朱志明, 柯 立, 馬 俊, 劉紅衛(wèi), 江 凱
(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 武漢 430051; 2.湖北省地?zé)崮苎芯客茝V中心,湖北 武漢 430051)
淺層地溫能開發(fā)利用中,能量從巖土層中輸入或輸出,地溫場(chǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[1-4]。系統(tǒng)運(yùn)行初期,周圍溫度場(chǎng)變化較小,熱量易擴(kuò)散,換熱效率高,隨著系統(tǒng)的運(yùn)行,巖土層中累積的熱量增多,熱量擴(kuò)散難度增加,換熱效率逐漸降低。
地下巖土體由于構(gòu)造復(fù)雜、人工熱輸入特征多樣,其傳熱規(guī)律也復(fù)雜多變,目前對(duì)巖土體傳熱規(guī)律及地源熱泵系統(tǒng)能效下降量定量分析研究較少,巖土體溫升(降)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(rèn)識(shí)還不全面,地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理上有較大的主觀性[5-8]。
本文通過有限元軟件ABAQUS對(duì)地下巖土體熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)開展地下巖土體的傳熱研究。為配合研究,專門建設(shè)了兩個(gè)傳熱模擬試驗(yàn)場(chǎng),其中一個(gè)處于崗地(二級(jí)階地),換熱體為巖石,無地下水流動(dòng)影響;另一個(gè)處于長(zhǎng)江沖積一級(jí)階地上,換熱層主要為粘性土和砂層,有地下水流動(dòng)。兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)均采取土樣進(jìn)行巖土物理、熱物理性質(zhì)分析,布設(shè)施工了傳熱監(jiān)測(cè)孔(孔內(nèi)埋設(shè)有測(cè)溫探頭),并進(jìn)行了連續(xù)加熱試驗(yàn)和地溫監(jiān)測(cè),獲取了地下巖土體傳熱數(shù)據(jù)。
通過上述方式,分析巖土體傳熱規(guī)律,并與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果吻合,則對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行多種工況的再模擬,研究地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中巖土體溫度變化、系統(tǒng)能效變化,為地埋管地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理提供參考,達(dá)到用好、用足淺層地溫能資源的目的。
古田試驗(yàn)場(chǎng)位于硚口區(qū)古田五路地調(diào)大樓院內(nèi),屬堆積平原一級(jí)階地,上覆地層為第四系粉質(zhì)粘土、粉砂、粉土、細(xì)砂和砂卵石,下伏基巖為志留系墳頭組泥巖,主要含水層為細(xì)砂和礫卵石層,是典型的“上土下砂”地層結(jié)構(gòu)。
四新新城試驗(yàn)場(chǎng)位于漢陽區(qū)芳草路南國(guó)明珠三期,距墨水湖約10 m,下伏基巖為石英砂巖和泥巖,上覆1.8 m的素填土。
兩處試驗(yàn)場(chǎng)地埋管管徑150 mm,采取雙U管,下管深度60 m,以水泥漿回填。主孔周圍布置有4個(gè)監(jiān)測(cè)孔,監(jiān)測(cè)孔距主孔的距離由近及遠(yuǎn)依次為0.8 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m,圖1為兩處試驗(yàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)孔布置示意圖。
由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)多為單孔,且加熱試驗(yàn)時(shí)間有限、試驗(yàn)工況和實(shí)際工程項(xiàng)目不一致,獲得的數(shù)據(jù)不能完全說明巖土體傳熱特征及對(duì)地源熱泵工程項(xiàng)目運(yùn)行的影響,為此,借用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行模擬,輔助分析巖土層中傳熱規(guī)律等。
圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)孔布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring hole arrangement for field test
模型選取20 m處地層為研究對(duì)象,該深度地層單元古田試驗(yàn)場(chǎng)為粉砂夾粉土層,四新試驗(yàn)場(chǎng)為石英砂巖。該單元點(diǎn)位于換熱試驗(yàn)孔中部,受頂、底部巖土層熱干擾較小,上下層巖土體熱物理性質(zhì)相差不大,與假設(shè)條件擬合度高,另外該處現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)齊全,便于分析對(duì)比。模型厚度為1 m的巖土體,模擬邊界取100 m×100 m,模型參數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)值選取,具體參數(shù)見表1。
表1 試驗(yàn)場(chǎng)參數(shù)Table 1 Parameter table of testing ground
由于模擬的局限性,為了能合理有效地模擬地源熱泵中的熱量擴(kuò)散過程,首先將模型進(jìn)行一系列簡(jiǎn)化,并提出以下假設(shè):
(1) 假設(shè)周圍巖土體均質(zhì)且各向同性;
(2) 假設(shè)中心加熱后熱量只沿水平方向向周圍擴(kuò)散;
(3) 假設(shè)無地下水或地下水不發(fā)生流動(dòng),即水不影響巖土體的熱交換;
(4) 以溫度上升>0.1 ℃的范圍所成圓的半徑作為擴(kuò)散半徑。
模擬工況為持續(xù)7 d恒熱流加熱試驗(yàn),輸入功率按實(shí)際換熱功率為67.7 W/m(古田)、69.6 W/m(四新)。模擬結(jié)果如下:
圖2中的四條曲線分別為模擬中第7、8、15、30天時(shí),以孔中心為圓心、4.5 m為半徑的圓中,沿任意直徑的溫度分布曲線。
圖2 古田試驗(yàn)場(chǎng)持續(xù)加熱7 d模擬沿任意直徑的溫度分布曲線Fig.2 Temperature distribution curve along arbitrary diameter bycontinuous heating for 7 Days at Gutian test site
從圖2中可以看出,加熱第1天巖土體受到加熱影響溫度急劇上升,最高溫升為8 ℃;第1—7天,巖土體各位置溫度不斷上升,且保持較快溫升速率,至第7天溫度最高為31 ℃;第8天由于停止加熱溫度驟降,較第7天最大溫降7.7 ℃;隨后溫度下降速率逐漸減緩,至第15天,主孔溫度相對(duì)初始溫度上升1.5 ℃;第30天 0~2.5 m范圍內(nèi)土體溫度繼續(xù)下降,2.5 m范圍外巖土體溫度較第15天有少量上升,分析原因?yàn)閭鳠峥诇囟扔芍行南蛑車鷤鬟f至2.5 m外圍區(qū)域,從而引起溫度上升。
圖3 四新試驗(yàn)場(chǎng)持續(xù)加熱7 d模擬沿任意直徑的溫度分布曲線Fig.3 Temperature distribution curve along arbitrary diameter bycontinuous heating for 7 Days at Sixin test site
圖3中的四條曲線分別為模擬中第7、8、15、30天時(shí),以孔中心為圓心、5 m為半徑的圓中,沿任意直徑的溫度分布曲線。其基本變化規(guī)律與古田相同:空間上主要呈現(xiàn)為中心高、兩邊低的溫度變化規(guī)律;時(shí)間上,溫度上升(下降)在加熱開始(停止)初期溫度變幅較大,且隨著時(shí)間增加,溫度變幅逐漸減小。
同時(shí)比較兩試驗(yàn)場(chǎng)溫度變化規(guī)律可知,在輸入熱量相同的情況下,四新試驗(yàn)場(chǎng)溫升較古田小,即石英砂巖地層較粉砂夾粉土地層而言,輸入相同熱量溫升梯度較小。
將數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比,用來驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖4為主孔、0.8 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m處數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)溫度隨時(shí)間變化對(duì)比曲線。
圖4 數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Curve of temperature change with time in numerical simulation and actual monitoring
通過數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線的對(duì)比,總體上數(shù)值模擬顯現(xiàn)出來的溫度變化趨勢(shì)與實(shí)際監(jiān)測(cè)溫度變化趨勢(shì)基本吻合,說明了數(shù)值模擬較合理,具有一定的參考價(jià)值。
根據(jù)武漢地區(qū)夏季制冷的一般情況,設(shè)置如下模擬工況條件:模擬時(shí)長(zhǎng)195 d,其中運(yùn)行周期為120 d(6-9月),間歇期為75 d;每日運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)10 h,且標(biāo)準(zhǔn)工況每米換熱功率均設(shè)定為50 W/m,比照6- 9月份系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際情況,設(shè)定地下輸入能量(功率值),詳見表2。
表2 夏季工況模擬輸入功率表Table 2 Power meter of analog input in summer
單孔模擬結(jié)果可得到此工況下單個(gè)換熱孔不同時(shí)間、不同距離處巖土體溫度,選取地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行具有代表性的時(shí)間節(jié)點(diǎn),繪制相應(yīng)圖件進(jìn)行分析、評(píng)價(jià),具體分為系統(tǒng)運(yùn)行后第30天(6月末)、第60天(7月末)、第90天(8月末)、第120天(9月末、運(yùn)行結(jié)束進(jìn)入秋季運(yùn)行間歇期)、第195天(冬季供暖開始)共五個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn),并取當(dāng)日運(yùn)行開始前(設(shè)定為每日早8:00)和運(yùn)行結(jié)束時(shí)(每日晚18:00)的地溫用以評(píng)價(jià)、計(jì)算。
由以上數(shù)據(jù)可以看出,各時(shí)間節(jié)點(diǎn)當(dāng)日內(nèi)換熱主孔巖土層溫升最高值隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大,在第60-90天達(dá)到7℃,主孔處地溫不斷抬升,當(dāng)天散熱后的溫度高于初始地溫3~3.5℃;最后一個(gè)月由于輸入能量減小,主孔處溫度升高趨勢(shì)減緩和降低。
從模擬結(jié)果看,單日10個(gè)小時(shí)的加熱熱量影響范圍主要集中在距換熱主孔0.5 m范圍內(nèi)(直徑1 m),外圍巖土體在當(dāng)日余下14個(gè)小時(shí)內(nèi)繼續(xù)接受中心處傳來的熱量,溫升相對(duì)變化較小,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和熱量的積累,不同距離外圍巖土體溫度逐漸抬升。
與古田試驗(yàn)場(chǎng)模擬結(jié)果相比(圖5、圖6),四新試驗(yàn)場(chǎng)換熱孔處溫度上升最大值僅為5.8 ℃,當(dāng)日散熱后主孔處地溫較初始地溫抬升幅度也僅為2.5 ℃左右,說明巖層中傳熱、導(dǎo)熱速度更快,熱量不易累積,換熱孔換熱效率也會(huì)更高。
圖5 古田試驗(yàn)場(chǎng)單日運(yùn)行巖土層溫度Fig.5 Geotechnical layer temperature of Gutian test site in one-day operation
圖6 四新試驗(yàn)場(chǎng)單日運(yùn)行巖土層溫度Fig.6 Geotechnical layer temperature of Sixin test site in one-day operation
以巖土體最外圍溫升0.1 ℃為邊界,分析夏季運(yùn)行工況條件下,巖土體中熱量擴(kuò)散范圍變化,可以輔助分析熱擴(kuò)散速度和熱影響范圍。同樣利用古田試驗(yàn)場(chǎng)和四新試驗(yàn)場(chǎng)模擬結(jié)果,得到30 d、90 d、120 d、195 d時(shí)熱擴(kuò)散邊界數(shù)據(jù),見表3。
表3 夏季運(yùn)行工況不同時(shí)間熱擴(kuò)散范圍Table 3 Thermal diffusion range at different timein summer operating conditions
由表3可以看出,夏季運(yùn)行時(shí),傳熱邊界在第1、2、3、4個(gè)月末時(shí)分別到達(dá)約3.5 m、5 m、6 m、7 m處;至冬季供暖開始時(shí),熱量仍在向外擴(kuò)散,此時(shí)邊界已到達(dá)約9 m處;可見巖土體有較強(qiáng)的傳熱能力。比較兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng),巖層中熱量傳遞相對(duì)更遠(yuǎn)。
隨著系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行,巖土體溫度逐漸上升,換熱孔換熱效率也隨之降低。為保證地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行保持較高的效率,應(yīng)了解巖土體溫升對(duì)換熱效率的影響。利用古田和四新兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)夏季運(yùn)行工況模擬數(shù)據(jù),可獲得換熱孔不同距離(范圍)巖土體平均溫度,以此為基礎(chǔ),估算夏季運(yùn)行不同時(shí)段、單日不同時(shí)刻(8:00、18:00)單孔換熱孔換熱功率。
地埋管運(yùn)行后,周邊巖土體地溫上升ΔT,引起地埋管單孔換熱功率變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)工況時(shí)的μ倍,因此取μ為單孔換熱功率折減系數(shù)。
制冷工況下,武漢地區(qū)循環(huán)水標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)出口溫度為35 ℃/30 ℃,平均溫度為32.5 ℃。當(dāng)初始地溫上升ΔT后,單孔換熱功率變?yōu)樵瓉淼摩瘫叮瑒t有下式:
(1)
式中:μ為單孔換熱功率折減系數(shù);Ti為巖土體初始地溫,℃;ΔT為換熱孔周邊巖土體平均溫升,℃。
根據(jù)古田試驗(yàn)場(chǎng)夏季工況不同距離處巖土層溫度,選取任意一條過換熱孔圓心直線上的多個(gè)數(shù)據(jù),通過劃分網(wǎng)格,可以計(jì)算距換熱孔中心不同距離處范圍內(nèi)巖土體的平均溫升,見表4。
表4 古田試驗(yàn)場(chǎng)夏季工況模擬不同距離范圍內(nèi)巖土層平均溫升(8:00)Table 4 Simulating the mean temperature rise of geotechnical layerin different distance ranges under summer conditions at Gutian test site
可以看出,3.5 m范圍內(nèi)巖土體平均溫度最大值出現(xiàn)在90 d,4 m以外120 d巖土體平均溫升較大,說明夏季運(yùn)行前90 d的熱量在90 d后仍對(duì)4 m外的巖土體溫度產(chǎn)生影響,造成其溫度上升。
根據(jù)換熱功率計(jì)算公式計(jì)算,以32.5 ℃進(jìn)水溫度、18.3 ℃巖土層初始溫度為標(biāo)準(zhǔn),以換熱孔周邊巖土體平均地溫抬高之后的平均地溫作為新時(shí)間節(jié)點(diǎn)的初始地溫計(jì)算,得到不同距離處在運(yùn)行后不同時(shí)間的換熱功率比值,見圖7。其中第195天開始供暖,由于巖土層平均溫度高于初始地溫,估算換熱功率高于原始值。
圖7 古田試驗(yàn)場(chǎng)巖土體換熱效率衰減比曲線圖Fig.7 Curve chart of heat transfer efficiency attenuation ratio ofgeotechnical body in Gutian test site
從估算結(jié)果分析,單孔換熱功率自運(yùn)行1個(gè)月到夏季運(yùn)行結(jié)束,在通常的5 m 換熱孔布孔間距下,當(dāng)日運(yùn)行前換熱孔換熱功率逐漸降低,低于設(shè)計(jì)值的8%~12%。同理可知,當(dāng)日運(yùn)行臨近結(jié)束時(shí),換熱孔換熱功率低于設(shè)計(jì)值的9%~15%。
采用同樣方法可以得出,四新試驗(yàn)場(chǎng)巖土體換熱效率衰減比曲線圖見圖8。
圖8 四新試驗(yàn)場(chǎng)巖土體換熱效率衰減比曲線圖Fig.8 Curve chart of heat transfer efficiency attenuation ratio ofgeotechnical body in Sixin test site
從估算結(jié)果分析,單孔換熱功率自運(yùn)行1個(gè)月到夏季運(yùn)行結(jié)束,在通常的5 m 換熱孔布孔間距下,當(dāng)日運(yùn)行前換熱孔換熱功率低于設(shè)計(jì)值的7%~10%。同理可知,當(dāng)日運(yùn)行結(jié)束前換熱孔換熱功率低于設(shè)計(jì)值的8%~12%。
為估算群孔模式下?lián)Q熱功率下降情況,以單個(gè)孔模擬結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。按正方形布置方式,地埋管換熱孔間距分別為5 m、6 m、7 m,同樣的夏季運(yùn)行工況,同樣以古田試驗(yàn)場(chǎng)、四新試驗(yàn)場(chǎng)為樣本,選擇9個(gè)孔,取中心處換熱孔為代表,分別計(jì)算不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)中心換熱孔的換熱功率。
圖9 群孔換熱效率衰減估算模型示意圖Fig.9 Schematic chart of estimation model for heat transferefficiency attenuation of groupholes
模型見圖9,換熱孔采用正方形布置,各孔間距均為2R,因而可以將單孔換熱影響范圍劃分為2R×2R正方形。以換熱孔5為例,以點(diǎn)a-e代表對(duì)角線上溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn),以點(diǎn)A-E為水平方向上監(jiān)測(cè)點(diǎn),由此可以得到三角形A-5-a范圍內(nèi)的平均溫度。由于正方形在水平方向和垂直方向呈現(xiàn)軸對(duì)稱,因此平均溫度即為換熱孔影響范圍內(nèi)平均溫度。
根據(jù)式(1),可計(jì)算出不同時(shí)間、不同范圍內(nèi)巖土體換熱效率衰減比(見表5、表6)。
表5 古田試驗(yàn)場(chǎng)平均溫升和換熱孔換熱效率(8:00)Table 5 Average temperature rise and heat exchange efficiency ofheat exchange hole in Gutian test site
古田試驗(yàn)場(chǎng)(粘性土+砂層)群孔布置時(shí)中心換熱孔換熱功率自運(yùn)行1個(gè)月到夏季運(yùn)行結(jié)束,在通常的5 m 換熱孔布孔間距下,換熱孔換熱功率低于設(shè)計(jì)值的7%~23%,后3個(gè)月普遍低于設(shè)計(jì)值15%以上。
表6 四新試驗(yàn)場(chǎng)平均溫升和換熱孔換熱效率(18:00)Table 6 Average temperature rise and heat exchange efficiency ofheat exchange hole in Sixin test site
采用同樣方法可得,四新試驗(yàn)場(chǎng)(石英砂巖地層)群孔布置時(shí)中心換熱孔換熱功率自運(yùn)行1個(gè)月到夏季運(yùn)行結(jié)束,在通常的5 m 換熱孔布孔間距下,換熱孔換熱功率低于設(shè)計(jì)值的7%~22%,后3個(gè)月普遍也低于設(shè)計(jì)值的15%以上。
(1) 地埋管地源熱泵系統(tǒng)日運(yùn)行小時(shí)數(shù)越多(恢復(fù)時(shí)間越短)、總運(yùn)行天數(shù)時(shí)間越長(zhǎng)的項(xiàng)目,由于換熱影響范圍內(nèi)土體平均地溫不斷升高,單孔換熱效率會(huì)大幅度下降,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其不利影響。
(2) 地埋管換熱孔布置時(shí),不宜采用團(tuán)塊狀布置,中心處間距宜稍大,外圍孔間距可稍小,以便于地下熱量傳遞、擴(kuò)散。
(3) 按照國(guó)標(biāo)要求,地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)需在對(duì)系統(tǒng)逐時(shí)負(fù)荷分析的基礎(chǔ)上采用模擬的方法輔助設(shè)計(jì),建議對(duì)地下巖土體換熱能力進(jìn)行逐時(shí)段計(jì)算、年度復(fù)核、多年校核和全生命周期內(nèi)評(píng)估。最終確定單一地埋管方式或多種能源組合方式下淺層地溫能利用量、設(shè)計(jì)值等,以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期高效運(yùn)行和末端使用效果;同時(shí)要考慮長(zhǎng)期運(yùn)行后換熱器換熱能力下降和損耗等,必要時(shí)預(yù)留系統(tǒng)改造接口。
(4) 武漢地區(qū)夏季需要120 d制冷,在模擬輸入功率條件下,換熱孔間距需7 m左右,巖土體才能在整個(gè)制冷期保證最低吸熱量(設(shè)計(jì)值的90%水平);限于場(chǎng)地和經(jīng)驗(yàn),目前大多數(shù)項(xiàng)目都是5 m左右間距,在工程項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行過程中,多個(gè)地埋管地源熱泵項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)在后期滿足不了空調(diào)負(fù)荷要求,有的靠西側(cè)的辦公室需要開電風(fēng)扇幫助降溫,有的項(xiàng)目實(shí)測(cè)系統(tǒng)能效比僅2.0,可見換熱管群后期換熱功率下降情況確實(shí)存在,且降幅較大,已經(jīng)影響到系統(tǒng)使用效果。對(duì)此類項(xiàng)目,建議對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行診斷、改造完善,以滿足用戶需求。