童 欣 劉 媛 閻 波

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010）

0 引言

近年來，淺層地?zé)豳Y源開發(fā)利用蓬勃發(fā)展，這種可再生的清潔能源廣泛應(yīng)用于建筑空調(diào)系統(tǒng)。其中，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用廣受關(guān)注，尤其是豎直雙U型地埋管，它具有占地面積小、可用范圍廣、換熱量大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中［1］。地埋管換熱系統(tǒng)的換熱能力對(duì)于熱泵系統(tǒng)節(jié)能效益至關(guān)重要，這主要反映在的巖土體熱物性參數(shù)上，尤其是地埋管換熱器深度范圍內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容。研究表明，導(dǎo)熱系數(shù)或?qū)叵禂?shù)10%的誤差將導(dǎo)致4.5%～5.0%的地埋管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度誤差［2］，因此準(zhǔn)確獲取熱物性參數(shù)對(duì)于勘察評(píng)價(jià)和工程設(shè)計(jì)起著決定性作用。常用的巖土體熱物性參數(shù)確定方法包括：查找地質(zhì)手冊(cè)法、采樣室內(nèi)試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)法［3］。第三種方法充分考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，準(zhǔn)確性較高，因此成為普遍使用的測(cè)量熱物性的方法［4］。實(shí)踐表明，恒熱流法是一種有效的熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)手段，試驗(yàn)臺(tái)向地埋管換熱器提供恒定熱流，通過溫度的變化規(guī)律，確定巖土體的各熱物性參數(shù)。恒溫法是近年來我國(guó)提出的新方法，它是采用熱泵建立穩(wěn)定的地埋管換熱器運(yùn)行工況，從而確定每延米地埋管換熱器的換熱能力的方法。兩種方法各有側(cè)重，且針對(duì)每種測(cè)試方法的研究應(yīng)用也較為成熟。

為了更真實(shí)地獲得地埋管換熱器換熱性能，結(jié)合武漢某地塊地源熱泵項(xiàng)目，采用恒熱流法與恒溫法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，獲取巖土熱物性參數(shù)，并對(duì)該場(chǎng)地地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于武漢市某地區(qū)，屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，具有四季分明、氣候溫和、雨量充沛的氣候特征。項(xiàng)目所處地貌單元為長(zhǎng)江沖洪積二級(jí)階地，地勢(shì)整體上較平坦，根據(jù)本次勘察鉆探揭露，場(chǎng)區(qū)地層自上而下分別為：素填土（0～1.4 m）、粉質(zhì)黏土（1.4～26.3 m）、粉細(xì)砂（26.3～38.0 m）、礫砂（38.0～40.0 m）、細(xì)中砂（40.0～58.2 m）、含卵礫石細(xì)砂（58.2～77.2 m）以及泥質(zhì)粉砂巖（77.2～110.9 m）。地下水類型主要為上層滯水及孔隙承壓水，上層滯水賦存于填土層中，孔隙承壓水賦存于砂、礫石層中，主要接受大氣降水和地表水滲透補(bǔ)給，水量與周邊排泄條件密切相關(guān)。

2 試驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原理

本項(xiàng)目采用了恒熱流法和恒溫法兩種測(cè)試方法：

1）恒熱流模擬試驗(yàn)是向地埋管換熱器提供恒定熱流，通過監(jiān)測(cè)地埋管換熱器的進(jìn)、出水溫度的變化和流量數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)分析處理計(jì)算后得到巖土體的平均導(dǎo)熱系數(shù)。IGSHPA線源模型是目前普遍采用的主要計(jì)算模型，其表達(dá)式為：

式中：Tf（t）為進(jìn)出水平均溫度，℃；ql為單位延米換熱量，W/m；λ為巖土體導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；a為注漿料導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s，細(xì)砂為1.1166 m2/s；r為鉆孔半徑，m；τ為加熱時(shí)間，s；γ為常數(shù)，0.5772；Rb為鉆孔內(nèi)熱阻，m·K/W；T0為地層初始溫度，℃。

將地埋管換熱器進(jìn)出水平均溫度與時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做成對(duì)數(shù)擬合曲線圖，得到：

進(jìn)而根據(jù)曲線斜率k，求出導(dǎo)熱系數(shù)λ。

根據(jù)式（1）、式（3）得到測(cè)試孔熱阻：

2）恒溫法是采用熱泵維持恒定進(jìn)水溫度，建立穩(wěn)定的地埋管換熱器運(yùn)行工況，根據(jù)Q=C·m·ΔT的關(guān)系式，結(jié)合供回水溫度溫差數(shù)據(jù)，確定每延米地埋管換熱器的換熱能力［5］。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目選取雙U管豎直埋管方式進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)兩個(gè)測(cè)試孔R(shí)1和R2，其中R1孔取芯并記錄巖層情況，R2孔不取芯。成孔后，R1孔隨U型管埋設(shè)溫度探頭對(duì)場(chǎng)地巖土層溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共設(shè)置溫度探頭10組，埋設(shè)間距為10 m，測(cè)試孔及地埋管相關(guān)參數(shù)見表1、表2。

表1 試驗(yàn)孔與地埋管相關(guān)參數(shù)

表2 地溫探頭監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

經(jīng)測(cè)定，巖土初始平均溫度為18.89℃。

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 巖土體初始平均溫度

為避免鉆孔施工對(duì)巖土初始溫度的影響，在鉆孔施工、下管回填密實(shí)靜置72 h后進(jìn)行巖土熱響應(yīng)測(cè)試工作。首先對(duì)R1、R2采用無功循環(huán)法測(cè)試巖土初始平均溫度，在只啟動(dòng)循環(huán)水泵的情況下，監(jiān)測(cè)進(jìn)出口水溫的變化［6］。進(jìn)而結(jié)合R1孔地溫探頭監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，得到本地層巖土體平均初始溫度為18.63℃，如表3所示。

表3 巖土初始平均溫度 ℃

3.2 恒熱流法

對(duì)R1孔進(jìn)行恒熱流法試驗(yàn)，加熱功率設(shè)定為3 kW與6 kW，每個(gè)穩(wěn)定工況的測(cè)試時(shí)間為48 h，設(shè)定流量為1.3 m3/h。采用IGSHPA線源模型，將地埋管換熱器進(jìn)出水平均溫度與時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做成對(duì)數(shù)擬合曲線圖。如圖1、圖2所示，恒熱流法中的供回水平均溫度隨時(shí)間呈緩慢增加的趨勢(shì)，通過對(duì)數(shù)擬合曲線得到斜率系數(shù)k，反推出巖土體導(dǎo)熱系數(shù)λ：當(dāng)恒定熱流為3 kW時(shí)，λ=2.017 W/m·K，Rb=0.158 m·K/W；當(dāng)恒定熱流為6 kW 時(shí)，λ=3.766 W/m·K，Rb=0.183 m·K/W；加熱量由3 kW增至6 kW，巖土體導(dǎo)熱系數(shù)隨之變大。

圖1 3 kW恒定熱流測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

圖2 6 kW恒定熱流測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

綜合以上計(jì)算結(jié)果，該場(chǎng)地地層平均導(dǎo)熱系數(shù)為2.89 W/（m·K），綜合熱阻為0.171（m·K）/W。

3.3 恒溫法

R2孔采用恒溫法進(jìn)行夏季運(yùn)行工況測(cè)試，進(jìn)水溫度設(shè)置為30℃、35℃，每個(gè)穩(wěn)定溫度的測(cè)試時(shí)間為48 h，設(shè)定流量為1.3 m3/h。

圖3、圖4給出了在不同工況下進(jìn)出水溫度變化的情況。從中可以看出，在測(cè)試開始運(yùn)行至729 min后，地埋管換熱器出水溫度達(dá)到穩(wěn)定工況，且隨著時(shí)間的增加，進(jìn)出口溫度、流量基本為持平的狀態(tài)，故729 min后為有效數(shù)據(jù)。在此時(shí)間段內(nèi)，地埋管測(cè)試孔的進(jìn)水溫度均值30℃，出水溫度均值25.5℃，進(jìn)出水溫差4.5℃，流量平均值1.3 m3/h，通過計(jì)算可得出每延米地埋管測(cè)試孔換熱量為61.47 W/m。同理，進(jìn)水溫度35℃時(shí)，出水溫度均值29.9℃，出水溫度均值5.1℃，每延米地埋管測(cè)試孔換熱量為69.67 W/m。（見表4）隨著進(jìn)水溫度的升高，單位孔深的換熱量增大，其主要原因是在夏季工況下，地埋管進(jìn)水溫度與巖土體初始溫度溫差增大，導(dǎo)致流體與巖土體換熱加快，換熱效果增強(qiáng)。

圖3 30℃工況進(jìn)出水溫度曲線

圖4 35℃工況進(jìn)出水溫度曲線

3.4 對(duì)比分析

恒熱流法與恒溫法的熱響應(yīng)試驗(yàn)的結(jié)果見表3，R1孔夏季工況平均溫度為32.5℃（供回水溫度35～30℃）時(shí)釋熱能力為62.8 W/m，介于R2孔30～35℃工況之間，兩種測(cè)試方法獲得的地下?lián)Q熱量基本一致。兩者在數(shù)據(jù)分析上各有側(cè)重，恒熱流法是國(guó)際上運(yùn)用最為廣泛的試驗(yàn)方法，有較為成熟的數(shù)據(jù)處理模型，根據(jù)溫度場(chǎng)，直接獲取巖土體的平均導(dǎo)熱系數(shù)。恒溫法可直接確定每延米地埋管換熱器的換熱能力，其計(jì)算模型簡(jiǎn)單，能更真實(shí)的反應(yīng)地埋管的換熱性能［7］。二者各有優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，建議采用兩種方法綜合分析。

4 適宜性評(píng)價(jià)

對(duì)于地埋管地源熱泵的適宜性分區(qū)主要考慮巖土體熱物性、水文地質(zhì)條件以及巖土體可鉆性。

4.1 巖土體熱物性

1）熱響應(yīng)試驗(yàn)孔105 m以下淺地層平均初始溫度為18.63℃，與武漢地區(qū)年均氣溫相近，可作為場(chǎng)地巖土體初始平均溫度的參考。

表4 R1孔和R2孔測(cè)試結(jié)果一覽表

2）由恒熱流法得出：地層平均熱傳導(dǎo)系數(shù)為：2.89 W/（m·K），綜合熱阻為0.171（m·K）/W。本工程地點(diǎn)測(cè)試地埋管散熱能力，取熱能力均較好，適宜采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。

4.2 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地上覆地層以第四系黏性土及粉細(xì)砂（局部含礫）為主，第四系厚度達(dá)77.2 m，局部含卵礫石細(xì)砂土，卵石層總厚度＜5 m。本場(chǎng)地含有豐富的地下水，孔隙承壓水賦存于砂、礫石層中，含水層厚度為50.9 m，短時(shí)間內(nèi)的換熱效果也較好。根據(jù)豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)主要指標(biāo)［8］（見表5），該場(chǎng)地為豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)較適宜性區(qū)。

表5 豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分級(jí)

4.3 巖土體可鉆性

場(chǎng)地上覆第四系土層厚度大，卵石層較薄，下伏基巖為泥質(zhì)粉砂巖，巖土體可鉆性較好，后期施工建議采用旋轉(zhuǎn)鉆引孔、潛孔鉆成孔的綜合施工工藝。

整體而言，本工程場(chǎng)地為地埋管較適宜地區(qū)。

5 結(jié)語

針對(duì)武漢某地區(qū)地源熱泵項(xiàng)目，分別采用恒熱流法和恒溫法對(duì)豎直雙U型地埋管試驗(yàn)孔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，獲取了該場(chǎng)地的巖土熱物性參數(shù)。結(jié)合場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件以及巖土體可鉆性，得出該場(chǎng)地為豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)較適宜區(qū)，可為該區(qū)合理應(yīng)用地源熱泵技術(shù)提供參考。

收稿日期：2018-05-02