薛宇澤,陶鵬飛,張廷會(huì),張育平,韓元紅,肖踞輝
(1.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710021;2.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司,西安 710021;3.陜西省一三九煤田地質(zhì)水文地質(zhì)有限公司,陜西 渭南 714000)
渭南地處渭河盆地,渭河盆地地?zé)豳Y源豐富[1-3],利用淺層地?zé)崮艿卦礋岜眉夹g(shù)供暖制冷具有環(huán)境友好、清潔干凈、節(jié)能高效等優(yōu)點(diǎn)。但隨著地源熱泵系統(tǒng)的迅猛發(fā)展也暴露出很多問題,如長(zhǎng)期使用造成的地層冷熱不平衡、運(yùn)行能耗增加、系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工況參數(shù)與設(shè)計(jì)不符[4],導(dǎo)致運(yùn)行負(fù)荷嚴(yán)重超標(biāo)等。地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的一大關(guān)鍵在于地層的導(dǎo)熱系數(shù)與地埋管換熱器的每延米換熱量等重要參數(shù)的確定,這些參數(shù)對(duì)地埋管系統(tǒng)鉆孔的數(shù)量及深度設(shè)計(jì)至關(guān)重要[5],通過規(guī)范的現(xiàn)場(chǎng)巖土熱響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)可以準(zhǔn)確得到熱物性參數(shù),為地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。目前用于巖土熱物性參數(shù)的測(cè)試方法主要有四種:土壤類型辨別法、穩(wěn)態(tài)測(cè)試法、探針法和現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試法[6],其中現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試法克服了土壤樣品與地下原始結(jié)構(gòu)差異大的問題,可獲得與實(shí)際更為接近的整個(gè)鉆孔深度土壤的有效導(dǎo)熱系數(shù),更能滿足實(shí)際工程的要求[7]。
工程位于陜西省渭南市內(nèi),采用土壤源熱泵技術(shù)對(duì)住宅辦公小區(qū)進(jìn)行冬季供暖與夏季制冷,選取已經(jīng)完工的1號(hào)試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)。埋管形式為單U,PE管規(guī)格為De32;孔深150 m,孔徑為150 mm,回填材料為原漿和細(xì)沙。
項(xiàng)目區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上處于中部渭河階梯狀斷陷構(gòu)造,為新生代斷陷盆地,介于秦嶺北坡-太華山北側(cè)大斷層及北山山前大斷層之間;目前南北山區(qū)仍在不斷強(qiáng)烈上升,中部斷陷區(qū)仍繼續(xù)下降。根據(jù)1號(hào)試驗(yàn)鉆孔錄井結(jié)果,該項(xiàng)目地層巖性主要為黃土層、砂土層、砂礫石層,鉆孔地層描述如表1。
表1 1號(hào)試驗(yàn)孔地層巖性Table 1 The stratum lithology of test depth
現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試方法有恒溫法與恒流法兩種。恒溫法需要分別做放熱試驗(yàn)與取熱試驗(yàn),用來(lái)模擬真實(shí)的夏季與冬季工況。具體方法為控制熱響應(yīng)測(cè)試儀出口溫度恒定,使其與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的介質(zhì)溫度一致,通過測(cè)定熱響應(yīng)測(cè)試儀進(jìn)口溫度來(lái)計(jì)算實(shí)際換熱量。恒溫法試驗(yàn)通常只能連續(xù)運(yùn)行幾十個(gè)小時(shí),與真實(shí)工況的運(yùn)行時(shí)間相差甚遠(yuǎn),實(shí)際運(yùn)行的地層溫度變化與試驗(yàn)時(shí)間的溫度變化并不相同,得到的每延米換熱量也不相同,因此恒溫法只適合于可行性分析,不適合于真實(shí)土壤熱物性測(cè)試[7]。
測(cè)試采用恒流法。恒流法是指恒熱流法,是通過熱響應(yīng)測(cè)試儀加熱器采用恒定功率對(duì)水箱進(jìn)行加熱,循環(huán)水泵將加熱后的水通過U型地埋管帶到地下,對(duì)地層進(jìn)行放熱,與地層換熱后再次回到水箱,往復(fù)循環(huán)該過程;當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)出口水溫穩(wěn)定達(dá)到平衡,記錄地埋側(cè)的進(jìn)出口水溫和流量,運(yùn)用已知的換熱模型中反算出導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)值,從而求出換熱量Q值。該試驗(yàn)過程的實(shí)質(zhì)是經(jīng)過加熱后的循環(huán)水對(duì)地層進(jìn)行了放熱,巖土熱物性參數(shù)作為一種熱物理性質(zhì),無(wú)論對(duì)其進(jìn)行放熱或是取熱試驗(yàn),其數(shù)據(jù)處理過程基本相同。國(guó)際上通行的做法即采用恒熱流法來(lái)確定巖土的熱物性參數(shù),同時(shí)也是國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)(IGSHPA)[8]和美國(guó)采暖制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)手冊(cè)所推薦的方法[9]。
鉆井完成后不能立即進(jìn)行試驗(yàn),這是由于受到鉆進(jìn)過程的影響產(chǎn)生熱量,所測(cè)地溫不能反映真實(shí)的地層溫度。試驗(yàn)在完鉆48 h后進(jìn)行,此時(shí)回填材料與地層溫度已達(dá)平衡,所測(cè)溫度可代表地層溫度。
首先在不開加熱器的前提下打開循環(huán)水泵,使系統(tǒng)運(yùn)行,記錄地埋管進(jìn)出口溫度,待進(jìn)出口溫度數(shù)值相等并穩(wěn)定后,將該溫度作為地層的初始溫度。獲取初始地溫后開啟加熱器,并以恒定的功率和流量運(yùn)行,計(jì)算機(jī)1 min記錄一次進(jìn)口溫度與出口溫度,根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)在相關(guān)軟件中求得地層熱物性參數(shù)。測(cè)試過程不得中斷,若發(fā)生中斷情況必須使地層溫度充分恢復(fù)到原始地溫才可進(jìn)行新的測(cè)試。示意圖如圖1所示。
圖1 巖土熱響應(yīng)測(cè)試示意圖Fig.1 Geotechnical thermal response test
試驗(yàn)采用熱響應(yīng)測(cè)試儀的理論模型為線熱源模型[10]。由于鉆孔直徑遠(yuǎn)小于鉆孔深度,可以認(rèn)為地埋管換熱器是單根線熱源,忽略換熱過程在縱向深度方向的傳熱量,其能量傳遞是線熱源在無(wú)限大平面介質(zhì)中的一個(gè)傳熱過程,考慮鉆孔熱阻,可有以下表達(dá)式[11]:
式中:Tf為地埋管中循環(huán)流體平均溫度,℃;λ為地層土壤導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);H為鉆孔深度,m;τ為某一時(shí)刻,s;α為熱擴(kuò)散率,m/s;rb為鉆孔半徑,m;γ為歐拉常數(shù),取0.577 2;Rb為循環(huán)流體與鉆孔間的熱阻;T0為原始地層溫度,℃;Q為換熱量,表達(dá)式為:
tin為地埋管循環(huán)液進(jìn)口溫度,℃;tout為地埋管出口溫度,℃;m為平均流量,kg/s;c為水的比熱容,取4 200 J/(kg·℃);tin、tout可通過儀器測(cè)得,m可通過流量換算得到,因此Q為已知量。
整理式(1)發(fā)現(xiàn),除了Tf與τ外,其余參數(shù)都是定值,因此方程可簡(jiǎn)化為Tf隨時(shí)間對(duì)數(shù)lnτ的一元一次方程,可簡(jiǎn)化為y=kx + b,k是斜率,b是截距,其中y=Tf,是地埋管循環(huán)液的平均溫度;結(jié)合式(1)可得:
忽略鉆孔軸向的導(dǎo)熱和流體對(duì)流換熱的影響,但考慮垂直于鉆孔軸線的橫截面中的二維傳熱,根據(jù)單U型埋管二維導(dǎo)熱模型[12-13]得出單U型埋管結(jié)構(gòu)的鉆孔內(nèi)總傳熱熱阻Rb表達(dá)式為:
式中:λb為鉆孔回填材料導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λs為埋管周圍巖土的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λp為地埋管的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);do為埋管外徑,m;di為埋管內(nèi)徑,m;db為鉆孔直徑,m;h為循環(huán)介質(zhì)與U形管內(nèi)壁的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K)。
連接好熱響應(yīng)測(cè)試儀與地埋管,并檢查密封耐壓無(wú)誤后,啟動(dòng)循環(huán)水泵,使介質(zhì)在不加熱的情況下在U型地埋管中循環(huán),待出口溫度穩(wěn)定后認(rèn)為是地層初始溫度。測(cè)定了初始地溫為18.9℃,熱響應(yīng)測(cè)試儀設(shè)備的平均加熱功率P為6 783 W。運(yùn)行參數(shù)詳見表2。
表2 測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Table 2 Test system working parameters
通過恒定加熱功率加熱循環(huán)水泵的水,以恒定的流量進(jìn)入地埋管,系統(tǒng)每隔1 min自動(dòng)記錄地埋管進(jìn)出口溫度,連續(xù)運(yùn)行不低于48 h,運(yùn)行結(jié)束后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出,通過專業(yè)軟件計(jì)算出土壤的導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱容等參數(shù)。熱響應(yīng)測(cè)試的時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很大,理論上測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng),進(jìn)出口平均溫度值隨時(shí)間變化曲線更接近于真實(shí)趨勢(shì),相關(guān)研究顯示,測(cè)試時(shí)間增加至50 h,測(cè)試結(jié)果計(jì)算值與真實(shí)值之間誤差將小于 ±5%[7]。測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為58 h,借鑒國(guó)外測(cè)試時(shí)間推薦值同時(shí)滿足國(guó)內(nèi)規(guī)范要求。測(cè)試過程中的額定加熱功率為6.8 kW,流量0.47 kg/s,地埋管進(jìn)出口溫度變化如圖2所示,根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可得出進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化。
從圖2可以看出,試驗(yàn)構(gòu)成大致可分為三個(gè)階段:
(1)試驗(yàn)的0~8 h,豎直U型地埋管內(nèi)換熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度上升較快,這是由于循環(huán)水吸收加熱器的熱量遠(yuǎn)大于循環(huán)水散失給地層的熱量,地埋管系統(tǒng)傳熱剛剛開始,遠(yuǎn)未達(dá)到穩(wěn)定與平衡。
圖2 地埋管進(jìn)出水溫度隨時(shí)間的變化Fig.2 Input and output water temperature curves of buried pipe
(2)6~20 h,地埋管進(jìn)出口溫度繼續(xù)升高,但上升速度已經(jīng)放緩,這是由于隨著時(shí)間的增加,循環(huán)水吸收加熱器的熱量與循環(huán)水散失給地層的熱量的差值逐漸減小,地埋管系統(tǒng)傳熱趨于穩(wěn)定。
(3)20~58 h,進(jìn)出口溫度小幅上升趨于穩(wěn)定,且溫差基本保持在3℃左右,循環(huán)水吸收加熱器的熱量與循環(huán)水散失給地層的熱量基本恒定并趨于平衡,此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定平衡狀態(tài),滿足試驗(yàn)要求的恒定熱流條件,也說(shuō)明該地埋管換熱器的換熱能力是較穩(wěn)定的[14]。
將平均溫度運(yùn)用最小二階乘法進(jìn)行擬合得到圖3。根據(jù)2.3節(jié),在軟件中擬合的公式可求得截距與斜率,式(3)中Q、k、H都是已知量,求得導(dǎo)熱系數(shù)為2.16 W/(m·K),已知地埋管的相關(guān)參數(shù),根據(jù)式(5)可求得鉆孔熱阻值Rb為0.42 (m·K)/W;通過截距b可算出α熱擴(kuò)散率0.9 × 10-6m2/s;巖土容積比熱容、熱擴(kuò)散率和導(dǎo)熱系數(shù)有ρc=λ/α的關(guān)系[7,15-16],據(jù)此公式可求得巖土容積比熱容ρc為2.39 MJ/(m3·K),換熱量Q=cm(tin-tout)=6 743 W,每延米的換熱量為q=Q/H=45 (W/m)。結(jié)果列于表3。
圖3 平均溫度曲線與線熱源模型的擬合曲線Fig.3 Average temperature curve and lineal heat source model fitting curve
表3 1號(hào)孔巖土熱物性參數(shù)計(jì)算值結(jié)果Table 3 Thermal physical properties of test result of 1# borehole
巖土熱物性參數(shù)的確定對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行至關(guān)重要?;诰€熱源模型理論,采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法得到巖土熱物性參數(shù),測(cè)試結(jié)果表明:
(1)地埋管進(jìn)出口溫度變化總體分為三個(gè)階段,第一階段0~6 h,地埋管進(jìn)出口溫度上升較快,第二階段6~20 h,地埋管進(jìn)出口溫度繼續(xù)升高,但是上升的速度已經(jīng)放緩,第三階段20~58 h,進(jìn)出口溫度小幅上升趨于穩(wěn)定,溫差保持在3℃左右。
(2)試驗(yàn)測(cè)試地區(qū)地層平均初始溫度為18.9℃,試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行58 h,通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到地層導(dǎo)熱系數(shù)為2.16 W/(m·K),巖土比熱容為2.39 MJ/(m3·K),每延米換熱量為45 W/m,工區(qū)地層的熱傳導(dǎo)條件較好,適宜使用埋管地源熱泵技術(shù)。