有關巖土地質結構熱物性對地下蓄能影響淺析

張莉

摘 要：地熱能是一種新的潔凈能源，地熱資源的有效利用是解決當今能源耗竭的重要途徑和手段。文章通過對孔隙、巖溶裂隙型含水熱儲層及復合熱儲層賦存的分析，估算了研究區內各熱儲溫度、地熱資源總量、可利用地熱資源量和地下熱水的熱流量，評價分析了總能量熱物理性參數及地熱流體的質量。

關鍵詞：地熱資源；熱儲層；資源利用

本文對地埋管地源熱泵系統主要通過有限元軟件ABAQUS進行數值模擬。開展地下巖土體的傳熱蓄能研究，模擬試驗場根據巖土熱物力性質和地下水條件選擇兩個試驗場，分別為A試驗場和B試驗場。B試驗場處于崗地（二級階地），換熱體為巖石，無地下水影響；A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，監測系統運行條件下巖、土、水體溫度變化，并對監測數據展開分析研究。監測場選取甘肅某高層住宅地下水源熱泵系統。通過上述方式，分析巖、土、水體蓄能傳熱規律，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的優化設計、運行管理提供參考，達到用好、用足淺層地溫能資源的目的。

一、地下蓄能定量評價方法分析

巖土層中蓄積能量通過公式Q=cm△T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，根據各圈、各層處物理、熱物理參數，不同時間節點溫度變化值，即可估算出每圈層和整個換熱孔周邊一帶范圍內的熱量蓄積量。以A試驗場為例，在主孔中心、半徑為0.8m、1.5m、2.0m、2.5m處布置有監測孔，每個監測孔中按10m間隔預先埋置有測溫探頭，連續7天加熱時長期監測了該范圍內地層溫度變化，即可進行估算。具體計算時，由于表層5m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測孔溫度分別代表影響半徑圓環范圍內的平均溫度，在水平面上將其劃分為5個圓環范圍，分別為：0-0.4m，0.4-1.15m，1.15-1.75m，1.75-2.25m，2.25-2.5m；豎直方向上每10m監測的溫度代表該點上下各5m厚度范圍的溫度，將不同深度范圍內巖土體分為多層。建立一個5×4的圓環柱體模型，分別計算單個圓環柱體的蓄積能量。單個圓環柱體蓄能量=密度×體積×比熱容×溫差，最后分塊求和得出總的蓄能量，即5m直徑、40m深度換熱巖土柱體中的蓄能量。

上述方法可利用監測數據對地埋管地源熱泵系統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。

二、地質結構熱物性的數值計算

土壤內部傳熱是一個復雜過程，它是一個有源傳熱過程，有時伴隨著熱濕遷移等現象。在傳熱數值計算過程中，假設條件還包括：土壤性質均勻； 巖土熱物性在研究溫度范圍內變化可忽略； 不考慮由于溫度變化導致的熱濕遷移；各個單孔熱源屬于獨立中心對稱；交互熱作用符合疊加原則。在蓄能傳熱計算過程中，以熱流密度的形式（系統功率相對恒定的方式）進行負荷加載。采取不同的換熱孔群數量或布置形態，探討各種蓄能工況。布置8×8豎孔地下換熱器群（64個熱源），總的計算區域為96m×96m，熱源布置區域為48m×48m。豎孔間距為6m。由于熱源群布置具有對稱性，計算處理過程可選擇其中的四分之一區域。網格劃分遵守有限元網格劃分規則，即在計量變化幅度大的區域網格劃分較為密集，而變化幅度小的區域網格較為稀疏，從而兼顧計算速度和精度兩者之間的關系。對比兩種巖土溫度變化可知，具有良好導熱能力的花崗巖地質條件，蓄能后溫度場發生了整體的上升，而導熱稍差的粘土在蓄能后土壤溫度場的溫度梯度相對較大，無法達到更好的熱量外圍擴散，各換熱器之間仍保持熱作用獨立。粘土地質條件由于導熱擴散能力較低，在熱源井孔附近的溫度上升程度遠遠超過花崗巖地質條件溫度，形成較為嚴重的孔壁處熱淤積現象，導致溫度驟升。同時，粘土意味著在蓄能過程中需要更高品位的熱能，或者更高溫度的能量蓄能； 溫度高反映出沒有有效利用各地下換熱器熱源周邊的空間，或者說過大的間距，浪費了地域空間。因此，低導熱能力的地質條件更需要間歇蓄能控制。通過監測記錄數據，抽水井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℃。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%。夏季制冷運行結束經過過渡期，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，此時主機蒸發溫度較高，有利于提高機組冷凝熱，提高系統運行效率，減小系統耗電量，整個空調系統更加節能。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、反季節需要的能量。

三、結束語

地下巖土地質構造熱物性參數決定傳熱能力和蓄能效果，在地下換熱器系統設計計算確定中具有重要作用，它們的偏差對地下換熱器系統設計產生直接的影響。地下巖土蓄能體的導熱系數決定了在蓄入周期內能量的擴散能力，較低導熱系數的巖土地質構造條件導致地下換熱器熱源孔邊形成巨大的溫度剃度和能量淤積，要求更高品位的蓄熱能源。地下巖土蓄能體的體積比熱決定了在蓄入周期內能量的存儲能力。熱容能力的降低導致區域溫度和孔邊溫度梯度上升，盡管熱流作用范圍和程度加大，但是需要更高品位的熱源能量。低體積比熱地下巖土蓄能體的溫度增加，卻不利于蓄存大規模的能量。

參考文獻：

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