理

淺層巖土熱物性原位測(cè)試儀［2］的工作原理：在將要埋設(shè)地?zé)釗Q熱器的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鉆孔，測(cè)試井深與實(shí)際工程設(shè)計(jì)井深一致，在鉆孔中埋設(shè)地下熱交換器并按設(shè)計(jì)要求回填。測(cè)試時(shí)，地下埋管換熱器和測(cè)試儀的循環(huán)管道相連形成封閉的管路，然后啟動(dòng)加熱設(shè)備連續(xù)運(yùn)行數(shù)十小時(shí)，利用溫度、流量等各種傳感器測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到巖土熱物性參數(shù)，繼而對(duì)地埋管進(jìn)行換熱計(jì)算，達(dá)到測(cè)試目的。測(cè)試儀結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

測(cè)試儀外觀如圖2所示。

3 巖土熱物性測(cè)試結(jié)果

3．1 大地初始溫度

在測(cè)試初始階段，首先對(duì)大地原始溫度進(jìn)行測(cè)試，開(kāi)啟水泵循環(huán)直到測(cè)試流體的進(jìn)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(cè)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(cè)試儀結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 測(cè)試儀

3．2 巖土導(dǎo)熱系數(shù)

開(kāi)啟電加熱后，初期供回水溫差變大，當(dāng)運(yùn)行24 h以后，進(jìn)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(dá)到平衡［4］。整個(gè)測(cè)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(kāi)始加熱流體時(shí)，地下溫度開(kāi)始變化較快;隨著加熱時(shí)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(dá)到平衡。整個(gè)溫度曲線無(wú)明顯波動(dòng)、變化，這時(shí)對(duì)進(jìn)出水溫度曲線進(jìn)行擬合，得到換熱器周圍巖土的熱物性參數(shù)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程測(cè)試到的數(shù)據(jù)可以用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)算結(jié)果錄入表格，導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

表1 巖土導(dǎo)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(gè)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(fù)雜，只有通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)孔井綜合傳熱系數(shù)來(lái)衡量整個(gè)換熱孔的換熱性能［5］。通過(guò)軟件分析數(shù)據(jù)，計(jì)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(cè)試結(jié)果分析

1)巖土導(dǎo)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(cè)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(dǎo)熱系數(shù)約為3．05 W/(m·K)，且鉆孔深度越大，巖土導(dǎo)熱系數(shù)越大。因此考慮地?zé)釗Q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(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試前，利用打孔設(shè)備鉆孔，在碳酸鹽巖地區(qū)打深孔過(guò)程比較艱難，成本比較高，而在現(xiàn)有的建筑孔樁內(nèi)進(jìn)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(cè)試前地下溫度場(chǎng)已受到干擾。鉆孔過(guò)程中對(duì)地下溫度場(chǎng)將產(chǎn)生較為明顯的影響;回灌封孔后穩(wěn)定的時(shí)間不夠長(zhǎng)：測(cè)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(dǎo)致測(cè)試初始條件與計(jì)算模型初始條件的不一致，從而導(dǎo)致模型誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

1)碳酸鹽巖地區(qū)巖土的平均導(dǎo)熱系數(shù)較大，有較強(qiáng)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(jìn)而增加初投資的費(fèi)用;而樁基盤管換熱器更為經(jīng)濟(jì)，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(bǔ)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(guó)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(cè)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(chǎng)測(cè)量深層巖土導(dǎo)熱系數(shù)的簡(jiǎn)化方法［J］．熱能動(dòng)力工程，2003，18(5)：512-515．

［4］趙 軍，段征強(qiáng)，宋著坤．基于圓柱熱源模型的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量地下巖土熱物性方法［J］．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，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(cè)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(shù)裕(1979-)，男，工程師