楊苗林，田恒召，袁小清

四川綿陽(yáng)安州區(qū)某場(chǎng)地巖土熱物性研究

楊苗林1，田恒召1，袁小清2

（1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局九0九水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì) 四川 綿陽(yáng) 621000；2.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610000）

巖土熱物性系數(shù)是地源熱泵研究中的重要參數(shù)。本研究基于四川綿陽(yáng)市安州區(qū)某場(chǎng)地的現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)得出：研究區(qū)地巖土的初始溫度為17.7℃，巖土土壤平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.91 W/(m·K)，鉆孔內(nèi)的熱阻為0.36 m·K/W。通過(guò)該試驗(yàn)，可以為研究區(qū)地源熱泵的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

巖土熱物性；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；四川綿陽(yáng)；安州

目前越來(lái)越多的人關(guān)注淺層地溫能的利用，其中地源熱泵在空調(diào)系統(tǒng)中的利用也日趨普遍。巖土熱物性系數(shù)是地源熱泵系統(tǒng)中不可或缺的參數(shù)。國(guó)內(nèi)外，可用于確定地下巖土熱物性的方法主要有：穩(wěn)態(tài)平板測(cè)試法、探針?lè)?、土壤類型辨別法及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法[1]。前三種方法均存在不同程度的誤差，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相差較大。因此為能準(zhǔn)確地獲得地下巖土的熱物性參數(shù)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巖土熱物性測(cè)試是最直接有效的方法。本文以四川綿陽(yáng)市安州區(qū)某場(chǎng)地的現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)為例，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巖土熱物性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)巖土土壤平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)較高，適宜做地源熱泵系統(tǒng)，可為研究區(qū)內(nèi)地源熱泵的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 綿陽(yáng)地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征及水文地質(zhì)特征

研究區(qū)位于四川綿陽(yáng)市安州區(qū)，地處龍門山褶斷帶與四川盆地相接的部位，受該地質(zhì)構(gòu)造條件的控制，該處地貌特征主要表現(xiàn)為西北部為龍門山山地地貌，東南部為四川盆地地貌，地勢(shì)總體上呈西北高東南低。東南部的四川盆地以丘陵地貌和堆積平原為主；丘陵自西北向東南呈壟崗狀延伸，構(gòu)成安昌河水系與睢水河水系的分水嶺；水系的兩岸連續(xù)分布著寬廣而開(kāi)闊的砂卵礫石層堆積平原，研究區(qū)就位于該堆積平原上。

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，所處地勢(shì)平坦，鉆孔資料顯示該區(qū)地層分布情況為（圖1）：①第四系填土層，層厚約1m，雜填土；②第四系沖洪積物堆積層，層厚約26m，由地表往下依次為砂卵礫石夾粘土層、砂卵礫石層、卵礫石層；③基巖為白堊系劍閣組紫紅色泥巖，層厚180~300m[2]。

圖1 研究區(qū)鉆孔柱狀圖

研究區(qū)地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。第四系含水層類型為潛水，含水層富水性極好，單井出水量（降深5m時(shí)）一般為3 000~5 000 m3/d，但地下水流速緩慢。基巖含水層類型為承壓水，含水層富水性較差，泉流量0.01~0.5 L/s，地下水流速緩慢。

２ 熱響應(yīng)試驗(yàn)分析

現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)是獲取地下巖土的熱物性參數(shù)的有效方法，通過(guò)巖土熱物性測(cè)試儀器采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以得出研究區(qū)的巖土熱物性參數(shù)。

2.1 試驗(yàn)?zāi)康募霸?/h3>

2.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)測(cè)試儀器，對(duì)研究區(qū)的試驗(yàn)孔進(jìn)行一定時(shí)間的不間斷熱響應(yīng)測(cè)試，測(cè)得場(chǎng)地巖土的初始溫度、巖土土壤平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻參數(shù)等數(shù)據(jù)，為場(chǎng)地地源熱泵系統(tǒng)的地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

巖土的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等參數(shù)隨著巖土各層土質(zhì)的不同而不同；地埋管換熱器影響深度范圍內(nèi)的綜合巖土導(dǎo)熱系數(shù)和綜合比熱容，是工程設(shè)計(jì)最重要的參數(shù)，這一參數(shù)更能反映地埋管換熱系統(tǒng)的換熱能力[3]。

本次研究獲得的參數(shù)是直接在地下鉆孔換熱器中進(jìn)行測(cè)量的，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)綜合考慮了地下不同巖土層的熱物性及鉆孔深度內(nèi)地下水的影響等的其他周圍環(huán)境因素的影響，其得出的數(shù)值更能真實(shí)的反應(yīng)場(chǎng)地的巖土特征，為設(shè)計(jì)地下?lián)Q熱器提供依據(jù)[3]。

2.1.2試驗(yàn)原理

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)行取熱還是加熱試驗(yàn)，其導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等熱物理性質(zhì)不會(huì)發(fā)生改變[4] [5]。因此按照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2009）中規(guī)定，采用向巖土施加一定加熱功率的方式，來(lái)進(jìn)行巖土熱物性參數(shù)的測(cè)試[5]。

土壤熱物性的測(cè)試方法主要有兩種：“恒熱流法”和“恒溫法”[4]。本次測(cè)試采用“恒熱流法”。“恒熱流法”的原理是指采用恒定功率的電加熱，記錄地埋管進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化。

在ASHRAE手冊(cè)中對(duì)恒熱流法熱響應(yīng)試驗(yàn)作了相應(yīng)的技術(shù)要求，規(guī)定巖土熱物性測(cè)試的時(shí)間應(yīng)為36～48小時(shí)[4]。加熱功率應(yīng)為每米鉆孔50～80W，因?yàn)榇斯β蚀笾聻閷?shí)際U型管換熱器高峰負(fù)荷值[4]。

1.1.1 試驗(yàn)材料 2017年5月9日在浙江省杭州市臨安區(qū)浙江農(nóng)林大學(xué)平山試驗(yàn)基地種植徐薯22．每個(gè)小區(qū)面積3.6 m2,扦插60株,3次重復(fù)．8月5日開(kāi)始采收,測(cè)定小區(qū)內(nèi)的甘薯葉和葉柄,間隔10 d再進(jìn)行一次采收,至8月25日,共采收3次;采收的甘薯葉片葉柄在45 ℃烘干至恒質(zhì)量,粉碎,過(guò)90目篩，低溫保存待測(cè)．

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備階段

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，擬在本工程規(guī)劃區(qū)域內(nèi)布置1個(gè)測(cè)試鉆孔，孔深100m，采用潛孔錘鉆探。

鉆探結(jié)束后立即進(jìn)行U型換熱器的埋管和回填工序。為了測(cè)試地埋管換熱器的密閉性，在埋管前對(duì)地埋管進(jìn)行試壓試驗(yàn)，并且?guī)合鹿?，以保證在埋管過(guò)程中管子不被損壞?；靥畈牧喜捎弥写稚埃米⑺辽胺ɑ靥?，回填過(guò)程中要保證回填材料的均勻、密實(shí)，回填完畢后靜止放置孔48小時(shí)以上。

2.2.2 試驗(yàn)步驟

在地埋管安裝完畢48小時(shí)以后，用巖土熱物性測(cè)試儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試。

巖土熱物性測(cè)試儀主要由循環(huán)水泵、電加熱器、溫度傳感器、渦輪流量計(jì)、電量變送器和電壓控制模塊以及數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)組成[8]?，F(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)的測(cè)試孔的孔深、回填方式、埋管材料等均應(yīng)與實(shí)際設(shè)計(jì)埋管井一致，測(cè)試完可作為埋管鉆井使用，并能真實(shí)的反映場(chǎng)地的巖土熱物性。測(cè)試過(guò)程中，在循環(huán)水泵的作用下，水在測(cè)試儀器和地埋管換熱器組成的閉環(huán)環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，當(dāng)水流到加熱器時(shí)被加熱，然后經(jīng)過(guò)地埋管流入地下。由于埋管中水與周圍巖土存在溫差，所以會(huì)發(fā)生熱能交換，這個(gè)溫差就是地下巖土的溫度響應(yīng)。

圖2 試驗(yàn)孔的原始地溫變化曲線

全部測(cè)試設(shè)備、儀器、儀表就位，并對(duì)暴露在外邊的管道做保溫處理，然后進(jìn)行研究區(qū)巖土體的熱物性測(cè)試。首先，測(cè)試巖土體的初始平均溫度，待進(jìn)回水溫度穩(wěn)定后連續(xù)觀測(cè)24小時(shí)。然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，本次試驗(yàn)采用模擬夏季工況，進(jìn)行“恒熱流法”（恒加熱功率）測(cè)試，測(cè)試連續(xù)進(jìn)行48小時(shí)。測(cè)試開(kāi)始后，每隔30s記錄一次進(jìn)出口水溫、溫差、流量、壓力、加熱功率、延米換熱數(shù)據(jù)。

2.2.3測(cè)試數(shù)據(jù)分析

1）地層初始平均溫度

由圖2可以看出，測(cè)試初期，進(jìn)水溫度和回水溫度差異較大，在17.7℃上下變動(dòng)。測(cè)試進(jìn)行3小時(shí)后，進(jìn)水溫度和回水溫度趨于一致，穩(wěn)定在17.7℃，這時(shí)的回水溫度便是測(cè)試研究區(qū)地層的初始平均溫度，即為17.7℃。

圖3 試驗(yàn)孔進(jìn)回水溫度分布曲線

2）巖土熱物性參數(shù)

地層初始溫度測(cè)試完畢后，進(jìn)行熱工況模擬，加熱功率設(shè)定為7.5KW，出口溫度設(shè)定為30℃，溫度回差設(shè)定為1℃，流量設(shè)定為2m3/h。由圖3可以看出，測(cè)試初期，進(jìn)水溫度和回水溫度不斷升高，測(cè)試進(jìn)行12小時(shí)后，進(jìn)水溫度和回水溫度趨于跳躍式穩(wěn)定。巖土體換熱是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，由于本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率較高為30s/次，加上測(cè)試儀器本身的原因，數(shù)據(jù)呈周期性跳躍，所以數(shù)據(jù)處理中剔除了其中的高異常值和低異常值。

《淺層地?zé)崮芸辈煸u(píng)價(jià)規(guī)范》要求測(cè)試過(guò)程中流量應(yīng)基本保持穩(wěn)定[5]。本次試驗(yàn)流量設(shè)定為2m3/h，測(cè)試過(guò)程中流量保持穩(wěn)定。

圖4 試驗(yàn)孔平均溫度變化曲線

通過(guò)擬合時(shí)間和溫度的對(duì)數(shù)曲線，可以利用斜率法計(jì)算巖土導(dǎo)熱系數(shù)和鉆孔內(nèi)熱阻。斜率法就是以現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試時(shí)間t取對(duì)數(shù)ln(t)作為X坐標(biāo)，得到一系列溫度點(diǎn)，然后以試驗(yàn)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)Tf作為Y坐標(biāo)，根據(jù)這些溫度點(diǎn)擬合出Tf與ln(t)的關(guān)系式（1）：

其中，T為地埋管進(jìn)口處、出口處循環(huán)流體溫度取平均值，℃；為測(cè)試時(shí)間，min。

擬合曲線見(jiàn)圖4，得出=3.1261，=19.086，擬合度達(dá)0.9471。

張?chǎng)蝃6]推導(dǎo)出地埋管換熱器地下熱傳導(dǎo)的理論解析式（2）：

對(duì)比式1和式2可得：

對(duì)式3和式4作相應(yīng)變形如下：

由式5和式6可知，利用斜率法可的巖土的導(dǎo)熱系數(shù)κs=1.91 W/(m·K)和鉆孔內(nèi)的熱阻Rb= 0.36 m·K/W。

通過(guò)測(cè)試和分析得出，研究區(qū)巖土土壤平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.91 W/(m·K)，鉆孔內(nèi)的熱阻為0.36 m·K/W。僅對(duì)單井測(cè)試結(jié)果，群井應(yīng)乘安全系數(shù)建議0.6~0.9，該系數(shù)以布井方式和數(shù)量不同而不同[7]。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，由于不同地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異性和復(fù)雜性，本次測(cè)試結(jié)果僅能代表該研究區(qū)內(nèi)的巖土熱物性參數(shù)，而不能盲目地把數(shù)據(jù)的適用范圍擴(kuò)大。本測(cè)試結(jié)果僅對(duì)本測(cè)試井，當(dāng)本區(qū)域存在大量布置換熱井群時(shí)，參照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（GB50366-2009）》相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)計(jì)算。

3 結(jié)論及建議

根據(jù)熱響應(yīng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，分析得出：研究區(qū)巖土的初始溫度為17.7℃，巖土土壤平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.91 W/(m·K)，鉆孔內(nèi)的熱阻為0.36 m·K/W。該數(shù)據(jù)僅為單井測(cè)試結(jié)果，群井應(yīng)乘安全系數(shù)建議取0.6~0.9。通過(guò)研究，得出研究區(qū)巖土土壤平均綜合導(dǎo)熱系數(shù)較高，適宜做地源熱泵系統(tǒng)，可為研究區(qū)內(nèi)地源熱泵的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[1] 楊衛(wèi)波，朱潔蓮，謝治祥．地源熱泵地下巖土熱物性現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試方法研究流體機(jī)械，2011，39(9)：57-61．

[2] 四川省地質(zhì)局第二區(qū)測(cè)隊(duì)．綿陽(yáng)幅H－48－Ⅲ區(qū)測(cè)報(bào)告及地質(zhì)圖（1∶20萬(wàn)）[R].1967.

[3] 何清，曾玉蘭，張文濤．六安市某項(xiàng)目巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)簡(jiǎn)介[C]．第十三屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)第十四分會(huì)場(chǎng)——地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用與低碳經(jīng)濟(jì)研討會(huì).2011.

[4] 許浩天，祝?。畮r土熱響應(yīng)試驗(yàn)在工程中的應(yīng)用[C]．中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑熱能動(dòng)力分會(huì)第十八屆學(xué)術(shù)交流大會(huì)暨第四屆全國(guó)區(qū)域能源專業(yè)委員會(huì)年會(huì)．2013.

[5] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部,中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（GB50366-2009）[S].2009．

[6] ASHRAE Handbook—HVAC Applications（Geothermal Energy 32.12）[E]，2007．

[7] 中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部．淺層地?zé)崮芸辈煸u(píng)價(jià)規(guī)范（DZ/T 0225-2009）[S]，2009．

[8] 張?chǎng)危怪笔降芈窆軗Q熱理論及巖土熱物性參數(shù)試驗(yàn)方法[D].長(zhǎng)安大學(xué).2012.

A Study of Thermal Properties of Rock and Soil of a Site in Anzhou District of Mianyang City, Sichuan Province

YANG Miao-lin1TIAN Heng-zhao1YUAN Xiao-qing2

(1-No. 909 Hydrogeological and Engineering Geological Team, BGEEMRSP, Mianyang, Sichuan 621000; 2-China Southwest Geotechnical Investigation & Design Institute Co.,Ltd., Chengdu 610000)

The Coefficient of thermal properties of rock and soil is an important parameter in the study of ground source heat pump. Field thermal response test of a grain storage in the Anzhou District of Mianyang City shows that initial temperature of rock and soil is 17.7 ℃, average comprehensive thermal conductivity of soil is 1.91 w/(m·k) and thermal resistance in bore hole is 0.36 m·k/w. These data provide the basis for the design of the ground source heat pump in the research area.

thermal properties of rock and soil; field test; Mianyang, Sichuan; Anzhou

2019-11-05

楊苗林（1989-），女，山西長(zhǎng)治人，工程師，研究方向：水工程地質(zhì)

P314.3

A

1006-0995（2020）04-0624-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.020