胡元平, 何旭平, 朱志明, 馬 俊, 江 凱, 劉紅衛(wèi)

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 武漢 430051; 2.湖北省地熱能研究推廣中心,湖北 武漢 430051)

巖土體蓄能能力研究與分析

胡元平1,2, 何旭平1,2, 朱志明1,2, 馬 俊1,2, 江 凱1,2, 劉紅衛(wèi)1,2

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 武漢 430051; 2.湖北省地熱能研究推廣中心,湖北 武漢 430051)

采用ABAQUS有限元軟件對特定條件下地埋管地源熱泵巖土層儲能能力及過程進行模擬,并根據(jù)試驗場監(jiān)測數(shù)據(jù)對地下水地源熱泵系統(tǒng)進行研究分析。地下巖、土、水體具有較強的熱能調(diào)蓄能力,在工程設(shè)計及應用中,應充分發(fā)揮其特性,興利除弊,才能有效發(fā)揮淺層地溫能資源的作用。

巖土體蓄能；數(shù)值模擬；試驗場

淺層地溫能資源開發(fā)利用時,都有一個能量“灌入”地下的過程,巖土層作為載體,其熱場會產(chǎn)生相應變化。這種影響具有雙重特性,當熱量易于擴散時,換熱效率更高,地源熱泵系統(tǒng)運行效果就好；隨著運行時間延長,地下巖土體中累積熱量增多,熱影響范圍變大,在有固定間距和布置方式的地源熱泵系統(tǒng),巖、土、水體傳熱和蓄能的能力會有所改變,甚至產(chǎn)生熱干擾(“熱堆積”),進而降低巖土體換熱效率和地源熱泵系統(tǒng)能效[1-3]。

全國各氣候帶利用淺層地溫能的要求、時間、冷熱負荷大小不同,人工“灌入”地下的能力都由地下巖、土、水體負載,巖、土、水體調(diào)蓄外來能量的能力,直接影響淺層地溫能資源利用的好壞和效率[4-5]。地下巖、土、水體由于構(gòu)造復雜,人工熱輸入特征多樣,其蓄能傳熱規(guī)律也復雜多變,目前對巖、土、水體蓄能量的定量分析和能量運移研究較少,蓄能作用與淺層地溫能利用效果間的關(guān)系、換熱影響半徑的變化及確定認識還不全面,地埋管系統(tǒng)設(shè)計、運行管理上有較大的主觀性。

本文對地埋管地源熱泵系統(tǒng)主要通過有限元軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬[6-8]開展地下巖土體的傳熱蓄能研究,模擬試驗場根據(jù)巖土熱物力性質(zhì)和地下水條件選擇兩個試驗場,分別為古田試驗場和四新試驗場。四新試驗場處于崗地(二級階地),換熱體為巖石,無地下水影響;古田試驗場處于長江沖積一級階地上,換熱層主要為粘性土和砂層,有地下水。對地下水地源熱泵主要通過建立試驗場,監(jiān)測系統(tǒng)運行條件下巖、土、水體溫度變化,并對監(jiān)測數(shù)據(jù)展開分析研究。監(jiān)測場選取湖北省地質(zhì)局AB棟高層住宅地下水源熱泵系統(tǒng)[9],監(jiān)測孔具體布置詳見下文。

通過上述方式,分析巖、土、水體蓄能傳熱規(guī)律,定量分析巖土體蓄能量及變化,可為地埋管和地下水地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、運行管理提供參考,達到用好、用足淺層地溫能資源的目的。

1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)巖土體蓄能

1.1 定量評價方法

巖土層中蓄積能量通過公式Q=cmΔT計算得出,水平方向上在依次分為多個圈層,垂直方向上分為多層,根據(jù)各圈、各層處物理、熱物理參數(shù),不同時間節(jié)點溫度變化值,即可估算出每圈層和整個換熱孔周邊一帶范圍內(nèi)的熱量蓄積量。

以某試驗場為例,在主孔中心、半徑為0.8 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m處布置有監(jiān)測孔,每個監(jiān)測孔中按10 m間隔預先埋置有測溫探頭,連續(xù)7天加熱時長期監(jiān)測了該范圍內(nèi)地層溫度變化,即可進行估算。

具體計算時,由于表層5 m溫度變化受氣溫影響較大,因此計算中將其忽略。將水平方向上每個監(jiān)測孔溫度分別代表影響半徑圓環(huán)范圍內(nèi)的平均溫度,在水平面上將其劃分為5個圓環(huán)范圍,分別為:0～0.4 m,0.4～1.15 m,1.15～1.75 m,1.75～2.25 m,2.25～2.5 m(圖1-a)；豎直方向上每10 m監(jiān)測的溫度代表該點上下各5 m厚度范圍的溫度,將不同深度范圍內(nèi)巖土體分為多層(圖1-b)。

圖1 蓄能計算模型Fig.1 Calculation model of energy storage

由上圖可建立一個5×4的圓環(huán)柱體模型,分別計算單個圓環(huán)柱體的蓄積能量。單個圓環(huán)柱體蓄能量=密度×體積×比熱容×溫差,最后分塊求和得出總的蓄能量,即5 m直徑、40 m深度換熱巖土柱體中的蓄能量,公式如下:

Q蓄能=∑cρVΔT

(1)

上述方法可利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行后巖土層蓄能量進行定量評價,并且該方法同樣適用于地下水地源熱泵。然而實際情況下很難對地源熱泵系統(tǒng)進行長期監(jiān)測,并且監(jiān)測密度通常較疏散,因此計算結(jié)果誤差較大。采用數(shù)值模擬對蓄能量進行估算則不受監(jiān)測時間和監(jiān)測密度的影響,可以較精確的計算蓄能量。

1.2 夏季運行工況單孔蓄能量估算

為簡化模擬,將埋管深度范圍內(nèi)巖土層熱物性參數(shù)進行加權(quán)平均,模擬厚度取1m,輸入功率換算為單位長度輸入功率。以夏季工況模擬結(jié)果為依據(jù),可估算古田試驗場和四新試驗場單孔情況下周邊不同距離內(nèi)、不同時段巖土體蓄能情況。各試驗場模擬中采用的參數(shù)均通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)熱物性試驗獲得。

古田試驗場估算結(jié)果見表1、圖2,以5m為邊界,夏季運行結(jié)束時,該范圍內(nèi)蓄積了由地上向地下輸入總量大約50%的熱量,這部分能量蓄積在原地其實對當期換熱是不利的。

經(jīng)過75天的擴散,到冬季供暖開始時,5m范圍內(nèi)仍留存有大約25%的熱量,這份熱量對冬季供暖是有利的,雖然不是天然的淺層地溫能,但是通過巖土體作用留存下來,共同為建筑物提供所需的能量,其作用不容忽視。實際上,由于外界輸入到地下的能量在更廣范圍的地下空間內(nèi)蓄存了下來(特別是在群孔換熱時),巖土體蓄能并得到反季節(jié)利用的比例會更大,這是淺層地溫能開發(fā)利用時最具特點之處,也是地源熱泵系統(tǒng)具有更高能效和可靠性的原因。

表1 古田試驗場夏季運行工況蓄能量

圖2 古田試驗場夏季運行工況蓄能占比Fig.2 Occupies ratio of energy storage of Gutian test field in summer operating condition

四新試驗場估算結(jié)果見表2、圖3,對比古田和四新試驗場蓄能情況,同樣范圍內(nèi)四新試驗場蓄能量稍低,說明巖石中熱量擴散更快。

表2 四新試驗場夏季運行工況蓄能量

圖3 四新試驗場夏季運行工況蓄能占比Fig.3 Occupies ratio of energy storage of Sixing test field in summer operating condition

2 地下水地源熱泵系統(tǒng)巖土體蓄能

2.1 項目介紹

本文以地下水地源熱泵系統(tǒng)地溫監(jiān)測試驗場——湖北省地質(zhì)局AB棟高層住宅地下水源熱泵系統(tǒng)為依托進行蓄能分析。AB棟地下水地源熱泵系統(tǒng)于2006年7月設(shè)計,2006年9月開工,2007年4月改造完工,2007年5月進行調(diào)試,6月試運行,2007年7月投入使用。

該地下水地源熱泵系統(tǒng)運行模式:2007年7月初—9月底為制冷期,10月初—11月底為秋季停止運行間歇期,2007年12月初—2008年2月底為采暖期,地溫監(jiān)測工作同期進行。

根據(jù)場區(qū)地層特點,每個觀測孔內(nèi)在地下不同深度、不同巖土層中埋設(shè)了測溫探頭,用于監(jiān)測地下水地源熱泵系統(tǒng)運行前、后地下各巖土層中的溫度變化。

測溫探頭的具體位置位于每個監(jiān)測孔地面下52.5 m、48.0 m、43.0 m、36.0 m、28.0 m、20.0 m、12.0 m、3.5 m處(自下而上編為1～8號),不同深度位置的探頭分別對應監(jiān)測了各孔中泥巖(1號、進入風化巖層中0.5 m)、砂卵石層(2號)、中粗砂層(3號)、細砂層(兩個、4號、5號)、粉砂層(6號)、粘性土層(7號)、填土層(8號)各層的溫度變化,因8號探頭所處雜填土位置受氣溫干擾較大,故不對該層進行計算分析。場地各層計算數(shù)據(jù)見表3。

表3 儲熱量計算參數(shù)一覽表

文中以2007年7月—12月半年的實測地溫數(shù)據(jù)為依據(jù),對地下水地源熱泵系統(tǒng)運行期間巖土層的蓄能特征進行分析。

2.2 蓄能計算范圍選擇

因整個場地計算蓄能大范圍邊界不易確定,故選取特定邊界對場地蓄能特征進行分析。場地熱源井與觀測井的平面布局如圖4,觀1與觀3分別距抽水井和回灌井3 m,以三口觀測井為圓心,6 m為半徑作圓,選取圖中三處陰影部分作為場區(qū)代表進行蓄能分析,分別用觀測井預埋不同深度的八個溫度探頭所監(jiān)測的溫度,代表該陰影部分范圍內(nèi)不同深度場地各層的溫度,利用公式Q=cmΔt進行蓄能量的計算分析。該監(jiān)測、估算場地正好對稱占整個場地的1/4。

圖4 熱源井與觀測井平面布置圖Fig.4 Plane arragement chart of heat source well and observation well

2.3 蓄能量計算及結(jié)果分析

項目從2007年7月初開始夏季制冷工況的運行,9月底運行結(jié)束；經(jīng)過兩個月過渡期,從12月初開始冬季采暖工況的運行。為簡化計算需要,選取每月初各層的平均溫度作為計算依據(jù)。將半年期間三個不同觀測井中不同深度各層場地的溫度變化繪制成曲線，如圖5所示。

從觀測井逐月不同深度的溫度變化曲線看,抽水井處(觀1)在9月時卵礫石層、中砂層溫度上升較高,其他層位無明顯變化。夏季運行結(jié)束、經(jīng)過過渡期后即大致恢復至初始地溫。分析認為溫度上升較高的層位為主要取水層,因地下水快速流動的影響,形成強烈的對流換熱,將觀3(回灌井)的熱量較迅速地帶到觀1(抽水井)處,導致其溫度上升較快。其他各層因地下水流動影響較小,僅靠巖土體自身的導熱性能,能量傳遞不明顯,故其他層的地溫無明顯變化。

回灌井處(觀3)各層溫度上升趨勢最明顯。

抽灌井之間(觀2)和觀3相比,因各層導熱系數(shù)不一,在觀3各層位迅速上升的熱量傳遞到觀2的時間不一,導致(觀2)各地層變化幅度不一,但總體還是呈上升趨勢。

根據(jù)不同觀測井半年期間逐月監(jiān)測不同深度的溫度,利用公式計算蓄能量(表4、圖6)。

從蓄能圖中綜合累計處可以看出,在2007年7月系統(tǒng)建成初期剛開始運行的時候,能量主要蓄積在回灌井(觀3)附近。在夏季運行季末,回灌井(觀3)附近蓄能量最高；其次為兩觀測孔之間的觀2附近；抽水井(觀1)附近最少。過渡期后,12月冬季采暖開始運行之前,回灌井(觀3)附近能量較夏季運行期時已消散大半,但仍有明顯的能量殘余,而其余兩處觀測孔處則無明顯能量蓄積。

圖5 各觀測井逐月不同溫度變化Fig.5 Change of different temperature month by month in different observation wells

表4 觀1蓄能計算數(shù)據(jù)匯總表

Table 4 Summary table of calculation data of energy storage

深度/m初始溫度/℃2007-072007-082007-092007-102007-112007-12溫度/℃能量/107kJ溫度/℃能量/107kJ溫度/℃能量/107kJ溫度/℃能量/107kJ溫度/℃能量/107kJ溫度/℃能量/107kJ12．019．118．9-0．0519．40．0820．50．3518．9-0．0519．0-0．0219．10．0020．018．818．80．0018．80．0018．1-0．1518．5-0．0618．80．0018．90．0228．018．818．80．0019．00．0420．20．2918．90．0219．00．0418．90．0236．018．818．7-0．0219．20．0819．60．1719．20．0819．50．1518．90．0243．019．119．10．0021．60．4423．90．8521．80．4821．00．3419．90．1448．019．319．1-0．0224．70．7027．31．0321．00．2219．70．0519．2-0．0152．518．318．40．0118．50．0218．70．0519．00．0818．2-0．0118．2-0．01累計-0．081．362．590．770．550．18

在不同深度方面,回灌井(觀3)從20 m處,即粉砂層開始就已存在明顯能量蓄積,而觀2從28 m處,即細砂層才開始有明顯能量蓄積,說明地層不一樣,其導熱系數(shù)不同,導致傳熱速率不一,導熱系數(shù)較小的粉砂層在運行半年的時間內(nèi),熱傳遞速率相對較慢。而在52.5 m處(基巖段),因其導熱系數(shù)相對較大、熱傳遞速率較快且本身接受的熱量較少,能量蓄積不是很明顯。

分析對比所取計算單元體內(nèi)(三個直徑12 m的圓柱狀巖土體、高度49 m)地溫場殘余的能量,經(jīng)查閱運行記錄,該地段夏季實際耗電量為241 680 kWh(占整個系統(tǒng)的1/4),按水源熱泵系統(tǒng)平均能效比為3.50進行折算,系統(tǒng)冷負荷845 880 kWh,夏季灌入地下的總能量為1 087 650 kWh,即3.92×109kJ。分別將三處計算單元體處蓄能量取夏季運行結(jié)束和冬季開始運行前兩個時間節(jié)點的數(shù)據(jù)進行分析,得出典型位置在該時間節(jié)點時灌入地下能量蓄積比例(表5)。

圖6 各觀測孔逐月不同深度及綜合累計蓄能變化Fig.6 Change of different depths and accumulative energy storage in different observation boreholes

表5 巖土體蓄能量比例表

Table 5 Proportion table of energy storage of rock and soil mass

觀測孔夏季運行結(jié)束后/%冬季運行開始前/%抽水井(觀1)0．790．18中間位置(觀2)4．921．26回灌井(觀3)7．924．20場地累計13．635．64

從上表可以看出,蓄能量主要集中于回灌井(觀3)附近,其他兩處在冬季開始運行前蓄積能量較小。

2.4 地下空間巖土體蓄能作用評價與利弊分析

從實測結(jié)果分析,在四個月制冷運行期間,由于外界熱量不斷灌入地下并向四周擴散,系統(tǒng)運行僅1個月左右,含水層段抽水、回灌井之間產(chǎn)生熱貫通,八九月份抽水井(觀1)處含水層溫度有明顯的上升(礫石層中最高達到24.7 ℃、高出初始地溫6 ℃),地下巖土體中蓄能作用最明顯,蓄積的能量也最大,而此時正是系統(tǒng)夏季運行高峰期,建筑物需要從地下提取冷資源,抽水井水溫上升導致中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻水換熱溫差減小,系統(tǒng)冷凝溫度升高,系統(tǒng)能耗增加,換熱效率下降,對整個系統(tǒng)運行十分不利。此時巖土體蓄能作用為負作用,蓄能量越大、持續(xù)的時間越長,系統(tǒng)運行的效果就會越差。

通過監(jiān)測記錄數(shù)據(jù),抽水井(觀1)處八九月平均抽水溫度因熱貫通的影響,較初始換熱溫度分別上升約2.56 ℃和4.34 ℃。按場地范圍進行計算,取抽水井的平均水量為40 m3/h,八九月高峰期平均每天運行10 h,單月累計運行天數(shù)取25 d,計算可得兩月因溫度升高而起負作用的能量分別為1.07×108kJ、1.81×108kJ,即分別為2.97×104kWh、5.04×104kWh。而夏季灌入地下的總能量為3.92×109kJ,換算成單口回灌井灌入的能量為9.80×108kJ,則可得到八九月份因熱貫通產(chǎn)生負作用的能量占整個夏季灌入總能量的比值為29.43%。

夏季制冷運行結(jié)束經(jīng)過過渡期,在冬季采暖運行開始前,雖然綜合整個地層沒有明顯能量蓄積,但在含水層處溫度仍有相對小幅上升。熱量蓄積范圍內(nèi)整體地溫升高,冬季供暖需要從地下巖土體中取用熱量時,抽出的水溫高于初始溫度值,此時主機蒸發(fā)溫度較高,有利于提高機組冷凝熱,提高系統(tǒng)運行效率,減小系統(tǒng)耗電量,整個空調(diào)系統(tǒng)更加節(jié)能。此種情形對淺層地溫能利用是有利的,應充分利用巖土體中蓄積下來的、反季節(jié)需要的能量。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理,在計算場地范圍內(nèi),直線上半徑為6 m的三個模型柱中冬季運行開始前蓄積熱量比為5.64%。為估算整個場地內(nèi)這種蓄積的有利的能量值,在無實測巖土體熱擴散影響范圍(邊界及量值)的情況下,采取推測和近似的方式,分別選取兩個大小不同的蓄能范圍(1區(qū)、2區(qū))進行估算,如圖7所示,計算范圍1區(qū)的邊界為圖中紅色區(qū)域,長52 m,寬12 m；計算范圍2區(qū)的邊界為圖中黃色區(qū)域,長52 m,寬52 m。

圖7 反季節(jié)可利用蓄能量計算范圍示意圖Fig.7 Schematic diagram of calculation range engrgy storage in offseasons

在各蓄能估算范圍內(nèi),三個模型柱的面積分別占估算面積的54.37%和12.55%。假設(shè)未計算面積部分能量殘余量無折減,則計算范圍1區(qū)內(nèi)其反季節(jié)可利用蓄能量為10.37%；計算范圍2區(qū)內(nèi)未計算面積部分能量殘余量相對折減為60%,則其反季節(jié)可利用蓄能量為29.22%。

3 結(jié)語

(1) 地埋管地源熱泵中,夏季運行結(jié)束到冬季供暖開始時,5 m范圍內(nèi)仍留存有大約25%的熱量,這份熱量對冬季供暖是有利的。

(2) 在地埋管地源熱泵實際工程中,應合理設(shè)計孔間距,盡量既保證當期系統(tǒng)運行效率下降不大,又能保證有一定的蓄能量供換季利用。

(3) 地下水地源熱泵中,夏季能量蓄積大部分位于回灌井附近。經(jīng)過過渡期后,回灌井附近能量仍有部分殘余,由此應充分考慮利用回灌井附近的蓄能量,將冬夏熱源井互換使用。

(4) 卵礫石層為理想的主要含水層,水量較大,但其熱量傳遞也較快,熱源井井間距較小,回灌井對抽水井的熱貫通影響較明顯。在水量要求不高的情況下,盡量選擇導熱系數(shù)較小的粗砂、細砂為主要取水層,減小因水流過快、對流換熱明顯而導致的熱貫通影響。

(5) 建議在實際工程項目中,應盡量擴大抽水回灌井之間距離,通過分析、計算,確定抽水井與回灌井合理間距。優(yōu)良的設(shè)計布局、運行策略可以同時發(fā)揮淺層地溫能和外界輸入能量的共同作用,減少耗電量,大大降低地源熱泵系統(tǒng)運行費用。

[1] Huttrer W.Geothermal heat pumps:An increasingly successful technology[J].Renewable Energy,1997,10(2/3):481-488.

[2] 刁乃仁,方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3] 高青,于鳴,喬廣,等.地熱利用中的地溫可恢復特性及其傳熱的增強[J].吉林大學學報: 工學版,2004,34(1):107-111.

[4] Sanner B,Kary tsas C,M endrinos D,Rybach L.Current status of ground source heat pumps and underground therm al energy storage in Europe[J].Geothermics,2003,3(2):579-588.

[5] 張開黎,王如竹,于立強.垂直埋管土壤源熱泵供熱供冷實驗與分析[J].流體機械,2001,29(9):57-60.

[6] 陶文銓.數(shù)值傳熱學[M].2 版.西安: 西安交通大學出版社,2001.

[7] 張于峰,陳成敏,聶金哲,等.U型埋管系統(tǒng)地下傳熱數(shù)值模擬[J].天津大學學報:自然科學與工程技術(shù)版,2010,43(8):717-721.

[8] 李元旦,魏先勛.水平埋地管換熱器夏季瞬態(tài)工況的實驗與數(shù)值模擬[J].湖南大學學報,1999(2):58-63.

[9] 劉紅衛(wèi),柯立,胡元平,等.武漢市淺層地溫能調(diào)查評價報告[R].武漢:武漢地質(zhì)工程勘察院,2013.

(責任編輯：陳文寶)

Research and Analysis of Energy Storage of Rock and Soil Mass

HU Yuanping1,2, HE Xuping1,2, ZHU Zhiming1,2, MA Jun1,2, JIANG Kai1,2, LIU Hongwei1,2

(1.WuhanInstituteofGeologicalEngineeringExploration,Wuhan,Hubei430051; 2.HubeiShallowGeothermalEnergyResearchCenter,Wuhan,Hubei430051)

Using the finite element software ABAQUS to simulate the aquifer thermal energy storage ability and the storage process in the particular situations.The study of energy storage by numerical simulation find that the energy storage of ground-coupled heat pump system have great potential.In engineering design and application,the authors should give full play to its characteristics,better use the advantages and get rid of the disadvantages to play the role of shallow geothermal energy resources effectively.

rock and soil mass; numerical simulation; proving ground

2015-05-07;改回日期:2015-05-26

湖北省主要城市淺層地溫能調(diào)查評價項目之研究專題——高效、智能淺層地溫能利用系統(tǒng)建造技術(shù);武漢城市地質(zhì)調(diào)查(淺層地熱能資源調(diào)查與評價專題研究)。

胡元平(1971-),男,高級工程師,水工環(huán)專業(yè),從事地基與基礎(chǔ)施工、地災治理和淺層地溫能開發(fā)利用工作。E-mail:195616306@qq.com

P314.2

A

1671-1211(2015)04-0480-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201504024

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150619.1334.015.html 數(shù)字出版日期:2015-60-19 13:34