史啟朋

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 兗州 272100)

通過現(xiàn)場熱響應試驗，確定場地巖土體初始平均溫度、不同工況下單孔換熱量、巖土體平均熱導率和熱擴散系數(shù)，為該地區(qū)地源熱泵地埋管換熱器類型及長度的選擇，淺層地熱能評價和開發(fā)利用提供巖土體的熱物性參數(shù)[1,2]。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置和原理

1.1.1 試驗裝置

試驗設備是由天津地熱勘查開發(fā)設計院生產(chǎn)的FTPT1-1型地層熱響應測試儀。該儀器由主機和輔機2部分組成，主機由循環(huán)泵、電加熱器、水箱、溫度和流量測試組件、控制與記錄組件、電源控制、管道等部件組成，可獨立完成無負荷循環(huán)試驗、加熱恒功率試驗。輔機由制冷壓縮機、風冷器等組成，與主機串聯(lián)完成制冷恒溫度試驗。

1.1.2 實驗原理

試驗時先將試驗設備的進(出)水口分別與待測U型地埋管的(進)出水口相連接，試驗主機與輔機串聯(lián)，組成閉合回路，向回路中注入自來水當傳熱介質。通過啟動管道循環(huán)水泵，驅動回路流體開始循環(huán)，待系統(tǒng)進出水口溫差保持恒定后，開始對回路中的傳熱介質加熱(冷)負荷，隨著U型管(進)出水口溫度的不斷升高(降低)，其熱(冷)量通過U型管管壁逐漸釋放到地下巖土體中，同時巖土體溫度逐漸升高(降低)，最終管內流體溫度和管外巖土體溫度達到動態(tài)熱平衡狀態(tài)，試驗原理見圖1。依據(jù)不同負荷的試驗數(shù)據(jù)結合室內巖樣熱物性指標的分析結果，按照線熱源理論的線模型，最終求得試驗孔巖土體的初始平均溫度、單孔換熱量、平均熱導率λ和熱擴散系數(shù)a。

圖1 試驗原理圖

1.2 試驗內容及試驗步驟

1.2.1 試驗內容

現(xiàn)場熱響應試驗內容有[3]：平均初始溫度測試；小功率(恒熱流)加熱測試；大功率(恒熱流)加熱測試；取熱工況制冷恒溫度測試。

1.2.2 試驗步驟

現(xiàn)場熱響應試驗是在試驗孔的鉆探成孔、下入PE32U型地埋管、孔內壓力測試、回填礫料、再次試壓和管口密封至少48h后進行的，試驗步驟如下：

(1)將熱響應測試儀主機與地埋管相連接，主機與輔機串聯(lián)，組成一個閉合回路，向回路內注入干凈的自來水，接入三項五線380V電源，開啟主機水泵讓系統(tǒng)循環(huán)，檢查系統(tǒng)是否漏水。

(2)進行無負荷循環(huán)測試，獲取地層初始平均溫度。要求溫度(變化幅度小于0.5℃)流量(波動范圍在±5%)穩(wěn)定后，觀測時間不小于24h。

(3)進行小負荷4kW測試，記錄試驗孔進出水口溫度和傳熱介質的流量，溫度(變化幅度小于1℃)流量(波動范圍在±5%)穩(wěn)定后，觀測時間不小于24h。小負荷進行完成后停止加熱，進行無負荷循環(huán)，繼續(xù)觀測回路的進出水口溫度，至溫度穩(wěn)定(變化幅度小于0.5℃)為止，觀測時間不小于12h。

(4)在小負荷4kW測試結束后，將電加熱器功率調節(jié)到大負荷8kW并保持穩(wěn)定，按小負荷測試的步驟進行測試。

(5)制冷恒溫度試驗，先進行制預熱，設定預熱時間，然后設定制冷最低溫度為7℃，記錄試驗孔進出水口溫度和傳熱介質的流量，溫度(變化幅度小于1℃)流量(波動范圍在±5%)穩(wěn)定后，觀測時間不小于24h。制冷恒溫度進行完成后，進行無負荷循環(huán)，繼續(xù)觀測回路的進出水口溫度，至溫度穩(wěn)定(變化幅度小于0.5℃)為止，觀測時間不小于12h。以上各階段的測試，管內傳熱介質流速不應低于0.2m/s，數(shù)據(jù)記錄頻率為1次/min。

(6)測試結束后，先關閉電加熱器和水泵，再關閉系統(tǒng)，斷開電源，排干凈系統(tǒng)內的水，然后將系統(tǒng)與地埋管斷開連接，封閉地埋管的管口。

2 試驗數(shù)據(jù)處理方法

2.1 試驗所得數(shù)據(jù)

通過現(xiàn)場熱響應試驗可獲得地埋管換熱器的進出水口溫度、流量及電加熱器加熱功率等數(shù)據(jù)系列。

2.2 數(shù)據(jù)計算方法

地埋管換熱器的熱響應特性試驗在理論上可以歸結為在一定熱流邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題。其數(shù)學解析主要有2種模型：基于線熱源理論的線模型和基于圓柱熱源理論的柱模型。該次測試所用的設備均采用了線熱源理論數(shù)學模型。

根據(jù)線熱源理論[4]，流入與流出地埋管的水溫平均值計算式為：

(1)

式中：Tf—地埋管內流體平均溫度(取入口與出口的平均值)(K)；Q—單孔換熱量(W)；H—垂直埋管深度(m)；λ—巖土體平均熱導率[W/(m·K)]；a—熱擴散系數(shù)(m2/s)；t—測試時間(s)；r—鉆孔半徑(m)；γ—歐拉常數(shù)(取0.5772)；Rb—鉆孔熱阻(m·K/W)；To—巖土遠處未受擾動的溫度(K)。

公式(1)可整理簡化為：

Tf=klnt+m

(2)

(3)

(4)

單孔換熱量計算公式：

Q=G×△t/0.86

(5)

式中：Q—地埋管每小時產(chǎn)生的熱量kW；G—地埋管循環(huán)水流量m3/h；△t—地埋管進出水口溫差℃。

C=λ/a

(6)

式中：C—巖土體體積比熱容。

由(2)～(6)式可計算出單孔換熱量、巖土體的平均熱導率λ和熱擴散系數(shù)a。

3 實例

3.1 實驗場地水文地質條件

實驗場地位于兗州市南郊，屬于汶泗河沖洪積扇的中東部[5]，場地地層巖性0～4.6m,6.5～12.5m,16.5～40.2m,44.5～92.6m,94.4～100m，為粘土、粉質粘土；4.6～6.5m,12.5～16.5m,40.2～44.5m,92.6～94.4m為細砂、中粗砂。場地含水砂層總厚度為12m，地下水水位埋深為5.622m,井孔單位涌水量為210.84m3/d·m。實驗孔孔深100m，孔徑φ180mm，下入PE32雙U管[注]山東省魯南地質工程勘察院，史啟朋、張俊業(yè)等，山東省淺層地熱能調查評價(魯西)報告，2012年。。

3.2 數(shù)據(jù)計算結果

3.2.1 無負荷循環(huán)測試數(shù)據(jù)計算

一般淺層巖土體在垂向上可以劃分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。在熱響應測試中，不開啟加熱或制冷裝置，僅開啟循環(huán)主水泵。剛開始測試時，地埋管進水口溫度反映儀器水箱中循環(huán)水的溫度，溫度值較高(夏季)，出水口溫度反映變溫帶的溫度，溫度值較低。經(jīng)過一段時間后，地埋管換熱器的進出水口溫度將逐漸趨于穩(wěn)定(溫度變化小于0.5℃)。此狀態(tài)下地埋管進出水口平均水溫通常被認為“巖土體初始平均溫度”。巖土體溫度歷時過程見圖2，巖土體初始平均溫度測試結果為17.09℃。

圖2 巖土體初始平均溫度測試結果圖

3.2.2 加熱4kW數(shù)據(jù)分析

加熱4kW后，系統(tǒng)開始運行時地埋管和巖土層的溫差比較大，傳熱較快，進出口水溫也在逐漸升高，地埋管和巖土體的溫差減小，傳熱變慢，使得進出水口溫度上升變慢，地埋管和巖土體的換熱量逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。小功率加熱下溫度-時間曲線測試結果如圖3所示。

圖3 加熱4kW時進出口水溫度隨時間的變化圖

根據(jù)小功率加熱數(shù)據(jù)可繪制Tf(進出水口平均溫度)隨lnt的變化曲線，并選擇加熱4kW測試換熱穩(wěn)定狀態(tài)下(20～60h)的數(shù)據(jù)進行線性擬合(圖4)。

圖4 4kW擬合圖(20～60h)

得到擬合方程如下：

y=1.556x+15.44R2=0.9916

(7)

由公式(2)和(7)可得到K值為1.556，根據(jù)公式(5)和選取試驗孔加熱4kW穩(wěn)定段20～60h的試驗數(shù)據(jù)，可計算單孔換熱量為3.77kW。將K，Q和H代入公式(3)得到巖土體平均熱導率為：

根據(jù)該次鉆孔取樣分析資料，試驗孔巖土體的體積比熱容按地層厚度加權平均值為C=2.73×106J/(m3·K)，由公式(6)計算巖土體熱擴散系數(shù)為：a=λ/C=0.707×10-6m2/s。

3.2.3 加熱8kW數(shù)據(jù)分析

在完成加熱功率4kW測試后停止加熱，并按要求繼續(xù)觀測回路進出水口溫度，至溫度穩(wěn)定(變化幅度小于0.5℃)至少12h后，將電加熱器功率調到8kW開始做加熱大功率測試，測試溫度穩(wěn)定后觀測時間不小于24h，利用所獲取的數(shù)據(jù)繪制進出水口溫度隨時間變化曲線圖(圖5)和線性擬合圖(圖6)。

圖5 加熱8kW時供/回水溫度隨時間的變化圖

圖6 8kW擬合圖(20～73h)

由加熱8kW計算單孔換熱量為8.57kW，巖土體平均熱導率λ為2.02W/(m·k)，熱擴散系數(shù)a為0.741×10-6m2/s。

3.2.4 制冷恒溫度數(shù)據(jù)分析

在完成加熱8kW測試后停止加熱，并按要求繼續(xù)觀測回路進出水口溫度，至溫度穩(wěn)定(變化幅度小于0.5℃)至少12h后，將儀器調至制冷恒溫度模式，先進行制冷預熱，然后將制冷溫度設定7℃左右，開始做制冷恒溫度測試，溫度穩(wěn)定后觀測時間不小于24h，利用所獲取的數(shù)據(jù)繪制進出水口溫度隨時間變化曲線圖(圖7)。由圖可以看出，在測試前0～7h內，進出水口溫度持續(xù)降低，當溫度達到設定溫度值后，進水溫度開始在設定值上下波動(±0.2℃),出水溫度則繼續(xù)降低,但降低的速率越來越低，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。選擇制冷恒溫測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定段24～48h數(shù)據(jù)，由公式(5)可計算試驗孔單孔取熱量為2.34kW。

4 試驗結果及應用

圖7 取熱測試工況下的溫度-時間曲線圖

該次現(xiàn)場熱響應試驗測試結果為：①試驗場地巖土體初始平均溫度為17.09℃；②加熱4kw和8kw測試計算單孔換熱量Q為3.77kW和8.57kw，巖土體綜合熱導率λ為1.93W/(m·k)和2.02W/(m·k)，熱擴散系數(shù)a為0.707×10-6m2/s和0.741×10-6m2/s：③單孔取熱量為2.34kw。以上試驗結果可在相同水文地質單元或地層巖性相似地區(qū)，進行地源熱泵工程地埋管換熱器類型的選用，淺層地熱能評價和開發(fā)利用工作中得到廣泛的應用。

參考文獻：

[1] GB/T50366-2005.地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范(2009年版)[S].

[2] 孟祥瑞,孫友宏,王慶華,等.大廣高速公路雙遼服務區(qū)地源熱泵系統(tǒng)地層熱物性原位測試[J].探礦工程，2011，38(1)：47-50.

[3] DZ/T0225-2009.淺層地熱能勘查評價規(guī)范[S].

[4] 于明志,彭曉峰,方肇洪,等.基于線熱源模型的地下巖土熱物性測試方法[J].太陽能學報，2006，27(3)：279-283.

[5] 康鳳新，徐軍祥，張中祥.山東省地下水資源及其潛力評價[J].山東國土資源，2010，26(8)：4-5.